基于计算机图像的煤矿地质勘查系统设计

丁海英

(陕西能源职业技术学院 煤炭与化工产业学院，陕西 咸阳 712000)

近年来，新型能源的使用越来越普及，但我国仍旧是煤炭消耗大国之一，煤炭占据了我国能源消耗的主导地位[1-2]。与此同时，我国的煤矿资源储量丰富，在煤矿开采的前期规划阶段，需要根据煤矿所在位置的地质情况进行开采方案的设计。对于一般煤矿的位置而言，通常其自然条件都相对恶劣，由于地下是成矿区，地质条件比较多样化[3-4]。如果不了解煤矿所在的地质情况，在开采的过程中非常容易出现资源浪费、环境破坏严重的情况，甚至会出现大型开采事故。因此勘查煤矿地质对于高效、安全开采的煤矿资源具有重要的意义[5-7]。煤矿地质勘查系统为高效勘查矿山地质提供了思路。文献[8]中提出了基于ArcGIS的露天矿山土石方量测算方法，将不规则三角网(TIN)转换成栅格模型，并计算填挖方量，为安全采矿提供了支持。文献[9]针对矿井下图像质量较低的问题，将源图像经过变换之后得到亮度分量，处理亮度分量后采用拉普拉斯能量方法融合分量中的高频系数，还原分量提高对比度，完成图像质量的增强。以上建立的煤矿地质勘查系统中，生成勘查图像过程中会极易丢失地物特征，导致系统成像的边界不清晰，这样会对矿区地质勘查造成一定的困扰，针对上述情况，设计了一种基于计算机图像的煤矿地质勘查系统。

1 系统设计总体架构

设计基于计算机图像的煤矿地质勘查系统前，首先设计系统总体架构，如图1所示。

图1 系统总体架构Fig.1 System overall architecture diagram

基于计算机图像的煤矿地质勘查系统设计过程中，考虑到现有系统的硬件较为完整，硬件优化设计过程中主要对数字相机的相关参数进行校验。

2 硬件设计

对于矿区的具体地形情况获取而言，使用数字相机进行摄影测量是一个高效、准确的方式。将数字相机获取的图像数据传输到煤矿地质勘查系统中，生成一个具有真实视觉效果的虚拟三维模型[10]。数字相机是摄影测量过程中获得煤矿区域地质信息的重要设备，本文使用的是多面阵数字影像的航空摄影测量装置，该装置由轻型飞机搭载数字相机和遥感数据处理模块组成，在对矿区进行拍摄之前，需要对数字相机进行校验。考虑到测量前相机内部的有关测量方位元素的不确定性，在摄影测量的过程中可能会发生性质不确定的光学畸变，因此需要对数字相机进行校验[11-12]。在校验过程中，利用校验电路对相机所产生的畸变进行检测。检测的接线模式如图2所示。

图2 数字相机校验检测接线示意Fig.2 Schematic diagram of calibration and detection wiring of digital camera

本文使用的数字相机为大面阵CCD相机，标称焦距约为50 mm，在校验过程中选择的校验场地需要选择规模较大的场地。为此选择了某建筑群作为校验场地，标志点总数量设置为368个，各个标志点的间隔在1.8～3.0 m，标志点为黑色铝片，且表面粘贴了棱镜反光片来提高校验精度[13-14]。校验过程中，结合光束法与共线方程求解相机参数。包含需要修正参数的相机方程可以表示为：

(1)

式中，x0、y0为相机初始坐标;a1、a2、a3为横向的畸变系数;b1、b2、b3为纵向的畸变系数;f为相机标称焦距;X、Y、Z为标志点影像外的方位元素;XS、YS、ZS为标志点影像内的方位元素;Δx与Δy为相机的畸变修正量，根据误差方程式可以计算出数字相机的畸变修正量[15]：

(2)

式中，P1为相机内部的畸变补偿；P2为成像过程中外界干扰所产生的畸变补偿；r2为附加参数；B1为成像像素补偿系数；B2为光学畸变改正项。

根据上述公式可以计算出数字相机的主要参数值，经过实际拍摄之后，完成数字相机的校验，实现煤矿地质勘查系统硬件优化。

3 软件设计

3.1 剖切地质体

在煤矿的成矿区域中，地质情况相对于正常地质会更加复杂。煤层在成矿的过程中，经常会出现地层之间的重合或断层，甚至出现底层尖灭等情况，因此在勘查成像时会遇到曲面间的求交问题。对于地质体剖切面而言，与三维地层模型的交汇处可以视为一个剖面，相关的剖切流程如图3所示。

图3 地质体剖切流程Fig.3 Geological body cutting process

在系统成像的过程中，一般利用拟合算法对地下岩层进行拟合，但是为了确保得到的地质数据更精确，需要对地质体进行剖切[15]。地质体的剖切可理解为对类三棱柱进行切割，本文系统在进行地质体处理时采用的是完全剖分，即将剖切面与类三棱柱的边相交，并且交点不经过类三棱柱的顶点。地质体剖切如图4所示。从图4可以看出，不同的剖切方法中，最大的差别就是剖切面与地质体各个边的交点数量不同。在经过剖分之后，将产生2个新的不规则形状的几何体，剖分过程中的交点数量最大为5，交点数量越多，说明剖切的情况越复杂。对于本文采用的这种完全剖分，只需要在系统编程的过程中计算出交点在地质体类三棱柱侧边的位置。但是由于地质体这种类三棱柱在形态上具有一定的对称性，还需要实际考虑切割点在不同棱上的位置情况，至此完成地质体剖切。

图4 地质体剖切示意Fig.4 Schematic diagram of the geological body profile

3.2 自动生成多边形区域的计算机图像

完成地质体剖切后会形成很多多边形区域。在系统中将地质体剖切后进行合并，可去除一些干扰因素，保证各个区域清晰显示。传统系统中采用的左转生成算法中，会丢失一些重要的地物特征，生成的图像边界区域不明显。在自动生成算法中首先对成像区域进行大致的范围判断，保留选取范围内的全部地物因素；删除全部图像中存在的悬挂标识。删除前后如图5所示。

图5 多边形区域悬挂物删除示意Fig.5 Deletion of hanging objects in polygonal area

因为这些悬挂标识大多数是在对图像进行分割与合并的过程中产生的附加物，将其删除能够避免系统在搜索过程中产生的回退问题，图5中，O为选取的中心点，圆形的虚线部分表示临时的成像区域，删除的标准是将所有相交的线段进行删除或重组。另外还需要选择生成的起始点，最常用的方法就是将所选范围内的标志点按照坐标计算相对距离进行排序，按照一定的顺序依次搜索，直到能够搜索到所需多边形为止。多边形的生成一般情况下无法通过一次搜索完成，也就是说，多边形内部存在以上情况下的内部图形时，起始点的选择错误会导致生成无效多边形。

煤矿地质勘查的图像多边形生成完毕之后，为了保证最终得到的图像与实际的矿区特征相吻合，需要在多边形的表面进行纹理特征贴图。多边形在应用纹理特征贴图时，不需要对颜色进行太多的调整，系统更加注重图形特征的求真。纹理特征贴图使用的纹理大小一般是比较标准化的，地质计算机多边形的表面形状比较多样化。因此在非特殊情况下，选择的矿区成像范围内的纹理特征贴图大小一般与区域划分的面积相同。但是由于多边形在划分的过程中图形变化样式很多，因此在使用纹理贴图时，要首先固定一个贴图模型的大小，根据实际的分割面积改变多边形的生成大小。完成划分之后，将标准大小的纹理贴图与生成的多边形图像相结合，完成计算机图像的显示。至此完成基于计算机图像的煤矿地质勘查系统设计。

4 实例分析

4.1 研究区概况

为了验证本文设计的地质勘查系统在成像分区方面具有一定的有效性，需要选择一矿区对系统进行成像分区的性能测试。选择的一个煤矿井田位于某市境内，根据该井田的相关记载，整理得到该井田的相关参数如下：底板等高线-850 m；矿井走向长度1.6 km；倾斜面积31.8 km2；倾斜坡长度2.9～4.8 km；勘查批准等高线深度-1 350 m；主井内直径7.3 m；副井内直径7.9 m；风井内直径5.4 m；地质储量183 154.7万t；可开采量73 692.4万t；可开采期1 370.9万t；准备储量568.4万t；回采储量331.7万t。

在上述的矿井中选取某个锚杆钻孔，并分别使用本文设计的系统与常规的GIS系统对勘查的图像进行采集与处理。首先规定系统所采用的计算机图像为高分辨率影像，为了在后续结果对比中排除其他因素干扰，设定采集的影像大小为1 250×920，具有的空间分辨率为0.3 m。针对本文系统，加入特征值通道，将采集得到的影像进行LBP计算，得到遥感影像初步处理图像，通过剖切地质体进行10次迭代，经过迭代后得到相关的分割结果图像，并设置空间和颜色方面的带宽初始值，每次迭代之后，带宽都相应增加5～20，具体的增加量要根据分割的图像进行确定。完成图像分割后，根据矿井下面的实际情况进行区域合并，合并过程中不断选取并优化合并参数，确定区域合并后的颜色阈值，保证合并后的区域分界效果，并对合并后的区域边界观察，最后完成边界标记。

4.2 实例分析结果

在上述的实例环境中，得到本文系统的勘查边界标记结果(图6)。图6(a)表示勘查区域的地质纹理特征，图6(b)表示地质体剖切结果，图6(c)表示区域内的合并结果，图6(d)表示最终的边界标记结果。

图6 边界成像结果Fig.6 Boundary imaging results

由图6的边界成像结果可以看出，本文设计的系统最终成像清晰，对于矿区底物的细节描述非常具体，并且区域之间的边界线明显，根据对矿区的勘查经验可以很直观地看出矿区情况。边界结果图中，地层划分区域分界线明显，能够通过眼睛观察到矿区几何形状，并判断出是否存在分割偏差问题，可以看出本文系统得到的区域边界线与实际的区域边界线基本一致。综上所述，本文设计系统可以实现高品质的地质勘查成像。

5 结语

针对传统GIS系统的成像缺陷，设计了基于计算机图像的煤矿地质勘查系统。硬件设计了数字相机的相关参数，并进行了校验。通过修正方程解出相机标称焦距、畸变补偿等重要参数的最优值；软件优化中，将复杂的煤矿地质体视为类三棱柱进行剖切，保证得到的地质数据更加精确，设计剖切流程，采用完全剖分法确定剖分点；将剖切得到的多边形区域进行处理，删除悬挂标志物，完成纹理贴图。实例分析结果表明，本文系统的成像性能较优，但是由于条件限制，本文还有很多需要改进之处，在后续研究中需要不断探讨。