一种基于油红O显色增强与反射式光学成像的油相污染物迁移可视化与定量分析方法

本发明属于油相迁移可视化与定量分析，具体涉及一种基于油红o显色增强与反射式光学成像的油相污染物迁移可视化与定量分析方法。

背景技术：

1、在石油开采、储运及管道运行过程中，石油类污染物泄漏事故时有发生。泄漏后的石油污染物进入土壤或其他多孔介质后，会在重力、毛细力、相间压力及孔隙结构等因素作用下发生迁移、扩散、滞留与再分配。明确油相污染物在多孔介质中的迁移路径、前沿推进、污染范围及富集区域，对石油泄漏迁移规律分析、污染扩散预测及室内模拟试验研究具有重要意义。

2、现有研究中常采用分层取样、溶剂萃取、红外测油、核磁共振成像、x射线ct及光学成像等方法对油相迁移过程进行检测与分析。但分层取样和溶剂萃取等方法会破坏试样原有结构，只能获得离散位置或终态含油量，难以反映油相迁移全过程；核磁共振和x射线ct虽检测精度较高，但设备昂贵、试验系统复杂，对试验环境要求较高；传统光透射成像法依赖试样透光性，对天然土壤、砂质介质及冻融环境等不透明多孔介质适用性较差，且常规光学图像中油相与背景介质颜色差异较弱，易受光照、水分及介质纹理影响，导致油相边界识别和定量分析稳定性不足。

3、油红o作为脂溶性染料，具有良好的油相亲和性，可优先分布于油相形成显色增强效果，提高油相与背景介质之间的图像对比度。然而，现有技术尚缺乏一种将油红o显色增强、反射式光学成像与图像定量分析相结合的完整方法，难以在不依赖透射光条件下实现不透明多孔介质中油相迁移过程的连续可视化与定量分析。因此，有必要提出一种适用于室内油相迁移试验、操作简便、检测稳定且可实现迁移参数提取与结果校核的可视化定量分析方法。

技术实现思路

1、本发明的目的在于克服现有石油类油相污染物在多孔介质中迁移检测方法存在的检测过程具有破坏性、难以连续观测、对不透明介质适用性差、油相边界识别不稳定以及定量分析结果缺乏可靠性校核等问题，提供一种基于油红o显色增强与反射式光学成像的油相污染物迁移可视化与定量分析方法。

2、本发明通过构建油红o显色增强油相体系，结合反射式光学成像和图像特征反演方法，实现多孔介质中油相迁移过程的连续观测和定量分析。

3、本发明的技术构思在于：利用油红o的脂溶性和油相亲和性，使其优先分布于油相污染物中并增强油相与背景介质之间的光学差异；采用反射式光学成像获取油相迁移过程图像，降低对介质透明性的要求；通过显色响应特征提取、灰度转换和背景校正，建立显色特征参数与表观油相饱和度之间的对应关系，实现油相分布反演；结合迁移参数提取及几何一致性验证、鲁棒性验证和体积守恒物理一致性验证，提高油相迁移可视化与定量分析结果的可靠性。

4、为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

5、一种基于油红o显色增强与反射式光学成像的油相污染物迁移可视化与定量分析方法，包括如下步骤：

6、s1、配制显色增强油相体系：将油红o溶解于载体溶剂中，制得油红o染色母液；再将所述油红o染色母液按照预设比例加入石油污染物或其他油相污染物中，通过搅拌、振荡或超声混合方式使油红o均匀分散于油相中，获得显色增强油相体系。所述显色增强油相体系能够提高油相污染物在可见光反射图像中的识别特征，为后续图像采集和油相区域识别提供基础。

7、s2、构建多孔介质迁移试验系统：将砂土、石英砂、砂质介质或其他颗粒状多孔介质填装于迁移试验装置中，形成具有可视化观测窗口的多孔介质试样；在试样未注入显色增强油相体系前，采集无油背景参考图像，确定图像分析区域。所述图像分析区域用于排除模具边缘、进样口、强反光区域及其他无效区域，减少非油相因素对分析结果的影响。

8、s3、采集油相迁移过程图像：将显色增强油相体系通过进样口注入多孔介质试样中，使其在重力、毛细力、孔隙结构和相间作用共同影响下发生迁移、扩散和滞留；利用反射式光学成像装置在自然光或人工定向光照条件下，对油相迁移过程进行连续或间隔采集，获得不同时刻的油相迁移图像。图像采集过程中保持拍摄位置、拍摄角度、光照条件和曝光参数相对稳定，以保证不同时刻图像之间具有可比性。

9、s4、图像预处理与显色响应特征提取：基于油红o显色响应特征，对采集得到的油相迁移图像进行灰度转换、背景校正、参考区域归一化及噪声削弱处理，提取表征油相分布状态的显色响应特征参数。通过上述处理降低光照变化、介质纹理差异及设备噪声对油相识别结果的影响。

10、s5、表观油相饱和度反演：根据油红o显色响应特征建立油相饱和度反演模型，通过无油参考状态和油相饱和状态标定显色特征参数与表观油相饱和度之间的对应关系，获得二维观测区域内的表观油相饱和度分布。

11、s6、迁移参数提取：基于表观油相饱和度分布和图像分割结果，识别油相分布区域，并提取油相迁移前沿、油相面积、污染范围和油相体积等参数。其中，油相迁移前沿用于表征油相污染物在多孔介质中的推进距离；油相面积和污染范围用于表征油相污染物在观测平面内的扩散范围；油相体积用于表征油相污染物在试验体系中的总体迁移量。通过连续提取不同时刻的迁移参数，可获得油相污染物迁移过程的动态变化规律。

12、s7、结果验证与评价：建立包括几何一致性验证、鲁棒性验证和体积守恒物理一致性验证的多层验证体系，对油相迁移参数反演结果进行可靠性校核。几何一致性验证用于评价油相边界识别、迁移前沿及面积计算结果的准确性；鲁棒性验证用于评价方法在光照扰动、图像噪声及模糊扰动条件下的稳定性；体积守恒物理一致性验证用于比较图像反演得到的预测体积与实际注入油量之间的差异，以评价反演结果是否具有物理合理性。

13、优选地，步骤s1中，所述油红o为脂溶性染料，所述载体溶剂为二甲苯、甲苯和石油醚中的一种或多种；所述油相污染物为原油、柴油、润滑油或其他石油类污染物。

14、优选地，所述油红o染色母液浓度为3～10mg/ml，油红o染色母液与油相污染物的体积比为1:50～1:200。通过调节油红o浓度和混合比例，可在保证油相显色效果的同时，减少染料加入对油相流动性质的影响。

15、优选地，步骤s2中，所述多孔介质试样可为干燥状态、含水状态或冻融作用后的多孔介质试样，以适应不同油相污染物迁移试验需求。

16、优选地，步骤s3中，所述反射式光学成像装置包括工业相机、数码相机或智能终端摄像设备；所述光源系统包括自然光源、led光源、环形光源或定向光源。图像采集过程中相机与观测窗口保持相对固定，以减少拍摄角度变化造成的识别误差。

17、优选地，步骤s4中，采用参考区域归一化方法构建油红o显色响应特征参数x，所述参考区域选取在油相迁移过程中不受油相污染物影响的稳定区域。通过参考区域对不同采集时刻图像进行校正，可降低整体光照变化对所述特征参数的影响。

18、优选地，步骤s5中，采用无油状态和油相饱和状态作为参考状态，通过显色响应特征参数标定获得表观油相饱和度，对计算得到的表观油相饱和度进行0～1区间约束，使反演结果能够反映油相在二维观测平面内的等效占据程度。

19、优选地，步骤s6中，采用阈值分割、二值掩膜或连通区域分析方法识别油相区域，结合像素尺度换算获得实际迁移距离和油相面积。油相体积可根据表观油相饱和度分布、单像素实际面积和试验槽厚度进行估算。

20、优选地，步骤s7中，体积守恒物理一致性验证通过比较图像计算得到的油相预测体积与实际注入油量之间的相对误差进行判断；当所述相对误差小于预设允许阈值时，判定图像反演结果具有物理一致性。

21、与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

22、（1）本发明利用油红o对油相污染物进行显色增强，能够明显提高油相与背景多孔介质之间的图像对比度，改善常规光学图像中油相边界不清晰、识别稳定性不足的问题；

23、（2）本发明采用反射式光学成像方式，不需要依赖透射光条件，适用于天然土壤、砂质介质、含水介质及其他不透明多孔介质中的油相迁移观测，扩大了光学成像方法的适用范围；

24、（3）本发明通过背景参考图像、参考区域归一化和油红o显色响应特征参数提取，能够削弱光照变化、介质纹理和设备噪声对分析结果的影响，提高油相区域识别的稳定性；

25、（4）本发明建立油红o显色响应特征参数与表观油相饱和度之间的映射关系，可将反射式图像信息转化为可量化的物理参数，实现油相迁移过程由定性观察向定量分析转变；

26、（5）本发明能够连续提取油相迁移前沿、油相面积、污染范围和油相体积等参数，可用于分析油相污染物在多孔介质中的迁移路径、扩散范围、滞留特征和动态变化规律；

27、（6）本发明构建由几何一致性验证、鲁棒性验证和体积守恒物理一致性验证组成的多层验证体系，可分别从几何准确性、抗扰动能力和物理合理性三个方面评价分析结果，提高定量分析结果的可靠性；

28、（7）本发明所需设备简单、成本较低、操作方便，不破坏试样结构，适用于室内油相污染物迁移模拟试验、石油泄漏扩散规律研究、多孔介质渗流机理分析以及污染物迁移可视化教学与实验研究。