2024 年第四届高校大数据挑战赛-赛题 A：岩石的自动鉴定

1. 问题1：沉积岩薄片识别模型设计
2. 问题分析
3. 核心任务：基于“南京大学沉积岩教学薄片照片数据集”，构建多类别分类模型，区分火山碎屑岩、砂岩、泥页岩等9类沉积岩。
4. 特征提取需求：
   • 颜色特征：矿物成分差异导致偏光下颜色分布不同（如灰岩的方解石高级白与砂岩石英的灰色）。
   • 纹理特征：颗粒分选性（砂岩的均匀颗粒 vs 泥岩的无序黏土）与层理构造（页岩的薄层理）。
   • 亮度特征：矿物透明度（如硅质岩高亮度 vs 泥页岩低亮度）。
5. 数学建模关键点：
   • 特征工程：提取颜色直方图（HSV空间）、灰度共生矩阵（GLCM纹理）、局部二值模式（LBP）等传统特征，结合CNN自动提取的深层特征。
   • 多特征融合策略：设计加权拼接或双流网络（如传统特征与ResNet输出融合），通过全连接层优化特征组合权重。
   • 类别不平衡处理：对少数类（如蒸发岩）采用Focal Loss或过采样技术（SMOTE）。
6. 模型选择：以ResNet-50为主干网络，引入注意力机制（如SE模块）聚焦关键区域，输出层采用Softmax分类。
7. 挑战与解决

• 特征冗余：使用PCA或L1正则化筛选有效特征。
• 显微图像噪声：预处理加入非局部均值去噪与对比度受限直方图均衡化（CLAHE）。

1. 问题2：跨岩类模型泛化与改进
2. 问题分析

1. 核心任务：验证问题1模型在变质岩、火成岩中的泛化性，并改进模型以提升三岩类分类精度。
2. 跨岩类差异：
   • 火成岩：显晶质结构（如花岗岩）或玻璃质（如玄武岩）。
   • 变质岩：片理构造（如片岩）或粒状变晶（如大理岩）。
3. 改进策略：
   • 多尺度特征融合：通过特征金字塔网络（FPN）捕捉不同岩类的宏观构造（如片理）与微观矿物特征。
   • 域适应技术：使用对抗训练（Domain-Adversarial Neural Networks）减少沉积岩预训练模型向其他岩类的域偏移。
   • 混合特征增强：将传统纹理特征（如Gabor滤波响应）与CNN特征在中间层融合。
4. 评估指标：对比改进前后的混淆矩阵，计算跨岩类的F1-score提升率。

1. 数学建模

• 损失函数设计：联合损失函数=分类交叉熵 + 域对抗损失（λλ控制权重）。
• 优化目标：最小化岩类内距离，最大化岩类间距离，公式化：     min⁡θ∑i=1NLcls(yi,f(xi;θ))+λLadv(D(f(xi;θ)))minθ∑i=1NLcls(yi,f(xi;θ))+λLadv(D(f(xi;θ)))

1. 问题3：附件1数据测试与结果汇总
2. 问题分析

1. 任务分解：
   • 步骤1：用问题2改进模型筛选附件1中的沉积岩（二分类：沉积岩 vs 非沉积岩）。
   • 步骤2：对筛选出的沉积岩，用问题1模型细分至砂岩、泥页岩等5类。
2. 数学建模要点：
   • 两阶段Pipeline：级联模型减少计算量，第一阶段用轻量级MobileNetV3快速过滤非沉积岩。
   • 不确定性校准：对沉积岩子类预测结果，采用蒙特卡洛Dropout估计置信度，过滤低置信样本（阈值>0.8）。
3. 结果处理：
   • 统计输出：对每类沉积岩计数，生成频数分布直方图。
   • 结果验证：随机抽样人工复核，计算误判率（如将白云岩误判为灰岩的比例）。

1. 沉积岩的岩性描述是其分类和实际应用的核心，主要基于矿物组成、结构、构造、颜色及其他物理性质。以下是针对单独沉积岩的岩性特征详细分析：
   沉积岩的矿物成分反映其形成环境和物质来源：
   沉积岩的结构指颗粒的大小、形状、排列方式，直接反映沉积环境能量：
   沉积岩的宏观构造是判断沉积环境的重要标志：断口特征：页岩的平坦断口 vs 砂岩的颗粒状断口。
   • 高孔隙砂岩（储油气） vs 致密页岩（隔水层）。
   • 硬度：石英砂岩（高硬度，小刀划不动） vs 泥岩（低硬度，易碎）。
   • 密度：煤（低密度） vs 燧石（高密度）。
   • 孔隙度与渗透性：
   • 红色/褐色（氧化环境，含赤铁矿，如红层砂岩）。
   • 黑色/灰色（还原环境，含有机质或硫化铁，如黑色页岩）。
   • 原生色：
   • 次生色：风化或矿物浸染导致（如褐铁矿使岩石呈黄色）。

• • 结核：化学沉淀形成的团块（如燧石结核、黄铁矿结核）。
  • 缝合线：压溶作用形成的锯齿状缝隙（常见于石灰岩）。
  • 生物遗迹（如虫孔、足迹）：反映生物活动（如粉砂岩中的潜穴）。
  • 叠层石：蓝藻微生物席形成的层状构造（常见于石灰岩）。
  • 波痕：浅水或风成环境（如砂岩表面的波浪痕迹）。
  • 泥裂：暴露干燥环境（如泥岩表面的多边形裂纹）。
  • 雨痕：短暂暴露于雨滴冲击的痕迹。
  • 水平层理：静水环境（如深海页岩）。
  • 交错层理：河流或风成环境（如砂岩中的斜层理）。
  • 粒序层理：浊流沉积（从粗到细的颗粒递变）。

• • 生物骨架结构：珊瑚礁灰岩中的多孔骨架。
  • 有机质结构：煤的条带状或块状有机质堆积。
  • 晶粒结构：蒸发岩（如岩盐）的等粒晶体。
  • 微晶结构：石灰岩中的微晶方解石基质。
  • 鲕粒结构：鲕粒灰岩中的同心圆状颗粒（如鲕粒直径＜2 mm）。
  • 分选好（如风成砂岩） vs 分选差（如冰川沉积）。
  • 砾岩颗粒磨圆好，角砾岩棱角尖锐。
  • 砾岩（＞2 mm）、砂岩（0.0625–2 mm）、粉砂岩（0.0039–0.0625 mm）、泥岩（＜0.0039 mm）。
  • 颗粒大小：
  • 磨圆度：
  • 分选性：

• • 有机碳：煤、油页岩的特征成分（黑色，可燃）。
  • 生物碎屑（如贝壳、珊瑚骨骼）：生物灰岩的关键组分。
  • 方解石：石灰岩的主要成分（遇稀盐酸起泡）。
  • 白云石：白云岩的标志矿物（需加热或粉末与盐酸反应）。
  • 石膏/硬石膏：蒸发岩的典型矿物（白色或透明，硬度低）。
  • 硅质矿物（玉髓、蛋白石）：燧石、硅藻土的主要成分。
  • 石英：砂岩中常见（抗风化性强，如石英砂岩）。
  • 长石：长石砂岩中显著（指示近源快速沉积）。
  • 黏土矿物（如高岭石、蒙脱石）：页岩、泥岩的主要成分。
  • 岩屑（岩石碎片）：岩屑砂岩中占比高（如火山岩屑、变质岩屑）。

1. 1. 颜色
   2. 物理性质

1. 1. 四、颜色与物理性质

1. 1. 层理构造
   2. 层面构造
   3. 生物成因构造
   4. 其他构造

1. 1. 三、构造特征

1. 1. 碎屑结构
   2. 化学结构
   3. 生物结构

1. 1. 二、结构特征
   2. 碎屑岩
   3. 化学岩
   4. 生物岩
   5. 一、矿物组成

1. 五、典型沉积岩的岩性实例

1. 石英砂岩
   • 矿物：石英＞90%，少量胶结物（硅质或铁质）。
   • 结构：中-粗砂，分选好，磨圆度高。
   • 构造：大型交错层理。
   • 颜色：白色或浅黄色（硅质胶结）或红色（铁质胶结）。
2. 黑色页岩
   • 矿物：黏土矿物为主，含有机质和黄铁矿。
   • 结构：极细颗粒（泥级），薄片状剥裂。
   • 构造：水平层理，可能含笔石化石。
   • 颜色：深灰至黑色，反映缺氧环境。
3. 鲕粒灰岩
   • 矿物：方解石为主，鲕粒核心为石英或生物碎屑。
   • 结构：鲕粒直径0.2–2 mm，同心环带结构。
   • 构造：块状或层状，常见于浅海高能环境。
   • 颜色：灰白色或浅灰色。
4. 蒸发岩（岩盐）
   • 矿物：石盐（NaCl），可能含石膏夹层。
   • 结构：等粒晶体，立方体解理。
   • 构造：厚层状，无生物遗迹。
   • 物理性质：易溶于水，味咸，硬度低（指甲可刻划）。

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