海上平臺巖屑數(shù)字圖像自動識別分析系統(tǒng)的研究

苑舒斌 符耀慶

摘 要：針對海上平臺巖屑錄井?dāng)?shù)字圖像實(shí)時處理、分析和發(fā)布的需要，減少海上平臺地質(zhì)人員工作強(qiáng)度，保證巖屑采集原始信息的完整性，增強(qiáng)海上和陸地之間信息共享的及時性，提高分析決策效率，提出了海上平臺衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)巖屑數(shù)字圖像實(shí)時處理分析發(fā)布系統(tǒng)的整體架構(gòu)設(shè)計(jì)，包括巖屑數(shù)字圖像分析處理、衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)傳輸和信息集成共享等主要內(nèi)容，通過系統(tǒng)的建設(shè)和應(yīng)用，很大程度上避免了漏采樣品，并提高了分析效率以及多方信息溝通的能力。

關(guān)鍵詞：巖屑數(shù)字圖像 圖像處理 圖像識別 圖像壓縮 傳輸策略 信息集成

中圖分類號：TP39 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-098X（2012）12（a）-00-03

在石油勘探領(lǐng)域，巖屑是地質(zhì)人員及時認(rèn)識地層巖性和油性的直觀材料，而巖屑錄井是巖屑信息獲取的重要手段。地質(zhì)員按要求每隔一定深度取樣一次，再對每次取得的原始樣品進(jìn)行篩選、過濾和清洗后，進(jìn)行顯微鏡下地質(zhì)觀察和定名，并確定取樣深度的巖石類別，求出各類巖屑樣品的質(zhì)量或體積百分比，配合其它錄井資料，繪制井下巖屑地層剖面圖。在巖屑錄井工作中，還要用特定波段的熒光燈照射某些層段的巖屑以激發(fā)出熒光，通過熒光顏色和強(qiáng)度識別其含油氣性。巖屑錄井有識別井下地層巖性和油氣的重要作用，且費(fèi)用少，是油氣勘探中必須進(jìn)行的一項(xiàng)工作。

目前，海上平臺在進(jìn)行巖屑錄井時仍采用傳統(tǒng)的技術(shù)和方法，即撈樣、清洗、照相、描述等均由現(xiàn)場地質(zhì)員人工完成。但隨著鉆井技術(shù)的不斷發(fā)展，過去需要20多d才能鉆完的一口生產(chǎn)井，現(xiàn)在只需要5 d左右，這樣無疑給取樣和描述工作帶來了諸多的難題。首先，地質(zhì)員需要在1～2 min內(nèi)完成一次巖屑樣本抽取工作，清洗、照相、描述等后續(xù)工作根本就來不及完成，因而很容易出現(xiàn)漏采樣本的情況。其次，PDC鉆頭的應(yīng)用，導(dǎo)致巖屑樣本非常細(xì)小，不易觀察和識別，致使現(xiàn)場描述工作非常困難，出現(xiàn)偏差的情況時有發(fā)生。同時由于海上平臺和陸地之間的信息不同步，地質(zhì)員獲取到的數(shù)字圖像資料和分析結(jié)果無法及時地反饋給研究決策人員，造成鉆井過程中基于巖屑信息的分析決策滯后。針對以上巖屑錄井工作中存在的問題，結(jié)合數(shù)字圖像處理分析技術(shù)以及高適用性的數(shù)據(jù)傳輸策略，將海上采集分析、衛(wèi)星數(shù)據(jù)傳輸、陸上深化應(yīng)用作為一個有機(jī)整體，進(jìn)行海上平臺數(shù)字圖像自動識別系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和研究。

1 整體的設(shè)計(jì)思路

巖屑數(shù)字圖像自動識別分析系統(tǒng)在設(shè)計(jì)上需要綜合考慮平臺地質(zhì)員以及陸上研究決策人員對巖屑錄井信息的管理、監(jiān)控以及應(yīng)用等方面的需求。如圖1所示，平臺巖屑錄井一般分為圖像采集、圖像儲存、圖像處理分析三個步驟。首先，通過使用工業(yè)級CCD攝像頭對巖屑進(jìn)行白光掃描和紫外激發(fā)光源下的熒光掃描，獲取巖屑的白光熒光圖像，再通過傳輸接口保存到服務(wù)器相應(yīng)的文件夾中。系統(tǒng)會不間斷地對這些文件夾進(jìn)行檢測，當(dāng)發(fā)現(xiàn)新的圖像文件后，及時進(jìn)行處理和分析，并第一時間將結(jié)果呈現(xiàn)在平臺地質(zhì)員面前。與此同時，陸上的分析決策人員也將實(shí)時捕獲平臺通過衛(wèi)星傳送過來的巖屑數(shù)字圖像和分析處理數(shù)據(jù)，并可以對這些數(shù)據(jù)進(jìn)行僅一步分析，最后計(jì)算巖屑目標(biāo)的多項(xiàng)參數(shù)。除了具備海上平臺分析功能外，陸上可通過人工方式對巖屑巖性及含油巖屑發(fā)光特性進(jìn)行識別，提高識別的準(zhǔn)確率。最后生成多種統(tǒng)計(jì)報(bào)表，并以直方圖和頻率圖等直觀的方式將信息呈現(xiàn)在決策人員面前。

考慮到同時進(jìn)行巖屑錄井工作的平臺可能有多個以及陸上數(shù)據(jù)集中管理的需要，陸上系統(tǒng)可以同步接受來自不同平臺的信息。

圖1 系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)思路

2 巖屑數(shù)字圖像處理分析

圖像自動處理與分析無論在海上還是陸上系統(tǒng)中都是最核心的功能。該功能案工作流程可分為巖屑圖像預(yù)處理、目標(biāo)分割、特征提取和目標(biāo)識別三個階段。

為了保證分析結(jié)果的準(zhǔn)確性，系統(tǒng)對巖屑圖像質(zhì)量有著比較高的要求，主要在清晰度和分辨率兩個方面。因?yàn)樵谶M(jìn)行圖像采集時，由于光照條件和巖屑形狀的不同，會導(dǎo)致掃描時不同區(qū)域的景深和明暗程度差別很大，從而導(dǎo)致圖像亮度不均勻和模糊失真的情況發(fā)生，這將會嚴(yán)重影響識別分析的效果。系統(tǒng)通過激光測距和圖像融合技術(shù)解決清晰度問題。通過采用高分辨率掃描儀解決分辨率問題，分辨率一般要在10000 dpi以上，這樣當(dāng)圖像在放大100倍之后，巖屑的真實(shí)信息才能反映出來，尤其是巖屑紋理信息，這是巖屑紋理識別的重要基礎(chǔ)。

2.1 圖像預(yù)處理

由于巖屑樣品采集使用的工業(yè)級CCD鏡頭屬于感光器件，在進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換以及電信號傳輸過程中難免受到電磁干擾，影響圖像質(zhì)量，這樣就需要在分析之前進(jìn)行圖像的預(yù)處理，以達(dá)到降噪的目的。

本系統(tǒng)通過采用陰影校正、噪聲去除、對比度增強(qiáng)和邊界增強(qiáng)等方法，實(shí)現(xiàn)圖像質(zhì)量的改善。陰影校正是通過直方圖均衡的方法在進(jìn)行灰度轉(zhuǎn)換時處理光照不均或曝光不足的現(xiàn)象。對于噪聲的處理，主要是通過圖像平滑、高斯濾波和中值濾波來完成。通過圖像平滑方式降噪，系統(tǒng)提供了鄰域平均法、頻域低通濾波法和多圖像平均法。在對圖像進(jìn)行平滑時要注意對圖像邊緣的保護(hù)，避免平滑造成的邊緣信息的損失。對比度增強(qiáng)采用了自乘增強(qiáng)、自動平衡、直方圖均衡等方法來實(shí)現(xiàn)，可以明顯提高圖像視覺效果。

對于通過上述方法仍無法消除的一些小的目標(biāo)或目標(biāo)上的孔洞，系統(tǒng)使用小孔去除或填充的方法進(jìn)行處理，以減少這些孔洞對分析結(jié)果的影響。

2.2 圖像目標(biāo)分割

本系統(tǒng)采用的是結(jié)構(gòu)化的分割方法，首先將預(yù)處理過的巖屑數(shù)字圖像進(jìn)行灰度變換（如圖2所示），在通過灰度拉伸增強(qiáng)圖像的灰度對比度，使目標(biāo)和背景更容易區(qū)分出來，再對灰度圖像進(jìn)行閾值分割。

這里我們使用多閾值分割方法，主要是因?yàn)閹r屑圖像不同目標(biāo)之間的灰度級別可能相差很大，屬于多目標(biāo)分割范疇。通過OTSU多閾值分割算法，可以將巖屑數(shù)字圖像分為若干個子圖像，每個子圖像的灰度級別都在一定范圍內(nèi)且不重合。在應(yīng)用中，多閾值分割很好地將目標(biāo)和背景分離出來（如圖3所示）。

但是閾值分割只能將目標(biāo)和背景分離開來，卻無法將粘連在一起的目標(biāo)區(qū)域分開，既有可能將多個連接在一起的目標(biāo)當(dāng)成一個目標(biāo)進(jìn)行識別分析。為了解決這一問題，系統(tǒng)對每一個閾值分割出來的子圖像中粘連不是很嚴(yán)重的目標(biāo)通過分水嶺算法進(jìn)行處理，對粘連比較嚴(yán)重的目標(biāo)通過邊緣檢測的方法進(jìn)行處理，比如roberts算子、laplace算子、hough算子等等。然后再將多幅子圖像拼接成一個完整的圖像。

通過目標(biāo)分割實(shí)現(xiàn)了巖屑目標(biāo)與圖像背景以及不同巖屑目標(biāo)之間的分離，從而提取出若干個具有相似特征的目標(biāo)區(qū)域，為進(jìn)一步的目標(biāo)識別做好準(zhǔn)備。

2.3 巖屑特征提取及識別

目標(biāo)特征是進(jìn)行目標(biāo)識別的基礎(chǔ)，一般可以分為自然特征和人工特征，前者有目標(biāo)顏色、亮度、紋理和輪廓等，而后者多指人為加工和變換后的特征，比如直方圖和頻譜等。

由于采集出來的巖屑樣本大多是灰色和黑色的，尤其是濕樣，不同巖屑的顏色都很接近，很難通過色彩來進(jìn)行區(qū)分。所以本系統(tǒng)將巖屑紋理作為主要的巖屑特征，并通過其對不同巖屑進(jìn)行識別。

系統(tǒng)通過統(tǒng)計(jì)方法對巖屑紋理進(jìn)行描述。直方圖是統(tǒng)計(jì)方法中最基本的方法，尤其適用于自然紋理。直方圖包括灰度直方圖、灰度水平差分直方圖、灰度和差直方圖以及灰度共生矩陣，系統(tǒng)會根據(jù)事先設(shè)定好的參數(shù)對巖屑目標(biāo)進(jìn)行某一類直方圖的統(tǒng)計(jì)，并求出相應(yīng)的數(shù)學(xué)統(tǒng)計(jì)量特征。如表1所示，顯示7類巖屑的6種統(tǒng)計(jì)量特征。

這里需要說明的是，并不是每一個直方圖的每一個統(tǒng)計(jì)量特征均能作為巖屑目標(biāo)識別的依據(jù)，只能通過大量的實(shí)驗(yàn)，找出不同巖性在統(tǒng)計(jì)特征上的變化規(guī)律，從而制定出合理的識別方法。比如經(jīng)過500個樣品的試驗(yàn)，繪制出全部四個直方圖的30個統(tǒng)計(jì)特征量的統(tǒng)計(jì)曲線和相互重疊的概率分布表，便可以快速地分清哪些特征值適用于區(qū)分哪些巖屑。通過實(shí)驗(yàn)，灰色白云質(zhì)泥巖、綠灰色含膏泥巖、灰色石膏質(zhì)泥巖可以通過灰度和差直方圖的均值、方差、相關(guān)度和熵與砂巖區(qū)分開，而其它的泥巖則無法通過這些統(tǒng)計(jì)量特征進(jìn)行區(qū)分。由此可見，巖屑識別的工作重點(diǎn)不單單在于研究巖屑特征的提取，還需要進(jìn)行大量的實(shí)驗(yàn)，對特征值以及巖屑之間相互關(guān)系進(jìn)行分析。

目前，系統(tǒng)知識庫所包含的巖屑圖像數(shù)據(jù)主要來自于南海鉆井平臺，這些數(shù)據(jù)是否適應(yīng)渤海、黃海、東海和北海的地質(zhì)環(huán)境還需要進(jìn)一步研究和驗(yàn)證。

3 衛(wèi)星傳輸設(shè)計(jì)

3.1 數(shù)據(jù)傳輸策略

海上和陸上的信息傳輸是通過衛(wèi)星來完成的，傳輸?shù)臄?shù)據(jù)類型主要有分析處理數(shù)據(jù)和巖屑數(shù)字圖像兩類，前者信息量較小，而后者信息量往往較大，瞬間的傳輸峰值有可能超出帶寬的限制。為了不影響海上平臺正常的生產(chǎn)作業(yè)，同時在有需要的時候?qū)崿F(xiàn)海陸信息共享，系統(tǒng)在傳輸策略上支持實(shí)時傳輸、定時傳輸和適時傳輸三種方法。

除了上述的數(shù)據(jù)傳輸策略外，系統(tǒng)還支持有選擇地?cái)?shù)據(jù)傳輸。陸上決策人員比較關(guān)心含油巖屑的圖像信息，而通過初步分析往往能夠判定巖屑是否含油，系統(tǒng)可以根據(jù)設(shè)定將含油豐度滿足一定條件的巖屑圖像傳輸回陸地，以便決策人員進(jìn)行進(jìn)一步的分析處理。

3.2 圖像壓縮

對10 cm×10 cm的盛樣皿進(jìn)行10000 dpi的巖屑掃描時，生成的jpg圖像大小一般會超過100 M，硬件系統(tǒng)每半分鐘會采集一幅白光圖像和一幅熒光圖像，直接傳輸對帶寬的占用非常大。為了解決這一問題，系統(tǒng)采用了一種高效的圖像壓縮算法，首先對圖像進(jìn)行色彩空間轉(zhuǎn)換，從RGB格式轉(zhuǎn)換成格式，再經(jīng)過塔式小波變換-量化-熵編碼等操作，完成圖像的壓縮。

反之，進(jìn)行上述操作的逆操作可以實(shí)現(xiàn)對壓縮圖像的解壓。通過應(yīng)用，當(dāng)壓縮比為48∶1時，經(jīng)壓縮算法處理過的圖像質(zhì)量幾乎沒有受到影響，能滿足進(jìn)一步分析處理的需要，并大大降低了衛(wèi)星流量。

3.3 數(shù)據(jù)同步

多個平臺子系統(tǒng)與主服務(wù)器之間的數(shù)據(jù)同步是通過多線程技術(shù)和多數(shù)據(jù)庫同步技術(shù)實(shí)現(xiàn)的。前者適用于圖像文件的傳輸，并需要在發(fā)送端執(zhí)行傳輸主程序，在接收端執(zhí)行監(jiān)聽主程序和會話主程序。相應(yīng)的程序調(diào)度與執(zhí)行是通過系統(tǒng)的作業(yè)調(diào)度模塊來完成的，具有較好的靈活性。圖像的識別分析結(jié)果均存儲在SQL Server數(shù)據(jù)庫中，子數(shù)據(jù)源與主數(shù)據(jù)源的數(shù)據(jù)同步采用SQL Server事務(wù)復(fù)制方式。

4 網(wǎng)絡(luò)共享平臺設(shè)計(jì)

4.1 信息集成

巖屑錄井是獲取第一手地址資料的重要手段，但并不是唯一的手段。其中測井?dāng)?shù)據(jù)對鉆井工作也有很重要的指導(dǎo)意義。為了讓決策人員更全面地了解這些信息，系統(tǒng)在巖屑錄井信息的基礎(chǔ)上集成了隨鉆決策系統(tǒng)中的測井?dāng)?shù)據(jù)，包括自然伽瑪、自然電位、微電極、電阻率、井陘、中子孔、體積密度、聲波時差等。集成方式是通過在隨鉆決策系統(tǒng)中發(fā)布相應(yīng)的Web Service接口實(shí)現(xiàn)的。同時本系統(tǒng)也提供了多種數(shù)據(jù)共享接口，包括按層級及深度讀取圖像及分析數(shù)據(jù)接口、按井讀取熒光豐度曲線接口等，實(shí)現(xiàn)方式也是web服務(wù)。

4.2 前臺功能設(shè)計(jì)

如圖4所示，網(wǎng)絡(luò)共享平臺由三部分組成：數(shù)據(jù)存儲、信息發(fā)布和系統(tǒng)管理。首先平臺通過多渠道收集存儲了包括數(shù)字圖像、分析處理數(shù)據(jù)和外部集成數(shù)據(jù)在內(nèi)的對分析決策有幫助的各類數(shù)據(jù)，是信息發(fā)布的數(shù)據(jù)來源。而信息發(fā)布通過對這些數(shù)據(jù)進(jìn)行不同角度的組織，構(gòu)建了基于井信息的圖像展示、曲線繪制、報(bào)告瀏覽、多井對比和綜合評價等功能，方便研究人員從不同方面觀察了解巖屑錄井信息以及多信息綜合應(yīng)用情況。平臺還提供了知識管理功能，逐步將全部錄井?dāng)?shù)據(jù)和評價結(jié)果納入到知識管理體系中來，形成綜合錄井知識庫，為今后的查詢、瀏覽和應(yīng)用提供方便。除此之外，平臺通過多層級的用戶授權(quán)機(jī)制和日志記錄機(jī)制，保障平臺安全運(yùn)行。

5 結(jié)語

海上平臺巖屑數(shù)字圖像自動識別分析系統(tǒng)在研究、設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)過程中充分考慮了海陸工作人員的巖屑錄井需求，并很好地與自動采樣掃描硬件系統(tǒng)銜接起來，是在海上平臺錄井工作自動化和智能化研究領(lǐng)域的一次具有創(chuàng)新性的探索，對今后在陸上和海上進(jìn)行大規(guī)模的自動化錄井工作提供了有價值的借鑒和參考。

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