钻孔图像特征分析与结构面区域划分方法.doc
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1、第 51 卷 第 1 期 天津大学学报 (自然科学与工程技术版 ) Vol. 51 No. 1 2018 年 1 月 DOI:10.11784/tdxbz201612015 Journal of Tianjin University(Science and Technology) Jan. 2018 摘 钻孔图像特征分析与结构面区域划分方法 邹先坚 ,王川婴 ,韩增强 ,汪进超 ,王益腾 (1. 中国科学院武汉岩土力学研究所岩土力学与工程国家重点实验室,武汉 430071; 2. 武汉大学电子信息学院,武汉 430072) 要 : 数字式全景钻孔摄像 系统在实 践钻探工程中获得了大量的高精 度
2、钻孔图像,这些钻孔图像数据 往往需要人 为进行 分段处理和信息加工预处理,工 作量大并且具有盲目性针对该 问题,本文进行了钻孔图像特性 分析,并提 出了一 种对钻孔图像进行结构面区域划 分的方法该方法利用井壁中岩 体结构成像灰度梯度纵向投影的 极值特征来 组成新 的合成信号和便于计算机处理的 区域划分信号,从而实现了钻孔 图像的区域划分以及结构面产状 范围的初步 限定 该方法能够连续快速地对整个钻 孔图像内所有的结构面进行区域 划分,无需人为干预,为结构面 的全自动识 别与参数提取奠定了基础,也为深孔钻井工程中图像数据的分块处理提供了一种有效的解决方案 关键词:钻孔图像;结构面;区域划分;纵向
3、投影;灰度梯度 中图分类号: TU45 文献标志码: A 文章编号: 0493-2137(2018)01-0088-07 Borehole Image Characteristic Analysis and Structural Planes Partitioning Method 1, 2 1 1 1 1 Zou Xianjian , Wang Chuanying, Han Zengqiang , Wang Jinchao , Wang Yiteng (1 State Key Laboratory of Geomechanics and Geotechnical Engineering, I
4、nstitute of Rock and Soil Mechanics, Chinese Academy of Sciences, Wuhan 430071, China; 2 School of Electronic Information, Wuhan University, Wuhan 430072, China) Abstract: Digital panoramic borehole camera system can obtain abundant high-precision borehole images from the drilling operations These i
5、mages usually need to be divided into many segments and require pretreatment for later information processing, which is time-consuming, aimless and tedious work by manual operation To deal with this problem, a method of structural planes region partition in a whole borehole image is proposed after t
6、he analysis of characteristic signals in the image This method uses the extreme eigenvalues of gray gradient signals from the imag- ing of borehole rock mass in vertical projection to compose a new signal and a partitioning signal which is convenient for computer processing It realizes the region di
7、vision of structural planes in the whole borehole image and the pri- mary limitation of joints occurrence in rock mass This method can partition all the structural planes from the whole borehole image in rapid succession without human intervention It lays a foundation for the full-automatic recognit
8、ion and parameter extraction of structural planes in borehole image, and also provides an effective way of borehole image region division for drilling operations of a deep hole. Keywords: borehole image; structural plane; region division; vertical projection; gray gradient 钻孔摄像技术依靠光学成像原理,使人能直接观 信息 在
9、实际钻探工程当中,由于钻孔很深,图像 测到钻孔井壁岩体结构的内部情况,并将钻孔视频图 数据量也很大,钻孔图像的分段处理和结构面的分块 像进行有效拼接缝合,从而得到高分辨率的数字钻孔 提取主要依靠人为判断和随意切分这常常导致结 图像这些钻孔图像准确记录了地下岩体的结构面 构面信号的破坏和丢失,而且没有很好的解决方法 . 收稿日期: 2016-12-05;修回 日期: 2017-08-30. 作者简介:邹先坚( 1987 ),男,博士,助理研究员 . 通讯作者:邹先坚, . 基金项目:国家自然科学基金资助项目 (41402278, 41372317). Supported by the Natio
10、nal Natural Science Foundation of China(No.,41 402 278 and No.,41372317) 1, 2 1 1 1 1 1-4 5 2018 年 1 月 邹先坚等:钻孔图像特征分析与结构面区域划分方法 89 目前,钻孔图像结构面形态特征的判读与几何参数的 提取基本上停留在人工操作与主观识别的基础上 . 对于钻孔结构面的分割分块处理主要是人工完成,工 作效果差,人为因素较重在深至几千米的钻孔图像 中,钻孔图像数据量非常庞大 ,岩体结构复杂,人工 操作费时费力,难以短期内进行正确有效的分割分块 处理 ,迫切需要一种有效方法加以解决 因此,本文通过
11、分析钻孔图像特征,寻找出新的 特征信号来描述钻孔图像中的结构面信息,合成一种 新的便于计算机处理的分块信号,用于实现结构面的 区域划分本文针对利用数字式全景钻孔摄像系统 获取的钻孔图像 ,充分利用图像本身的灰度梯度在 纵向投影的极值特征及其分布特性,分别提取每行的 最大最小灰度值和最大梯度变化值 ,并合成全新 的特征量信号,实现了钻孔图像结构面的区域划分与 参数范围的限定, 为钻孔图像结构面的全自动识别与 参数提取奠定了基础 1 钻孔图像结构面特征分析 钻孔图像是钻孔井壁的间接反应,孔壁的岩体结 构决定了钻孔图像的组成因此,钻孔图像由两部分 组成:一部分为岩石,另一部分为破裂的或不连续的 结构
12、面由于岩体固有属性的差异,导致不同岩石不 同结构面在图像上颜色和明暗程度的差异深色岩 石 (煌斑岩 )或矿物 (黑云母、角闪石和辉石等 )吸光性 强反光性差,图像较为暗淡;浅色岩石或矿物 (长石、 石英 和 白 云 母 )吸 光 性 差 反光 性 强 ,图 像较 为 明 亮破裂的岩 石或不连续面在钻孔图像中形成较暗 的区域,或者形成颜色明暗程度不一样的曲线带,使 结构面在图像中有所不同不同的结构面由于形态 特征和物理特性的不同而呈现出一定的差异,主要表 现在钻孔图像中类似于正弦曲线的带状曲线的形状、 宽度、颜色、交错关系以及曲线周围岩石光斑点和纹 理曲线带 由中国科学院武汉岩土力学研究所研 发
13、的数字式全景钻孔摄像系统 在工程钻孔中采集 到的钻孔图像如图 1 所示其中,图 1(a)为间距相对 较大的规则结构面,图 1(b)为大小间距相间的规则 结构面,图 1(c)为交叉破裂的 不规则结构面 岩体结构面在钻孔井壁上呈椭圆形状,立体空间 结构是椭圆状,而采集到的二维钻孔图像中椭圆结构 面展开后就是一条水平方向分布的正弦曲线带理 想状态下的标准完整的结构面在钻孔图像中是一条 水平方向分布的标准正弦曲线带;非理想状态下的结 构面在钻孔图像中在一定范围内也类似于正弦曲线 带如图 1 所示,结构面在展开的钻孔图像中基本上 均为水平方向延伸的正弦曲线带,岩体结构面在垂直 方向 (钻井深度方向 )分
14、布相对独立 ( a)大间距的规则结构面 ( b)大小间距相间的规则结构面 ( c)交叉 破裂的不规则结构面 图 1 数字式全景钻孔摄像系统获得的钻孔图像 Fig.1 Borehole images taken by digital panoramic bore- hole camera system 2 结构面区域划分方法 由于大部分规则的结构面在钻井深度方向的分 布是相对独立的,故本文从此出发寻找一种重新描述 6-7 8 9 10 11 9 90 天津大学学报 (自然科学与工程技术版 ) 第 51 卷 f 第 1 期 岩体结构面的特征量在钻孔图像中,结构面所表现 出来的正弦曲线带相对突出、比
15、较明显,记为目标区 域,如图 1 所示在非目标区域,由于孔壁的不平整 Gx (i, j) 1 x 和岩石特性的差异,图像中不可避免地存在许多明暗 k 1 f (i 1, j k ) f (i 1, j k) f (3) 不一、大小不均的孤立光斑点或特征区域这些光斑 点和特征区域在很大程度上影响了目标区域的定位 Gy (i, j) 1 y 与识别但是,在目标区域中结构面曲线带的灰度值 基本上呈现出相对连续的最黑或者相对连续的最亮, k 1 f (i k, j 1) f (i k, j 1) (4) 并且分布区域相对集中如果采用聚类思想的 Fisher G(i, j) f Gx(i, j) Gy
16、(i, j) (5) 准则 ,在垂直深度方向进行纵向投影,则这些结 式中: Gx(i, j)为像素 点 (i , j)在 x 方 向的 梯 度值; 构面的特征点会汇集到一小块区域内,并且相对独 Gy(i, j)为像素点 (i, j)在 y 方向的梯度值; G(i, j)为 立在实际钻井中,大部分结构面之间不会交叉重叠 并且间隔相对较大,则这些投影之后的小块区域就很 容易地从钻孔图像中凸显出来即使存在一些个别 破碎岩体造成的干扰信号,在经过一些信 号滤波与处 理 之后,结构面的分布区域特征就会得到进一步 的显示 2.1 描述特征信号 为了更好地凸显这些结构面的特征,避免被其他 无关像素点淹没覆盖
17、,使结构面特征信号有效地分离 出来,本文在钻孔图像中,寻找新的特征点来描述结 构面,并组成新的特征信号,用以实现结构面的区域 划分首先,采用每行像素点的灰度最小最大值来描 述结构形态特征设图像中左上角为像素坐标的起 点,像素点坐标从上往下从左往右依次增加记图像 为 f(i, j),表示像素点在 (i, j)处的灰度值然后,选 择每一行像素点的 最小灰度值作为该行的最小特征 值,表达式为式 (1)选择每一行像素点的最大灰度 值作为该行的最大特征值,表达式为式 (2) min V (i) min f (i, 0), f (i,1), f (i, 2), f (i, j), f (i, N 1) (
18、1) max V(i) max f (i, 0), f (i,1), f (i, 2), f (i, j), f (i, N 1) (2) 式中: min,V(i)为第 i 行的最小像素值; max,V(i)为第 i 行的最大像素值; N 为钻孔图像的宽度,是一个常 数值,本文取 1,024 另外,本文采用灰度梯度来进一步描述结构面曲 线带的灰 度值与周 边像素点 的变化情 况在 3 像 素 3 像素的邻域内,在点 (i, j)处,水平方向 (x 轴 ) 的梯度如式 (3)所示,垂直方向 (y 轴 )的梯度如式 (4) 所示在大量的计算处理当中,计算机常常采用 x 方 向梯度、 y 方向梯度的
19、绝对值的和作为梯度的值,如 式 (5)所示 像素点 (i, j)处的梯度值 于是,每一行像素点的最大梯度值可以表示为式 (6),其中 max,G(i)为第 i 行的最大梯度值 max G(i ) maxG(i, 0), G(i ,1), G(i, 2), G(i, j), G(i, N 1) (6) 2.2 特征信号处理 在钻孔图像中,每行的最小灰度值和最大灰度值 代表了图像特征的两个极点,而结构面正弦曲线带就 是 由 这些 极 点 ( 钻 孔 图像 中 的 黑 点 和 亮 点 )组 成 的这些极点主要分布在结构面正弦曲线带中,并且 在垂直深度方向的投影相对集中 (正弦曲线是水平分 布的 )为
20、了避免这些极点被非目标区域的光斑点淹 没,使它们进一步突显出来,本文采用每行的最大值 max,V(i)的均值与最小值 min,V(i)的差值作为该行 的基准值,再加上该行的最大梯度值 max,G(i)或者 其倍数作为该行的合成信号特征值 ComS(i),其表达 式如式 (7)所示 ComS(i) max V (i) min V(i) 0 式中: ComS(i)为第 i 行的特征值; 在本文中取值 1; max V (i) 为最大值 max,v(i)的均值; V0 是一个基准 值,为了方便数据对比,本文设定为常数 80在钻 孔图像的整个分析区域中,最大值信号 max,V(i)的 均 值 、最 小
21、 值 信 号 min,V(i) 和 最 大 梯 度 值 信 号 max,G(i)构成了合成信号 ComS(i)在实际应用中, 这些信号均进行了独立的信号滤波去噪处理合成 信号 ComS(i)根据式 (7)计算后也进行了滤波去噪, 随后 用来 表示 该行 像素 点的 灰 度 特征 min,V(i)、 max,V(i)、 max,G(i)、 ComS(i)这些特征 信号有效地 表达了图像中的结构面分布信息 2.3 结构面区域划分 由图 2 可知,合成信号 ComS(i)初步有效地表达 了结构面正弦曲线的分布区域和相对中心位置为 了更好地方便计算机的分析处理,有必要对合成信号 12-13 14-16
22、 2018 年 1 月 邹先坚等:钻孔图像特征分析与结构面区域划分方法 91 ComTlocal 1 2w k iw ComS(k) w 10,100 (9) 式中: M 为整个合成信号的个数,也就是整个分析区 域的行数; ComTglobal 为合成信号的 整体阈值; w 为该 行上下偏移的一个宽度,一般取 20 行即可; ComTlocal 为合成信号的局部阈值于是合成信号的二值化方 法如式 (10)所示,式中 ComT(i)信号为分块信号该 图 2 结构面特征信号与钻孔图像结构面的对应关系 信号是合成信号的二值化结果 ComT(i) global local / 2 / 2 (10) F
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- 钻孔 图像 特征 分析 结构 区域 划分 方法
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