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应用XCT断层扫描技术和GAN深度学习模型的多孔介质微观结构定量研究
1
作者
李雪莹
陆峥
+1 位作者
何源
杨晓帆
《生态环境学报》
CSCD
北大核心
2024年第1期119-130,共12页
物质在土壤中的迁移转化行为是研究地下水动力学的核心问题。定量化表征多孔介质拓扑结构并计算分析相关表面形态学参数,为研究复杂介质内物质运移微观机理提供了重要的数据基础和参数。应用微米级X射线计算机断层扫描(XCT)和图像处理技...
物质在土壤中的迁移转化行为是研究地下水动力学的核心问题。定量化表征多孔介质拓扑结构并计算分析相关表面形态学参数,为研究复杂介质内物质运移微观机理提供了重要的数据基础和参数。应用微米级X射线计算机断层扫描(XCT)和图像处理技术,结合前沿的机器学习算法重建和定量分析多孔介质微观结构,可快速、批量创建高分辨率的复杂多孔介质研究样本。首先采用XCT技术,提取石英砂和散装土壤两类典型多孔介质的微观孔隙结构;而后基于生成对抗神经网络(GAN)模型重构复杂多孔介质的微观空间结构,与XCT扫描图像进行交叉验证;最后,计算获取Minkowski形态学参数,并基于多孔介质微观结构开展计算流体力学(CFD)数值模拟,计算石英砂和土壤多孔介质内的流动特征和渗透率。结果表明:1)GAN生成的合成数据与原始数据符合KS同分布,说明GAN能够成功合成与原始图像结构空间分布模式一致的图像;2)Minkowski宏观参数评价误差的较小,KS同分布结果表明,多孔介质样本的结构异质性会在一定程度上影响GAN模型的计算精度和效率;3)Open FOAM模拟计算得到的渗透率结果表明,GAN模型生成的多孔介质图像与原始图像具有一致的统计特征和物理性质。综上,综合运用前沿的XCT扫描、图像处理技术和机器学习算法,构建了土壤微观结构重建和定量分析模型,并结合多孔介质形态学和计算流体力学方法对模型进行了验证和分析。该研究为多孔介质微观结构研究提供了新技术和新方法,为进一步研究复杂多孔介质内溶质运移提供了科技支撑。
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关键词
多孔介质
XCT断层扫描
GAN模型
Minkowski参数
计算流体力学
渗透率
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职称材料
题名
应用XCT断层扫描技术和GAN深度学习模型的多孔介质微观结构定量研究
1
作者
李雪莹
陆峥
何源
杨晓帆
机构
北京师范大学/环境演变与自然灾害教育部重点实验室
北京师范大学
/地表过程与资源生态国家
重点
实验室
北京师范大学
地理科学学部
出处
《生态环境学报》
CSCD
北大核心
2024年第1期119-130,共12页
基金
北京师范大学地表过程与资源生态国家重点实验室自主研究自由探索项目(12807-370100018)
北京师范大学环境演变与自然灾害教育部重点实验室2023年度研究生开放课题(120230629)。
文摘
物质在土壤中的迁移转化行为是研究地下水动力学的核心问题。定量化表征多孔介质拓扑结构并计算分析相关表面形态学参数,为研究复杂介质内物质运移微观机理提供了重要的数据基础和参数。应用微米级X射线计算机断层扫描(XCT)和图像处理技术,结合前沿的机器学习算法重建和定量分析多孔介质微观结构,可快速、批量创建高分辨率的复杂多孔介质研究样本。首先采用XCT技术,提取石英砂和散装土壤两类典型多孔介质的微观孔隙结构;而后基于生成对抗神经网络(GAN)模型重构复杂多孔介质的微观空间结构,与XCT扫描图像进行交叉验证;最后,计算获取Minkowski形态学参数,并基于多孔介质微观结构开展计算流体力学(CFD)数值模拟,计算石英砂和土壤多孔介质内的流动特征和渗透率。结果表明:1)GAN生成的合成数据与原始数据符合KS同分布,说明GAN能够成功合成与原始图像结构空间分布模式一致的图像;2)Minkowski宏观参数评价误差的较小,KS同分布结果表明,多孔介质样本的结构异质性会在一定程度上影响GAN模型的计算精度和效率;3)Open FOAM模拟计算得到的渗透率结果表明,GAN模型生成的多孔介质图像与原始图像具有一致的统计特征和物理性质。综上,综合运用前沿的XCT扫描、图像处理技术和机器学习算法,构建了土壤微观结构重建和定量分析模型,并结合多孔介质形态学和计算流体力学方法对模型进行了验证和分析。该研究为多孔介质微观结构研究提供了新技术和新方法,为进一步研究复杂多孔介质内溶质运移提供了科技支撑。
关键词
多孔介质
XCT断层扫描
GAN模型
Minkowski参数
计算流体力学
渗透率
Keywords
porous media
X-ray computer tomography(XCT)
generative adversarial networks(GAN)
Minkowski functionals
computational fluid dynamics(CFD)
permeability
分类号
X144 [环境科学与工程—环境科学]
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题名
作者
出处
发文年
被引量
操作
1
应用XCT断层扫描技术和GAN深度学习模型的多孔介质微观结构定量研究
李雪莹
陆峥
何源
杨晓帆
《生态环境学报》
CSCD
北大核心
2024
0
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职称材料
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