基于智能手機APP的巖芯圖像采集研究

米勝信，姚聿濤，張晨光，周　游，劉琳琳

(國土資源實物地質資料中心，河北 三河 065201)

鉆孔巖芯作為實物地質資料最重要組成部分，具有較高的保管、服務與利用價值。目前，巖芯服務利用方式主要有巖芯實體觀察、表面圖像瀏覽、測試分析及多參數掃描等，其中圖像瀏覽是利用最為廣泛的服務方式。表面圖像主要是通過專業的巖芯掃描設備對巖芯表面白光掃描，獲得清晰度較高的巖芯圖像。然而受巖芯掃描設備形體大、環境參數要求高等限制，巖芯表面掃描更適宜在室內進行，野外現場巖芯原始保存狀態難以得到及時有效的記載。

1　巖芯數字化現狀

截至2017年6月底，我國館藏成果地質資料總量共計50.22萬檔(1 506萬件),原始地質資料總量共計147.45萬件,包括委托保管在內的我國館藏實物地質資料總量共計巖(礦)芯約103萬m[1]。其中，館藏機構和地勘單位作為巖芯保管的主體，國家實物地質資料中心保管巖芯44萬m，在陸續建成的省級實物地質資料館中，安徽省、山東省、四川省等省級地質資料館采集保管巖芯10萬多米，其余巖芯則分散保管在地勘單位和礦山上。

1.1　巖芯的數字化方法

目前，廣泛應用的巖芯數字化方法大致可分為三類：一是獲取實物表面圖像信息，如巖芯白光掃描；二是獲取實物表面的各類化學參數信息，如巖芯高光譜礦物掃描分析、巖芯XRF元素濃度掃描分析等；三是獲取實物內部的物理參數信息，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，實物地質資料館藏機構和保管單位開展批量數字化主要是利用巖芯掃描儀對巖芯進行表面圖像數字化[2]，然后通過裁剪工具對掃描后的圖像進行裁切處理，僅保留含巖芯段的圖像。

1.2　巖芯數字化程度

巖芯圖像是巖芯服務的主要內容之一，可以向用戶直觀并最大限度地展示巖芯真實情況，客觀反映巖芯的地質情況和保管程度[3]。因此，實物地質資料館藏機構和保管單位均不同程度開展巖芯圖像采集工作。國土資源實物地質資料中心利用掃描儀開展巖芯白光圖像掃描工作，已完成約32萬m巖芯的表面圖像采集工作。巖芯生產單位則利用數碼相機對巖芯表面圖像進行拍照并存儲管理。

1.3　巖芯服務現狀

在互聯網向用戶提供的巖芯數據內容也比較有限，以巖芯目錄(巖芯項目名稱、鉆孔編號、存放地址、聯系方式)、鉆孔數據庫(鉆孔基本信息、鉆孔柱狀圖)為主，只有少數館藏機構開展巖芯掃描并通過互聯網向用戶提供巖芯圖像服務。

1.4　巖芯圖像采集問題總結

1) 掃描成本高。開展巖芯掃描工作需具專業的巖芯掃描儀，市場上通用的一套巖芯掃描儀價格在50萬～100萬元不等，相對館藏機構來說成本較高。

2) 物理條件受限。開展巖芯掃描工作，需要在固定物理場所進行，該場所至少需具備防雨、動力電源等條件。由于巖芯生產和保管大多在野外進行，環境艱苦，不具備開展巖芯掃描的條件。此外，巖芯掃描儀設備屬于精密儀器，不宜多次顛簸運輸和拆卸等操作。

3) 掃描速度慢。利用巖芯掃描儀對巖芯進行掃描，在設置合理的掃描分辨率的條件下，掃描速度約0.5 m/min，掃描完成后還需專業技術人員進行裁剪、拼接等處理方可進行存儲。

4) 相機拍照缺乏規范化。在巖芯生產現場，多數工作人員用數碼相機對巖芯進行拍照。相機拍照在分辨率設置、水平控制和圖片描述等方面的存在管理不便和規范化不足等問題。

2　巖芯圖像采集APP開發可行性分析

為了解決巖芯圖像采集和服務水平低下的問題，從技術創新角度出發，開拓利用智能手機APP進行巖芯圖像采集的新方式來解決這一問題。隨著智能手機的廣泛普及、手機軟硬件及網絡傳輸速度等技術水平的不斷提高，使開發智能手機APP采集巖芯圖像變得非常可行，重點解決巖芯圖像采集的內容、質量和圖像傳輸及處理發布等問題。

2.1　智能手機具備圖像采集條件

智能手機APP在各領域的成功應用，給了我們開發手機巖芯圖像采集APP的啟示。事實上，智能手機無論是在硬件、軟件條件還是網絡傳輸速度等方面，均具備野外現場或室內巖芯圖像采集所需。

硬件性能方面，智能手機數據處理能力越來越強，并配置獨立的圖形處理芯片，能夠運行各種應用程序，其性能與個人計算機不相上下。手機內存卡容量也越來越大，物理內存均在20 G，擴展內存可達100 G左右，能夠滿足圖像離線存儲的需要。

手機拍照性能方面，智能手機拍照像素均已達到1 000萬dpi以上。現有主流手機攝像頭像素配置下，手機拍照應用于巖芯圖像采集，獲得的圖像基本能夠辨清巖層等地質情況。

軟件資源方面，基于主流手機操作系統Android和IOS各種開發軟件應用相當成熟，開發巖芯圖像采集APP基本不存在技術問題。

數據傳輸方面，通過數據線、藍牙、無線網絡和4G網絡均可實現圖像的快速傳輸。

巖芯圖像發布方面，解決了巖芯圖像、地質描述信息和化學分析結果同一深度信息、統一頁面展示、巖芯圖像異步加載，已經具備較為成熟的技術。

2.2　整盒巖芯圖像代替單個巖芯展示服務思路

在地質資料工作開展較早且管理與服務技術相對先進的國家，如加拿大、澳大利亞、瑞典、芬蘭等，巖芯圖像均以盒為單位對外服務，并標注巖芯的起始深度和終止深度及深度的順序。

我國館藏機構將掃描的巖芯圖像進行裁剪，只保留含巖芯段的巖芯圖像，并以單段巖芯進行存儲管理服務。借鑒國外整盒巖芯服務的方式，利用智能手機開發APP對整盒巖芯照相，準確記錄巖芯深度信息，將整盒的巖芯圖像對外提供服務，既可節省實物工作量，又可最大限度地展示巖芯原始面貌。

3　APP信息架構設計

3.1　設計策略

APP設計目的是為提高巖芯圖像的采集效率，向用戶提供一款簡單、快捷、經濟的采集管理與服務工具，提高我國實物地質資料信息服務利用水平。

為了今后全面推廣應用，APP設計應具備以下3方面原則：①通用性原則，APP可普遍適用于主流手機操作系統，并對手機硬件無特殊要求，具備較好的穩定性、兼容性和安全性；②便捷性原則，APP應滿足野外和室內環境采集，操作方面，攜帶便捷；③經濟性原則，APP總體價格不要過于昂貴，并普遍適用于館藏機構和生產單位。

3.2　模塊設計

APP主要由前臺采集端和后臺服務端兩部分組成。其中，前臺采集端由用戶中心、信息采集、信息管理和信息傳輸等模塊組成；后臺服務端由信息管理、信息審核、信息發布等模塊組成。此外，為保證采集圖像的標準規范化，還進行了APP支架設計。

3.2.1前臺采集端

用戶中心：APP用戶主要由館藏機構、巖芯生產單位和管理機構人員組成;APP向用戶提供身份注冊與信息維護功能，并可根據系統功能，進行角色和權限的設置。

信息采集：巖芯是在地質工作中通過鉆探獲取的實物地質資料，APP采集信息包含產生巖芯的項目信息、巖芯圖像和巖芯描述等;項目信息主要包括項目名稱、位置信息、地質工作類型、鉆孔信息和內容摘要等;巖芯圖像信息主要包括鉆孔編號、起始深度、終止深度和圖像名稱;巖芯描述信息主要有鉆孔編號、起始深度、終止深度、巖石名稱和地質描述。

信息管理：在信息采集完成后，可對采集的信息根據深度進行查詢、瀏覽、修改、刪除、等操作。

信息傳輸：信息采集完成后，將信息進行保存并提交到后臺服務端，由管理人員進行審核處理。

APP具有多種數據傳輸方式，可以根據不同環境選擇不同的傳輸方式。若具備移動網絡或者無線網絡環境，可進行及時網絡傳輸；若網絡環境較差，通過圖像本地緩存處理，在網絡信號較強時再進行圖像傳輸。

3.2.2后臺服務端

信息管理：在前臺采集端信息采集過程中，受限于手機屏幕的大小和操作的便捷性，在前臺采集端只對與巖芯圖像相關關鍵信息進行采集，其他數據項則在后臺服務端信息管理功能進行操作處理。

信息審核：用戶將采集的信息進行上傳后，管理員用戶對信息進行審核，審核內容主要為數據的邏輯一致性、性及圖像清晰和標準程度等；對未審核通過的數據，進行回退處理。

信息發布：對于審核通過的信息進行發布，向社會用戶提供社會化服務。

3.2.3支架設計

支架是APP的物理組成部分，主要用于圖像采集時固定手機位置，從而有效防止圖像采集時因手機抖動、垂直和水平控制等因素導致的圖像不規范現象發生。支架有底座、橫桿、縱桿和固定卡扣組成，橫桿和縱桿標有刻度，可以根據巖芯箱大小不同進行伸縮調整。

3.3　采集方法設計

首先，將支架固定在水平的場所，并將手機安裝在支架上，把整盒巖芯放置在手機正下方；其次，打開APP，根據巖芯盒大小調整手機垂直和水平位置，設置拍照比例；最后，選擇預先錄入的鉆孔信息進行巖芯圖像采集，拍照完成后，輸入巖芯的起始深度和終止深度，完成當前整盒巖芯的圖像采集。替換需要采集的巖芯，進行下一步圖像采集操作。

3.4　關鍵技術問題解決

前臺采集端做為APP最主要的功能模塊，在數據采集過程中，為了保證采集圖像的質量和操作簡易程度，APP解決了以下關鍵技術問題。

拍照區域自動調整：目前巖芯盒尺寸不統一，但手機只能拍攝1∶1、4∶3和16∶9幾種比例的圖像，這樣采集的圖像存在無效用區域；為了適應多種比例尺寸的巖芯盒，APP設置了拍照區域調整功能，可隨巖芯盒變化而進行圖像區域比例調整，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需裁剪多余區域，減少了后期巖芯圖像處理的工作量。

水平設置：在巖芯圖像拍照時，為了保證手機處于水平位置，APP設置了水平調整功能，并以氣泡形式展示在APP界面上。

自動連續：在信息錄入時，由于多數巖芯是連續的，即上一盒的巖芯終止深度為下一盒巖芯的起始深度；因此，進行下一盒巖芯圖像采集時，APP設置了當前起始深度自動繼承上一條信息的終止深度。實際操作中，如出現深度不連續的情況，可手動修改。

語音輸入：受手機屏幕大小限制，數據錄入過程不能如計算機那樣方便；為了方便信息錄入，APP開發語音輸入、糾錯識別等功能，提高信息錄入的效率。

4　APP優勢分析

開發完成后，利用APP對山東省萊州市三山島金礦ZK48-3和ZK56-4兩個鉆孔的2 500 m巖芯圖像進行了實驗采集。鉆孔巖芯孔徑為10 cm，巖芯盒長度為80 cm，每盒裝有5排巖芯。APP安裝在OPPO R9S手機上，像素為2 000萬dpi，操作系統為安卓6.0.1。通過與白光掃描儀圖像采集對比發現，APP在采集速度、圖像質量等方面均具備一定的優勢，具體如表1所示。

表1　白光掃描儀與手機APP巖芯圖像采集比對

4.1　降低了圖像采集的物理成本

通過APP進行巖芯圖像采集，大大降低了成本開支。一是利用常見的智能手機便可完成采集操作；二是APP操作簡便，無需專業人員也可進行操作；三是減少了巖芯或設備運輸的費用，在任何場所均可完成。

4.2　提供了巖芯管理的便捷工具

APP為巖芯生產單位提供了巖芯管理的便捷工具，APP可以獲得標準的巖芯圖像和描述信息，并且通過系統進行統一有效的管理，解決了巖芯后續管理利用的問題。

4.3　解決了巖芯及時管理的問題

在巖芯生產現場，通過APP進行巖芯圖像采集，可以第一時間保留取樣前的完整巖芯圖像的原始外貌特征。特別是對于油氣巖芯而言，經長期放置,巖芯中油氣揮發和氧化,同時巖芯經風化作用其結構和構造發生變化,失去了原始外貌特征,給后期的巖芯觀察和地質研究帶來了很大困難[4]。

4.4　解決了巖芯及時發布的問題

通過巖芯掃描儀對巖芯進行采集，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，造成巖芯不能及時服務的情況發生。利用APP進行巖芯圖像采集，可以快速得到高質量的巖芯圖像，并且由于其操作簡便，成本較低的特點，可以廣泛應用于礦山和館藏機構，有效解決巖芯圖像及時采集并發布服務的問題。

5　結　語

本文研究了基于智能手機APP進行巖芯圖像采集的相關內容，并通過實驗采集與傳統的白光掃描進行了比對，證明其具有廣闊的應用前景。雖然不能完全代替傳統的白光平掃巖芯圖像掃描，但是具備操作簡便，管理規范等優勢，大大提高巖芯圖像的采取率和服務速度。利用APP進行巖芯圖像采集，在一定程度上可以減少或消除時間因素、人為因素和環境因素對巖芯的損害，有效地保護巖芯的完整性、真實性，彌補巖芯在使用和保存過程造成的損失，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構和生產單位的推廣應用必定將全面提高巖芯圖像的采集獲取率，提升我國實物地質資料管理與利用水平。