基于智能手機(jī)APP的巖芯圖像采集研究

米勝信，姚聿濤，張晨光，周　游，劉琳琳

(國(guó)土資源實(shí)物地質(zhì)資料中心，河北 三河 065201)

鉆孔巖芯作為實(shí)物地質(zhì)資料最重要組成部分，具有較高的保管、服務(wù)與利用價(jià)值。目前，巖芯服務(wù)利用方式主要有巖芯實(shí)體觀察、表面圖像瀏覽、測(cè)試分析及多參數(shù)掃描等，其中圖像瀏覽是利用最為廣泛的服務(wù)方式。表面圖像主要是通過(guò)專(zhuān)業(yè)的巖芯掃描設(shè)備對(duì)巖芯表面白光掃描，獲得清晰度較高的巖芯圖像。然而受巖芯掃描設(shè)備形體大、環(huán)境參數(shù)要求高等限制，巖芯表面掃描更適宜在室內(nèi)進(jìn)行，野外現(xiàn)場(chǎng)巖芯原始保存狀態(tài)難以得到及時(shí)有效的記載。

1　巖芯數(shù)字化現(xiàn)狀

截至2017年6月底，我國(guó)館藏成果地質(zhì)資料總量共計(jì)50.22萬(wàn)檔(1 506萬(wàn)件),原始地質(zhì)資料總量共計(jì)147.45萬(wàn)件,包括委托保管在內(nèi)的我國(guó)館藏實(shí)物地質(zhì)資料總量共計(jì)巖(礦)芯約103萬(wàn)m[1]。其中，館藏機(jī)構(gòu)和地勘單位作為巖芯保管的主體，國(guó)家實(shí)物地質(zhì)資料中心保管巖芯44萬(wàn)m，在陸續(xù)建成的省級(jí)實(shí)物地質(zhì)資料館中，安徽省、山東省、四川省等省級(jí)地質(zhì)資料館采集保管巖芯10萬(wàn)多米，其余巖芯則分散保管在地勘單位和礦山上。

1.1　巖芯的數(shù)字化方法

目前，廣泛應(yīng)用的巖芯數(shù)字化方法大致可分為三類(lèi)：一是獲取實(shí)物表面圖像信息，如巖芯白光掃描；二是獲取實(shí)物表面的各類(lèi)化學(xué)參數(shù)信息，如巖芯高光譜礦物掃描分析、巖芯XRF元素濃度掃描分析等；三是獲取實(shí)物內(nèi)部的物理參數(shù)信息，如巖芯CT掃描、P波速度掃描、伽馬密度掃描、磁化率掃描等。受掃描速度、掃描成本等因素的限制，實(shí)物地質(zhì)資料館藏機(jī)構(gòu)和保管單位開(kāi)展批量數(shù)字化主要是利用巖芯掃描儀對(duì)巖芯進(jìn)行表面圖像數(shù)字化[2]，然后通過(guò)裁剪工具對(duì)掃描后的圖像進(jìn)行裁切處理，僅保留含巖芯段的圖像。

1.2　巖芯數(shù)字化程度

巖芯圖像是巖芯服務(wù)的主要內(nèi)容之一，可以向用戶直觀并最大限度地展示巖芯真實(shí)情況，客觀反映巖芯的地質(zhì)情況和保管程度[3]。因此，實(shí)物地質(zhì)資料館藏機(jī)構(gòu)和保管單位均不同程度開(kāi)展巖芯圖像采集工作。國(guó)土資源實(shí)物地質(zhì)資料中心利用掃描儀開(kāi)展巖芯白光圖像掃描工作，已完成約32萬(wàn)m巖芯的表面圖像采集工作。巖芯生產(chǎn)單位則利用數(shù)碼相機(jī)對(duì)巖芯表面圖像進(jìn)行拍照并存儲(chǔ)管理。

1.3　巖芯服務(wù)現(xiàn)狀

在互聯(lián)網(wǎng)向用戶提供的巖芯數(shù)據(jù)內(nèi)容也比較有限，以巖芯目錄(巖芯項(xiàng)目名稱(chēng)、鉆孔編號(hào)、存放地址、聯(lián)系方式)、鉆孔數(shù)據(jù)庫(kù)(鉆孔基本信息、鉆孔柱狀圖)為主，只有少數(shù)館藏機(jī)構(gòu)開(kāi)展巖芯掃描并通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)向用戶提供巖芯圖像服務(wù)。

1.4　巖芯圖像采集問(wèn)題總結(jié)

1) 掃描成本高。開(kāi)展巖芯掃描工作需具專(zhuān)業(yè)的巖芯掃描儀，市場(chǎng)上通用的一套巖芯掃描儀價(jià)格在50萬(wàn)～100萬(wàn)元不等，相對(duì)館藏機(jī)構(gòu)來(lái)說(shuō)成本較高。

2) 物理?xiàng)l件受限。開(kāi)展巖芯掃描工作，需要在固定物理場(chǎng)所進(jìn)行，該場(chǎng)所至少需具備防雨、動(dòng)力電源等條件。由于巖芯生產(chǎn)和保管大多在野外進(jìn)行，環(huán)境艱苦，不具備開(kāi)展巖芯掃描的條件。此外，巖芯掃描儀設(shè)備屬于精密儀器，不宜多次顛簸運(yùn)輸和拆卸等操作。

3) 掃描速度慢。利用巖芯掃描儀對(duì)巖芯進(jìn)行掃描，在設(shè)置合理的掃描分辨率的條件下，掃描速度約0.5 m/min，掃描完成后還需專(zhuān)業(yè)技術(shù)人員進(jìn)行裁剪、拼接等處理方可進(jìn)行存儲(chǔ)。

4) 相機(jī)拍照缺乏規(guī)范化。在巖芯生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)，多數(shù)工作人員用數(shù)碼相機(jī)對(duì)巖芯進(jìn)行拍照。相機(jī)拍照在分辨率設(shè)置、水平控制和圖片描述等方面的存在管理不便和規(guī)范化不足等問(wèn)題。

2　巖芯圖像采集APP開(kāi)發(fā)可行性分析

為了解決巖芯圖像采集和服務(wù)水平低下的問(wèn)題，從技術(shù)創(chuàng)新角度出發(fā)，開(kāi)拓利用智能手機(jī)APP進(jìn)行巖芯圖像采集的新方式來(lái)解決這一問(wèn)題。隨著智能手機(jī)的廣泛普及、手機(jī)軟硬件及網(wǎng)絡(luò)傳輸速度等技術(shù)水平的不斷提高，使開(kāi)發(fā)智能手機(jī)APP采集巖芯圖像變得非常可行，重點(diǎn)解決巖芯圖像采集的內(nèi)容、質(zhì)量和圖像傳輸及處理發(fā)布等問(wèn)題。

2.1　智能手機(jī)具備圖像采集條件

智能手機(jī)APP在各領(lǐng)域的成功應(yīng)用，給了我們開(kāi)發(fā)手機(jī)巖芯圖像采集APP的啟示。事實(shí)上，智能手機(jī)無(wú)論是在硬件、軟件條件還是網(wǎng)絡(luò)傳輸速度等方面，均具備野外現(xiàn)場(chǎng)或室內(nèi)巖芯圖像采集所需。

硬件性能方面，智能手機(jī)數(shù)據(jù)處理能力越來(lái)越強(qiáng)，并配置獨(dú)立的圖形處理芯片，能夠運(yùn)行各種應(yīng)用程序，其性能與個(gè)人計(jì)算機(jī)不相上下。手機(jī)內(nèi)存卡容量也越來(lái)越大，物理內(nèi)存均在20 G，擴(kuò)展內(nèi)存可達(dá)100 G左右，能夠滿足圖像離線存儲(chǔ)的需要。

手機(jī)拍照性能方面，智能手機(jī)拍照像素均已達(dá)到1 000萬(wàn)dpi以上。現(xiàn)有主流手機(jī)攝像頭像素配置下，手機(jī)拍照應(yīng)用于巖芯圖像采集，獲得的圖像基本能夠辨清巖層等地質(zhì)情況。

軟件資源方面，基于主流手機(jī)操作系統(tǒng)Android和IOS各種開(kāi)發(fā)軟件應(yīng)用相當(dāng)成熟，開(kāi)發(fā)巖芯圖像采集APP基本不存在技術(shù)問(wèn)題。

數(shù)據(jù)傳輸方面，通過(guò)數(shù)據(jù)線、藍(lán)牙、無(wú)線網(wǎng)絡(luò)和4G網(wǎng)絡(luò)均可實(shí)現(xiàn)圖像的快速傳輸。

巖芯圖像發(fā)布方面，解決了巖芯圖像、地質(zhì)描述信息和化學(xué)分析結(jié)果同一深度信息、統(tǒng)一頁(yè)面展示、巖芯圖像異步加載，已經(jīng)具備較為成熟的技術(shù)。

2.2　整盒巖芯圖像代替單個(gè)巖芯展示服務(wù)思路

在地質(zhì)資料工作開(kāi)展較早且管理與服務(wù)技術(shù)相對(duì)先進(jìn)的國(guó)家，如加拿大、澳大利亞、瑞典、芬蘭等，巖芯圖像均以盒為單位對(duì)外服務(wù)，并標(biāo)注巖芯的起始深度和終止深度及深度的順序。

我國(guó)館藏機(jī)構(gòu)將掃描的巖芯圖像進(jìn)行裁剪，只保留含巖芯段的巖芯圖像，并以單段巖芯進(jìn)行存儲(chǔ)管理服務(wù)。借鑒國(guó)外整盒巖芯服務(wù)的方式，利用智能手機(jī)開(kāi)發(fā)APP對(duì)整盒巖芯照相，準(zhǔn)確記錄巖芯深度信息，將整盒的巖芯圖像對(duì)外提供服務(wù)，既可節(jié)省實(shí)物工作量，又可最大限度地展示巖芯原始面貌。

3　APP信息架構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1　設(shè)計(jì)策略

APP設(shè)計(jì)目的是為提高巖芯圖像的采集效率，向用戶提供一款簡(jiǎn)單、快捷、經(jīng)濟(jì)的采集管理與服務(wù)工具，提高我國(guó)實(shí)物地質(zhì)資料信息服務(wù)利用水平。

為了今后全面推廣應(yīng)用，APP設(shè)計(jì)應(yīng)具備以下3方面原則：①通用性原則，APP可普遍適用于主流手機(jī)操作系統(tǒng)，并對(duì)手機(jī)硬件無(wú)特殊要求，具備較好的穩(wěn)定性、兼容性和安全性；②便捷性原則，APP應(yīng)滿足野外和室內(nèi)環(huán)境采集，操作方面，攜帶便捷；③經(jīng)濟(jì)性原則，APP總體價(jià)格不要過(guò)于昂貴，并普遍適用于館藏機(jī)構(gòu)和生產(chǎn)單位。

3.2　模塊設(shè)計(jì)

APP主要由前臺(tái)采集端和后臺(tái)服務(wù)端兩部分組成。其中，前臺(tái)采集端由用戶中心、信息采集、信息管理和信息傳輸?shù)饶K組成；后臺(tái)服務(wù)端由信息管理、信息審核、信息發(fā)布等模塊組成。此外，為保證采集圖像的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范化，還進(jìn)行了APP支架設(shè)計(jì)。

3.2.1前臺(tái)采集端

用戶中心：APP用戶主要由館藏機(jī)構(gòu)、巖芯生產(chǎn)單位和管理機(jī)構(gòu)人員組成;APP向用戶提供身份注冊(cè)與信息維護(hù)功能，并可根據(jù)系統(tǒng)功能，進(jìn)行角色和權(quán)限的設(shè)置。

信息采集：巖芯是在地質(zhì)工作中通過(guò)鉆探獲取的實(shí)物地質(zhì)資料，APP采集信息包含產(chǎn)生巖芯的項(xiàng)目信息、巖芯圖像和巖芯描述等;項(xiàng)目信息主要包括項(xiàng)目名稱(chēng)、位置信息、地質(zhì)工作類(lèi)型、鉆孔信息和內(nèi)容摘要等;巖芯圖像信息主要包括鉆孔編號(hào)、起始深度、終止深度和圖像名稱(chēng);巖芯描述信息主要有鉆孔編號(hào)、起始深度、終止深度、巖石名稱(chēng)和地質(zhì)描述。

信息管理：在信息采集完成后，可對(duì)采集的信息根據(jù)深度進(jìn)行查詢(xún)、瀏覽、修改、刪除、等操作。

信息傳輸：信息采集完成后，將信息進(jìn)行保存并提交到后臺(tái)服務(wù)端，由管理人員進(jìn)行審核處理。

APP具有多種數(shù)據(jù)傳輸方式，可以根據(jù)不同環(huán)境選擇不同的傳輸方式。若具備移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)或者無(wú)線網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，可進(jìn)行及時(shí)網(wǎng)絡(luò)傳輸；若網(wǎng)絡(luò)環(huán)境較差，通過(guò)圖像本地緩存處理，在網(wǎng)絡(luò)信號(hào)較強(qiáng)時(shí)再進(jìn)行圖像傳輸。

3.2.2后臺(tái)服務(wù)端

信息管理：在前臺(tái)采集端信息采集過(guò)程中，受限于手機(jī)屏幕的大小和操作的便捷性，在前臺(tái)采集端只對(duì)與巖芯圖像相關(guān)關(guān)鍵信息進(jìn)行采集，其他數(shù)據(jù)項(xiàng)則在后臺(tái)服務(wù)端信息管理功能進(jìn)行操作處理。

信息審核：用戶將采集的信息進(jìn)行上傳后，管理員用戶對(duì)信息進(jìn)行審核，審核內(nèi)容主要為數(shù)據(jù)的邏輯一致性、性及圖像清晰和標(biāo)準(zhǔn)程度等；對(duì)未審核通過(guò)的數(shù)據(jù)，進(jìn)行回退處理。

信息發(fā)布：對(duì)于審核通過(guò)的信息進(jìn)行發(fā)布，向社會(huì)用戶提供社會(huì)化服務(wù)。

3.2.3支架設(shè)計(jì)

支架是APP的物理組成部分，主要用于圖像采集時(shí)固定手機(jī)位置，從而有效防止圖像采集時(shí)因手機(jī)抖動(dòng)、垂直和水平控制等因素導(dǎo)致的圖像不規(guī)范現(xiàn)象發(fā)生。支架有底座、橫桿、縱桿和固定卡扣組成，橫桿和縱桿標(biāo)有刻度，可以根據(jù)巖芯箱大小不同進(jìn)行伸縮調(diào)整。

3.3　采集方法設(shè)計(jì)

首先，將支架固定在水平的場(chǎng)所，并將手機(jī)安裝在支架上，把整盒巖芯放置在手機(jī)正下方；其次，打開(kāi)APP，根據(jù)巖芯盒大小調(diào)整手機(jī)垂直和水平位置，設(shè)置拍照比例；最后，選擇預(yù)先錄入的鉆孔信息進(jìn)行巖芯圖像采集，拍照完成后，輸入巖芯的起始深度和終止深度，完成當(dāng)前整盒巖芯的圖像采集。替換需要采集的巖芯，進(jìn)行下一步圖像采集操作。

3.4　關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題解決

前臺(tái)采集端做為APP最主要的功能模塊，在數(shù)據(jù)采集過(guò)程中，為了保證采集圖像的質(zhì)量和操作簡(jiǎn)易程度，APP解決了以下關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題。

拍照區(qū)域自動(dòng)調(diào)整：目前巖芯盒尺寸不統(tǒng)一，但手機(jī)只能拍攝1∶1、4∶3和16∶9幾種比例的圖像，這樣采集的圖像存在無(wú)效用區(qū)域；為了適應(yīng)多種比例尺寸的巖芯盒，APP設(shè)置了拍照區(qū)域調(diào)整功能，可隨巖芯盒變化而進(jìn)行圖像區(qū)域比例調(diào)整，保證拍照視域只包含巖芯有效部分，最終獲得的巖芯圖像無(wú)需裁剪多余區(qū)域，減少了后期巖芯圖像處理的工作量。

水平設(shè)置：在巖芯圖像拍照時(shí)，為了保證手機(jī)處于水平位置，APP設(shè)置了水平調(diào)整功能，并以氣泡形式展示在APP界面上。

自動(dòng)連續(xù)：在信息錄入時(shí)，由于多數(shù)巖芯是連續(xù)的，即上一盒的巖芯終止深度為下一盒巖芯的起始深度；因此，進(jìn)行下一盒巖芯圖像采集時(shí)，APP設(shè)置了當(dāng)前起始深度自動(dòng)繼承上一條信息的終止深度。實(shí)際操作中，如出現(xiàn)深度不連續(xù)的情況，可手動(dòng)修改。

語(yǔ)音輸入：受手機(jī)屏幕大小限制，數(shù)據(jù)錄入過(guò)程不能如計(jì)算機(jī)那樣方便；為了方便信息錄入，APP開(kāi)發(fā)語(yǔ)音輸入、糾錯(cuò)識(shí)別等功能，提高信息錄入的效率。

4　APP優(yōu)勢(shì)分析

開(kāi)發(fā)完成后，利用APP對(duì)山東省萊州市三山島金礦ZK48-3和ZK56-4兩個(gè)鉆孔的2 500 m巖芯圖像進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)采集。鉆孔巖芯孔徑為10 cm，巖芯盒長(zhǎng)度為80 cm，每盒裝有5排巖芯。APP安裝在OPPO R9S手機(jī)上，像素為2 000萬(wàn)dpi，操作系統(tǒng)為安卓6.0.1。通過(guò)與白光掃描儀圖像采集對(duì)比發(fā)現(xiàn)，APP在采集速度、圖像質(zhì)量等方面均具備一定的優(yōu)勢(shì)，具體如表1所示。

表1　白光掃描儀與手機(jī)APP巖芯圖像采集比對(duì)

4.1　降低了圖像采集的物理成本

通過(guò)APP進(jìn)行巖芯圖像采集，大大降低了成本開(kāi)支。一是利用常見(jiàn)的智能手機(jī)便可完成采集操作；二是APP操作簡(jiǎn)便，無(wú)需專(zhuān)業(yè)人員也可進(jìn)行操作；三是減少了巖芯或設(shè)備運(yùn)輸?shù)馁M(fèi)用，在任何場(chǎng)所均可完成。

4.2　提供了巖芯管理的便捷工具

APP為巖芯生產(chǎn)單位提供了巖芯管理的便捷工具，APP可以獲得標(biāo)準(zhǔn)的巖芯圖像和描述信息，并且通過(guò)系統(tǒng)進(jìn)行統(tǒng)一有效的管理，解決了巖芯后續(xù)管理利用的問(wèn)題。

4.3　解決了巖芯及時(shí)管理的問(wèn)題

在巖芯生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)，通過(guò)APP進(jìn)行巖芯圖像采集，可以第一時(shí)間保留取樣前的完整巖芯圖像的原始外貌特征。特別是對(duì)于油氣巖芯而言，經(jīng)長(zhǎng)期放置,巖芯中油氣揮發(fā)和氧化,同時(shí)巖芯經(jīng)風(fēng)化作用其結(jié)構(gòu)和構(gòu)造發(fā)生變化,失去了原始外貌特征,給后期的巖芯觀察和地質(zhì)研究帶來(lái)了很大困難[4]。

4.4　解決了巖芯及時(shí)發(fā)布的問(wèn)題

通過(guò)巖芯掃描儀對(duì)巖芯進(jìn)行采集，存在掃描速度較慢，操作流程較為繁瑣，掃描普及程度較低等因素，造成巖芯不能及時(shí)服務(wù)的情況發(fā)生。利用APP進(jìn)行巖芯圖像采集，可以快速得到高質(zhì)量的巖芯圖像，并且由于其操作簡(jiǎn)便，成本較低的特點(diǎn)，可以廣泛應(yīng)用于礦山和館藏機(jī)構(gòu)，有效解決巖芯圖像及時(shí)采集并發(fā)布服務(wù)的問(wèn)題。

5　結(jié)　語(yǔ)

本文研究了基于智能手機(jī)APP進(jìn)行巖芯圖像采集的相關(guān)內(nèi)容，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)采集與傳統(tǒng)的白光掃描進(jìn)行了比對(duì)，證明其具有廣闊的應(yīng)用前景。雖然不能完全代替?zhèn)鹘y(tǒng)的白光平掃巖芯圖像掃描，但是具備操作簡(jiǎn)便，管理規(guī)范等優(yōu)勢(shì)，大大提高巖芯圖像的采取率和服務(wù)速度。利用APP進(jìn)行巖芯圖像采集，在一定程度上可以減少或消除時(shí)間因素、人為因素和環(huán)境因素對(duì)巖芯的損害，有效地保護(hù)巖芯的完整性、真實(shí)性，彌補(bǔ)巖芯在使用和保存過(guò)程造成的損失，最大限度地使巖芯信息得以永久保留。該種巖芯圖像采集方式在巖芯館藏機(jī)構(gòu)和生產(chǎn)單位的推廣應(yīng)用必定將全面提高巖芯圖像的采集獲取率，提升我國(guó)實(shí)物地質(zhì)資料管理與利用水平。