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Detecção e análise de redes de fraturas em afloramentos por métodos de visão computacional adaptativos

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Autor Marques Junior, Ademir;
Lattes do autor http://lattes.cnpq.br/4114665222113282;
Orientador Veronez, Mauricio Roberto;
Lattes do orientador http://lattes.cnpq.br/0157177135951013;
Co-orientador Silveira Junior, Luiz Gonzaga da;
Lattes do co-orientador http://lattes.cnpq.br/4109110009789771;
Instituição Universidade do Vale do Rio dos Sinos;
Sigla da instituição Unisinos;
País da instituição Brasil;
Instituto/Departamento Escola Politécnica;
Idioma pt_BR;
Título Detecção e análise de redes de fraturas em afloramentos por métodos de visão computacional adaptativos;
Resumo A identificação de fraturas e descontinuidades tem grande importância na estimativa de escoamento de fluidos em reservatórios de hidrocarbonetos, pois influenciam nas propriedades de porosidade e permeabilidade. Devido à inacessibilidade e escassez de dados de reservatório, a caracterização das fraturas é geralmente avaliada através do estudo de análogos de afloramentos por sensoriamento remoto ou observações in situ por um especialista. Considerando os métodos de sensoriamento remoto, a aquisição de Veículos Aéreos Não Tripulados (VANT) combinada com a fotogrametria Structure from Motion (SfM) é uma forma de baixo custo para gerar produtos como imagens ortorretificadas, permitindo métodos manuais e automatizados de detecção de delineamentos de fratura e descontinuidades para a obtenção dos modelos de rede de fratura discreta (Discrete Fracture Networks - DFN). Abordagens de visão computacional e processamento de imagens com o objetivo de segmentar as áreas de interesse por segmentação semântica ou de detecção de bordas e vales, comumente usadas para detectar e caracterizar a rede de fraturas, têm sido utilizadas na literatura, porém apresentam peculiaridades ou são otimizadas para cada tipo afloramento e suas peculiaridades. Os afloramentos que passaram por processo de carstificação, principalmente, apresentam alto nível de fraturamento devido a dissolução causada por intemperismo e pela posterior quebra e erosão do meio rochoso. Este cenário aliado à presença de vegetação e à áreas com iluminação irregular ou sombra contribuem para o desafio da detecção automática de fraturas em imagens de afloramento. As técnicas de segmentação por limiarização ou binarização empregada por trabalhos anteriores na segmentação de fraturas, trazem a dificuldade de se estabelecer um limiar global aplicável à toda a imagem sem gerar muitos falsos positivos e negativos na detecção. Uma alternativa já empregada na biomedicina e reconhecimento de caracteres é uso de técnicas de segmentação adaptativa de limiares locais, que são o foco deste trabalho. Para otimizar a detecção de fraturas em regiões cársticas altamente fraturadas propomos o uso e avaliação destes métodos adaptativos. Em testes preliminares a segmentação adaptativa local Sauvola apresentou o melhor resultado quando comparada ao ground truth anotado manualmente. Este trabalho propõe também o uso de técnicas de redução de ruído binário para a criação do método de segmentação de fraturas apresentado, que é complementado por um método de detecção de segmentos de fratura que identifica dados topológicos de fratura como nodos e terminações. Os resultados apresentados trazem ainda a combinação de aquisições por VANT em diferentes horários do dia para avaliação da influência da posição do sol na detecção de fraturas e o viés de interpretação. Essa análise é realizada sobre ortofotos do afloramento de rochas carbonáticas carstificadas do Lajedo do Rosário, pertencente à formação Jandaíra, no Rio Grande do Norte. Com a metodologia proposta adquirimos dados de fratura mais precisos sobre a área de estudo, seguindo estatísticas direcionais de trabalhos anteriores realizados na região. Complementarmente à análise direcional, o modelo DFN e suas estatísticas de comprimento e abertura seguem as distribuições esperadas para este tipo de afloramento, enquanto a conectividade da rede de fraturas também é analisada. A partir da metodologia proposta foi é possível gerar modelos DFN mais fiéis aos dados de campo, reduzindo o impacto de agentes externos ao meio rochoso como a posição solar e a presença de vegetação, fornecendo dados de mais qualidade à modelagem estocástica e à modelagem de reservatórios.;
Abstract The identification of fractures and discontinuities is of great importance in the estimation of fluid flow in hydrocarbon reservoirs, as they influence the porosity and permeability properties.Due to the inaccessibility and scarcity of reservoir data, fracture characterization is usually evaluated by studying outcrop analogues by remote sensing or in-situ observations by an expert. Considering the remote sensing methods, the acquisition of Unmanned Aerial Vehicles (UAV) combined with Structure from Motion photogrammetry (SfM) is a low-cost way to generate products such as orthorectified images, allowing manual and automated methods of detection of fracture designs and discontinuities to obtain discrete fracture network models(Discrete Fracture Networks - DFN). Computer vision and image processing approaches with the objective of segmenting the areas of interest by semantic segmentation or edge and valley detection, commonly used to detect and characterize the fracture network, have been used in the literature, but they have peculiarities or are optimized for each outcrop type and its peculiarities. The outcrops that have undergone a karstification process, mainly, show a high level of fracturing due to the dissolution caused by weathering and the subsequent breakage and erosion of the rocky medium. This scenario, together with the presence of vegetation and areas with irregular lighting or shade, contribute to the challenge of automatic fracture detection in outcrop images. The segmentation techniques by thresholding or binarization employed by previous works in fracture segmentation, bring the difficulty of establishing a global threshold applicable to the entire image without generating a large number of false positives and negatives in the detection. An alternative already used in biomedicine and character recognition is the use of local threshold adaptive segmentation techniques, which are the focus of this work. To optimize the detection of fractures in highly fractured karst regions, we propose the use and evaluation of these adaptive methods. In preliminary tests, the Sauvola local adaptive segmentation presented the best result when compared to the manually annotated ground truth. This work also proposes the use of binary noise reduction techniques to create the fracture segmentation method presented, which is complemented by a fracture segment detection method that identifies topological fracture data such as nodes and terminations. The results presented also bring the combination of UAV acquisitions at different times of the day to evaluate the influence of the position of the sun in the detection of fractures and the interpretation bias. This analysis is carried out on orthophotos of the outcrop of karstified carbonate rocks from Lajedo do Rosário, belonging to the Jandaíra formation, in Rio Grande do Norte. With the proposed methodology, we acquired more accurate fracture data over the study area, following directional statistics from previous works carried out in the region. In addition to the directional analysis, the DFN model and its length and opening statistics follow the expected distributions for this type of outcrop, while the fracture network connectivity is also analyzed. From the proposed methodology, it was possible to generate DFN models more faithful to the field truth, reducing the impact of external agents to the rocky environment such as the solar position and the presence of vegetation, providing more quality data for stochastic modeling and reservoir modeling.;
Palavras-chave Segmentação; Fraturas; Visão computacional; Redes de fratura discreta; Técnicas de aquisição de imagem; Afloramentos; Geologia; Segmentation; Fractures; Computer vision; Discrete fracture network; Image acquisition techniques; Outcrops; Geology;
Área(s) do conhecimento ACCNPQ::Ciências Exatas e da Terra::Ciência da Computação;
Tipo Tese;
Data de defesa 2022-08-12;
Agência de fomento Petrobras - Petróleo Brasileiro S. A.;
Direitos de acesso openAccess;
URI http://www.repositorio.jesuita.org.br/handle/UNISINOS/11889;
Programa Programa de Pós-Graduação em Computação Aplicada;


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