電子巖芯與電子巖芯庫的研究及應用

1 研究背景

在水利水電工程的勘察、設計、施工等過程中會布置大量地質(zhì)鉆孔和設計鉆孔(以下簡稱鉆孔)。這些鉆孔的巖芯均是以實物巖芯的形式保存的，而且是目前鉆孔取樣數(shù)據(jù)的重要保存方式。它是地下巖層的直接反映，具有直觀、準確等優(yōu)點。但是實物巖芯在取樣、運輸、入庫、管理等方面都存在極大的問題。對于巖芯取樣，如在地質(zhì)條件十分差的孔段(如溶洞、斷層)，則無法完整地獲取該鉆孔的巖芯;其次，鉆孔所布置的區(qū)域大都交通不便，實物巖芯的運輸工作十分耗時耗力;再次，在實物巖芯入庫時，巖芯的編錄都是手工進行，容易產(chǎn)生錯誤，而且進展也十分緩慢;最后，實物巖芯庫的查詢管理很不方便，往往在一個工程結(jié)束后，巖芯庫房中擺放著堆積如山的巖芯，要查詢某個鉆孔的資料需要搬動大量的巖芯，由于巖芯十分沉重，導致查找效率極其低下?，F(xiàn)有的規(guī)程規(guī)范要求重要的巖芯必須全部保存，而實際上隨著歲月的流逝，巖芯難免會產(chǎn)生風化，最終并沒有保存下來。比如，三峽工程保存的大量巖芯現(xiàn)已損毀、廢棄，產(chǎn)生了極大的浪費，而且失去了很寶貴的資料。因此，找到一種有效解決實物巖芯庫存在的諸多問題的方案迫切地擺在了我們面前。

2007年9月10日，大慶油田地質(zhì)錄井分公司建成了國內(nèi)第一個數(shù)字化巖芯信息資料庫，通過高分辨率圖像采集設備，對巖芯進行現(xiàn)場實時掃描，獲得巖芯實物原貌的高度保真圖像。但是該方式存在著因巖芯破碎而無法掃描的問題，而且對于淺層工程勘探來說，地質(zhì)條件較差的區(qū)域，即無法完整取出所需要的巖芯，正是地質(zhì)工作人員特別關注的。

2001年12月，葛修潤院士在《數(shù)字式全景鉆孔攝像技術與數(shù)字鉆孔》［1］一文中提到數(shù)字鉆孔技術是建立在數(shù)字式全景鉆孔攝像技術的基礎之上的，提出了利用數(shù)字化的鉆孔孔壁圖像，經(jīng)過計算機算法處理，形成“虛擬”的鉆孔巖芯圖，即電子巖芯。

但是，電子巖芯的發(fā)展受制于鉆孔電視(數(shù)字式全景攝像系統(tǒng))的發(fā)展，而遲遲未取得革命性的進展。鉆孔電視基于全景攝像和數(shù)字圖像技術，而圖像分辨率、圖像色彩、圖像方位等因素制約了其發(fā)展。雖然電子巖芯可以實現(xiàn)鉆孔電視圖像的三維“虛擬”巖芯，但存在著圖像分辨率不高、巖芯色彩失真以及裂隙填充看不清等問題。其只能用于巖芯的三維顯示，不能進行分析、統(tǒng)計、出圖等操作，無法在實際應用中推廣。

目前，隨著高清鉆孔電視的問世，圖像分辨率、圖像色彩、圖像方位均滿足了電子巖芯的數(shù)據(jù)要求。本文以此為基礎建立電子巖芯的模型，并針對電子巖芯的預處理、入庫、查詢、分析出圖、維護管理等一系列功能建立了電子巖芯庫系統(tǒng)。同時將該系統(tǒng)應用在烏東德水電站工程上，取得了非常好的應用效果，開啟了電子巖芯庫走向應用舞臺的新時代。

2 電子巖芯

高清鉆孔電視是電子巖芯的基礎。一直以來，鉆孔電視技術存在著圖像拼接誤差偏大、圖像亮度不均勻、圖像不清晰、圖像扭曲等問題而影響電子巖芯的發(fā)展，如圖1、圖2所示。

圖1 圖像扭曲Fig.1 Distorted image of borehole-TV

圖2 光線不均勻Fig.2 Uneven brightness of borehole-TV image

圖像的拼接誤差是由于數(shù)據(jù)傳輸控制系統(tǒng)進行圖像合成時，因傳輸時間形成延時，導致圖像、方位以及深度信息的延時不相同;圖像亮度不均勻與鉆孔電視的采集光源有關。目前鉆孔電視采集儀均采用冷光源LED，冷光源LED的亮度一般都比較小，為了達到足夠的亮度，需要多個LED組合。然而LED組合是有空隙的，這樣就造成光源在孔壁形成光圈明暗交替。而圖像的清晰度是與分辨率有關的，以前鉆孔電視所采用的CCD攝像頭分辨率只能夠滿足“看得到”，僅為795 pix/D(D為直徑)，而且還由于光線的散色導致圖像顏色失真。圖像的扭曲是由于鉆孔電視采集儀采用的電子羅盤受到磁場屏蔽或者磁場干擾所產(chǎn)生的。最明顯的情況是在鋼套管的周圍采集的圖像有明顯變形，對圖像裂隙產(chǎn)狀影響很大。這些技術問題的解決，使得鉆孔電視的圖像質(zhì)量完全滿足電子巖芯庫的實現(xiàn)基礎，即高清晰、完整、無光帶、無扭曲的圖像。

電子巖芯是基于高清鉆孔電視孔壁圖像與巖芯耦合的原理，利用鉆孔的各種參數(shù)進行三維建模，實現(xiàn)孔壁圖像的三維可視化。由于高清鉆孔電視采集的孔壁圖像是真實、原位巖芯的反映，因此，電子巖芯完整反映了真實巖芯的信息。

但是，如何利用鉆孔的各種參數(shù)構建簡單、實用、準確的電子巖芯模型從而實現(xiàn)電子巖芯，以及如何高效儲存與管理電子巖芯的建模數(shù)據(jù)十分必要。以下從電子巖芯的建模參數(shù)和三維建模上進行了說明。

2.1 電子巖芯建模參數(shù)

考慮到孔壁與巖芯的耦合關系，且?guī)r芯是具有一定長度的，一定傾斜度的圓柱體。那么巖芯的參數(shù)與鉆孔的參數(shù)應保持一致，如孔斜對應圓柱體的傾斜度，孔徑對應于圓柱體的直徑，孔深對應于圓柱體的長度等。利用孔斜、鉆孔起止深度、孔徑等信息，便可建立電子巖芯的模型。

2.2 電子巖芯模型

高清鉆孔電視采集的孔壁圖像的三維建?？梢圆扇?種方式:①直接將全景圖像數(shù)據(jù)映射到三維系統(tǒng)中;②將全景圖像利用轉(zhuǎn)換公式生成二維平面展開圖［2］，在三維坐標系統(tǒng)中依據(jù)鉆孔的參數(shù)建立鉆孔的圓柱體模型，再將二維平面展開圖利用紋理機制“貼”在圓柱體上。

為了簡化三維分析處理的數(shù)據(jù)量，本文采取了第2種方式。以孔斜發(fā)生變化處的深度對鉆孔電視平面展開圖進行切割。然后以x軸為正北方向，利用紋理映射技術逆時針將圖片“貼”在三維圓柱面上。這樣，將很多微小的圓柱面連接成整體的圓柱面，即電子巖芯模型，見圖3。

圖3 電子巖芯模型Fig.3 Model of electronic core

3 電子巖芯庫

電子巖芯庫實際上是電子巖芯的信息管理系統(tǒng)。電子巖芯庫是儲存電子巖芯的倉庫，它不僅要具備信息管理系統(tǒng)的特點，同時也要滿足工程要求。以下結(jié)合工程特點從設計與實現(xiàn)上對電子巖芯庫進行說明。

3.1 電子巖芯庫設計

3.1.1 體系結(jié)構設計

電子巖芯庫是基于網(wǎng)絡的，結(jié)合實際巖芯生產(chǎn)入庫流程，具有三維可視化功能的信息管理系統(tǒng)。在實際巖芯生產(chǎn)過程中，高清鉆孔電視原始數(shù)據(jù)需經(jīng)過現(xiàn)場專業(yè)人員的預處理、三維建模等工作之后才能入庫，采用C/S模式的電子巖芯庫將大部分的編輯預處理功能由客戶端完成，從而減輕服務器端的負擔。

系統(tǒng)首先通過數(shù)據(jù)預處理模塊對原始的高清鉆孔電視的圖像、孔斜及鉆孔的基本數(shù)據(jù)進行預先處理，為系統(tǒng)提供滿足規(guī)范要求的數(shù)據(jù);其次，利用三維建模模塊建立電子巖芯的基礎數(shù)據(jù)結(jié)構，基于三維可視化系統(tǒng)實現(xiàn)電子巖芯的三維展示;最后，用戶基于自身的數(shù)據(jù)或應用需要進行相關查詢與分析，這部分由各個子系統(tǒng)來完成。系統(tǒng)的體系結(jié)構圖如圖4所示。

圖4 電子巖芯庫體系結(jié)構Fig.4 Architecture of electronic core database system

3.1.2 數(shù)據(jù)庫設計

3.1.2.1 數(shù)據(jù)編碼設計

為了更好地利用數(shù)據(jù)，需要對電子巖芯進行數(shù)據(jù)編碼。數(shù)據(jù)編碼應需要滿足不重復、易于分析、查詢方便的原則。電子巖芯的編碼設計如圖5所示。

圖5 編碼設計Fig.5 Coding design

3.1.2.2 數(shù)據(jù)庫表設計［3］

電子巖芯庫存儲的是分段展開的鉆孔電視平面圖，且分段的依據(jù)為鉆孔孔斜測量數(shù)據(jù)。因此，電子巖芯庫中最重要的是:存儲鉆孔孔斜數(shù)據(jù)、鉆孔電視平面展開圖像數(shù)據(jù)、鉆孔基本信息3個數(shù)據(jù)表，如表1至表3所示。

表1 鉆孔側(cè)斜表Table 1 Measured dip of borehole

表2 鉆孔電視圖像表Table 2 Data of borehole-TV image

表3 鉆孔基本信息表Table 3 Basic information of borehole

此外，在數(shù)據(jù)庫設計過程中，考慮到高清鉆孔電視圖像文件非常大，為了優(yōu)化數(shù)據(jù)的訪問，針對鉆孔電視圖像表不同的孔深的數(shù)據(jù)建立了基于GIS的空間索引。

3.1.3 應用子系統(tǒng)設計

電子巖芯庫包括查詢編輯子系統(tǒng)、三維可視化子系統(tǒng)、統(tǒng)計分析子系統(tǒng)、專題制作子系統(tǒng)。查詢編輯子系統(tǒng)可以圖形、屬性相互結(jié)合查詢，提高查詢效率。三維可視化不僅實現(xiàn)單個巖芯的三維展示，還要實現(xiàn)區(qū)域范圍內(nèi)的巖芯顯示。專題制作子系統(tǒng)可進行專題圖的制作與輸出，圖件以《SL73—95水利水電工程制圖標準》［4］為標準制作。

3.2 電子巖芯庫的實現(xiàn)

電子巖芯庫是以電子巖芯的數(shù)據(jù)生產(chǎn)、入庫、管理的流程為主線來實現(xiàn)的。分為數(shù)據(jù)預處理、數(shù)據(jù)入庫、三維可視化與信息化管理。

3.2.1 數(shù)據(jù)預處理

數(shù)據(jù)預處理包括鉆孔電視裂隙產(chǎn)狀信息的讀取，如鉆孔有一定的傾斜，需要進行數(shù)據(jù)校正。裂隙產(chǎn)狀數(shù)據(jù)的識別可采用半自動的軟件進行輔助識別［5］。數(shù)據(jù)預處理實現(xiàn)了數(shù)據(jù)在入庫前的標準化。

3.2.2 數(shù)據(jù)入庫

處理后的標準數(shù)據(jù)連同鉆孔的信息一同保存到電子巖芯庫中，實現(xiàn)電子巖芯的信息共享。

3.2.3 三維可視化

三維可視化在最大程度上實現(xiàn)了讓巖芯用戶在直觀的條件下充分利用巖芯信息的平臺。它可以讓用戶從不同方位、角度觀看整孔或一段巖芯的情況，也可以使用戶從區(qū)域范圍內(nèi)整體了解鉆孔的布置、鉆孔的巖芯信息，從而輔助地質(zhì)工作者進行鉆孔布置、地質(zhì)分析等工作。

三維可視化功能除基本的如放大、縮小、復位、旋轉(zhuǎn)等功能外，還具有:①實現(xiàn)切塊功能，能將巖芯等距或任意距離進行截斷;②三維地層可視化;③三維地層的開挖模型;④三維圖形專題分析，利用電子巖芯數(shù)據(jù)建立地層三維模型后，用戶可根據(jù)不同的地質(zhì)專題勘察對象重點觀察該對象的三維形態(tài)及特征，并突出顯示。如用戶要對該區(qū)域進行巖溶專題研究，系統(tǒng)將突出顯示巖溶所在的區(qū)域，其他部位的地層將進行淡化處理，使巖溶所在區(qū)域能很清晰地反映在窗口中。

3.2.4 信息化管理

實現(xiàn)了電子巖芯的查詢、編輯、瀏覽、統(tǒng)計、分析等功能，為鉆孔數(shù)據(jù)的綜合高效處理提供了一個綜合性平臺。鉆孔綜合地質(zhì)信息化平臺主要實現(xiàn)了以下管理方式:

查詢功能:本著方便、快速、準確的方針，電子巖芯庫提供了多樣化的查詢方式。

編輯功能:可以對入庫的鉆孔信息進行修改、刪除。

瀏覽功能:包括單孔或多孔的三維可視化，屬性信息的列表顯示，單孔鉆孔電視采集回放。

統(tǒng)計功能:結(jié)合地質(zhì)工作需要，對巖芯庫進行分類統(tǒng)計。

輸出功能:實現(xiàn)分析成果圖表輸出。如地質(zhì)專題圖，巖芯展開平面圖輸出。可實現(xiàn)按真實巖芯1∶1的比例出圖。

4 討論

由于電子巖芯庫是基于高清鉆孔電視圖像建立的，因此，在電子巖芯的數(shù)據(jù)管理、訪問、顯示與制圖和出圖上存在著一些技術難點。其難點及本文研究解決的途徑如下:

(1)電子巖芯庫是基于高清鉆孔電視來實現(xiàn)的，由于高清鉆孔電視采集的圖像分辨率非常大，因此，數(shù)據(jù)庫的容量也會非常大。這樣對系統(tǒng)的可靠性、訪問效率都是一種挑戰(zhàn)，特別是在數(shù)據(jù)庫的儲存與維護、數(shù)據(jù)庫的訪問上，本文采取了分布式的數(shù)據(jù)庫管理方式，最終達到了數(shù)據(jù)的高效訪問與利用。

(2)由于高清鉆孔電視采集的圖像數(shù)據(jù)量很大，在區(qū)域范圍內(nèi)的電子巖芯的三維可視化與三維分析處理時，需要消耗大量的內(nèi)存資源。如何進行資源優(yōu)化以及提高三維顯示處理速度是電子巖芯庫的難點。系統(tǒng)采取了利用不同深度分段調(diào)用圖像數(shù)據(jù)進行三維顯示以及不同視距采用不同分辨率的方式，提高了系統(tǒng)響應速度。

(3)由于電子巖芯局限于電腦屏幕，無法高清晰地展示非常長的巖芯，提供1∶1打印的紙質(zhì)巖芯是非常有必要的，而1∶1的比例打印輸出是一個技術難點。目前通過輸出打印到圖像文件，采用獨特的洗印技術，使該問題得到了解決。

5 烏東德水電站的應用

電子巖芯庫在工程的各個階段均可應用:在工程前期勘察設計階段，可用于基礎鉆孔的孔壁鉆孔電視成像，識別泥化夾層等地質(zhì)情況，建立基礎鉆孔的電子巖芯庫，以及地質(zhì)人員可用巖芯庫的資料進行鉆孔布置輔助工作;在工程施工階段可用于固結(jié)灌漿、帷幕灌漿效果檢查、混凝土質(zhì)量檢查;在工程運營階段，可追蹤基礎地質(zhì)演變，如了解泥化夾層在運營期是否產(chǎn)生了變化。

烏東德水電站壩址位于四川省會東縣和云南省祿勸縣交界的金沙江下游河道上，是金沙江水電基地下游河段世界級巨型水電站。烏東德水電站樞紐工程由混凝土雙曲拱壩、泄水建筑物及左右岸地下引水發(fā)電系統(tǒng)等組成。最大壩高265 m，地下電站廠房位于左右兩岸。

烏東德水電站目前處于工程的施工階段，鉆孔主要布置在壩軸線、圍堰、左右岸壩肩，地下廠房等處。鉆孔鉆探所產(chǎn)生的實物巖芯無需編錄、整理、運輸、儲存與維護管理，而是采用高清鉆孔電視一次性采集高清圖像數(shù)據(jù)，在數(shù)據(jù)預處理后保存到電子巖芯庫中，極大提高了工作效率，節(jié)約了大量的人力財力。電子巖芯入庫過程如下:首先利用高清鉆孔電視采集孔壁圖像(如圖6);然后基于鉆孔的參數(shù)建立三維模型，并將孔壁圖像“貼”在圓柱體上，形成電子巖芯(如圖7);最后，將電子巖芯及相關信息錄入到電子巖芯庫中。

圖6 ZK141孔高清鉆孔電視圖片F(xiàn)ig.6 High resolution borehole-TV image of borehole ZK141

圖7 烏東德水電站ZK142鉆孔電子巖芯Fig.7 Electronic core of borehole ZK142 in Wudongde hydropower station

烏東德水電站圍堰覆蓋層非常厚，幾乎都是由沙卵石組成，無法取出巖芯。而利用高清鉆孔電視，完整獲取了高清的孔壁圖像(如圖8)，從而可通過電子巖芯庫進行管理。

圖8 圍堰覆蓋層ZK80鉆孔高清鉆孔電視圖像Fig.8 High resolution borehole-TV image of borehole ZK80 in the overburden layer on cofferdam

在建立電子巖芯后，用戶可很方便地對電子巖芯進行查詢、編輯、統(tǒng)計分析等工作，還可實時回放鉆孔電視的采集過程，圖9展示了電子巖芯庫的回放系統(tǒng)。此外，勘探工作還可依據(jù)電子巖芯庫指導鉆孔的布置，節(jié)省勘探成本。電子巖芯庫為鉆孔勘探提供了方便、快捷、更深層次的信息應用平臺。隨著工程的進展，烏東德水電站的鉆孔都將采用電子巖芯庫進行管理。

圖9 烏東德水電站ZK142鉆孔電視采集回放系統(tǒng)Fig.9 Sampling and replay system of borehole-TV from borehole ZK142 in Wudongde hydropower station

6 結(jié)論

基于高清鉆孔電視技術的電子巖芯，解決了實物巖芯從采集、運輸、儲存到管理等各個環(huán)節(jié)的各種問題，也解決了三維巖芯掃描方式不能完整得到巖芯圖像的問題，而且只需要進行一次鉆孔電視的采集過程即可獲得整孔的電子巖芯，大大提高了工作效率。電子巖芯庫使得巖芯的管理從實物巖芯的管理走向電子巖芯的信息化管理，實現(xiàn)了巖芯數(shù)據(jù)的永久保存，促進了巖芯數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)共享與高效利用。電子巖芯庫目前已在烏東德水電站工程施工中進行了初次應用，并取得了良好的應用效果。

［1］葛修潤，王川嬰.數(shù)字式全景鉆孔攝像技術與數(shù)字鉆孔［J］.地下空間，2001，21(4):254 －261.(GE Xiurun，WANG Chuan-ying.Digital Panoramic Borehole Camera Technique and Digital Borehole［J］.Underground Space，2004，21(4):254 －261.(in Chinese))

［2］王川嬰，葛修潤，白世偉.數(shù)字式全景鉆孔攝像系統(tǒng)及應用［J］.巖土力學，2001，22(4):522 －525.(WANG Chuan-ying，GE Xiu-run，BAI Shi-wei.The Digital Panoramic Borehole Camera System and Its Application［J］.Rock and Soil Mechanics，2001，22(4):522 － 525.(in Chinese))

［3］左 悅.地質(zhì)勘查鉆孔巖芯信息多媒體數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)［D］.北京:中國地質(zhì)大學(北京)，2006.(ZUO Yue.Management System for the Multimedia Database of Borehole Rock Core Information in Geological Investigation［D］.Beijing:China University of Geosciences，2006.(in Chinese))

［4］武漢水利電力大學.SL73—95水利水電工程制圖標準［S］.北京:中國水利水電出版社，1995.(Wuhan U-niversity.SL73—95 Drawing Standards for Water Conservancy and Hydropower Engineering［S］.Beijing:China Water Power Press，1995.(in Chinese))

［5］王川嬰，葛修潤，白世偉.數(shù)字式全景鉆孔攝像系統(tǒng)研究［J］.巖石力學與工程學報，2002，21(3):398－403.(WANG Chuan-ying，GE Xiu-run，BAI Shi-wei.The Digital Panoramic Borehole Camera System and Its Application［J］.Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2002，21(3):398 －403.(in Chinese))