基于計算機圖像的煤礦地質勘查系統設計

丁海英

(陜西能源職業技術學院 煤炭與化工產業學院，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，煤炭占據了我國能源消耗的主導地位[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劃階段，需要根據煤礦所在位置的地質情況進行開采方案的設計。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，地質條件比較多樣化[3-4]。如果不了解煤礦所在的地質情況，在開采的過程中非常容易出現資源浪費、環境破壞嚴重的情況，甚至會出現大型開采事故。因此勘查煤礦地質對于高效、安全開采的煤礦資源具有重要的意義[5-7]。煤礦地質勘查系統為高效勘查礦山地質提供了思路。文獻[8]中提出了基于ArcGIS的露天礦山土石方量測算方法，將不規則三角網(TIN)轉換成柵格模型，并計算填挖方量，為安全采礦提供了支持。文獻[9]針對礦井下圖像質量較低的問題，將源圖像經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，還原分量提高對比度，完成圖像質量的增強。以上建立的煤礦地質勘查系統中，生成勘查圖像過程中會極易丟失地物特征，導致系統成像的邊界不清晰，這樣會對礦區地質勘查造成一定的困擾，針對上述情況，設計了一種基于計算機圖像的煤礦地質勘查系統。

1 系統設計總體架構

設計基于計算機圖像的煤礦地質勘查系統前，首先設計系統總體架構，如圖1所示。

圖1 系統總體架構Fig.1 System overall architecture diagram

基于計算機圖像的煤礦地質勘查系統設計過程中，考慮到現有系統的硬件較為完整，硬件優化設計過程中主要對數字相機的相關參數進行校驗。

2 硬件設計

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

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

本文使用的數字相機為大面陣CCD相機，標稱焦距約為50 mm，在校驗過程中選擇的校驗場地需要選擇規模較大的場地。為此選擇了某建筑群作為校驗場地，標志點總數量設置為368個，各個標志點的間隔在1.8～3.0 m，標志點為黑色鋁片，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，結合光束法與共線方程求解相機參數。包含需要修正參數的相機方程可以表示為：

(1)

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

(2)

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

根據上述公式可以計算出數字相機的主要參數值，經過實際拍攝之后，完成數字相機的校驗，實現煤礦地質勘查系統硬件優化。

3 軟件設計

3.1 剖切地質體

在煤礦的成礦區域中，地質情況相對于正常地質會更加復雜。煤層在成礦的過程中，經常會出現地層之間的重合或斷層，甚至出現底層尖滅等情況，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，相關的剖切流程如圖3所示。

圖3 地質體剖切流程Fig.3 Geological body cutting process

在系統成像的過程中，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數據更精確，需要對地質體進行剖切[15]。地質體的剖切可理解為對類三棱柱進行切割，本文系統在進行地質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，并且交點不經過類三棱柱的頂點。地質體剖切如圖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體各個邊的交點數量不同。在經過剖分之后，將產生2個新的不規則形狀的幾何體，剖分過程中的交點數量最大為5，交點數量越多，說明剖切的情況越復雜。對于本文采用的這種完全剖分，只需要在系統編程的過程中計算出交點在地質體類三棱柱側邊的位置。但是由于地質體這種類三棱柱在形態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，至此完成地質體剖切。

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

3.2 自動生成多邊形區域的計算機圖像

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

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

因為這些懸掛標識大多數是在對圖像進行分割與合并的過程中產生的附加物，將其刪除能夠避免系統在搜索過程中產生的回退問題，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域，刪除的標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的標志點按照坐標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，多邊形內部存在以上情況下的內部圖形時，起始點的選擇錯誤會導致生成無效多邊形。

煤礦地質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。多邊形在應用紋理特征貼圖時，不需要對顏色進行太多的調整，系統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準化的，地質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，選擇的礦區成像范圍內的紋理特征貼圖大小一般與區域劃分的面積相同。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，將標準大小的紋理貼圖與生成的多邊形圖像相結合，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勘查系統設計。

4 實例分析

4.1 研究區概況

為了驗證本文設計的地質勘查系統在成像分區方面具有一定的有效性，需要選擇一礦區對系統進行成像分區的性能測試。選擇的一個煤礦井田位于某市境內，根據該井田的相關記載，整理得到該井田的相關參數如下：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；主井內直徑7.3 m；副井內直徑7.9 m；風井內直徑5.4 m；地質儲量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，并分別使用本文設計的系統與常規的GIS系統對勘查的圖像進行采集與處理。首先規定系統所采用的計算機圖像為高分辨率影像，為了在后續結果對比中排除其他因素干擾，設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，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，通過剖切地質體進行10次迭代，經過迭代后得到相關的分割結果圖像，并設置空間和顏色方面的帶寬初始值，每次迭代之后，帶寬都相應增加5～20，具體的增加量要根據分割的圖像進行確定。完成圖像分割后，根據礦井下面的實際情況進行區域合并，合并過程中不斷選取并優化合并參數，確定區域合并后的顏色閾值，保證合并后的區域分界效果，并對合并后的區域邊界觀察，最后完成邊界標記。

4.2 實例分析結果

在上述的實例環境中，得到本文系統的勘查邊界標記結果(圖6)。圖6(a)表示勘查區域的地質紋理特征，圖6(b)表示地質體剖切結果，圖6(c)表示區域內的合并結果，圖6(d)表示最終的邊界標記結果。

圖6 邊界成像結果Fig.6 Boundary imaging results

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

5 結語

針對傳統GIS系統的成像缺陷，設計了基于計算機圖像的煤礦地質勘查系統。硬件設計了數字相機的相關參數，并進行了校驗。通過修正方程解出相機標稱焦距、畸變補償等重要參數的最優值；軟件優化中，將復雜的煤礦地質體視為類三棱柱進行剖切，保證得到的地質數據更加精確，設計剖切流程，采用完全剖分法確定剖分點；將剖切得到的多邊形區域進行處理，刪除懸掛標志物，完成紋理貼圖。實例分析結果表明，本文系統的成像性能較優，但是由于條件限制，本文還有很多需要改進之處，在后續研究中需要不斷探討。