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基于岩石图像深度学习的多尺度岩性识别

马泽栋 马雷 李科 姚伟 王培丁 王鑫宇

马泽栋, 马雷, 李科, 姚伟, 王培丁, 王鑫宇. 基于岩石图像深度学习的多尺度岩性识别[J]. 地质科技通报, 2022, 41(6): 316-322. doi: 10.19509/j.cnki.dzkq.2022.0140
引用本文: 马泽栋, 马雷, 李科, 姚伟, 王培丁, 王鑫宇. 基于岩石图像深度学习的多尺度岩性识别[J]. 地质科技通报, 2022, 41(6): 316-322. doi: 10.19509/j.cnki.dzkq.2022.0140
Ma Zedong, Ma Lei, Li Ke, Yao Wei, Wang Peiding, Wang Xinyu. Multi-scale lithology recognition based on deep learning of rock images[J]. Bulletin of Geological Science and Technology, 2022, 41(6): 316-322. doi: 10.19509/j.cnki.dzkq.2022.0140
Citation: Ma Zedong, Ma Lei, Li Ke, Yao Wei, Wang Peiding, Wang Xinyu. Multi-scale lithology recognition based on deep learning of rock images[J]. Bulletin of Geological Science and Technology, 2022, 41(6): 316-322. doi: 10.19509/j.cnki.dzkq.2022.0140

基于岩石图像深度学习的多尺度岩性识别

doi: 10.19509/j.cnki.dzkq.2022.0140
基金项目: 

国家自然科学基金项目 41831289

国家自然科学基金项目 42072276

大学生创新创业训练计划项目 202010359061

详细信息
    作者简介:

    马泽栋(2000-), 男, 主要从事水文地质方向的研究工作。E-mail: 1044929468@qq.com

    通讯作者:

    马雷(1985-), 男, 副教授, 主要从事裂隙水运移多尺度模拟方面的研究工作。E-mail: Lei8505@hfut.edu.cn

  • 中图分类号: P585.2

Multi-scale lithology recognition based on deep learning of rock images

  • 摘要:

    岩性识别作为人工智能和大数据在地质工程细分领域的实践应用方向, 可以为相关人员野外地质工作提供有效助力。为了更好地促进岩性识别在专业领域的应用, 通过对巢湖北部山区的岩石图像采集、数据预处理、迁移学习、网络搭建、网络训练及模型测试等步骤, 实现了基于岩石图像的大数据深度学习识别; 并在归纳总结前人工作的基础上, 提出了多尺度岩性识别方法。根据岩石细观图像建立多尺度模型并赋予一定权重, 与岩石识别模型共同识别得到综合结果, 对岩石岩性整体识别的同时兼顾局部纹理、粒径等细观信息。研究结果表明, 本模型对岩石识别的适用性强, 多尺度方法对于提高识别结果的正确率具有一定的帮助, 模型的测试正确率达到95%以上, 能很好地识别岩石岩性。

     

  • 图 1  部分可视化训练样本

    Figure 1.  Part of visual training samples

    图 2  网络模型示意图(据文献[7]修改)

    Figure 2.  Schematic diagram of the network model

    图 3  模型网络架构图(据文献[17]修改)

    Figure 3.  Model network architecture

    图 4  模型网络训练过程曲线

    Figure 4.  Model network training process curve

    图 5  灰岩多尺度图片示意图

    Figure 5.  Multi-scale picture of limestone

    图 6  数据处理流程

    Figure 6.  Data processing process

    图 7  链条状灰岩

    Figure 7.  Chain limestone

    表  1  岩性数据集与数量

    Table  1.   Lithologic data set and quantity

    类别名称 训练样本数/个 测试样本数/个
    底部砾岩 385 96
    砂岩 298 74
    页岩 334 83
    泥岩 298 74
    链条状灰岩 32 8
    其他灰岩 77 19
    硅质岩 293 73
    杂色页岩 354 89
    方解石脉 187 47
    碎石土 137 34
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    表  2  不同模型调试结果

    Table  2.   Debugging results of different models

    迁移模型 训练集正确率/% 测试集正确率/%
    ResNet152 95.54 87.50
    ResNet101 98.21 84.82
    ResNet50 97.32 91.07
    InceptionV3 91.67 86.61
    Xception 97.02 91.07
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    表  3  ResNet50模型调试结果

    Table  3.   Resnet50 model debugging results

    批量大小 学习率
    0.01 0.001 0.000 5 0.000 1
    训练集正确率/% 测试集正确率/% 训练集正确率/% 测试集正确率/% 训练集正确率/% 测试集正确率/% 训练集正确率/% 测试集正确率/%
    3 14.31 14.88 91.07 91.07 98.21 80.36 84.89 85.71
    4 41.55 42.43 97.32 91.07 98.01 80.36 86.68 77.38
    5 65.50 53.67 95.86 96.43 93.75 86.61 80.95 81.25
    6 42.94 42.26 90.45 95.31 97.61 86.31 95.26 82.14
    7 43.74 39.88 95.49 95.63 97.81 89.88 92.64 88.69
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    表  4  多尺度权重确定和综合识别概率

    Table  4.   Multi-scale weight determination and comprehensive recognition probability

    权重 单尺度识别概率/% 多尺度识别概率/% 综合识别概率/%
    0.05 95.26 97.19 95.65
    0.10 94.23 97.86 94.98
    0.15 96.12 98.28 96.55
    0.20 97.89 99.13 98.14
    0.25 94.89 98.02 95.52
    0.30 95.30 97.59 95.76
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  • 收稿日期:  2021-06-28

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