基于智能手机APP的岩芯图像采集研究

米胜信，姚聿涛，张晨光，周　游，刘琳琳

(国土资源实物地质资料中心，河北 三河 065201)

钻孔岩芯作为实物地质资料最重要组成部分，具有较高的保管、服务与利用价值。目前，岩芯服务利用方式主要有岩芯实体观察、表面图像浏览、测试分析及多参数扫描等，其中图像浏览是利用最为广泛的服务方式。表面图像主要是通过专业的岩芯扫描设备对岩芯表面白光扫描，获得清晰度较高的岩芯图像。然而受岩芯扫描设备形体大、环境参数要求高等限制，岩芯表面扫描更适宜在室内进行，野外现场岩芯原始保存状态难以得到及时有效的记载。

1　岩芯数字化现状

截至2017年6月底，我国馆藏成果地质资料总量共计50.22万档(1 506万件),原始地质资料总量共计147.45万件,包括委托保管在内的我国馆藏实物地质资料总量共计岩(矿)芯约103万m[1]。其中，馆藏机构和地勘单位作为岩芯保管的主体，国家实物地质资料中心保管岩芯44万m，在陆续建成的省级实物地质资料馆中，安徽省、山东省、四川省等省级地质资料馆采集保管岩芯10万多米，其余岩芯则分散保管在地勘单位和矿山上。

1.1　岩芯的数字化方法

目前，广泛应用的岩芯数字化方法大致可分为三类：一是获取实物表面图像信息，如岩芯白光扫描；二是获取实物表面的各类化学参数信息，如岩芯高光谱矿物扫描分析、岩芯XRF元素浓度扫描分析等；三是获取实物内部的物理参数信息，如岩芯CT扫描、P波速度扫描、伽马密度扫描、磁化率扫描等。受扫描速度、扫描成本等因素的限制，实物地质资料馆藏机构和保管单位开展批量数字化主要是利用岩芯扫描仪对岩芯进行表面图像数字化[2]，然后通过裁剪工具对扫描后的图像进行裁切处理，仅保留含岩芯段的图像。

1.2　岩芯数字化程度

岩芯图像是岩芯服务的主要内容之一，可以向用户直观并最大限度地展示岩芯真实情况，客观反映岩芯的地质情况和保管程度[3]。因此，实物地质资料馆藏机构和保管单位均不同程度开展岩芯图像采集工作。国土资源实物地质资料中心利用扫描仪开展岩芯白光图像扫描工作，已完成约32万m岩芯的表面图像采集工作。岩芯生产单位则利用数码相机对岩芯表面图像进行拍照并存储管理。

1.3　岩芯服务现状

在互联网向用户提供的岩芯数据内容也比较有限，以岩芯目录(岩芯项目名称、钻孔编号、存放地址、联系方式)、钻孔数据库(钻孔基本信息、钻孔柱状图)为主，只有少数馆藏机构开展岩芯扫描并通过互联网向用户提供岩芯图像服务。

1.4　岩芯图像采集问题总结

1) 扫描成本高。开展岩芯扫描工作需具专业的岩芯扫描仪，市场上通用的一套岩芯扫描仪价格在50万～100万元不等，相对馆藏机构来说成本较高。

2) 物理条件受限。开展岩芯扫描工作，需要在固定物理场所进行，该场所至少需具备防雨、动力电源等条件。由于岩芯生产和保管大多在野外进行，环境艰苦，不具备开展岩芯扫描的条件。此外，岩芯扫描仪设备属于精密仪器，不宜多次颠簸运输和拆卸等操作。

3) 扫描速度慢。利用岩芯扫描仪对岩芯进行扫描，在设置合理的扫描分辨率的条件下，扫描速度约0.5 m/min，扫描完成后还需专业技术人员进行裁剪、拼接等处理方可进行存储。

4) 相机拍照缺乏规范化。在岩芯生产现场，多数工作人员用数码相机对岩芯进行拍照。相机拍照在分辨率设置、水平控制和图片描述等方面的存在管理不便和规范化不足等问题。

2　岩芯图像采集APP开发可行性分析

为了解决岩芯图像采集和服务水平低下的问题，从技术创新角度出发，开拓利用智能手机APP进行岩芯图像采集的新方式来解决这一问题。随着智能手机的广泛普及、手机软硬件及网络传输速度等技术水平的不断提高，使开发智能手机APP采集岩芯图像变得非常可行，重点解决岩芯图像采集的内容、质量和图像传输及处理发布等问题。

2.1　智能手机具备图像采集条件

智能手机APP在各领域的成功应用，给了我们开发手机岩芯图像采集APP的启示。事实上，智能手机无论是在硬件、软件条件还是网络传输速度等方面，均具备野外现场或室内岩芯图像采集所需。

硬件性能方面，智能手机数据处理能力越来越强，并配置独立的图形处理芯片，能够运行各种应用程序，其性能与个人计算机不相上下。手机内存卡容量也越来越大，物理内存均在20 G，扩展内存可达100 G左右，能够满足图像离线存储的需要。

手机拍照性能方面，智能手机拍照像素均已达到1 000万dpi以上。现有主流手机摄像头像素配置下，手机拍照应用于岩芯图像采集，获得的图像基本能够辨清岩层等地质情况。

软件资源方面，基于主流手机操作系统Android和IOS各种开发软件应用相当成熟，开发岩芯图像采集APP基本不存在技术问题。

数据传输方面，通过数据线、蓝牙、无线网络和4G网络均可实现图像的快速传输。

岩芯图像发布方面，解决了岩芯图像、地质描述信息和化学分析结果同一深度信息、统一页面展示、岩芯图像异步加载，已经具备较为成熟的技术。

2.2　整盒岩芯图像代替单个岩芯展示服务思路

在地质资料工作开展较早且管理与服务技术相对先进的国家，如加拿大、澳大利亚、瑞典、芬兰等，岩芯图像均以盒为单位对外服务，并标注岩芯的起始深度和终止深度及深度的顺序。

我国馆藏机构将扫描的岩芯图像进行裁剪，只保留含岩芯段的岩芯图像，并以单段岩芯进行存储管理服务。借鉴国外整盒岩芯服务的方式，利用智能手机开发APP对整盒岩芯照相，准确记录岩芯深度信息，将整盒的岩芯图像对外提供服务，既可节省实物工作量，又可最大限度地展示岩芯原始面貌。

3　APP信息架构设计

3.1　设计策略

APP设计目的是为提高岩芯图像的采集效率，向用户提供一款简单、快捷、经济的采集管理与服务工具，提高我国实物地质资料信息服务利用水平。

为了今后全面推广应用，APP设计应具备以下3方面原则：①通用性原则，APP可普遍适用于主流手机操作系统，并对手机硬件无特殊要求，具备较好的稳定性、兼容性和安全性；②便捷性原则，APP应满足野外和室内环境采集，操作方面，携带便捷；③经济性原则，APP总体价格不要过于昂贵，并普遍适用于馆藏机构和生产单位。

3.2　模块设计

APP主要由前台采集端和后台服务端两部分组成。其中，前台采集端由用户中心、信息采集、信息管理和信息传输等模块组成；后台服务端由信息管理、信息审核、信息发布等模块组成。此外，为保证采集图像的标准规范化，还进行了APP支架设计。

3.2.1前台采集端

用户中心：APP用户主要由馆藏机构、岩芯生产单位和管理机构人员组成;APP向用户提供身份注册与信息维护功能，并可根据系统功能，进行角色和权限的设置。

信息采集：岩芯是在地质工作中通过钻探获取的实物地质资料，APP采集信息包含产生岩芯的项目信息、岩芯图像和岩芯描述等;项目信息主要包括项目名称、位置信息、地质工作类型、钻孔信息和内容摘要等;岩芯图像信息主要包括钻孔编号、起始深度、终止深度和图像名称;岩芯描述信息主要有钻孔编号、起始深度、终止深度、岩石名称和地质描述。

信息管理：在信息采集完成后，可对采集的信息根据深度进行查询、浏览、修改、删除、等操作。

信息传输：信息采集完成后，将信息进行保存并提交到后台服务端，由管理人员进行审核处理。

APP具有多种数据传输方式，可以根据不同环境选择不同的传输方式。若具备移动网络或者无线网络环境，可进行及时网络传输；若网络环境较差，通过图像本地缓存处理，在网络信号较强时再进行图像传输。

3.2.2后台服务端

信息管理：在前台采集端信息采集过程中，受限于手机屏幕的大小和操作的便捷性，在前台采集端只对与岩芯图像相关关键信息进行采集，其他数据项则在后台服务端信息管理功能进行操作处理。

信息审核：用户将采集的信息进行上传后，管理员用户对信息进行审核，审核内容主要为数据的逻辑一致性、性及图像清晰和标准程度等；对未审核通过的数据，进行回退处理。

信息发布：对于审核通过的信息进行发布，向社会用户提供社会化服务。

3.2.3支架设计

支架是APP的物理组成部分，主要用于图像采集时固定手机位置，从而有效防止图像采集时因手机抖动、垂直和水平控制等因素导致的图像不规范现象发生。支架有底座、横杆、纵杆和固定卡扣组成，横杆和纵杆标有刻度，可以根据岩芯箱大小不同进行伸缩调整。

3.3　采集方法设计

首先，将支架固定在水平的场所，并将手机安装在支架上，把整盒岩芯放置在手机正下方；其次，打开APP，根据岩芯盒大小调整手机垂直和水平位置，设置拍照比例；最后，选择预先录入的钻孔信息进行岩芯图像采集，拍照完成后，输入岩芯的起始深度和终止深度，完成当前整盒岩芯的图像采集。替换需要采集的岩芯，进行下一步图像采集操作。

3.4　关键技术问题解决

前台采集端做为APP最主要的功能模块，在数据采集过程中，为了保证采集图像的质量和操作简易程度，APP解决了以下关键技术问题。

拍照区域自动调整：目前岩芯盒尺寸不统一，但手机只能拍摄1∶1、4∶3和16∶9几种比例的图像，这样采集的图像存在无效用区域；为了适应多种比例尺寸的岩芯盒，APP设置了拍照区域调整功能，可随岩芯盒变化而进行图像区域比例调整，保证拍照视域只包含岩芯有效部分，最终获得的岩芯图像无需裁剪多余区域，减少了后期岩芯图像处理的工作量。

水平设置：在岩芯图像拍照时，为了保证手机处于水平位置，APP设置了水平调整功能，并以气泡形式展示在APP界面上。

自动连续：在信息录入时，由于多数岩芯是连续的，即上一盒的岩芯终止深度为下一盒岩芯的起始深度；因此，进行下一盒岩芯图像采集时，APP设置了当前起始深度自动继承上一条信息的终止深度。实际操作中，如出现深度不连续的情况，可手动修改。

语音输入：受手机屏幕大小限制，数据录入过程不能如计算机那样方便；为了方便信息录入，APP开发语音输入、纠错识别等功能，提高信息录入的效率。

4　APP优势分析

开发完成后，利用APP对山东省莱州市三山岛金矿ZK48-3和ZK56-4两个钻孔的2 500 m岩芯图像进行了实验采集。钻孔岩芯孔径为10 cm，岩芯盒长度为80 cm，每盒装有5排岩芯。APP安装在OPPO R9S手机上，像素为2 000万dpi，操作系统为安卓6.0.1。通过与白光扫描仪图像采集对比发现，APP在采集速度、图像质量等方面均具备一定的优势，具体如表1所示。

表1　白光扫描仪与手机APP岩芯图像采集比对

4.1　降低了图像采集的物理成本

通过APP进行岩芯图像采集，大大降低了成本开支。一是利用常见的智能手机便可完成采集操作；二是APP操作简便，无需专业人员也可进行操作；三是减少了岩芯或设备运输的费用，在任何场所均可完成。

4.2　提供了岩芯管理的便捷工具

APP为岩芯生产单位提供了岩芯管理的便捷工具，APP可以获得标准的岩芯图像和描述信息，并且通过系统进行统一有效的管理，解决了岩芯后续管理利用的问题。

4.3　解决了岩芯及时管理的问题

在岩芯生产现场，通过APP进行岩芯图像采集，可以第一时间保留取样前的完整岩芯图像的原始外貌特征。特别是对于油气岩芯而言，经长期放置,岩芯中油气挥发和氧化,同时岩芯经风化作用其结构和构造发生变化,失去了原始外貌特征,给后期的岩芯观察和地质研究带来了很大困难[4]。

4.4　解决了岩芯及时发布的问题

通过岩芯扫描仪对岩芯进行采集，存在扫描速度较慢，操作流程较为繁琐，扫描普及程度较低等因素，造成岩芯不能及时服务的情况发生。利用APP进行岩芯图像采集，可以快速得到高质量的岩芯图像，并且由于其操作简便，成本较低的特点，可以广泛应用于矿山和馆藏机构，有效解决岩芯图像及时采集并发布服务的问题。

5　结　语

本文研究了基于智能手机APP进行岩芯图像采集的相关内容，并通过实验采集与传统的白光扫描进行了比对，证明其具有广阔的应用前景。虽然不能完全代替传统的白光平扫岩芯图像扫描，但是具备操作简便，管理规范等优势，大大提高岩芯图像的采取率和服务速度。利用APP进行岩芯图像采集，在一定程度上可以减少或消除时间因素、人为因素和环境因素对岩芯的损害，有效地保护岩芯的完整性、真实性，弥补岩芯在使用和保存过程造成的损失，最大限度地使岩芯信息得以永久保留。该种岩芯图像采集方式在岩芯馆藏机构和生产单位的推广应用必定将全面提高岩芯图像的采集获取率，提升我国实物地质资料管理与利用水平。