基于图像识别的原始地质编录矢量化三维建模方法

2023-09-25袁晓辉钟德云

中国矿业 2023年9期

芦磊，袁晓辉，刘潇，毛杜，钟德云

（1.云南锡业股份有限公司大屯锡矿，云南昆明 661000；2.湖南有色黄沙坪矿业有限公司，湖南郴州 423000；3.长沙迪迈数码科技股份有限公司，湖南长沙 410083）

0 引言

矿山地质编录是一项通过文字、图表等信息对矿山勘探工程、井巷工程地质现象进行观察记录与素描的工作，可以为矿山获取矿体空间赋存形态、确定矿岩分界、矿山品位分布提供有力依据[1]。传统的地质编录方法常采用原始地质图纸编录，工作量大、特征识别速度有限、精度低且不易存储，难以实现现代化高效工作要求[2]。随着二维CAD 制图技术的发展，可以用于展现矿体空间构造关系[3]，但该方法受绘图人员的主观因素影响较大，图件制作准确性、时效性都难以有效保证。

随着我国数字矿山的飞速发展，利用三维建模技术对原始地质编录批量处理日渐趋于成熟[4-7]。在实际地质编录过程中，三维地质建模能极大减少地下工程的隐蔽性，更直观地反映地质体空间分布状态，对地质体空间信息进行有效管理。张海涛等[1]通过对侵入非矿岩体剔除，使得地质编录矿体边界更符合真实矿体结果；孙焕英等[8]通过对现有地勘软件对比分析，总结出目前数字化地质编录的主要理论及方法；伍永平等[2]基于近景摄影测量技术，利用地质编录仪对编录流程及结果进行展示，大幅提高编录效率；杨建华等[9]利用数码影像地质编录方法，通过断面计算、影像畸变校正等一系列手段，实现计算机辅助编录作业；赵阶晨[10]对地质矢量化技术及地质结构建模中用到的网格变形技术进行深入研究，建立一个地质解释平台系统服务于矿山地质编录；国外则在地质体隐式建模技术上进行了研究与应用，其中，地质建模软件Leapfrog 较为成熟，通过构建地质规则约束快速创建或更新三维地质体模型[11]。

上述研究对矿山地质编录作业进行了详细分析与应用，但均未考虑地质编录过程中原始地质图件的污染及噪点影响，一方面是由于作业条件导致的原始地质图件受到污染，如浸湿、泥土污染等；另一方面是由于拍摄导致的图片文件清晰度不高和噪点过多，进一步导致直接进行图像识别出现的误差和错误，使得矢量化结果及矿岩分界难以达到理想状态，采集到的数据难以实现自动识别。这些因素极大地阻碍了矿山工业矿体圈定、采矿设计、贫化损失计算等作业开展。因此，提出一种基于图像识别的原始地质编录矢量化三维建模方法。

1 原始地质编录矢量化三维建模步骤

地质编录矢量化建模由于野外地质环境复杂，地质图件常受到污染物影响，因而需进行图像的降噪与细化；另外，提取出的素描线数据冗余，需进行图像的抽稀处理。因此，提出一种基于图像识别的原始地质编录矢量化三维建模方法，如图1 所示。由图1 可知，基于图像识别的原始地质编录矢量化三维建模方法可分为五个步骤：①通过对原始地质编录图纸的读取与裁剪，获得标准图件；②将标准图件降噪细化，用以改善图像质量；③利用素描提取与抽稀分离技术，精准获取有效的地质界线；④基于工程测点坐标和工程断面参数三维化地质编录界线；⑤通过Coons 曲面建模生成三维地质体模型。

图1 原始地质编录矢量化三维建模方法Fig.1 Modeling process of geological logging vectorization

1.1 地质编录读取与剪裁

地质编录矢量化建模的第一步是对原始地质编录进行读取与裁剪。通过对原始地质编录进行室内综合整理及扫描，形成扫描图件。利用OpenCV 工具快速读取编录，借助对应的压缩工具压缩编录文件。该步骤可为后续建模工作运算速度的提高进行充足准备[12]。提取的编录文件常无法直接使用，需进行文件处理。由于原始地质编录存在大量文字、标签、坐标、取样等非图形信息，因此常采用交互式方案，通过指定需要矢量化的编录部分进行编录文件的裁剪。

1.2 图形降噪细化

通过灰度转化、背景模糊、水印淡化、杂点去除等手段对图像进行有效清理，图像降噪遵循的步骤如下所述。①二值化。将多通道彩色图像分解为RGB 三通道灰度图像，使用B 通道图像。通过双边滤波（BilateralFilter）后，对灰度图像进行双峰二值化处理，编录的双峰中值一般在130 灰度附近，也可以采用交互的方式手动指定灰度阈值。将数值低于130 的像素点数值重置为255（白色），等于或高于130 的像素点数值重置为0（黑色）。②腐蚀和膨胀。腐蚀和膨胀均采用3×3 矩阵，先腐蚀计算一次，再膨胀计算一次。清理后的图形需进行图像细化处理，保证地质编录图件的精确性。通常情况下，地质素描界限占用的像素宽度较为固定。因此，综合考虑使用查表细化预处理，Rosenfeld 法后处理的模式，对图像进行细化处理[13]。

1.3 地质界线素描提取与抽稀分离

降噪细化后的地质编录通过素描提取，分离出地质界线，素描提取遵循的步骤为：从灰度值为非0的一起始像素点出发，向一侧搜索。若像素点灰度值大于0，则记录该像素点坐标值，并将该像素点灰度值重置为0；若灰度值等于0，则向起始像素点的另一侧搜索，规则同上。直至所有像素点的灰度值全为0，退出循环。

分离出的地质界线需进行抽稀处理，过滤掉冗余的数据信息，使用经典的Douglas-Peucker 算法进行图像抽稀[14]，在维持地质编录线几何特征基本不变的情况下，明显减少线的组成点数量，通过图像抽稀，得到地质界线素描关键点。另外，在矢量化过程中，部分地质编录界线常与顶板线连成一线，导致图形解译出现错误，根据地质编录界线与顶板线存在较大夹角特性，考虑在线的转折处打断，将二者分离。

1.4 地质编录界线三维化

基于原始地质编录中三壁展开空间位置关系，依据工程测点真实坐标和工程断面参数，通过移动、缩放、旋转以及投影三维坐标转换依次将顶底板边线、两璧边线和地质编录界线还原为三维空间的真实形态，为后续地质模型的建立提供三维地质编录界线。

1.5 Coons 曲面建模

在三维可视化环境下，基于上述步骤获取的三维地质编录界线，采用双三次Coons 曲面拟合方法精准构建复杂三维地质体模型。由于Coons 曲面基于分片拼接的思路，当局部位置的关键点信息发生改变时，只需调整与之相关的某个曲面，而不必重新构建整个三维地质体模型，同时还能保证曲面间的光滑拼接，基于三维地质编录界线构建的双三次Coons曲面如图2 所示。由图2 可知，在整个矢量化三维建模过程中，原始地质编录文件常出现图像信息不够清晰以及污染的情况，并且提取后的地质界线不连续，需要人工后期处理，因此前期图片降噪细化处理和高效精准的图像提取算法十分关键，可以提高整体自动化程度，减少人工处理时间，并为后续建立三维地质模型做好数据准备。

图2 Coons 曲面Fig.2 Coons surface

2 原始地质编录矢量化三维建模应用实例

2.1 矿山地质概况

高松矿田位于滇东南超大型锡多金属矿区个旧矿区东部[15]，矿床主要组成成分为燕山中-晚期花岗岩，其接触带为矽卡岩型硫化矿体。矿体沿花岗岩突起、凹陷产出，接触带形态复杂部位集中成矿，矿体受断裂构造控制，上部层间氧化矿体受地层、构造双重控制。含矿热液在层间破碎、断裂破碎带等部位充填交代，形成顺层间氧化矿体[16]。矿床勘察类型为Ⅲ类复杂型，矿体产出集中程度与岩体、构造复杂程度正相关。

高松矿田矿体形态复杂，钻探数据库建立的折线模型和实际巷道揭露的地质体界线如图3 所示。由图3 可知，复杂地质体下钻探数据库建立的折线模型界限和实际巷道揭露地质体界线存在较大出入，折线线框模型边界平直，主观臆断程度较大。该方法使得实际施工现场情况与设计不符，易引发工程技术事故。为减少编录误差，矿山长期严格遵守相关规范开展井巷工程原始地质编录工作[17-18]。通过现场绘制纸质素描，精确反映现场实际揭露地质界线，由多年勘查开采研究结果表可知，充分利用坑探原始地质编录进行矢量化三维建模是满足矿山精细化开采需求的关键。

图3 折线建模和工程揭露曲面对比图Fig.3 Comparison between folded line modeling and engineering exposure surfaces

2.2 矿山地质编录矢量化三维建模

将原始地质编录进行室内综合整理，以及地质编录扫描（300 dpi），通过OpenCV 读取地质编录图件[18]，原始地质编录图如图4 所示。由图4 可知，背景为带色网格，原始地质编录被褐铁矿污点污染，将扫描的图件文件进行压缩处理，为后续恢复图形做准备。通过交互式界面，将原始地质编录中的文字、标签、坐标、取样等非图形信息进行矢量化指定，将待编部分进行剪裁。通过HSV 空间转换，原始地质编录中的带色背景网格被剔除，地质界线边缘进行二次图像裁剪处理。

由于高松矿田采用地下开采，坑下作业环境相对复杂，原始地质编录易受污水、褐红色含铁泥质物、黑灰色硫化物粉尘等污染，需进行清理。考虑到前景特点，采用灰度图像、双边滤波等方法进行背景模糊处理。经现场测试，模糊处理选取的参数为：高斯核大小15，空间高斯函数标准差30，灰度高斯函数标准差75。在确保地质界线未模糊的基础上，淡化污水印，进而采用双峰二值化得到二值化图像，反复利用腐蚀、膨胀运算消除图像中的矿尘污染杂点及杂斑，降噪之后成像结果如图5 所示。

图5 地质编录图件裁剪、降噪结果Fig.5 Crop and noise reduction results of geological logging images

采用morpholog 库的Rosenfeld 算法进行图形细化处理，编写程序并反复测试，确保绝大部分编录素描得到细化。将细化后的图形进行八邻域扫描，提取出地质界线，进行Douglas-Peucker 抽稀[19-21]，得到抽稀后的图像如图6 所示。由图6 可知，通过对地质界线进行抽稀，控制点数由原来的530 个减少为23 个，该抽稀算法既保持了地质界线各弧度的曲率，也最大限度保证了原数据的质量。依据该工程两端测点真实坐标和工程断面参数，依次将顶底板边线、两璧边线和地质编录界线还原为三维空间的真实形态，形成三维地质编录界线，如图7 所示。

图6 八邻域提取曲线抽稀后图像Fig.6 Eight-neighborhood extraction curve extraction after thinning

图7 三维地质编录界线Fig.7 3D geological logging boundary line

开发的程序使用C++语言实现，以插件的形式打包至Dimine 数字采矿软件软件中，以便矿山地质技术部门使用。结合高松矿田矿体形态特征及地质勘查经验，使用Dimine 数字采矿软件的“网格建模”功能开展地质体三维曲面建模，建模结果如图8 所示。由图8 可知，与传统钻探工程折线圈矿建模相比，利用三维地质编录曲线建模方法建立的地质模型形态更逼真，矿体模型更精确，建立的模型更符合现场揭露情况。通过三维地质编录曲线建模，有利于现场指挥作业科学化和开采设计精细化。本次实践验证，使用三维地质编录曲线建模方法，所得结果贴合现场实际情况，建立的模型真实反映矿体形态变化，建模速度也从20 min 缩短至30 s 内，极大地提高了建模效率，进而降低了井下生产勘探和采掘作业工作的风险。