生态环境学报 ›› 2024, Vol. 33 ›› Issue (1): 119-130.DOI: 10.16258/j.cnki.1674-5906.2024.01.013
李雪莹1,2,3(), 陆峥2,3, 何源1,2,3, 杨晓帆2,3,*(
)
收稿日期:
2023-08-04
出版日期:
2024-01-18
发布日期:
2024-03-19
通讯作者:
*杨晓帆。E-mail: xfyang@bnu.edu.cn作者简介:
李雪莹(1999年生),女,博士研究生,主要从事地下水溶质运移模型研究。E-mail: lixueying@mail.bnu.edu.cn
基金资助:
LI Xueying1,2,3(), LU Zheng2,3, HE Yuan1,2,3, YANG Xiaofan2,3,*(
)
Received:
2023-08-04
Online:
2024-01-18
Published:
2024-03-19
摘要:
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)OpenFOAM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。
中图分类号:
李雪莹, 陆峥, 何源, 杨晓帆. 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[J]. 生态环境学报, 2024, 33(1): 119-130.
LI Xueying, LU Zheng, HE Yuan, YANG Xiaofan. Reconstruction of Porous Media Microstructure Via X-ray Computed Tomography and Generative Adversarial Networks[J]. Ecology and Environment, 2024, 33(1): 119-130.
Y仪器型号及参数 | CT METROTOM 1500 225 kV |
---|---|
射线管输出功率/W | 300‒450 |
射线管输出电压/kV | 189‒200 |
射线管输出电流/μA | 1.80×103‒2.50×103 |
仪器最小分辨率/μm | 7 |
满足上述条件的湿度 | 18‒22 ℃, 2.0 K∙d−1, 1.0 K∙m−1, 40%‒70% (无凝结) |
表1 XCT扫描参数
Table 1 Parameters of XCT scanning
Y仪器型号及参数 | CT METROTOM 1500 225 kV |
---|---|
射线管输出功率/W | 300‒450 |
射线管输出电压/kV | 189‒200 |
射线管输出电流/μA | 1.80×103‒2.50×103 |
仪器最小分辨率/μm | 7 |
满足上述条件的湿度 | 18‒22 ℃, 2.0 K∙d−1, 1.0 K∙m−1, 40%‒70% (无凝结) |
参数 | 石英砂 | 土壤 |
---|---|---|
原始图像大小 | 5003 | 6503 |
训练图像大小 | 643 | 643 |
批处理数据量 | 4 | 4 |
学习率 | 10−5 | 10−5 |
迭代次数 | 1000 | 1000 |
GPU数量 | 4 | 4 |
优化器 | Adam | Adam |
第一动量衰减因子 | 0.999 | 0.999 |
Z向量大小 | 512 | 512 |
模型稳定性方法 | White Noise (σ=0.1) | White Noise (σ=0.1) |
表2 GAN模型训练参数
Table 2 Training parameters of GAN
参数 | 石英砂 | 土壤 |
---|---|---|
原始图像大小 | 5003 | 6503 |
训练图像大小 | 643 | 643 |
批处理数据量 | 4 | 4 |
学习率 | 10−5 | 10−5 |
迭代次数 | 1000 | 1000 |
GPU数量 | 4 | 4 |
优化器 | Adam | Adam |
第一动量衰减因子 | 0.999 | 0.999 |
Z向量大小 | 512 | 512 |
模型稳定性方法 | White Noise (σ=0.1) | White Noise (σ=0.1) |
参数 | 石英砂 |
---|---|
粘度η/(Pa·s) | 0.010 |
流体密度ρ/(kg·m−3) | 1.00 |
重力加速度g/(m·s−2) | 9.80 |
表3 CFD数值模拟参数
Table 3 Parameters of CFD simulation
参数 | 石英砂 |
---|---|
粘度η/(Pa·s) | 0.010 |
流体密度ρ/(kg·m−3) | 1.00 |
重力加速度g/(m·s−2) | 9.80 |
模拟条件 | 压力场p | 速度场u |
---|---|---|
初始条件 | 均质场,0 | |
入口条件 | 出入口, 均值10−5 | 零梯度 |
出口条件 | 固定值, 均值0 | |
上边界条件 | 循环 | 循环, 均值0 |
表4 CFD数值模拟条件
Table 4 Conditions of CFD simulation
模拟条件 | 压力场p | 速度场u |
---|---|---|
初始条件 | 均质场,0 | |
入口条件 | 出入口, 均值10−5 | 零梯度 |
出口条件 | 固定值, 均值0 | |
上边界条件 | 循环 | 循环, 均值0 |
图7 x、y、z三方向标准化后被向量r分割的两点属于孔隙的概率
Figure 7 Normalized probability from x, y, and z direction of two points connected by vector r that belongs to pore space
评价指标 | 石英砂 | 土壤 | |||
---|---|---|---|---|---|
训练数据 | 合成数据 | 训练数据 | 合成数据 | ||
平均孔隙弦长 [像素](变量) | 8.62 | 13.6 | 10.9 | 18.6 | |
平均粒径弦长 [像素] (变量) | 11.5 | 17.7 | 10.2 | 17.6 | |
孔隙度 (变量) | 0.428 | 0.433 | 0.517 | 0.534 | |
表面面积 (变量) | 1.60×10−8 | 1.65×10−8 | 1.62×10−8 | 1.65×10−8 | |
平均曲率 (变量) | 2.89×10−11 | 1.59×10−11 | 1.99×10−10 | 1.25×10−10 | |
欧拉数 (变量) | −2.22×10−11 | −2.74×10−11 | −2.02×10−11 | −2.74×10−11 |
表5 Minkowski参数评价结果
Table 5 Results of Minkowski functional evaluation
评价指标 | 石英砂 | 土壤 | |||
---|---|---|---|---|---|
训练数据 | 合成数据 | 训练数据 | 合成数据 | ||
平均孔隙弦长 [像素](变量) | 8.62 | 13.6 | 10.9 | 18.6 | |
平均粒径弦长 [像素] (变量) | 11.5 | 17.7 | 10.2 | 17.6 | |
孔隙度 (变量) | 0.428 | 0.433 | 0.517 | 0.534 | |
表面面积 (变量) | 1.60×10−8 | 1.65×10−8 | 1.62×10−8 | 1.65×10−8 | |
平均曲率 (变量) | 2.89×10−11 | 1.59×10−11 | 1.99×10−10 | 1.25×10−10 | |
欧拉数 (变量) | −2.22×10−11 | −2.74×10−11 | −2.02×10−11 | −2.74×10−11 |
[1] | BLUNT M J, 2017. Multiphase flow in permeable media: A pore-scale perspective[M]. Cambridge: Cambridge University Press. |
[2] |
BULTREYS T, DE BOEVER W, CNUDDE V, 2016. Imaging and image-based fluid transport modeling at the pore scale in geological materials: A practical introduction to the current state-of-the-art[J]. Earth-Science Reviews, 155: 93-128.
DOI URL |
[3] |
BULTREYS T, BOONE M A, BOONE M N, et al., 2015. Real-time visualization of Haines jumps in sandstone with laboratory-based microcomputed tomography[J]. Water Resources Research, 51(10): 8668-8676.
DOI URL |
[4] | CHUNG S Y, KIM J S, DIETMAR S, 2019. Overview of the use of micro-computed tomography (micro-CT) to investigate the relation between the material characteristics and properties of cement-based materials[J]. Construction and Building Materials, 229(1168): 43-55. |
[5] |
FULLWOOD D T, NIEZGODA S R, KALIDINDI S R, 2008. Microstructure reconstructions from 2-point statistics using phase-recovery algorithms[J]. Acta Materialia, 56(5): 942-948.
DOI URL |
[6] |
GARCIA-GARCIA A, ORTS-ESCOLANO S, OPREA S, 2018. A survey on deep learning techniques for image and video semantic segmentation[J]. Applied Soft Computing, 70: 41-65.
DOI URL |
[7] | GOODFELLOW I, POUGET-ABADIE J, MIRZA M, et al., 2020. Generative adversarial networks[J]. Association for Computing Machinery, 63(11): 139-144. |
[8] | GRACZYK K M, MATYKA M, 2020. Predicting porosity, permeability, and tortuosity of porous media from images by deep learning[J]. Scientific Report, 10(1): 1-11. |
[9] |
GUIBERT R, NAZAROVA M, HORGUE P, 2015. Computational permeability determination from pore-scale imaging: Sample size, mesh and method sensitivities[J]. Transport in Porous Media, 107: 641-656.
DOI URL |
[10] |
HORGUE P, SOULAINE C, FRANC J, 2015. An open-source toolbox for multiphase flow in porous media[J]. Computer Physics Communications, 187: 217-226.
DOI URL |
[11] |
HÜTTER M, 2003. Heterogeneity of colloidal particle networks analyzed by means of Minkowski functionals[J]. Physical Review E, 68(3): 031404.
DOI URL |
[12] |
JI X M, QIAN J, RAHMAN S M J, et al., 2018. XCT (SLC7A11)-mediated metabolic reprogramming promotes non-small cell lung cancer progression[J]. Oncogene, 37(36): 5007-5019.
DOI PMID |
[13] |
KAMRAVA S, TAHMASEBI P, SAHIMI M, 2020. Linking morphology of porous media to their macroscopic permeability by deep learning[J]. Transport in Porous Media, 131: 427-448.
DOI |
[14] |
KATO M, KANEKO K, TAKAHASHI M, 2015. Segmentation of multi-phase X-ray computed tomography images[J]. Environmental Geotechnics, 2(2): 104-117.
DOI URL |
[15] | KLAIN D A, ROTA G C, 1997. Introduction to geometric probability[M]. Cambridge: Lezioni Lincee. |
[16] | MAAS A L, HANNUN A Y, NG A Y, 2013. Rectifier nonlinearities improve neural network acoustic models[J]. Journal of Machine Learning Research, 30(28): 1-6. |
[17] | MATHERON G, 1971. Elements pour une theorie des milieux poreux[M]. Paris: Masson. |
[18] |
MOSSER L, DUBRULE O, BLUNT M J, 2017. Reconstruction of three-dimensional porous media using generative adversarial neural networks[J]. Physical Review E, 96: 043309.
DOI URL |
[19] |
NIEZGODA S R, FULLWOOD D T, KALIDINDI S R, 2008. Delineation of the space of 2-point correlations in a composite material system[J]. Acta Materialia, 56(18): 5285-5292.
DOI URL |
[20] | REIJONEN H M, KUVA J, HEIKKILA P, 2020. Benefits of applying X-ray computed tomography in bentonite based material research focused on geological disposal of radioactive waste[J]. Environmental Science and Pollution Research, 27(38): 407-421. |
[21] |
RIESCO R, BOYER L, BLOSSE S, 2019. Water-in-PDMS emulsion templating of highly interconnected porous architectures for 3D cell culture[J]. American Chemical Society, 11(286): 31-40.
DOI URL |
[22] | SAHIMI M, 2003. Heterogeneous materials I: Linear transport and optical properties[M]. New York: 175 Fifth Avenue. |
[23] | SCHLÜTER S, SHEPPARD A, BROWN K, et al., 2014. Image processing of multiphase images obtained via X-ray microtomography: A review[J]. Water Resources Research, 50(36): 15-39. |
[24] |
SCHOLZ C, WIRNER F, KLATT M A, 2015. Direct relations between morphology and transport in Boolean models[J]. Physical Review E, 92: 043023.
DOI URL |
[25] | SERGEY I, CHRISTIAN S, 2015. Batch Normalization: Accelerating deep network training by reducing internal covariate shift[J]. Proceedings of Machine Learning Research, 37: 448-456. |
[26] |
SUDAKOV O, BURNAEV E, KOROTEEV D, 2019. Driving digital rock towards machine learning: Predicting permeability with gradient boosting and deep neural networks[J]. Computers & Geosciences, 127: 91-98.
DOI URL |
[27] | TOWNSEND A, PAGANI L, SCOTT P, et al., 2017. Areal surface texture data extraction from X-ray computed tomography reconstructions of metal additively manufactured parts[J]. Precision Engineering, 48(4): 72. |
[28] |
VARFOLOMEEV I, YAKIMCHUK I, SAFONOV I, 2019. An application of deep neural networks for segmentation of microtomographic images of rock samples[J]. Computers, 8(4): 1-21.
DOI URL |
[29] | WANG F, CHENG Y, LU S, 2014. Influence of coalification on the pore characteristics of middle-high rank coal[J]. Energy & Fuels, 28(57): 29-36. |
[30] |
WANG H, YIN Y, HUI X Y, et al., 2020. Prediction of effective diffusivity of porous media using deep learning method based on sample structure information self-amplification[J]. Energy and AI, 2: 100035.
DOI URL |
[31] | WU H Y, FANG W Z, KANG Q J, 2019. Predicting effective diffusivity of porous media from images by deep learning[J]. Scientific Report, 9: 20387. |
[32] |
ZHANG F, TENG Q Z, CHEN H G, 2021. Slice-to-voxel stochastic reconstructions on porous media with hybrid deep generative model[J]. Computational Materials Science, 186: 110018.
DOI URL |
[33] |
ZHANG Y T, JIANG F, TSUJI T, 2022. Influence of pore space heterogeneity on mineral dissolution and permeability evolution investigated using lattice boltzmann method[J]. Chemical Engineering Science, 247: 117048.
DOI URL |
[1] | 王郑钧, 王邵军, 肖博, 解玲玲, 郭志鹏, 张昆凤, 张路路, 樊宇翔, 郭晓飞, 罗双, 夏佳慧, 李瑞, 杨胜秋, 兰梦杰. 西双版纳热带森林土壤有机碳积累-分配动态对蚂蚁筑巢活动的响应[J]. 生态环境学报, 2024, 33(1): 35-44. |
[2] | 袁佳宝, 宋艳宇, 刘桢迪, 朱梦圆, 程小峰, 马秀艳, 陈宁, 李晓宇. 松嫩平原芦苇湿地土壤酶活性剖面分布特征及其微生物养分限制指示作用[J]. 生态环境学报, 2023, 32(12): 2141-2153. |
[3] | 李璇, 钱秀雯, 黄娟, 王鸣宇, 肖君. 纳米氧化镍暴露下人工湿地运行性能及微生物群落的响应[J]. 生态环境学报, 2023, 32(10): 1833-1841. |
[4] | 肖成志, 计扬, 李建忠, 张志, 巴仁基, 曹亚廷. 岷江上游生态脆弱性时空分异及驱动因子交互效应分析——以杂谷脑河流域为例[J]. 生态环境学报, 2023, 32(10): 1760-1770. |
[5] | 刘晨, 白雪冬, 赵海超, 黄智鸿, 刘松涛, 卢海博, 刘子刚, 刘雪玲. 寒旱区春玉米秸秆还田方式对土壤DOM光谱特征的影响机制[J]. 生态环境学报, 2023, 32(8): 1419-1432. |
[6] | 陈懂懂, 霍莉莉, 赵亮, 陈昕, 舒敏, 贺福全, 张煜坤, 张莉, 李奇. 青海高寒草地水热因子对土壤微生物生物量碳、氮空间变异的贡献——基于增强回归树模型[J]. 生态环境学报, 2023, 32(7): 1207-1217. |
[7] | 李海鹏, 黄月华, 孙晓东, 曹启民, 符芳兴, 孙楚涵. 海南农田不同质地砖红壤及其细菌群落与番茄青枯病发生的关联分析[J]. 生态环境学报, 2023, 32(6): 1062-1069. |
[8] | 周玉祥, 赵玉, 聂仁东, 丁丁, 郭立华, 周佳峥. 下辽河平原土地沙漠化程度及预测研究[J]. 生态环境学报, 2023, 32(6): 1133-1139. |
[9] | 王琳, 卫伟. 黄土高原典型县域生态系统服务变化特征及驱动因素[J]. 生态环境学报, 2023, 32(6): 1140-1148. |
[10] | 刘霞, 郭澍, 王琳. 区域一体化地区的土地利用与生态服务价值研究——以双莱先行区为例[J]. 生态环境学报, 2023, 32(6): 1163-1172. |
[11] | 董智今, 张呈春, 展秀丽, 张维福. 宁夏河东沙地生物土壤结皮及其下伏土壤养分的空间分布特征[J]. 生态环境学报, 2023, 32(5): 910-919. |
[12] | 王超, 杨倩楠, 张池, 刘同旭, 张晓龙, 陈静, 刘科学. 丹霞山不同土地利用方式土壤磷组分特征及其有效性[J]. 生态环境学报, 2023, 32(5): 889-897. |
[13] | 李传福, 朱桃川, 明玉飞, 杨宇轩, 高舒, 董智, 李永强, 焦树英. 有机肥与脱硫石膏对黄河三角洲盐碱地土壤团聚体及其有机碳组分的影响[J]. 生态环境学报, 2023, 32(5): 878-888. |
[14] | 周沁苑, 董全民, 王芳草, 刘玉祯, 冯斌, 杨晓霞, 俞旸, 张春平, 曹铨, 刘文亭. 放牧方式对高寒草地瑞香狼毒根际土壤团聚体及有机碳特征的影响[J]. 生态环境学报, 2023, 32(4): 660-667. |
[15] | 潘昱伶, 璩向宁, 李琴, 王磊, 王筱平, 谭鹏, 崔庚, 安雨, 佟守正. 黄河宁夏段典型滩涂湿地土壤理化因子空间分布特征及其对微地形的响应[J]. 生态环境学报, 2023, 32(4): 668-677. |
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