基于圖像識別的原始地質編錄矢量化三維建模方法

蘆 磊，袁曉輝，劉 瀟，毛 杜，鐘德云

（1.云南錫業(yè)股份有限公司大屯錫礦，云南 昆明 661000；2.湖南有色黃沙坪礦業(yè)有限公司，湖南 郴州 423000；3.長沙迪邁數(shù)碼科技股份有限公司，湖南 長沙 410083）

0 引言

礦山地質編錄是一項通過文字、圖表等信息對礦山勘探工程、井巷工程地質現(xiàn)象進行觀察記錄與素描的工作，可以為礦山獲取礦體空間賦存形態(tài)、確定礦巖分界、礦山品位分布提供有力依據(jù)[1]。傳統(tǒng)的地質編錄方法常采用原始地質圖紙編錄，工作量大、特征識別速度有限、精度低且不易存儲，難以實現(xiàn)現(xiàn)代化高效工作要求[2]。隨著二維CAD 制圖技術的發(fā)展，可以用于展現(xiàn)礦體空間構造關系[3]，但該方法受繪圖人員的主觀因素影響較大，圖件制作準確性、時效性都難以有效保證。

隨著我國數(shù)字礦山的飛速發(fā)展，利用三維建模技術對原始地質編錄批量處理日漸趨于成熟[4-7]。在實際地質編錄過程中，三維地質建模能極大減少地下工程的隱蔽性，更直觀地反映地質體空間分布狀態(tài)，對地質體空間信息進行有效管理。張海濤等[1]通過對侵入非礦巖體剔除，使得地質編錄礦體邊界更符合真實礦體結果；孫煥英等[8]通過對現(xiàn)有地勘軟件對比分析，總結出目前數(shù)字化地質編錄的主要理論及方法；伍永平等[2]基于近景攝影測量技術，利用地質編錄儀對編錄流程及結果進行展示，大幅提高編錄效率；楊建華等[9]利用數(shù)碼影像地質編錄方法，通過斷面計算、影像畸變校正等一系列手段，實現(xiàn)計算機輔助編錄作業(yè)；趙階晨[10]對地質矢量化技術及地質結構建模中用到的網(wǎng)格變形技術進行深入研究，建立一個地質解釋平臺系統(tǒng)服務于礦山地質編錄；國外則在地質體隱式建模技術上進行了研究與應用，其中，地質建模軟件Leapfrog 較為成熟，通過構建地質規(guī)則約束快速創(chuàng)建或更新三維地質體模型[11]。

上述研究對礦山地質編錄作業(yè)進行了詳細分析與應用，但均未考慮地質編錄過程中原始地質圖件的污染及噪點影響，一方面是由于作業(yè)條件導致的原始地質圖件受到污染，如浸濕、泥土污染等；另一方面是由于拍攝導致的圖片文件清晰度不高和噪點過多，進一步導致直接進行圖像識別出現(xiàn)的誤差和錯誤，使得矢量化結果及礦巖分界難以達到理想狀態(tài)，采集到的數(shù)據(jù)難以實現(xiàn)自動識別。這些因素極大地阻礙了礦山工業(yè)礦體圈定、采礦設計、貧化損失計算等作業(yè)開展。因此，提出一種基于圖像識別的原始地質編錄矢量化三維建模方法。

1 原始地質編錄矢量化三維建模步驟

地質編錄矢量化建模由于野外地質環(huán)境復雜，地質圖件常受到污染物影響，因而需進行圖像的降噪與細化；另外，提取出的素描線數(shù)據(jù)冗余，需進行圖像的抽稀處理。因此，提出一種基于圖像識別的原始地質編錄矢量化三維建模方法，如圖1 所示。由圖1 可知，基于圖像識別的原始地質編錄矢量化三維建模方法可分為五個步驟：①通過對原始地質編錄圖紙的讀取與裁剪，獲得標準圖件；②將標準圖件降噪細化，用以改善圖像質量；③利用素描提取與抽稀分離技術，精準獲取有效的地質界線；④基于工程測點坐標和工程斷面參數(shù)三維化地質編錄界線；⑤通過Coons 曲面建模生成三維地質體模型。

圖1 原始地質編錄矢量化三維建模方法Fig.1 Modeling process of geological logging vectorization

1.1 地質編錄讀取與剪裁

地質編錄矢量化建模的第一步是對原始地質編錄進行讀取與裁剪。通過對原始地質編錄進行室內綜合整理及掃描，形成掃描圖件。利用OpenCV 工具快速讀取編錄，借助對應的壓縮工具壓縮編錄文件。該步驟可為后續(xù)建模工作運算速度的提高進行充足準備[12]。提取的編錄文件常無法直接使用，需進行文件處理。由于原始地質編錄存在大量文字、標簽、坐標、取樣等非圖形信息，因此常采用交互式方案，通過指定需要矢量化的編錄部分進行編錄文件的裁剪。

1.2 圖形降噪細化

通過灰度轉化、背景模糊、水印淡化、雜點去除等手段對圖像進行有效清理，圖像降噪遵循的步驟如下所述。①二值化。將多通道彩色圖像分解為RGB 三通道灰度圖像，使用B 通道圖像。通過雙邊濾波（BilateralFilter）后，對灰度圖像進行雙峰二值化處理，編錄的雙峰中值一般在130 灰度附近，也可以采用交互的方式手動指定灰度閾值。將數(shù)值低于130 的像素點數(shù)值重置為255（白色），等于或高于130 的像素點數(shù)值重置為0（黑色）。②腐蝕和膨脹。腐蝕和膨脹均采用3×3 矩陣，先腐蝕計算一次，再膨脹計算一次。清理后的圖形需進行圖像細化處理，保證地質編錄圖件的精確性。通常情況下，地質素描界限占用的像素寬度較為固定。因此，綜合考慮使用查表細化預處理，Rosenfeld 法后處理的模式，對圖像進行細化處理[13]。

1.3 地質界線素描提取與抽稀分離

降噪細化后的地質編錄通過素描提取，分離出地質界線，素描提取遵循的步驟為：從灰度值為非0的一起始像素點出發(fā)，向一側搜索。若像素點灰度值大于0，則記錄該像素點坐標值，并將該像素點灰度值重置為0；若灰度值等于0，則向起始像素點的另一側搜索，規(guī)則同上。直至所有像素點的灰度值全為0，退出循環(huán)。

分離出的地質界線需進行抽稀處理，過濾掉冗余的數(shù)據(jù)信息，使用經典的Douglas-Peucker 算法進行圖像抽稀[14]，在維持地質編錄線幾何特征基本不變的情況下，明顯減少線的組成點數(shù)量，通過圖像抽稀，得到地質界線素描關鍵點。另外，在矢量化過程中，部分地質編錄界線常與頂板線連成一線，導致圖形解譯出現(xiàn)錯誤，根據(jù)地質編錄界線與頂板線存在較大夾角特性，考慮在線的轉折處打斷，將二者分離。

1.4 地質編錄界線三維化

基于原始地質編錄中三壁展開空間位置關系，依據(jù)工程測點真實坐標和工程斷面參數(shù)，通過移動、縮放、旋轉以及投影三維坐標轉換依次將頂?shù)装暹吘€、兩璧邊線和地質編錄界線還原為三維空間的真實形態(tài)，為后續(xù)地質模型的建立提供三維地質編錄界線。

1.5 Coons 曲面建模

在三維可視化環(huán)境下，基于上述步驟獲取的三維地質編錄界線，采用雙三次Coons 曲面擬合方法精準構建復雜三維地質體模型。由于Coons 曲面基于分片拼接的思路，當局部位置的關鍵點信息發(fā)生改變時，只需調整與之相關的某個曲面，而不必重新構建整個三維地質體模型，同時還能保證曲面間的光滑拼接，基于三維地質編錄界線構建的雙三次Coons曲面如圖2 所示。由圖2 可知，在整個矢量化三維建模過程中，原始地質編錄文件常出現(xiàn)圖像信息不夠清晰以及污染的情況，并且提取后的地質界線不連續(xù)，需要人工后期處理，因此前期圖片降噪細化處理和高效精準的圖像提取算法十分關鍵，可以提高整體自動化程度，減少人工處理時間，并為后續(xù)建立三維地質模型做好數(shù)據(jù)準備。

圖2 Coons 曲面Fig.2 Coons surface

2 原始地質編錄矢量化三維建模應用實例

2.1 礦山地質概況

高松礦田位于滇東南超大型錫多金屬礦區(qū)個舊礦區(qū)東部[15]，礦床主要組成成分為燕山中-晚期花崗巖，其接觸帶為矽卡巖型硫化礦體。礦體沿花崗巖突起、凹陷產出，接觸帶形態(tài)復雜部位集中成礦，礦體受斷裂構造控制，上部層間氧化礦體受地層、構造雙重控制。含礦熱液在層間破碎、斷裂破碎帶等部位充填交代，形成順層間氧化礦體[16]。礦床勘察類型為Ⅲ類復雜型，礦體產出集中程度與巖體、構造復雜程度正相關。

高松礦田礦體形態(tài)復雜，鉆探數(shù)據(jù)庫建立的折線模型和實際巷道揭露的地質體界線如圖3 所示。由圖3 可知，復雜地質體下鉆探數(shù)據(jù)庫建立的折線模型界限和實際巷道揭露地質體界線存在較大出入，折線線框模型邊界平直，主觀臆斷程度較大。該方法使得實際施工現(xiàn)場情況與設計不符，易引發(fā)工程技術事故。為減少編錄誤差，礦山長期嚴格遵守相關規(guī)范開展井巷工程原始地質編錄工作[17-18]。通過現(xiàn)場繪制紙質素描，精確反映現(xiàn)場實際揭露地質界線，由多年勘查開采研究結果表可知，充分利用坑探原始地質編錄進行矢量化三維建模是滿足礦山精細化開采需求的關鍵。

圖3 折線建模和工程揭露曲面對比圖Fig.3 Comparison between folded line modeling and engineering exposure surfaces

2.2 礦山地質編錄矢量化三維建模

將原始地質編錄進行室內綜合整理，以及地質編錄掃描（300 dpi），通過OpenCV 讀取地質編錄圖件[18]，原始地質編錄圖如圖4 所示。由圖4 可知，背景為帶色網(wǎng)格，原始地質編錄被褐鐵礦污點污染，將掃描的圖件文件進行壓縮處理，為后續(xù)恢復圖形做準備。通過交互式界面，將原始地質編錄中的文字、標簽、坐標、取樣等非圖形信息進行矢量化指定，將待編部分進行剪裁。通過HSV 空間轉換，原始地質編錄中的帶色背景網(wǎng)格被剔除，地質界線邊緣進行二次圖像裁剪處理。

由于高松礦田采用地下開采，坑下作業(yè)環(huán)境相對復雜，原始地質編錄易受污水、褐紅色含鐵泥質物、黑灰色硫化物粉塵等污染，需進行清理。考慮到前景特點，采用灰度圖像、雙邊濾波等方法進行背景模糊處理。經現(xiàn)場測試，模糊處理選取的參數(shù)為：高斯核大小15，空間高斯函數(shù)標準差30，灰度高斯函數(shù)標準差75。在確保地質界線未模糊的基礎上，淡化污水印，進而采用雙峰二值化得到二值化圖像，反復利用腐蝕、膨脹運算消除圖像中的礦塵污染雜點及雜斑，降噪之后成像結果如圖5 所示。

圖5 地質編錄圖件裁剪、降噪結果Fig.5 Crop and noise reduction results of geological logging images

采用morpholog 庫的Rosenfeld 算法進行圖形細化處理，編寫程序并反復測試，確保絕大部分編錄素描得到細化。將細化后的圖形進行八鄰域掃描，提取出地質界線，進行Douglas-Peucker 抽稀[19-21]，得到抽稀后的圖像如圖6 所示。由圖6 可知，通過對地質界線進行抽稀，控制點數(shù)由原來的530 個減少為23 個，該抽稀算法既保持了地質界線各弧度的曲率，也最大限度保證了原數(shù)據(jù)的質量。依據(jù)該工程兩端測點真實坐標和工程斷面參數(shù)，依次將頂?shù)装暹吘€、兩璧邊線和地質編錄界線還原為三維空間的真實形態(tài)，形成三維地質編錄界線，如圖7 所示。

圖6 八鄰域提取曲線抽稀后圖像Fig.6 Eight-neighborhood extraction curve extraction after thinning

圖7 三維地質編錄界線Fig.7 3D geological logging boundary line

開發(fā)的程序使用C++語言實現(xiàn)，以插件的形式打包至Dimine 數(shù)字采礦軟件軟件中，以便礦山地質技術部門使用。結合高松礦田礦體形態(tài)特征及地質勘查經驗，使用Dimine 數(shù)字采礦軟件的“網(wǎng)格建模”功能開展地質體三維曲面建模，建模結果如圖8 所示。由圖8 可知，與傳統(tǒng)鉆探工程折線圈礦建模相比，利用三維地質編錄曲線建模方法建立的地質模型形態(tài)更逼真，礦體模型更精確，建立的模型更符合現(xiàn)場揭露情況。通過三維地質編錄曲線建模，有利于現(xiàn)場指揮作業(yè)科學化和開采設計精細化。本次實踐驗證，使用三維地質編錄曲線建模方法，所得結果貼合現(xiàn)場實際情況，建立的模型真實反映礦體形態(tài)變化，建模速度也從20 min 縮短至30 s 內，極大地提高了建模效率，進而降低了井下生產勘探和采掘作業(yè)工作的風險。

圖8 三維地質編錄和傳統(tǒng)鉆探工程的建模效果比較Fig.8 Comparison of modeling effects between 3D geological logging and traditional drilling engineering

3 結論

1）研究中提出一種基于圖像識別的矢量化三維建模方法，適用于處理原始地質編錄圖紙，相比于傳統(tǒng)三維折線建模，基于圖像識別的矢量化三維建模效果明顯提升。應用該方法自動化程度大幅提高，建模速度從分鐘級縮短至秒級內。

2）研究中提出的地質體三維建模方法能有效服務于礦山備采級別儲量計算、高精度設計和精細化開采作業(yè)，對于礦體局部產狀劇烈變化部位，利用該方法進行精細化曲面建模，能有效輔助設計修改，減少模型與現(xiàn)場實際情況的沖突，同時算法模型對于一些較為復雜的礦山具有一定的指導意義。

3）三維建模方法還存在一定的局限性，主要體現(xiàn)在圖像提取精度有待進一步提升和進一步降低提取后地質界線的連接錯誤，同時對于較為復雜的地質模型也會出現(xiàn)一定的建模缺陷，仍需要進行人工調整。后續(xù)的發(fā)展應圍繞智能化圖像識別、自動化建模等方向進行算法優(yōu)化。