煤巖顯微組分自動識別技術(shù)研究進(jìn)展

王 越，白向飛，曲思建

(1.中國礦業(yè)大學(xué)(北京)化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院，北京 100083；2.煤炭科學(xué)技術(shù)研究院有限公司 煤化工分院，北京 100013；3.煤炭資源高效開采與潔凈利用國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100013)

0 引 言

煤巖顯微組分與煤的成因、物理性質(zhì)、化學(xué)性質(zhì)及工藝性質(zhì)等密切相關(guān)，廣泛應(yīng)用于地質(zhì)勘探、煤化學(xué)研究、煤質(zhì)評價(jià)、煤炭加工及利用等各個(gè)領(lǐng)域[1]。根據(jù)煤巖顯微組分特征可以確定煤相及沉積環(huán)境，進(jìn)行煤層對比，解決地層、古地理和古構(gòu)造以及地?zé)岬确矫娴膯栴}；研究煤巖顯微組分的成因及性質(zhì)，在煤的熱解、氣化、液化以及環(huán)保等領(lǐng)域發(fā)揮著重要的作用[2]。如煤巖學(xué)方法應(yīng)用到煉焦生產(chǎn)及成本控制環(huán)節(jié)，可以經(jīng)濟(jì)合理地選擇煤源、確切地評價(jià)煉焦煤質(zhì)量、觀測煤在儲運(yùn)中的變化、評價(jià)煤價(jià)等，通過分析煤巖顯微組分含量和變質(zhì)程度，可以建立煤巖配煤方案，穩(wěn)定并提高焦炭質(zhì)量，預(yù)測焦炭強(qiáng)度，降低焦炭成本[3]。

煤巖顯微組分鑒定是一項(xiàng)專業(yè)性很強(qiáng)的工作，具有以下特點(diǎn)：

(1)煤巖顯微組分的形態(tài)特征多樣性。鑒定煤巖顯微組分主要依據(jù)反射率、突起、結(jié)構(gòu)、結(jié)合狀態(tài)等形態(tài)學(xué)特征。成煤環(huán)境及成煤后期作用導(dǎo)致煤巖顯微組分特征多樣；隨著變質(zhì)程度不斷提高，煤巖顯微組分的反射色趨于一致，對煤巖顯微組分的識別也會造成較大的困難。此外，殼質(zhì)組與鏡質(zhì)組之間存在樹脂鏡質(zhì)體、鏡質(zhì)組與惰質(zhì)組之間存在半鏡質(zhì)體等過渡組分，對顯微組分的準(zhǔn)確鑒定造成困難。煤巖顯微組分鑒定對測定者的專業(yè)水平要求較高，需要其具有深厚的煤巖學(xué)理論基礎(chǔ)和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。

(2)對偏光顯微鏡的操作要求較高。煤巖顯微組分鑒定需要結(jié)合各種顯微組分(包括礦物)在干物鏡、油浸物鏡、反射熒光、單偏光、正交偏光等不同觀察條件下的光學(xué)特征進(jìn)行綜合分析。因而測定者需要熟練使用偏光顯微鏡，使偏光顯微鏡光源穩(wěn)定、成像均勻清晰、起偏器、測量光闌、視域光闌等配置符合煤巖顯微組分測試要求。

(3)測試主觀性強(qiáng)，測試速度慢。煤巖顯微組分鑒定依靠操作者手動測試，需要測定大量的測點(diǎn)，測試時(shí)間長，效率低[4]。不同測試者對顯微組分鑒定特征的認(rèn)識水平常有差異，組分鑒定時(shí)存在主觀性，導(dǎo)致不同測試人員的鑒定結(jié)果存在一定差異，嚴(yán)重制約了煤巖學(xué)在各領(lǐng)域的應(yīng)用。

針對人工分析方法的缺陷和不足，減少組分識別的主觀性，降低操作者的勞動強(qiáng)度，提高測試精度，實(shí)現(xiàn)煤巖顯微組分自動測定，是煤巖工作者長期追求的目標(biāo)[5]。目前煤巖顯微組分自動識別形成了基于顯微光度計(jì)和圖像分析2種自動測試技術(shù)路線。

1 基于顯微光度計(jì)的自動測試技術(shù)

基于顯微光度計(jì)的測試設(shè)備中的光學(xué)和電子元件較簡單，對傳統(tǒng)的煤巖測試設(shè)備稍加改造即可，因而硬件成本相對較低。此外，早期顯微光度計(jì)的測試精度遠(yuǎn)大于圖像分析設(shè)備。因而早期的煤巖自動測試設(shè)備大多為此類技術(shù)。

早在1955年美國礦務(wù)局的McCartney & Hofer[6]利用自動載物臺、光電倍增管、微安計(jì)和圖解記錄裝置組成顯微光度計(jì)自動測試系統(tǒng)，采用線掃描的方式采集數(shù)據(jù)，但掃描時(shí)間約3.5 h，數(shù)據(jù)處理時(shí)間也較長，并沒得到推廣使用。1964年Bomberger & Deul使用高速電子計(jì)數(shù)器進(jìn)行黃鐵礦粒徑分析，分析時(shí)間大大縮減[7]。1968年Bayer等開發(fā)了AMEDA系統(tǒng)可以區(qū)分4種不同的組分，數(shù)據(jù)讀取速度可達(dá)1 000 readings/s，分析時(shí)間在20 min以內(nèi)[8]。1969年美國礦務(wù)局的McCartney & Ergun采用螺旋掃描的方式降低樣品振動，采用計(jì)算機(jī)磁帶記錄數(shù)據(jù)，掃描速度可達(dá)175 μm/s，數(shù)據(jù)讀取可達(dá)80 readings/s[9]，將反射率數(shù)據(jù)劃分為黏合膠、殼質(zhì)組、鏡質(zhì)組、惰質(zhì)組和黃鐵礦，并以此計(jì)算各顯微組分含量[10]。

20世紀(jì)70年代中期，顯微光度計(jì)的測試精度明顯提升，微型計(jì)算機(jī)開始作為數(shù)據(jù)獲取、顯微鏡控制、掃描臺控制、數(shù)據(jù)存儲、處理和輸出的裝置，顯微光度計(jì)自動測試技術(shù)得以快速發(fā)展。1974年日本新日鐵的Kojima采用計(jì)算機(jī)控制的掃描臺，以10 μm的間距進(jìn)行點(diǎn)掃描，在每個(gè)測點(diǎn)停留10 ms～20 ms，以消除浸油“拖尾”的影響，通過A/D轉(zhuǎn)換將光電倍增管信號轉(zhuǎn)化為512級的電壓數(shù)據(jù)，可在12 min內(nèi)獲取10 000個(gè)反射率讀數(shù)，計(jì)算活性顯微組分和惰性顯微組分含量，在日本國內(nèi)多家焦化廠推廣使用[11]。1979年Kojima 等采用曲線剝離反射率分布直方圖，獲取反射率和顯微組分?jǐn)?shù)據(jù)，對22個(gè)樣品的測試表明，單煤顯微組分的測試誤差為±5%[12]。美國賓夕法尼亞州立大學(xué)的Davis等[13-14]開發(fā)了ARM系統(tǒng)，測區(qū)直徑僅為2 μm，18 min內(nèi)即能測試近40萬個(gè)讀數(shù)，但由于檢測設(shè)備精度的限制，僅能區(qū)分煤和黃鐵礦的反射率差異。1979年美國鋼鐵公司的Gray等開發(fā)了ADPR-Ⅱ自動數(shù)字顯微光度計(jì)，測區(qū)直徑為2 μm，自動掃描速度為200 μm/s，6min內(nèi)可測定50 000點(diǎn)，人工方法和自動方法測試的煤巖顯微組分含量的相關(guān)系數(shù)在0.8以上[15]。

國內(nèi)研制和開發(fā)的歷史相對較短。1991年原華東化工學(xué)院的林治穆等利用顯微光度計(jì)和步進(jìn)電機(jī)制備反射率顯微光度計(jì)，測試鏡質(zhì)組反射率并計(jì)算顯微組分含量[16]。1992年煤炭科學(xué)研究總院北京煤化學(xué)研究所的鄭雨壽基于二維掃描臺和顯微光度計(jì)，運(yùn)用多區(qū)域跟蹤調(diào)焦法進(jìn)行焦距調(diào)節(jié)，校正混合視域的假有效值，獲取單種煙煤的鏡質(zhì)組反射率及其分布圖，但不適用于褐煤及混煤鑒定[17]。1996年原華東冶金學(xué)院的姚伯元利用顯微光度計(jì)和自動掃描臺，并結(jié)合自動調(diào)焦技術(shù)及數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)自動測定煤鏡質(zhì)組反射率，鑒別混煤并確定混配比例[18-19]。

2 基于圖像分析的自動測試技術(shù)

圖像分析方法除了可以獲取反射率(灰度)信息外，還可以獲取尺寸和形狀參數(shù)。但圖像分析法要比顯微光度計(jì)法出現(xiàn)的晚。1975年Harris[20]采用Quantimet 720圖像分析儀(分辨率達(dá)到869×704像素)研究煤中黃鐵礦的粒徑分布和煤巖顯微組分反射率分布圖，1977年Lebiedzik & Dutcher[21]采用圖像分析方法研究黃鐵礦的平均粒徑、體積分?jǐn)?shù)和形狀因子。Bethlehem 鋼鐵公司采用Leitz T.A.S圖像分析儀區(qū)分100級灰階，可以區(qū)分0.02%的反射率，10 min掃描40個(gè)區(qū)域[22]。1979年美國地質(zhì)調(diào)查局的Chao等采用64級灰階的圖像分析設(shè)備分析顯微煤巖類型[23]。1979年澳大利亞Broken Hill Proprietary Company的England等使用Quantimet 720圖像分析儀(可區(qū)分100級灰階)獲取顯微組分反射率分布圖，進(jìn)而計(jì)算顯微組分含量和鏡質(zhì)體反射率，并能計(jì)算惰質(zhì)組的粒徑參數(shù)[24]，但未實(shí)現(xiàn)完全的自動化。

Chao等[25]開發(fā)了AIAS自動圖像分析系統(tǒng)，通過64灰階的TV相機(jī)獲取，通過光筆可以控制和編輯特征；Pratt采用拼接圖像進(jìn)行煤巖分析[26]。Goodarzi等利用對比傳統(tǒng)測試與Zeiss IBAS 圖像分析系統(tǒng)[27]。Riepe等使用Leitz T.A.S圖像分析儀，根據(jù)不同顯微組分灰度差異調(diào)整閾值范圍區(qū)分不同的顯微組分，但由于黏合樹脂和殼質(zhì)組的灰度值接近，上述顯微圖像自動分析系統(tǒng)的識別精度不佳[28]。

早期的計(jì)算機(jī)無法處理圖像中的大量數(shù)據(jù)，圖像處理由硬件完成，計(jì)算機(jī)的微處理器僅存儲圖像和結(jié)果。20世紀(jì)80年代，隨著計(jì)算機(jī)性能不斷提高、成本不斷下降，圖像分析系統(tǒng)開始與計(jì)算機(jī)相結(jié)合。Unsworth & Gough利用圖像分析系統(tǒng)對鏡質(zhì)體和惰質(zhì)體的反射率特征進(jìn)行研究[29-30]。澳大利亞布羅肯希爾公司的Lee等利用圖像分析技術(shù)獲取煤的反射率分布圖，并嘗試進(jìn)行混煤剝離[31-32]。Misuaki等嘗試采用圖像方法對煤巖顯微組分進(jìn)行自動識別[33]。

20世紀(jì)90年代以來，計(jì)算機(jī)性能的進(jìn)一步提升，圖像分析軟件完全獨(dú)立于硬件，開始出現(xiàn)專門的圖像分析軟件。英國諾丁漢大學(xué)的Lester等利用Zeiss Axiocam彩色數(shù)碼相機(jī)，結(jié)合顯微組分的灰度特征和形態(tài)特征，提出殼質(zhì)組和黏合樹脂的區(qū)分方法，但在處理煤巖顯微組分復(fù)雜的圖像時(shí)容易出錯(cuò)[34]。針對此問題，作者提出利用殼質(zhì)組的熒光特性將其和黏合樹脂區(qū)分，能夠準(zhǔn)確測定殼質(zhì)組的含量，重復(fù)性較好[35]。此外，Lester等發(fā)現(xiàn)提高曝光時(shí)間也可區(qū)分黏合樹脂和殼質(zhì)組[36]。David & Fermont[37]開發(fā)了CIAS彩色圖像分析系統(tǒng)，分別以RGB3種不同的顏色強(qiáng)度表征顯微組分。Dehmeshki等采用具有金字塔結(jié)構(gòu)的多灰度級分割方法，對煤巖顯微圖像進(jìn)行分割，但并不能很好地分割煤巖顯微組分復(fù)雜的圖像[38]。Agus計(jì)算不同組分的紋理特征構(gòu)成特征向量來識別煤巖顯微組分[39]。Pearson[40]提出以累積頻率曲線表示全組分反射率分布，單煤鏡質(zhì)組為其中的直線部分，混煤中各單種煤的組成可由曲線直接得出。

國內(nèi)利用圖像分析方法進(jìn)行煤巖分析方面的工作較少。1986年金奎勵等對比圖像分析與顯微光度計(jì)的優(yōu)缺點(diǎn)，提出了采用圖像分析的反射率自動測試方法[42]，分析了圖像分析法測試鏡質(zhì)體反射率的精度問題[43]。1998年，寶鋼集團(tuán)胡德生等綜合圖像灰度和顯微相機(jī)的曝光時(shí)間計(jì)算反射率值，采用閾值法和主分量分析法分割得到鏡質(zhì)體反射率和煤巖顯微組分含量[44-46]。張代林等對煤巖顯微組分的彩色圖像進(jìn)行人工閾值分割[47]。張文成等利用自動掃描裝置與高分辨攝像頭，獲取全組分反射率，通過數(shù)據(jù)處理的方式得到鏡質(zhì)體反射率[48]。尹文花嘗試對煤樣薄片的顯微圖像進(jìn)行識別[49]。

作者所在的研發(fā)團(tuán)隊(duì)對煤巖自動測試有超過10年的積累。白向飛系統(tǒng)分析了煤巖自動測試過程中存在的問題，指出煤巖自動測試技術(shù)路線及關(guān)鍵問題[4,5,50]。王越對煤巖自動測試系統(tǒng)中圖像灰度與反射率關(guān)系進(jìn)行研究[51]，武琳琳對煤巖光片平整度及光線斜射對反射率自動測試精度影響進(jìn)行研究[52]，張宇宏對煤巖自動測試中圖像質(zhì)量對鏡質(zhì)體反射率測定的影響進(jìn)行研究[53]，王越對煤巖自動測試系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)及測試精度進(jìn)行研究[54]。丁華等對煤中有機(jī)組分和常見礦物形態(tài)特征參數(shù)進(jìn)行初步研究[55-56]，王越分析了煤巖顯微組分自動識別技術(shù)現(xiàn)狀及關(guān)鍵技術(shù)[57]。在此基礎(chǔ)上，成功開發(fā)BRICC-M煤巖自動測試系統(tǒng)，利用顯微數(shù)碼相機(jī)和自動載物臺獲取煤巖顯微組分圖像，減少顯微鏡下的繁瑣操作；結(jié)合煤巖組分的反射率及形態(tài)學(xué)參數(shù)界定顯微組分，每個(gè)測點(diǎn)的測值和相應(yīng)測試對象可追溯，測試結(jié)果可審核；在保證測試準(zhǔn)確性和客觀性的基礎(chǔ)上，提高了測試速度和效率，該系統(tǒng)在煤焦異常判斷中表現(xiàn)優(yōu)異[58]。

3 煤巖顯微組分智能識別

近年來隨著數(shù)字圖像處理技術(shù)和裝備的發(fā)展，尤其是CCD顯微相機(jī)靈敏度的提升，能夠檢測4 096灰階(12 bit)，甚至16 384灰階(14 bit)。計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理的能力也得到極大提升。圖像分析系統(tǒng)可通過自動顯微鏡和數(shù)碼相機(jī)對圖像執(zhí)行高度復(fù)雜的圖像處理功能。圖像識別及處理算法的不斷發(fā)展使得越來越多的研究者嘗試將成熟的圖像識別及處理算法引入到煤巖顯微組分識別領(lǐng)域，并取得了一定的成果。

眾多研究者對煤巖顯微組分的紋理特征進(jìn)行了詳盡的研究。王培珍等采用圓形LBP均勻模式分析鏡質(zhì)組的紋理特征[59]，對均質(zhì)鏡質(zhì)體、基質(zhì)鏡質(zhì)體和碎屑鏡質(zhì)體進(jìn)行識別[60]；提取灰度共生矩陣等特征構(gòu)造初始特征集，經(jīng)PCA降維處理，利用SVM算法完成鏡質(zhì)組分類[61]。王培珍等通過曲波變換提取特征，利用壓縮感知對提取的特征進(jìn)行降維，利用SVM算法實(shí)現(xiàn)惰質(zhì)組分類[62]。Mlynarczuk等利用形態(tài)學(xué)梯度和灰度等特征識別煤巖顯微組分樣本，對惰質(zhì)組的6種顯微組分的分類準(zhǔn)確率達(dá)到91.7%[63]。Skiba等提出基于多層感知機(jī)(MLP)并結(jié)合Haralick紋理特征的惰質(zhì)組分類方法[64]。王慧等對惰質(zhì)組顯微圖像進(jìn)行曲波變換和壓縮感知算法形成特征集，采用支持向量機(jī)進(jìn)行分類[65]。王培珍等利用改進(jìn)SUSAN算法檢測殼質(zhì)組中滲出瀝青體的特征[66]。劉婕梅采用卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型提取殼質(zhì)組顯微圖像的特征量，利用支持向量機(jī)分類器和深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)殼質(zhì)組顯微組分的分類[67-68]。

王培珍等提出基于結(jié)構(gòu)元的煤顯微圖像輪廓提取方法，可有效去除碎屑組分，獲得顯微組分的有效輪廓[69]，采用離散小波變換分解煤巖顯微圖像，提取頻域紋理特征量，采用支持向量機(jī)進(jìn)行分類[70]。殷子睆[71]提取基于灰度共生矩陣的紋理特征量和基于灰度分布的統(tǒng)計(jì)特征量構(gòu)成初始特征集，采用特征抽取算法和支持向量機(jī)分類器對抽取后的特征進(jìn)行驗(yàn)證。王素婷等結(jié)合GLCM算法和RILBP算法的優(yōu)點(diǎn)，提出基于RILBP-GLCM的圖像紋理特征提取方法，結(jié)合支持向量機(jī)對紋理特征進(jìn)行分類[72]。Skiba使用圖像分析方法描述顯微組分特定類的要素空間，在特定鄰域內(nèi)確定空間參數(shù)并訓(xùn)練神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)[73]。Antonypandiarajan等采用Tamura算法對無煙煤、次煙煤和褐煤等六類煤中顯微組分的紋理特征進(jìn)行提取[74]。

劉小除等提出利用灰度特征和紋理特征對單種煤的顯微組分進(jìn)行快速分類[75]。尹文義等結(jié)合神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法與顯微組分反射率，對混煤中各單種煤比例的識別效果較好[76]。田甜采用直方圖閾值雙峰法去除煤巖圖像中的黏結(jié)劑，采用鈍化濾波法去除圖像中孔洞及碎屑，采用改進(jìn)的PCA算法對鏡質(zhì)組含量和反射率進(jìn)行測定[77]。宋孝忠開發(fā)了基于Prewitt算子的煤巖顯微組分假邊界圖像剔除技術(shù)以及基于K均值聚類的煤巖顯微組分組圖像自動分割和識別技術(shù)[78-79]。朱憲坤采用Hough算法和改進(jìn)FMM算法去除煤巖圖像中的劃痕，采用了基于灰度圖像數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)重建方法填充孔洞，采用RILBP-GLCM方法獲取煤巖顯微組分紋理特征，在滿足較低特征維數(shù)的前提下，采用多分類支持向量機(jī)對鏡質(zhì)組、惰質(zhì)組、殼質(zhì)組、礦物質(zhì)以及背景進(jìn)行分類[80]。王洪棟提出基于Hough變換和Criminisi算法的劃痕檢測和修復(fù)方法，采用隨機(jī)森林并結(jié)合幾何、灰度和紋理特征實(shí)現(xiàn)對背景樹脂以及鏡質(zhì)體、絲質(zhì)體、半絲質(zhì)體、角質(zhì)體、孢子體、碎屑惰質(zhì)體和微粒體7種顯微組分的自動識別，基于Unet系列的語義分割方法實(shí)現(xiàn)煤巖顯微圖像的最優(yōu)分割，分割效果接近于人工標(biāo)注結(jié)果[81]。

上述研究工作在分析煤巖顯微組分圖像信息的基礎(chǔ)上，針對性地進(jìn)行特征抽取，對顯微結(jié)構(gòu)復(fù)雜的空間信息進(jìn)行刻畫，可實(shí)現(xiàn)對樣品中煤巖顯微組分的自動識別。

4 總結(jié)與展望

在應(yīng)用煤巖學(xué)領(lǐng)域，對煤巖顯微組分自動測試技術(shù)的期望較高。深入開展煤巖顯微組分相關(guān)基礎(chǔ)研究，開發(fā)符合煤巖學(xué)原理和分析流程的煤巖顯微組分自動測試技術(shù)，提高煤炭科研、生產(chǎn)、貿(mào)易、加工轉(zhuǎn)化利用等領(lǐng)域煤巖分析的精度和效率，促進(jìn)煤巖分析技術(shù)的普及和應(yīng)用，對相關(guān)用煤行業(yè)技術(shù)進(jìn)步，具有深遠(yuǎn)的理論和實(shí)踐意義。

煤巖顯微組分的智能識別是煤巖學(xué)、圖像處理和計(jì)算機(jī)科學(xué)等多學(xué)科交叉研究方向，是煤巖顯微組分自動識別技術(shù)的發(fā)展趨勢。煤巖顯微組分的形態(tài)特征多樣，為了更加全面提取和識別特征，提高識別的準(zhǔn)確率，應(yīng)充分分析我國煤中顯微組分的特征，結(jié)合數(shù)字圖像分割、特征提取與機(jī)器/深度學(xué)習(xí)算法，針對煤巖顯微組分特點(diǎn)選擇特征提取算法和分類算法，從而實(shí)現(xiàn)煤巖顯微組分的快速、準(zhǔn)確、自動測試。