[发明专利]一种基于结构体矩阵的砂岩三维真实模型重构方法

说明书

本发明公开了一种基于结构体矩阵的砂岩三维真实模型重构方法，它包括运用X‑射线成像设备获取砂岩标准试件几何拓扑结构图像数据；将图像数据转换成离散三维数字化矩阵；运用Chan‑Vese模型对砂岩数字矩阵进行两相分割；建立结构体矩阵模式库：基于砂岩数据的结构体矩阵确立对应的中心体素单元模式和坐标信息；通过结构体矩阵反演得到几何拓扑结构数据和线性插值，得到砂岩两相微观结构的点坐标和方向矩阵，从而实现砂岩三维模型重构过程和结果可视化。本发明的优点是：运用结构体矩阵完成几何拓扑结构数据的存储、搜寻和恢复，提高了计算效率，降低了数据存储内存消耗，减少了三维重构模型与真实试件之间的误差。

技术领域

本发明属于岩石微观结构图像处理技术领域，具体涉及一种基于数字化结构体矩阵建立砂岩三维真实模型的数字化重构方法。

背景技术

砂岩是常见的建筑材料、地下水资源、矿产资源和石油等能源的储层岩石。这些深部资源的开发与储层岩石的微观几何结构和破坏特征紧密相关，准确建立岩石三维微观结构可以有效还原岩石微观几何结构演化特征，揭示岩石变形破坏和内部流体流动规律，能为深部岩石破裂致灾机理、灾害防控技术及深部资源的开发技术提供一定的理论支持。

现有砂岩三维模型重构主要分为面重构(如移动立方体技术)、体重构技术(如射线追踪技术)和基于树结构模型的重构算法。树结构重构算法主要是通过树形模式结构(一层一层依次二值化向下发展的结构)建立相应数据，然后重构三维模型。这些算法中，移动立方体算法最为简洁，它是一种经典的面重构技术，它的基本思想是在给定的三维数据的每一个体元(一般由八个体素组成)中寻找顶点数值与给定数值的关系，并根据这种分布关系寻找等值面，最后用三角形将等值点连接组成等值面。移动立方体技术的三维模型重构过程包括以下步骤：步骤1、获取研究对象三维数据并读取到内存中；步骤2、提取计算单元8个顶点组成立方体，将立方体顶点值与给定等值面值比较，建立立方体索引；步骤3、在查找表中搜寻索引点，获取三角面片顶点准确位置和法线方向；步骤4、输出三角形面片顶点和法线数据，进行可视化显示。虽然这些技术可以快速建立研究对象的三维模型，但是它们在实际工程中建立岩石三维模型时都具有以下的问题：

1、由于岩石内部空间特征复杂，且岩石内部各类微观结构相之间存在相互影响，部分曲面和空洞三维特征信息识别精度低、容易丢失部分三维模型空间特征信息。

2、三维模型重构过程存储数据多，存储方式未优化，且现有技术数据存储结构冗杂，导致数据搜寻传递过程需要耗费大量时间，因此三维模型重构过程计算效率低、数据存储内存消耗大；

3、由于不同重构算法对岩石内部微观结构识别和分割、空间特征信提取精度较低，导致部分微小孔隙和曲面特征信息等丢失，所以三维重构模型精度与实际研究对象模型存在一定程度差异、特别是微观结构特征。

结构体矩阵是在Python编程语言中定义的结构体矩阵(或结构体数组)，用于存储各种分类特征数据等信息，例如A为一个结构体矩阵，它的形式为 A＝{Ax；Ay；Az；……}，其中每个分类(如Ax)可以是由数字、字符串等标准的向量、数组或者矩阵。结构体矩阵的优点：1、有顺序的数据存储，剔除了现有技术中数据存在中多余空间消耗；2、数据传递、搜寻和恢复过程可精准定位提取特征信息，依次地快速提取有效特征信息(如孔隙特征)。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明所要解决的技术问题就是提供一种基于结构体矩阵的砂岩三维真实模型重构方法，它能够提高三维模型重构过程的计算效率、降低模型数据存储内存消耗，保留更多的砂岩空间微观结构特性信息，提高模型精度，从而降低重构模型与真实岩石差异。

本发明所要解决的技术问题是通过这样的技术方案实现的，它包括以下步骤：

步骤1、选定需建模型的砂岩块体，制作具有一定尺寸的圆柱体或长方体标准试件，运用X-射线成像设备获取砂岩标准试件几何拓扑结构图像数据；

步骤2、将获取的砂岩几何拓扑结构图像数据转换成离散三维(3D)数字化矩阵：