大岗山水电站岩芯图像处理技术

　　作者：王珑 陈奕 陈功娥 黄晓文
　　1   引言
　　岩芯作为地质勘察与科学研究的第一手资料，在能源与矿业行业中有着重要参考价值，对工程建设成效和质量起着决定性作用。随着大数据与云计算技术和可视化技术的不断发展，岩芯数字化工作得到广泛的关注与重视。各大油田普遍采用计算机岩芯图像采集技术建立数字化岩芯库，对岩芯进行永久性的保存和管理[1，2]。2020年5月自然资源部办公厅印发文件，就推动岩芯数字化资料汇交、加快馆藏岩芯数字化工作和加强岩芯数字化信息服务等方面提出了具体的意见要求。
　　在水电站工程建设过程中，岩芯起着举足轻重的作用 [3]。国内各大水电站工程的岩芯数字化工作尚处于起步阶段，大多已建的水电站在工程勘察阶段只是用普通相机对岩芯进行了拍摄存档工作[4]。大岗山水电站档案室留存着工程全生命周期各个阶段钻孔取芯取得的大量岩芯照片，取芯范围包括挡水建筑物、引水发电系统、消能防冲建筑物等水电站永久建筑物在内的全部地基。由于这些照片存在着不同程度的标识杂乱、清晰度低、视角随意和背景干扰等质量问题，需要开发专用的图像处理技术对其进行处理和解析，为水电行业岩芯档案的数字化转型、网络化管理和资源智慧化共享利用服务，同时也可为其他水电站岩芯图像处理提供借鉴。
　　2   跨平台计算机视觉库OpenCV[5，6]
　　跨平台计算机视觉库OpenCV内置了超过500种图像处理相关算法，具备高效的图像运算算法和强大的运算处理能力，是计算机图像处理领域最有力的研究工具之一。
　　该次将OpenCV引入开放网络平台，并结合浏览器中的HTML5标准开发了专业的岩芯图像处理技术。其中，透视变换矩阵将图片投影到一个新的视平面，将现实中本为直线却在图片中呈现为斜线的物体转换成直线；圆形识别技术将图像中的圆形识别检测出来并保留下来；阈值边缘函数通过双阈值检测出图像中的边缘像素点并确定保留下来；几何图像转换函数将图像转换成灰度图像，以便进一步识别并清除噪声；轮廓检测函数将图像中的不同物体识别并分离开来。
　　用户通过浏览器可以高效便捷的使用 OpenCV 提供的图形处理算法，实现计算机视觉图形处理的相关功能。
　　3   岩芯图像处理技术开发
　　该岩芯图像处理技术依次通过视角矫正、噪声清除和识别拼接三个步骤，有效地解决了大岗山水电站岩芯照片存在的上述质量问题。以钻孔为单元，对岩芯照片进行图像处理，并按岩芯实际埋深拼接。处理拼接后的岩芯图像能直观反映钻孔部位地层的岩性和结构，极大地便利了岩芯的深度开发与综合利用。
　　3.1  视角矫正
　　基于OpenCV的透视变换矩阵和圆形识别技术，结合HTML5标准下的Canvas图形处理绘制标准与文件处理插件，实现视角矫正功能。图1为拍摄角度随意的岩芯照片，经视角矫正处理后的图像为正视图（图2），具体操作与代码如下：

图 1  大岗山水电站典型岩芯照片
　　

图 2  视角矫正后的图像

　　（1）导入岩芯照片
　　<input type="file" class="btn-info fileInput" accept=".png, .jpg, .jpeg" name="file" multiple="multiple" >
　　（2）绘制4个（不分顺序）裁剪透视点：
　　<input type="radio" name="clickdir" value="blue" >透视点（4个蓝色）
　　（3）一键矫正：
　　<button class="deal btn   btn-primary">一键矫正</button>
　　（4）批量保存：
　　<button class="download btn   btn-info">批量保存</button>
　　（5）一键清空
　　<button class="empty btn   btn-danger">一键清空</button>
　　清空后可进行下一张岩芯照片的处理。
　　3.2  噪声清除
　　视角矫正处理后的岩芯图像，还需清除干扰背景。通过设置阈值边缘函数和几何图像转换函数，自动识别后通过“一键清除”实现初次清除，未能清除的其余噪声通过人工干预（绘制蓝色线条）后“二次清除”。图3为噪声清除后的岩芯图像，具体操作与代码如下：

图 3  噪声清除后的岩芯图像

　　（1）一键清除：
　　<button class="deal btn   btn-primary"> 一键清除 </button>
　　（2）二次清除：
　　<span>线条粗细：</span><div class ="slider slider-lineWidth"><input type= "text" class="lineWidth" name="example_name" value=""/>
　　<button type="button" class="erase btn btn-info">消除部位</button>
　　多余绘制或不慎绘制的线条均可点击“清空线条”按钮进行清除：
　　<button type="button" class="emptyAll btn btn-secondary">清空线条</button
　　3.3  识别拼接
　　经上述处理后的岩芯图像，通过检测轮廓函数自动识别岩芯块，按摆放顺序进行拼接。图4为识别拼接的岩芯图像，识别拼接的代码如下：

图 4  按列拼接的岩芯图像

　　<button class="deal btn   btn-primary">识别拼接</button>
　　对于存在严重质量问题的岩芯照片，则需要通过Canvas人工框选绘制的方式生成岩芯成图（图5），具体代码如下：

图 5  Canvas 人工框选

　　<div class="dealgroup hide margin -40"><h4    style="width: 80%;     text-align: center; margin: 20px;">
　　以钻孔为单元，对每张识别拼接后的岩芯图像，按岩芯埋深拼接，即可生成一张完整的钻孔岩芯图像。
　　4   工程应用
　　大岗山水电站位于大渡河中游上段的四川省雅安市石棉县境内，装机总容量260万千瓦。根据勘测设计要求在工程勘测、建设各阶段钻取了大量的勘探孔、试验检查孔和灌浆检查孔，主要分布于左右岸开挖面、灌浆平洞、二道坝和坝基廊道等工程部位。
　　大岗山水电站应用该岩芯图像处理技术，对实物岩芯的照片进行了图像处理，处理岩芯长度累计66398.7m，共计1311个钻孔。图6为典型的钻孔岩芯信息资料页面，用户可直接浏览、查询、编辑，并进行相关的共享操作，还可对该孔的所有岩芯照片进行溯源。

图 6  EDB-1-SJ1 孔岩芯信息资料页面

　　5   结语
　　为进一步加强岩芯档案的利用，加快岩芯数字化是水电站智能化、信息化发展的必然选择，开发和应用有针对性地图像处理技术，可以满足岩芯图像长期保存，并便于不同场景的应用。该图像处理技术，具有较高的专业性与实用性，实现了对大岗山水电站岩芯照片的多样性、灵活性处理，保证了处理后岩芯图像的真实性、有效性。该套图像处理技术在大岗山水电站岩芯照片档案管理中的成功实践和应用，为国内同类工程岩芯管理提供了可参考、可复制、可推广的管理思路和技术经验。
　　参考文献
　　[1] 张红强, 贾朋涛, 程玉群. 延长石油页岩气数字化岩芯库的建设及应用[J].中国石油石化, 2017, (09): 144-145.
　　[2] 张聪, 韩慧萍, 王艳红, 等. 基于数据共享的油气钻井岩芯数字分析系统[J].  东北石油大学学报, 2022, 46(06):88-99.
　　[3] 陈艳丽. 数字岩芯库建设[C]. 第八届全国地质档案资料学术研讨会论文集. 2012: 307-309.
　　[4] 陈奕, 吴楠, 廖勇, 等. 大岗山水电站对岩芯的归档与管理[J]. 四川水力发电, 2018, 37(03): 191-193.
　　[5] 宋鹏飞, 高文博, 张迪. 基于OpenCV的图像处理技术在验证码文字识别中的应用[J]. 有色设备, 2023, 37(06):54-60.
　　[6] 徐锦涛, 陈泽楠, 高博. 基于Python-opencv图像识别的手持式数字多用表自动检定方法[J]. 工业计量, 2023,33(S1): 126-1.
　　作者单位：王珑 陈奕 陈功娥. 国能大渡河大岗山发电有限公司、国能大渡河流域水电开发有限公司；黄晓文. 四川大学 水利水电学院