基于計算機圖像的煤礦地質(zhì)勘查系統(tǒng)設(shè)計

丁海英

(陜西能源職業(yè)技術(shù)學(xué)院 煤炭與化工產(chǎn)業(yè)學(xué)院，陜西 咸陽 712000)

近年來，新型能源的使用越來越普及，但我國仍舊是煤炭消耗大國之一，煤炭占據(jù)了我國能源消耗的主導(dǎo)地位[1-2]。與此同時，我國的煤礦資源儲量豐富，在煤礦開采的前期規(guī)劃階段，需要根據(jù)煤礦所在位置的地質(zhì)情況進行開采方案的設(shè)計。對于一般煤礦的位置而言，通常其自然條件都相對惡劣，由于地下是成礦區(qū)，地質(zhì)條件比較多樣化[3-4]。如果不了解煤礦所在的地質(zhì)情況，在開采的過程中非常容易出現(xiàn)資源浪費、環(huán)境破壞嚴重的情況，甚至?xí)霈F(xiàn)大型開采事故。因此勘查煤礦地質(zhì)對于高效、安全開采的煤礦資源具有重要的意義[5-7]。煤礦地質(zhì)勘查系統(tǒng)為高效勘查礦山地質(zhì)提供了思路。文獻[8]中提出了基于ArcGIS的露天礦山土石方量測算方法，將不規(guī)則三角網(wǎng)(TIN)轉(zhuǎn)換成柵格模型，并計算填挖方量，為安全采礦提供了支持。文獻[9]針對礦井下圖像質(zhì)量較低的問題，將源圖像經(jīng)過變換之后得到亮度分量，處理亮度分量后采用拉普拉斯能量方法融合分量中的高頻系數(shù)，還原分量提高對比度，完成圖像質(zhì)量的增強。以上建立的煤礦地質(zhì)勘查系統(tǒng)中，生成勘查圖像過程中會極易丟失地物特征，導(dǎo)致系統(tǒng)成像的邊界不清晰，這樣會對礦區(qū)地質(zhì)勘查造成一定的困擾，針對上述情況，設(shè)計了一種基于計算機圖像的煤礦地質(zhì)勘查系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)設(shè)計總體架構(gòu)

設(shè)計基于計算機圖像的煤礦地質(zhì)勘查系統(tǒng)前，首先設(shè)計系統(tǒng)總體架構(gòu)，如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體架構(gòu)Fig.1 System overall architecture diagram

基于計算機圖像的煤礦地質(zhì)勘查系統(tǒng)設(shè)計過程中，考慮到現(xiàn)有系統(tǒng)的硬件較為完整，硬件優(yōu)化設(shè)計過程中主要對數(shù)字相機的相關(guān)參數(shù)進行校驗。

2 硬件設(shè)計

對于礦區(qū)的具體地形情況獲取而言，使用數(shù)字相機進行攝影測量是一個高效、準確的方式。將數(shù)字相機獲取的圖像數(shù)據(jù)傳輸?shù)矫旱V地質(zhì)勘查系統(tǒng)中，生成一個具有真實視覺效果的虛擬三維模型[10]。數(shù)字相機是攝影測量過程中獲得煤礦區(qū)域地質(zhì)信息的重要設(shè)備，本文使用的是多面陣數(shù)字影像的航空攝影測量裝置，該裝置由輕型飛機搭載數(shù)字相機和遙感數(shù)據(jù)處理模塊組成，在對礦區(qū)進行拍攝之前，需要對數(shù)字相機進行校驗。考慮到測量前相機內(nèi)部的有關(guān)測量方位元素的不確定性，在攝影測量的過程中可能會發(fā)生性質(zhì)不確定的光學(xué)畸變，因此需要對數(shù)字相機進行校驗[11-12]。在校驗過程中，利用校驗電路對相機所產(chǎn)生的畸變進行檢測。檢測的接線模式如圖2所示。

圖2 數(shù)字相機校驗檢測接線示意Fig.2 Schematic diagram of calibration and detection wiring of digital camera

本文使用的數(shù)字相機為大面陣CCD相機，標(biāo)稱焦距約為50 mm，在校驗過程中選擇的校驗場地需要選擇規(guī)模較大的場地。為此選擇了某建筑群作為校驗場地，標(biāo)志點總數(shù)量設(shè)置為368個，各個標(biāo)志點的間隔在1.8～3.0 m，標(biāo)志點為黑色鋁片，且表面粘貼了棱鏡反光片來提高校驗精度[13-14]。校驗過程中，結(jié)合光束法與共線方程求解相機參數(shù)。包含需要修正參數(shù)的相機方程可以表示為：

(1)

式中，x0、y0為相機初始坐標(biāo);a1、a2、a3為橫向的畸變系數(shù);b1、b2、b3為縱向的畸變系數(shù);f為相機標(biāo)稱焦距;X、Y、Z為標(biāo)志點影像外的方位元素;XS、YS、ZS為標(biāo)志點影像內(nèi)的方位元素;Δx與Δy為相機的畸變修正量，根據(jù)誤差方程式可以計算出數(shù)字相機的畸變修正量[15]：

(2)

式中，P1為相機內(nèi)部的畸變補償；P2為成像過程中外界干擾所產(chǎn)生的畸變補償；r2為附加參數(shù)；B1為成像像素補償系數(shù)；B2為光學(xué)畸變改正項。

根據(jù)上述公式可以計算出數(shù)字相機的主要參數(shù)值，經(jīng)過實際拍攝之后，完成數(shù)字相機的校驗，實現(xiàn)煤礦地質(zhì)勘查系統(tǒng)硬件優(yōu)化。

3 軟件設(shè)計

3.1 剖切地質(zhì)體

在煤礦的成礦區(qū)域中，地質(zhì)情況相對于正常地質(zhì)會更加復(fù)雜。煤層在成礦的過程中，經(jīng)常會出現(xiàn)地層之間的重合或斷層，甚至出現(xiàn)底層尖滅等情況，因此在勘查成像時會遇到曲面間的求交問題。對于地質(zhì)體剖切面而言，與三維地層模型的交匯處可以視為一個剖面，相關(guān)的剖切流程如圖3所示。

圖3 地質(zhì)體剖切流程Fig.3 Geological body cutting process

在系統(tǒng)成像的過程中，一般利用擬合算法對地下巖層進行擬合，但是為了確保得到的地質(zhì)數(shù)據(jù)更精確，需要對地質(zhì)體進行剖切[15]。地質(zhì)體的剖切可理解為對類三棱柱進行切割，本文系統(tǒng)在進行地質(zhì)體處理時采用的是完全剖分，即將剖切面與類三棱柱的邊相交，并且交點不經(jīng)過類三棱柱的頂點。地質(zhì)體剖切如圖4所示。從圖4可以看出，不同的剖切方法中，最大的差別就是剖切面與地質(zhì)體各個邊的交點數(shù)量不同。在經(jīng)過剖分之后，將產(chǎn)生2個新的不規(guī)則形狀的幾何體，剖分過程中的交點數(shù)量最大為5，交點數(shù)量越多，說明剖切的情況越復(fù)雜。對于本文采用的這種完全剖分，只需要在系統(tǒng)編程的過程中計算出交點在地質(zhì)體類三棱柱側(cè)邊的位置。但是由于地質(zhì)體這種類三棱柱在形態(tài)上具有一定的對稱性，還需要實際考慮切割點在不同棱上的位置情況，至此完成地質(zhì)體剖切。

圖4 地質(zhì)體剖切示意Fig.4 Schematic diagram of the geological body profile

3.2 自動生成多邊形區(qū)域的計算機圖像

完成地質(zhì)體剖切后會形成很多多邊形區(qū)域。在系統(tǒng)中將地質(zhì)體剖切后進行合并，可去除一些干擾因素，保證各個區(qū)域清晰顯示。傳統(tǒng)系統(tǒng)中采用的左轉(zhuǎn)生成算法中，會丟失一些重要的地物特征，生成的圖像邊界區(qū)域不明顯。在自動生成算法中首先對成像區(qū)域進行大致的范圍判斷，保留選取范圍內(nèi)的全部地物因素；刪除全部圖像中存在的懸掛標(biāo)識。刪除前后如圖5所示。

圖5 多邊形區(qū)域懸掛物刪除示意Fig.5 Deletion of hanging objects in polygonal area

因為這些懸掛標(biāo)識大多數(shù)是在對圖像進行分割與合并的過程中產(chǎn)生的附加物，將其刪除能夠避免系統(tǒng)在搜索過程中產(chǎn)生的回退問題，圖5中，O為選取的中心點，圓形的虛線部分表示臨時的成像區(qū)域，刪除的標(biāo)準是將所有相交的線段進行刪除或重組。另外還需要選擇生成的起始點，最常用的方法就是將所選范圍內(nèi)的標(biāo)志點按照坐標(biāo)計算相對距離進行排序，按照一定的順序依次搜索，直到能夠搜索到所需多邊形為止。多邊形的生成一般情況下無法通過一次搜索完成，也就是說，多邊形內(nèi)部存在以上情況下的內(nèi)部圖形時，起始點的選擇錯誤會導(dǎo)致生成無效多邊形。

煤礦地質(zhì)勘查的圖像多邊形生成完畢之后，為了保證最終得到的圖像與實際的礦區(qū)特征相吻合，需要在多邊形的表面進行紋理特征貼圖。多邊形在應(yīng)用紋理特征貼圖時，不需要對顏色進行太多的調(diào)整，系統(tǒng)更加注重圖形特征的求真。紋理特征貼圖使用的紋理大小一般是比較標(biāo)準化的，地質(zhì)計算機多邊形的表面形狀比較多樣化。因此在非特殊情況下，選擇的礦區(qū)成像范圍內(nèi)的紋理特征貼圖大小一般與區(qū)域劃分的面積相同。但是由于多邊形在劃分的過程中圖形變化樣式很多，因此在使用紋理貼圖時，要首先固定一個貼圖模型的大小，根據(jù)實際的分割面積改變多邊形的生成大小。完成劃分之后，將標(biāo)準大小的紋理貼圖與生成的多邊形圖像相結(jié)合，完成計算機圖像的顯示。至此完成基于計算機圖像的煤礦地質(zhì)勘查系統(tǒng)設(shè)計。

4 實例分析

4.1 研究區(qū)概況

為了驗證本文設(shè)計的地質(zhì)勘查系統(tǒng)在成像分區(qū)方面具有一定的有效性，需要選擇一礦區(qū)對系統(tǒng)進行成像分區(qū)的性能測試。選擇的一個煤礦井田位于某市境內(nèi)，根據(jù)該井田的相關(guān)記載，整理得到該井田的相關(guān)參數(shù)如下：底板等高線-850 m；礦井走向長度1.6 km；傾斜面積31.8 km2；傾斜坡長度2.9～4.8 km；勘查批準等高線深度-1 350 m；主井內(nèi)直徑7.3 m；副井內(nèi)直徑7.9 m；風(fēng)井內(nèi)直徑5.4 m；地質(zhì)儲量183 154.7萬t；可開采量73 692.4萬t；可開采期1 370.9萬t；準備儲量568.4萬t；回采儲量331.7萬t。

在上述的礦井中選取某個錨桿鉆孔，并分別使用本文設(shè)計的系統(tǒng)與常規(guī)的GIS系統(tǒng)對勘查的圖像進行采集與處理。首先規(guī)定系統(tǒng)所采用的計算機圖像為高分辨率影像，為了在后續(xù)結(jié)果對比中排除其他因素干擾，設(shè)定采集的影像大小為1 250×920，具有的空間分辨率為0.3 m。針對本文系統(tǒng)，加入特征值通道，將采集得到的影像進行LBP計算，得到遙感影像初步處理圖像，通過剖切地質(zhì)體進行10次迭代，經(jīng)過迭代后得到相關(guān)的分割結(jié)果圖像，并設(shè)置空間和顏色方面的帶寬初始值，每次迭代之后，帶寬都相應(yīng)增加5～20，具體的增加量要根據(jù)分割的圖像進行確定。完成圖像分割后，根據(jù)礦井下面的實際情況進行區(qū)域合并，合并過程中不斷選取并優(yōu)化合并參數(shù)，確定區(qū)域合并后的顏色閾值，保證合并后的區(qū)域分界效果，并對合并后的區(qū)域邊界觀察，最后完成邊界標(biāo)記。

4.2 實例分析結(jié)果

在上述的實例環(huán)境中，得到本文系統(tǒng)的勘查邊界標(biāo)記結(jié)果(圖6)。圖6(a)表示勘查區(qū)域的地質(zhì)紋理特征，圖6(b)表示地質(zhì)體剖切結(jié)果，圖6(c)表示區(qū)域內(nèi)的合并結(jié)果，圖6(d)表示最終的邊界標(biāo)記結(jié)果。

圖6 邊界成像結(jié)果Fig.6 Boundary imaging results

由圖6的邊界成像結(jié)果可以看出，本文設(shè)計的系統(tǒng)最終成像清晰，對于礦區(qū)底物的細節(jié)描述非常具體，并且區(qū)域之間的邊界線明顯，根據(jù)對礦區(qū)的勘查經(jīng)驗可以很直觀地看出礦區(qū)情況。邊界結(jié)果圖中，地層劃分區(qū)域分界線明顯，能夠通過眼睛觀察到礦區(qū)幾何形狀，并判斷出是否存在分割偏差問題，可以看出本文系統(tǒng)得到的區(qū)域邊界線與實際的區(qū)域邊界線基本一致。綜上所述，本文設(shè)計系統(tǒng)可以實現(xiàn)高品質(zhì)的地質(zhì)勘查成像。

5 結(jié)語

針對傳統(tǒng)GIS系統(tǒng)的成像缺陷，設(shè)計了基于計算機圖像的煤礦地質(zhì)勘查系統(tǒng)。硬件設(shè)計了數(shù)字相機的相關(guān)參數(shù)，并進行了校驗。通過修正方程解出相機標(biāo)稱焦距、畸變補償?shù)戎匾獏?shù)的最優(yōu)值；軟件優(yōu)化中，將復(fù)雜的煤礦地質(zhì)體視為類三棱柱進行剖切，保證得到的地質(zhì)數(shù)據(jù)更加精確，設(shè)計剖切流程，采用完全剖分法確定剖分點；將剖切得到的多邊形區(qū)域進行處理，刪除懸掛標(biāo)志物，完成紋理貼圖。實例分析結(jié)果表明，本文系統(tǒng)的成像性能較優(yōu)，但是由于條件限制，本文還有很多需要改進之處，在后續(xù)研究中需要不斷探討。