面向人工智能識(shí)別的巖漿巖斷面形態(tài)特征研究

張?jiān)娒省№n征　劉釗　付博　王文文

關(guān)鍵詞：巖漿巖外部特征;巖漿巖斷面特征分類體系;巖漿巖基礎(chǔ)特征庫

巖石識(shí)別是地質(zhì)調(diào)查中的基礎(chǔ)性工作。在野外地質(zhì)調(diào)查過程中，地質(zhì)工作者根據(jù)巖石的顏色、結(jié)構(gòu)構(gòu)造、礦物成分等辨識(shí)巖石的巖性。隨著地質(zhì)大數(shù)據(jù)時(shí)代的來臨，采用人工智能技術(shù)識(shí)別巖石已成為可能。通過圖像識(shí)別、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、深度學(xué)習(xí)等技術(shù)，訓(xùn)練人類已經(jīng)識(shí)別和鑒定的巖石圖像，并通過深度學(xué)習(xí)的方式來模擬人類識(shí)別巖石的過程和規(guī)律，實(shí)現(xiàn)手機(jī)拍照即識(shí)別的快捷功能，為野外巖石礦物的識(shí)別提供簡單易行的智能工具。

近年來，國內(nèi)外巖石識(shí)別技術(shù)正在興起。常見的巖石識(shí)別技術(shù)包括：1）高光譜技術(shù)能夠?qū)D像和光譜結(jié)合起來，分辨率可以達(dá)到納米級，并且可以上百個(gè)波段同時(shí)成像，通過比對巖石礦物的波普特征就可以對巖石進(jìn)行識(shí)別（王青華等，2000）。2）CT掃描可以將斷層單獨(dú)成像，能夠?qū)⑽矬w內(nèi)部的結(jié)構(gòu)構(gòu)成關(guān)系、物質(zhì)成分組成及損傷缺陷情況表現(xiàn)出來，CT掃描可以在很短的時(shí)間內(nèi)對物體進(jìn)行檢測，并且不對物體構(gòu)成損害，該技術(shù)在巖土工程領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用（劉慧，2013）。3）智能學(xué)習(xí)分析法的優(yōu)點(diǎn)是便捷，可以減少對專業(yè)設(shè)備的使用，目前已經(jīng)發(fā)展出多個(gè)深度學(xué)習(xí)的框架。例如，通過分析卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和深度信念網(wǎng)絡(luò)不同色彩空間下的分類性能并與其他分類方法進(jìn)行比較，得出卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和深度信念網(wǎng)絡(luò)在巖石孔隙圖像識(shí)別問題中具有更高的識(shí)別準(zhǔn)確率（郭文慧，2018）。白林等（2018）收集了15種常見巖石的圖像數(shù)據(jù)，基于卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建巖石識(shí)別深度學(xué)習(xí)模型，達(dá)到63%的識(shí)別準(zhǔn)確率。張野等（2018）建立了巖石圖像集分析的深度學(xué)習(xí)遷移模型，該模型實(shí)現(xiàn)了巖石巖性的自動(dòng)識(shí)別與分類，取得了良好的效果。國外學(xué)者基于1000多張?zhí)妓猁}巖薄片，然后把灰度數(shù)字圖像作為輸入數(shù)據(jù)，以此來建立多層感知層神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，基于紋理數(shù)據(jù)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練，最終能達(dá)到93.3%的分類準(zhǔn)確性（Marmo et al.，2005;Ling et al.，2015）。有學(xué)者使用提取特征參數(shù)的方法，選取玄武巖薄片圖像，提煉了27個(gè)特征參數(shù)，對300個(gè)巖石薄片進(jìn)行識(shí)別，能夠達(dá)到92.22%自動(dòng)識(shí)別精度（Singhet a1.，2010;Ahmed et al.，2016）。使用無監(jiān)督的特征學(xué)習(xí)方法，來自主學(xué)習(xí)巖石圖像的表征也是最近比較常見的傳統(tǒng)巖石識(shí)別方法（Shu et al.，2017;Liu et al.，2016;Cheah et al.，2016）。深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法是最近比較熱門的巖石識(shí)別方法，目前，卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展已經(jīng)出現(xiàn)了LeNet、VGG、INceptioN、ReSNET等典型卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型（ Schmidhuber，2015;Backes et al.，2009）。INceptioN模型在圖像識(shí)別領(lǐng)域曾經(jīng)取得較好的成績，因此，巖石圖像識(shí)別實(shí)驗(yàn)采用INceptioN-V3模型（Wang et al.， 2016; Hamdi et al.， 2013; Hong et al.，2017）。以上巖石識(shí)別研究以實(shí)驗(yàn)室標(biāo)準(zhǔn)的巖石薄片數(shù)據(jù)作為研究對象，主要研究各類較為復(fù)雜的特征參數(shù)提取方法，還未涉及野外手機(jī)直接識(shí)別巖石的技術(shù)。近兩年，在大數(shù)據(jù)應(yīng)用背景下，利用人工智能深度學(xué)習(xí)技術(shù)的拍照識(shí)別植物的軟件工具應(yīng)運(yùn)而生（王麗君等，2015），為公眾提供了植物信息，實(shí)現(xiàn)了全民科普服務(wù)。目前，尚未開展針對野外手機(jī)直接識(shí)別巖石技術(shù)的研究，手機(jī)巖石識(shí)別軟件也尚未開發(fā)。本次研究旨在為面向人工智能的巖石識(shí)別工具提供基礎(chǔ)性研究，以巖漿巖基礎(chǔ)特征庫的建立為重點(diǎn)，對巖漿巖標(biāo)本斷面的外部形態(tài)特征進(jìn)行總結(jié)，篩選出具有人工智能識(shí)別意義的外部形態(tài)特性，并對其進(jìn)行量化和分類，從而形成巖漿巖分類體系，最終建立巖漿巖的基礎(chǔ)特征庫，為下一步入工智能手機(jī)軟件識(shí)別巖石的研發(fā)進(jìn)行前期探索。

1材料與方法

1.1材料

本次研究共收集了約203塊巖漿巖的標(biāo)本（圖1）。其中，通過文獻(xiàn)與報(bào)告整理出56塊巖漿巖的元數(shù)據(jù)信息，包括了每種巖石基本外部特征;而另外147塊巖漿巖則通過野外實(shí)地考察采集，每塊巖石的元數(shù)據(jù)信息包含了野外鑒定的外部特征、鏡下鑒定的礦物成分及巖石新鮮斷面照片，共分為15種類巖漿巖，每種巖漿巖包含4～10塊來自非同一來源的同種巖漿巖，非同一來源指的是不同地區(qū)。

1.2技術(shù)方法

首先，通過基于人工智能的特征識(shí)別算法研究，以能夠直接被手機(jī)攝像頭識(shí)別、計(jì)算機(jī)量化和獲取特征的標(biāo)準(zhǔn)，篩選出6個(gè)巖漿巖基本外部特征。通過對203塊巖漿巖標(biāo)本外部特征的觀察，根據(jù)其外部基本特征將203塊巖漿巖按照已選取的6個(gè)特征進(jìn)行一一量化，然后剔除異常量化數(shù)值和數(shù)量不足以支撐建立分類體系的巖漿巖標(biāo)本，還剩147塊巖漿巖標(biāo)本。將147塊巖漿巖標(biāo)本照片分為兩部分，91塊巖漿巖用于分類體系的建設(shè)，剩下的56塊巖漿巖用于驗(yàn)證分類體系和基礎(chǔ)特征庫的建設(shè)。最終，56塊巖漿巖中有53塊巖漿巖符合分類體系，并建立成巖漿巖基礎(chǔ)特征庫，驗(yàn)證成功概率為94%（圖2）。

2巖漿巖斷面特征及優(yōu)選

巖漿巖的種類很多，基本特征也有很多，比如巖石的顏色、結(jié)晶程度、礦物成分、礦物的相對含量、巖石的結(jié)構(gòu)和構(gòu)造、產(chǎn)狀等特征（舒良樹，2010）。為了后期利用人工智能技術(shù)研發(fā)識(shí)別巖石的手機(jī)軟件，根據(jù)可直接用于人工智能識(shí)別外部特征的標(biāo)準(zhǔn)，即能夠直接被手機(jī)攝像頭識(shí)別、計(jì)算機(jī)量化和獲取特征的標(biāo)準(zhǔn)，通過分析篩選出6個(gè)可用于人工智能識(shí)別的外部特征，即顏色、相對粒度、絕對力度粒度、構(gòu)造、結(jié)晶程度和斷口特征（表1）。

巖石的顏色反映了礦物成分的含量，是巖石分類命名的直觀依據(jù)。通過顏色特征可以初步判斷巖石的酸度，從而可以判斷超基性巖、基性巖、中性巖和酸性巖，主要通過觀察巖漿巖的色率進(jìn)行區(qū)分。據(jù)研究，超基性巖的色率>75;基性巖的色率35～75，顏色呈黑、灰黑及灰綠色;酸性巖的色率<20，顏色呈淡灰、灰白、淺紅、肉紅色;中性巖的色率為35～20，色調(diào)介于基性巖和酸性巖之間（舒良樹，2010）。巖漿巖的結(jié)晶程度和結(jié)構(gòu)特征也在巖漿巖的辨別中起到重要意義，根據(jù)巖石中結(jié)晶物質(zhì)和非結(jié)晶玻璃物質(zhì)的比例可將巖漿巖分為全晶質(zhì)結(jié)構(gòu)、半晶質(zhì)結(jié)構(gòu)和玻璃質(zhì)結(jié)構(gòu)。所有的侵入巖都是巖漿在地下封閉或近封閉的溫度和壓力條件下，通過緩慢結(jié)晶、冷凝過程形成的，因此侵入巖都是由全晶質(zhì)礦物組成的，這是區(qū)別噴出巖和侵入巖的重要標(biāo)志。另外還可以通過礦物顆粒的絕對大小和相對大小對巖漿巖進(jìn)行判別，礦物顆粒的絕對大小是指巖石中主要礦物顆粒的平均直徑，可以分為粗粒、中粒、細(xì)粒和微粒;礦物顆粒的相對大小是指巖石中所有礦物顆粒的相對大小，分為等粒結(jié)構(gòu)、不等粒結(jié)構(gòu)、斑狀結(jié)構(gòu)和似斑狀結(jié)構(gòu)。根據(jù)礦物顆粒的絕對大小，可將巖漿巖劃分為顯晶質(zhì)結(jié)構(gòu)和隱晶質(zhì)結(jié)構(gòu)。顯晶質(zhì)結(jié)構(gòu)用手機(jī)拍攝很容易識(shí)別，根據(jù)顆粒大小分為粗粒、中粒、細(xì)粒和微粒（<0.1 mm），但是微粒結(jié)構(gòu)和隱晶質(zhì)容易混淆。而根據(jù)礦物顆粒的相對大小，巖漿巖分為等粒結(jié)構(gòu)和不等粒結(jié)構(gòu)，不等粒結(jié)構(gòu)又分為斑狀結(jié)構(gòu)和似斑狀結(jié)構(gòu)。通過顏色特征初步判定以后，再根據(jù)巖石結(jié)晶程度、礦物顆粒相對大小和礦物顆粒絕對大小等結(jié)構(gòu)特征做進(jìn)一步的判斷，例如花崗巖和花崗斑巖，前者為顯晶質(zhì)、等?；蛩瓢郀罱Y(jié)構(gòu)，后者為隱晶質(zhì)、斑狀結(jié)構(gòu)。除此之外，巖漿巖的構(gòu)造特征也可以幫助判斷巖漿巖的形成條件和區(qū)分不同成因的巖漿巖類型，例如侵入巖中常見的構(gòu)造類型有塊狀構(gòu)造、帶狀結(jié)構(gòu)、斑雜構(gòu)造、球狀構(gòu)造以及流線、流面構(gòu)造等，而噴出巖中常見的構(gòu)造類型有氣孔構(gòu)造、杏仁構(gòu)造、流紋構(gòu)造和鋸齒構(gòu)造等。斷口特征也作為輔助判斷的一個(gè)方面，因?yàn)椴煌牡V物受外力打擊后形成不同的形態(tài)，一般有貝殼狀斷口、鋸齒狀斷口、參差狀斷口、平坦?fàn)顢嗫诤屯翣顢嗫诘?，例如花崗巖的主要礦物石英具有貝殼狀斷口。

3基于人工智能的特征識(shí)別算法

3.1機(jī)器識(shí)別特征的可行性

圖像識(shí)別技術(shù)是人工智能的重要組成部分，已經(jīng)在眾多領(lǐng)域得到了應(yīng)用（張嘉豐，2018），通過圖像識(shí)別技術(shù)，可以對巖石礦物標(biāo)本圖像進(jìn)行特征提取，通過當(dāng)前比較成熟的識(shí)別方法可以分別從巖石的顏色、結(jié)晶、結(jié)構(gòu)以及巖石構(gòu)造等特點(diǎn)進(jìn)行圖像特征提取，以此匹配對應(yīng)的巖漿巖礦物（郭文惠，2018）。

3.2標(biāo)本特征的識(shí)別算法

3.2.1標(biāo)本圖像的預(yù)處理

圖像的預(yù)處理，主要是通過采用去除噪聲和顏色插補(bǔ)方法，減少各種噪聲源的影響，提高圖像的質(zhì)量。并根據(jù)實(shí)際需求，將圖像轉(zhuǎn)化為各種中間圖像，例如使用顏色直方圖確定圖像顏色分布情況，使用灰度圖像、二值圖、灰度直方圖等識(shí)別圖像的輪廓和面積特征（劉之的，2010）。

3.2.2圖像的顏色識(shí)別

對于圖像的顏色特征，需要借助顏色空間來實(shí)現(xiàn)，顏色空間一般使用三維空間坐標(biāo)系表示各個(gè)維度的屬性（王樹文等，2004）。顏色空間從主體上分為兩大類，一類是面向硬件設(shè)備的，例如RGB顏色空間，以Red（紅）、Green（綠）、Blue（藍(lán)）3種顏色為基本色，通過在不同水平下的疊加進(jìn)而生成其他顏色，可以將3種基色建立于一個(gè)笛卡爾坐標(biāo)系中;另一類是以視覺感知為對象的顏色空間，例如HSV顏色空間由3個(gè)相互獨(dú)立的顏色分量構(gòu)成，以倒錐體形成空間坐標(biāo)系，水平角度表示色調(diào)，水平半徑表示顏色飽和度，椎體高度則表示顏色的亮度（楊愛萍等，2019）。RGB顏色空間適用于顯示系統(tǒng)，而HSV顏色空間表達(dá)更直觀，更適用于圖像處理。

在圖像顏色的識(shí)別過程中，常用到一些顏色識(shí)別方法，例如：使用顏色直方圖，研究圖像像素色彩分布的情況;使用顏色矩同樣可以描述圖像中的顏色分布，相對顏色直方圖方法更簡單有效;顏色集是對顏色直方圖的一種補(bǔ)充，在圖像匹配中，方便比較不同顏色集間的距離和色彩區(qū)域;使用顏色聚合向量可以用于顏色直方圖和顏色矩?zé)o法表達(dá)圖像色彩的空間位置問題。

3.2.3標(biāo)本結(jié)晶、結(jié)構(gòu)特征的識(shí)別

巖石礦物標(biāo)本圖像的結(jié)晶特征提取，需要對標(biāo)本圖像進(jìn)行輪廓特征的提取，計(jì)算巖石礦物標(biāo)本的結(jié)晶面積。常用的方法有輪廓跟蹤法、光柵跟蹤法、全向跟蹤法等。輪廓跟蹤法需要對目標(biāo)邊緣進(jìn)行跟蹤處理，將圖像中每個(gè)區(qū)域內(nèi)相同的像素值進(jìn)行連接，實(shí)現(xiàn)輪廓的跟蹤;光柵跟蹤法是一種類似于電視光柵掃描技術(shù)，需要結(jié)合閾值監(jiān)測實(shí)現(xiàn)邊緣跟蹤的方法;全向跟蹤法是可以實(shí)現(xiàn)任意方向不限鄰點(diǎn)定義和跟蹤準(zhǔn)則的光柵跟蹤。

巖石礦物標(biāo)本結(jié)晶面積的計(jì)算，使用到的方法有格林公式法、像素法以及邊界鏈碼法。格林公式法，即在平面空間閉合區(qū)域是由光滑曲線構(gòu)成，通過曲線積分獲取閉合區(qū)域面積的方法;像素法是使用二值圖，獲取目標(biāo)區(qū)域內(nèi)所占像素總數(shù)目，以此計(jì)算面積;邊界鏈碼法是根據(jù)區(qū)域的邊界鏈碼，分別統(tǒng)計(jì)出目標(biāo)區(qū)域內(nèi)所包含的像素面積以及方格數(shù)的計(jì)算面積的方法，比較適用于有孔的區(qū)域。

通過輪廓的獲取和結(jié)晶面積的計(jì)算，便可得到結(jié)晶占比，從而對結(jié)晶特征進(jìn)行量化。圖像識(shí)別面積的計(jì)算也可以得到礦物顆粒面積的大小，即斑晶大小和礦物顆粒的直徑，依據(jù)此特征也可對巖石結(jié)構(gòu)特征進(jìn)行分類和量化。

3.2.4標(biāo)本構(gòu)造特征的提取

巖石礦物標(biāo)本的構(gòu)造特征，指各類礦物組分在巖石中排列順序方式或填充的方式所反映出來的特征。依托機(jī)器圖像識(shí)別的方法有形態(tài)學(xué)邊緣提取和邊緣檢測法。形態(tài)學(xué)邊緣提取包含形態(tài)學(xué)算法和迭代法，形態(tài)學(xué)算法主要是基于腐蝕和膨脹的一種基本運(yùn)算方法，膨脹運(yùn)算將填充圖像中出現(xiàn)的噪聲，腐蝕運(yùn)算用于消除細(xì)小邊緣，以達(dá)到平滑邊緣的效果;而迭代的方法則是不斷根據(jù)舊值推斷新值，最終得到最佳閾值的過程。邊緣檢測法常用的算法有Canny算子法、Sobel算子法，Canny算子采用高斯濾波器平滑圖像，根據(jù)高斯函數(shù)的一階偏導(dǎo)數(shù)計(jì)算梯度，檢測梯度幅值的局部最大值，然后利用低閾值T1得到弱邊緣E1，高閾值T2得到邊緣E2，最后E1中僅保留與E2有連通關(guān)系的連通分量作為輸出邊緣E;Sobel算子法則使用與灰度漸變和噪聲較多的圖像，使用兩個(gè)3*3的矩陣算子分別和原始圖片作卷積，分別得到橫向和縱向的梯度值，如果梯度值大于某一個(gè)閾值，則認(rèn)為該點(diǎn)為邊緣點(diǎn)，以此進(jìn)行圖像的邊緣檢測。使用邊緣檢測的方法可以獲取巖石礦物標(biāo)本的構(gòu)造特征，與特征庫進(jìn)行匹配，識(shí)別巖石標(biāo)本類型。

4巖漿巖斷面特征量化及篩選

所謂巖漿巖斷面特征量化，就是根據(jù)每種特征不同的量化規(guī)則，將抽象的巖漿巖外部特征，量化為具體的數(shù)值，形成每種特征的量化值區(qū)間，以下具體描述每種特征的量化規(guī)則。

4.1顏色特征

斷面顏色特征可以采用的色彩模式為RGB模式、CMYK模式和Lab模式、位圖模式、灰度模式、雙色調(diào)模式、索引顏色模式和多通道模式。為了實(shí)現(xiàn)超基性巖到酸性巖的色調(diào)從深到淺的變化趨勢以及巖石斷面明度和飽和度的變化，本次采用了HSV色彩模型進(jìn)行顏色特征的量化，如紅色的量化值為（0-100-100），后續(xù)將采用本方法對巖石礦物標(biāo)本進(jìn)行特征的提取和量化，使之納入到（H-S-V）的區(qū)間中。

4.2斷面結(jié)晶程度特征

根據(jù)巖漿巖礦物標(biāo)本結(jié)晶程度的特點(diǎn)，將巖漿巖的結(jié)晶概化為全晶質(zhì)、半晶質(zhì)和玻璃質(zhì)。其中全晶質(zhì)的特點(diǎn)是斷面全部由結(jié)晶礦物所組成，其視覺效果是在斷面中具有連片、交疊、連續(xù)的片狀晶體，其片狀晶體在斷面中面積比例較大;半晶質(zhì)的特點(diǎn)是既有結(jié)晶礦物又有非晶質(zhì)玻璃所組成，其視覺效果是在斷面上具有不連片、交疊、不連續(xù)的片狀晶體，其片狀晶體在斷面中面積比例一般;玻璃質(zhì)的特點(diǎn)是全部由玻璃物質(zhì)所組成，其視覺效果是在斷面上不具有片狀分布的晶體，僅僅具備基底的玻璃構(gòu)造。因此，對于評價(jià)斷面形態(tài)所屬結(jié)晶特征，應(yīng)按照結(jié)晶礦物和非結(jié)晶礦物在斷口上提取的面積比例進(jìn)行劃分，表達(dá)為J。超過特定的劃分比例便鑒定為全晶質(zhì)，表達(dá)為J1，位于特定的劃分比例之間可鑒定為半晶質(zhì)，表達(dá)為J2，其余為J3玻璃質(zhì)。

因此，巖石礦物標(biāo)本斷面形態(tài)的結(jié)晶程度特征便量化為（J1-J2-J3），如全晶質(zhì)的量化值為J1，后續(xù)將采用本方法對巖石礦物標(biāo)本進(jìn)行特征的提取和量化，使之納入到（J1-J2-J3）的區(qū)間中。

4.3絕對粒度特征

根據(jù)巖漿巖斷面形態(tài)的結(jié)構(gòu)特征，本次將斷面的結(jié)構(gòu)特征劃分為絕對粒度大小和相對粒度大小2個(gè)方面。其中絕對粒度大小就是礦物顆粒的絕對大小在視覺上的量度。按照主要的礦物類型可以具體劃分為偉晶≥10 mm，10 mm>粗?！? mm，5 mm>中?！? mm，1 mm>細(xì)?！?.1 mm，微粒及隱晶質(zhì)<0.1 mm。但在實(shí)際的執(zhí)行過程中，手機(jī)攝像頭對于<1 mm的微粒分辨性不強(qiáng)，在>20 mm后識(shí)別的能力不強(qiáng)。設(shè)定將礦物顆粒的絕對直徑大小用LD表示，因此，絕對粒度特征便量化為LD1～20，代表礦物顆粒的絕對直徑大小在1 mm至20 mm的區(qū)間，如晶體為中粒，粒度大小為4.23 mm，則可以量化為LD 4.23。后續(xù)將采用本方法對巖石礦物標(biāo)本進(jìn)行特征的提取和量化，使之納入到LD 1～20的區(qū)間中。

4.4相對粒度特征

斷面的相對粒度特征可以劃分為等粒結(jié)構(gòu)、斑狀結(jié)構(gòu)和似斑狀結(jié)構(gòu)。等粒結(jié)構(gòu)指巖石中同種主要礦物顆粒大小大致相等;不等粒結(jié)構(gòu)指在巖石中同種主要礦物顆粒大小不等，且其粒度大小依次降低，構(gòu)成連續(xù)變化系列;斑狀結(jié)構(gòu)指巖石中礦物顆粒分為大小截然不同的兩群，無過渡現(xiàn)象，相差懸殊，大的為斑晶，小的為基質(zhì)。

結(jié)構(gòu)特征（相對粒度）從斑晶面積占截面面積的百分比（SBJ）和基質(zhì)顆粒平均直徑大?。↙D）2個(gè)方面來量化。當(dāng)斑晶的面積占截面面積比例為0，也就是無斑晶，基質(zhì)的平均直徑大于0.1 mm，礦物顆粒直徑最大值與最小值之差（ΔLD）小于0.2 mm，表達(dá)式為：SBJ=0∩LD>0.1mm∩ALD<0.2 mm，即為等粒結(jié)構(gòu)的純橄欖巖、方輝橄欖巖、石英閃長巖。當(dāng)斑晶的面積占截面面積比例為0，基質(zhì)的平均直徑大于0.1mm，礦物顆粒直徑最大值與最小值之差小于2mm，表達(dá)式為：SBJ=0∩LD>0.1 mm∩ΔLD<2mm，即為等粒結(jié)構(gòu)的英云閃長巖、正長花崗巖、二長花崗巖、黑云母花崗巖。當(dāng)斑晶的面積占截面面積比例位于5%至20%之間，基質(zhì)的平均直徑小于0.1mm，表達(dá)式為5%0.1mm，即為似斑狀結(jié)構(gòu)。

因此，純橄欖巖、方輝橄欖巖、石英閃長巖的等粒結(jié)構(gòu)可以表達(dá)為SBJ=0∩LD>0.1mm∩ΔLD<0.2 mm;英云閃長巖、正長花崗巖、二長花崗巖、黑云母花崗巖的等粒結(jié)構(gòu)可以表達(dá)為SBJ=0∩LD>0.1mm∩ΔLD<2mm;斑狀結(jié)構(gòu)可以表達(dá)為5%0.1mm。

因此，巖石礦物標(biāo)本斷面結(jié)構(gòu)的相對粒度特征便依照上述公式進(jìn)行量化，如等粒結(jié)構(gòu)可以量化為SBJ=0∩LD>0.1mm∩ΔLD<0.2 mm，其代表斑晶的面積占截面面積比例為0，基質(zhì)的平均直徑大于0.1 mm，礦物顆粒直徑最大值與最小值之差小于0.2 mm。后續(xù)將采用本方法對巖石礦物標(biāo)本進(jìn)行特征的提取和量化，使之納入到公式中。

4.5斷面構(gòu)造特征

斷面的構(gòu)造特征主要包括斑狀、帶狀、流紋、塊狀、氣孔、杏仁、珍珠、石泡、枕狀、流面、流線、柱狀節(jié)理等，每一種類型將對應(yīng)一個(gè)英文編號。對應(yīng)的量化值分別為BZ、DZ、LW、KZ、ZK、XR、ZHZ、SP、ZZ、LM、LX、ZZJL，相互之間具有疊加意義。后續(xù)將采用本方法對巖石礦物標(biāo)本進(jìn)行特征的提取和量化，使之分別對應(yīng)于一個(gè)不同的量化值。

4.6斷口特征

斷面的斷口特征分別為平坦?fàn)?，參差狀，鋸齒狀，貝狀斷口，其量化的規(guī)則與斷面構(gòu)造特征類似，每一種類型將對應(yīng)一個(gè)英文編號。對應(yīng)的量化值分別為PT、CC、JC、BZ，相互之間不可以疊加。后續(xù)將采用本方法對巖石礦物標(biāo)本樣品進(jìn)行特征的提取和量化，使之分別對應(yīng)于一個(gè)不同的量化值。

5斷面特征分類體系建設(shè)

5.1斷面特征分類體系建設(shè)的步驟

斷面特征分類體系建設(shè)前，剔除異常量化數(shù)值、數(shù)量不足以支撐建立分類體系及用于建立巖漿巖基礎(chǔ)特征庫的56塊巖漿巖標(biāo)本，還剩91塊巖漿巖標(biāo)本用于建設(shè)巖漿巖分類體系的建設(shè)。分類體系的建設(shè)是指將91塊巖漿巖標(biāo)本的6種特征的排列組合，總結(jié)和推算出每種巖漿巖外部特征識(shí)別的對應(yīng)公式，最終形成斷面特征分類體系建設(shè)表的過程。

建設(shè)巖漿巖斷面特征分類體系步驟共分為3步，第一步是形成每種巖石的量化區(qū)間，第二步是賦予權(quán)重，第三步是賦予置信區(qū)間，最終形成推算公式。

5.1.1形成每種巖石的量化區(qū)間

首先確定可以滿足支撐斷面特征分類體系公式推算的巖漿巖，先將名稱一致且數(shù)量大于2個(gè)的同一種巖漿巖整理到一起，將每種巖石的各項(xiàng)特征量化值合并，并給出一個(gè)區(qū)間范圍。以英云閃長巖為例，根據(jù)4塊英云閃長巖的6種特征量化值，將每種特征的量化值合并在一起，每個(gè)特征都會(huì)得到一個(gè)量化值區(qū)間。如顏色特征，我們得到的顏色量化區(qū)間值是（56～75）-（6～18）-（44～75），分別代表H-S-V的區(qū)間范圍。結(jié)晶程度特征的量化區(qū)間的區(qū)間是J1-J2。絕對粒度特征的量化值區(qū)間為LD 0.1～5，相對粒度的量化值區(qū)間為SBJ=0∩LD>0.1mm∩ΔLD<2mm，構(gòu)造特征的量化值區(qū)間是KZ，斷口特征的量化值區(qū)間是PTZ。見表2。

5.1.2賦予權(quán)重

針對上一步已經(jīng)區(qū)間量化完成的巖漿巖，對每種巖漿巖的外部特征進(jìn)行分析，確定不同特征所占的權(quán)重比例。權(quán)重的賦予規(guī)則：觀察每種礦物巖石的外部特征，按照其外部特征的明顯性和重要性賦予每種特征的權(quán)重，依據(jù)每塊巖石的外部特征明顯性的實(shí)際情況，具有特別明顯性和代表性的特征權(quán)重為0.2～0.5，具有一般明顯性的特征權(quán)重在0.1左右，最不明顯的特征權(quán)重小于0.1，最終每塊巖石的所有特征的權(quán)重相加為1。例如：通過觀察巖石標(biāo)本照片，杏仁狀安山巖的杏仁狀構(gòu)造和斑狀結(jié)構(gòu)比較明顯且具有代表性，那么杏仁狀玄武巖的構(gòu)造特征和結(jié)構(gòu)特征權(quán)重較大，權(quán)重比例均在0.3;其次，顏色、結(jié)晶程度均為一般明顯，權(quán)重比例大約在0.1左右;最后，斷口特征為最不明顯的特征，權(quán)重較小，小于0.1。

以英云閃長巖為例進(jìn)行具體分析。根據(jù)對巖石外部特征的觀察與分析，英云閃長巖中粒的絕對粒度特征是最具有代表性的，權(quán)重是0.3;等粒結(jié)構(gòu)的相對粒度特征比較具有代表性，權(quán)重是0.25;顏色特征為灰白色，比較具有代表性并確定顏色特征的權(quán)重是0.2;全晶質(zhì)的結(jié)晶程度特征和塊狀構(gòu)造的構(gòu)造特征為一般明顯，權(quán)重均為0.1;斷口特征為最不明顯的特征，權(quán)重是0.05，最終所有特征的權(quán)重相加為1。

5.1.3賦予置信區(qū)間

賦予權(quán)重完成后，將區(qū)間值乘以其相應(yīng)的權(quán)重，然后全部相加，再賦予這類巖石一個(gè)置信區(qū)間。賦予置信區(qū)間的意義是，周全地考慮到樣本外的特殊實(shí)際情況。雖然本項(xiàng)目采集的巖漿巖標(biāo)本是在同一標(biāo)準(zhǔn)光源下采集照相的，但是在實(shí)際野外鑒定的情況下會(huì)有所差別，理論上顯微鏡鏡下鑒定準(zhǔn)確度為100%，實(shí)驗(yàn)室標(biāo)準(zhǔn)光源情況下準(zhǔn)確率為85%，野外非標(biāo)準(zhǔn)光源情況下準(zhǔn)確率為75%，因?yàn)楣庠吹牟淮_定性，我們給這個(gè)公式80%的置信區(qū)間。

以英云閃長巖為例，當(dāng)所有特征量化值及其權(quán)重相加后，最后整體乘以80%的置信區(qū)間，最后得到80%的英云閃長巖，最后給出的識(shí)別結(jié)果為80%概率的閃長巖（一級巖石名稱），公式即為：{[（（56～75）-（6～18）-（44～75）]*0.2%+（J1-J2）*0.1+（LD 0.1～5）*0.3+（SBJ=0∩LD>0.1 mm∩A/D<2mm）*0.25+KZ*0.1+PTZ*0.05}*80%=80%英云閃長巖，識(shí)別結(jié)果為80%概率的閃長巖。并且符合一定的條件規(guī)則，就是2個(gè)及以上特征才能判定得出結(jié)果。如果計(jì)算結(jié)果小于40%即識(shí)別不出來，表達(dá)為無法識(shí)別。

5.2斷面特征分類體系

最終的分類體系由17個(gè)推算公式組成，涵蓋了四大巖漿巖類型，其中超基性巖石2種，分別為純橄欖巖和方輝橄欖巖，基性巖石3種，分別為灰綠色輝綠巖、橄欖玄武巖、斑狀玄武巖;中性巖石5種，涵蓋了灰黑色閃長巖、石英閃長巖、英云閃長巖、杏仁狀安山巖、玄武安山巖;酸性巖石7種，分別為花崗閃長巖、正長花崗巖、二長花崗巖、黑云母花崗巖、花崗閃長斑巖、英安流紋巖和灰綠色英安巖。部分?jǐn)嗝嫣卣鞣诸愺w系見表2。

5.3分類體系的驗(yàn)證

巖漿巖斷面特征分類體系初步建立后，采用專家打分法對本分類體系進(jìn)行驗(yàn)證，以確保分類體系的準(zhǔn)確性和可信度。共邀請了10位地質(zhì)領(lǐng)域巖石學(xué)專家，分別給出每種巖石各項(xiàng)特征的權(quán)重?cái)?shù)值，最后取每種巖石各項(xiàng)特征的平均值權(quán)重，并對之前已建立的分類體系進(jìn)行糾正與修改，最終形成巖漿巖斷面特征分類體系。

此外，將巖漿巖標(biāo)本庫剩余的56塊巖漿巖標(biāo)本特征量化值代入到巖漿巖斷面特征分類體系公式進(jìn)行一一檢驗(yàn)，也是對分類體系進(jìn)行驗(yàn)證比較有效的方法。驗(yàn)證規(guī)則是將剩余的56塊巖漿巖標(biāo)本按照6種特征分別進(jìn)行量化，然后代入到已經(jīng)建立好的巖漿巖斷面特征分類體系公式進(jìn)行驗(yàn)證，若驗(yàn)證成功則與照片一起整理成庫，形成巖漿巖斷面特征基礎(chǔ)特征庫。56塊巖漿巖中有53塊巖漿巖符合分類體系，驗(yàn)證成功概率為94%。

5.4基礎(chǔ)特征庫成果

最終的巖漿巖基礎(chǔ)特征庫共涉及17種巖漿巖，共包含4類巖性的巖石，其中超基性巖石2種，包含了純橄欖巖和方輝橄欖巖;基性巖3種，包含了灰綠色輝綠巖、橄欖玄武巖、斑狀玄武巖;中性巖5種，包含了灰黑色閃長巖、石英閃長巖、英云閃長巖、杏仁狀安山巖、玄武安山巖;酸性巖7種，包含了花崗閃長巖、正長花崗巖、二長花崗巖、黑云母花崗巖、花崗閃長斑巖、英安流紋巖、灰綠色英安巖。部分?jǐn)?shù)據(jù)如表3所示。

6結(jié)論

根據(jù)巖漿巖斷面標(biāo)本的研究，共篩選出了6個(gè)可用于人工智能識(shí)別的巖漿巖外部形態(tài)特征，分別是顏色特征、結(jié)晶程度、絕對粒度、相對粒度、構(gòu)造特征和斷口特征。通過對巖漿巖6種外部形態(tài)特征的量化，形成每種巖石每種特征的量化區(qū)間，賦予每種外部特征的權(quán)重和分類體系表達(dá)公式的置信區(qū)間，確定了最終的巖漿巖斷面分類體系。最后，經(jīng)過剩余的53塊巖漿巖標(biāo)本對之前已經(jīng)建立好的巖漿巖斷面分類體系進(jìn)行驗(yàn)證，建立了17種不同種類巖漿巖基礎(chǔ)特征庫。

雖然巖漿巖分類體系和巖漿巖基礎(chǔ)特征庫已建立完成，但由于標(biāo)本數(shù)量較少，無法代入到MATLAB中進(jìn)行實(shí)際的程序運(yùn)行和計(jì)算機(jī)深度學(xué)習(xí)。本研究僅作為巖石礦物標(biāo)本識(shí)別軟件的基礎(chǔ)性研究，為了完成用手機(jī)來識(shí)別野外巖石，后續(xù)還需要進(jìn)一步開展工作，如研究手機(jī)攝像頭算法的適配性和人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)巖石識(shí)別算法，從而最終實(shí)現(xiàn)手機(jī)識(shí)別巖石，推動(dòng)巖石科普的發(fā)展。