（计算机应用技术专业论文）基于紫外光图像的岩石裂隙跟踪及分析.pdf

重庆邮大学硕士学位论文 摘要 岩体与一般介质的重大差别在于它是结构面纵横切割而具有一定层 次的多裂隙体。这些断层、节理、裂隙、弱面、夹层等构成的非均质各向 异性和非连续的复合结构体，不仅影响岩体完整性和连续性，而且有时会 成为控制岩体的完整度和变形及破碎的重要因数。在许多岩体工程应用 中，识别岩体裂隙非常重要。 传统的获取岩石节理裂隙数据的方法是人工实地测量，近年来，随着 i t 技术的高速发展，越来越多的研究者已开始用数字图像技术进行岩石节 理裂隙的研究。本文运用图像处理方法识别岩体裂隙并重点研究了裂隙主 干部分的提取，张开度测量与拓扑性方面进行研究。主要工作如下： 研究了一种基于深度权值的逐层剥离细化算法，该算法通过深度权值 来约束各个方向的剥离速度，从而模拟火烧过程中任意的行进方向。通过 实例分析，骨架( 细化结果) 的拓扑性、中轴性、单像素性，表现较为优 秀，同时带有较多原图像形状信息，对边界噪声敏感度大大降低。 在研究基于深度权值的逐层剥离细化算法的基础上，通过分析骨架的 相邻像素点组合，提出了一种基于街区距离的裂隙张开度测量算法。该算 法结合b l u m 给出的骨架最大内切圆描述，通过计算最大内切圆半径得出 裂隙张开度。通过模拟实验，该算法精度在o 5 个像素之内。 通过分析基于深度权值的逐层剥离细化算法得到的节理裂隙骨架的 两相邻像素组，运用最大模的矢量叠加，实现了一种裂隙的方向的量化算 法。并提出了一种基于裂隙方向的断点有向缝合算法，该算法依据断点所 在裂隙的方向进行有向生长以达到缝合的目的，在缝合过程中不仅实现了 节理裂隙的拓扑性，而且还带有待缝合裂隙的宽度信息，为岩石节理裂隙 的进一步分析打下良好的基础。 关键词：岩石节理裂隙，紫外光，骨架，细化，张开度测量，肓向缝合 重庆邮电大学硕士学位论文摘要 a b s t r a c t t h em a i nd i f f e r e n c eb e t w e e nr o c ka n dt h eg e n e r a lm e d i ai st h a tm u l t i p l e f r a c t u r e sc o n s t r u c ta c o m p l i c a t e n e t w o r kw i t h m a n y - c r i s s c r o s s a n d h i e r a r c h i c a lp l a n e s t h ev a r i o u sa n i s o t r o p ya n dn o n c o n t i n u o u sc o m p o s i t e s t r u c t u r e sa r ec o m p o s e do ff a u l t s ，j o i n t s ，f r a c t u r e sa n dw e a ks u r f a c el a y e r s ， w h i c hn o to n l ya f f e c tt h e i n t e g r i t y a n dc o n t i n u i t yb u ta l s ob e c o m et h e i m p o r t a n t f a c t o r so fc o n t r o l l i n gt h ei n t e g r i t yo fr o c kd e f o r m a t i o na n d f r a g m e n t a t i o n s o m e t i m e s i nt h e a p p l i c a t i o n s o f r o c k e n g i n e e r i n g ， i d e n t i f i c a t i o no ff r a c t u r e si sv e r yi m p o r t a n t t h et r a d i t i o n a lm e t h o do f a c q u i r e i n g r o c kf r a c t u r ed a t ai sf i e l d m e a s u r e m e n tb ym a n p o w e r i nr e c e n ty e a r s ，w i t ht h er a p i di td e v e l o p m e n t ， m o r ea n dm o r er e s e a r c h e r sh a v eb e g u nu s i n gd i g i t a li m a g et e c h n o l o g yi nr o c k f r a c t u r es t u d y i nt h i st h e s i s ，w em a i n l yi d e n t i f yf r a c t u r e sa n de x t r a c tt h e t r u n ko faf r a c t u r e ，b r e a d t hm e a s u r i n ga n dt o p o l o g i c a lr e s e a r c h t h em a j o r t a s k sa r ea sf o l l o w s ： a na l g o r i t h mb a s e do nt h ed e p t h w e i g h tt h i n n i n gw i t hs t r i p p i n gl a y e ri s p r o p o s e d t h ea l g o r i t h mr e s t r a i n st h es t r i p p i n go fa l ld i r e c t i o n sb yw e i g h t so f d e p t h ，a n ds i m u l a t e sb u r n i n gp r o c e s si na l ld i r e c t i o n s b ys t u d yo fac a s e ，t h e p e r f o r m a n c ei nt h es k e l e t o n ( t h i n n i n gr e s u l t si nt h ed e s c r i p t i o n ) ，t o p o l o g y a t t r i b u t e ，a x i a l ，a n ds i n g l ep i x e la r eo u t s t a n d i n g m e a n w h i l ei m a g e sh a v e o r i g i n a ls h a p ei n f o r m a t i o n ，a n dt h en o i s es e n s i t i v i t yo ft h eb o r d e ri sl o w b a s e do nt h er e s e a r c ho ft h ed e p t h w e i g h tt h i n n i n gw i t hs t r i p p i n gl a y e r a l g o r i t h ma n da n a l y s i s ，t h e s et w o a d j a c e n t - p i x e lg r o u p so ff r a c t u r es k e l e t o n a n db r e a d t hm e a s u r i n gb a s e do nt h ec i t y b l o c kd i s t a n c ei sp r o p o s e d t h e a l g o r i t h mc o m b i n e ss k e l e t o n sd e s c r i p t i o no ft h el a r g e s ti n s c r i b e dc i r c l eg i v e n b yb l u m b yc a l c u l a t i n gt h el a r g e s ti n s c r i b e dc i r c l er a d i u s ，t h eb r e a d t ho fa r o c kf r a c t u r ew a so b t a i n e d b ys i m u l a t i n ge x p e r i m e n t s ，t h ea c c u r a c yo ft h e a l g o r i t h mi si no 5p i x e l s b ya n a l y z i n gt h e s et w o - a a ja c e n t - p i x e lg r o u p s o ff r a c t u r es k e l e t o n o b t a i n e df r o mt h ed e p t h w e i g h tt h i n n i n gw i t hs t r i p p i n gl a y e ra l g o r i t h m ，a q u a n t i z a t i o na l g o r i t h mo ff r a c t u r ed i r e c t i o ni sp r e s e n t e db yv e c t o rc o m b i n i n g t h em a xv a l u e a n dt h ea l g o r i t h mo fd i r e c t i o n a ls e w i n gl i n eg a p sb a s e do n 重庆邮电大学硕士学位论文 摘要 f r a c t u r ed i r e c t i o ni sp r e s e n t e d f r a c t u r e sa r es e w e dd i r e c t i o n a l l yb a s e do nt h e f r a c t u r ed i r e c t i o n w en o to n l yi d e n t i f yt h et o p o l o g yp r o p e r t yo ff r a c t u r e s ，b u t a l s og a i nt h ei n f o r m a t i o no fs e w e df r a c t u r e so b t a i n e di nt h ep r o c e s so f f r a c t u r es e w i n g t h ea b o v es t u d yr e s u l t sa r ei m p o r t a n tb a s e sf o rs u b s e q u e n t ， r o c kf r a c t u r ea n a l y s e s k e yw o r d s ：r o c kf r a c t u r e ，u l t r a v i o l e t ，s k e l e t o n ，t h i n n i n g ，b r e a d t h m e a s u r i n g ，d i r e e t o n a ls e w i n g 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及 取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论 文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得重废 整虫太堂或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作 的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢 意。 学位论文作者签名： 丧监 签字日期：，) o j日 v 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解 重庞邮电太堂有关保留、使用学位论 文的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘， 允许论文被查阅和借阅。本人授权重麽邮电盘堂可以将学位论文的 全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等 复制乒段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：袭主垦 导师签名： 签字i 期：鼻1 年月歹日 签字日期：年月日 重庆邮电大学硕l 学位论文 1 1 引言 第一章绪论 第二次世界大战结束以来，工程建筑事业和采矿事业飞跃发展，数量 和规模都达到了过去不可想像的水平。随着这些工程事业的突飞猛进，对 于工程地质情况的查明和预测要求也日益提高。岩体中裂隙的力学性能， 就是迫切需要进行深入研究的一个重要方面。 一般而言，建筑物都是修建在岩体上或岩体中的，岩体的稳定性是关 系到建筑物安全和稳定的首要问题。在建筑物形式和规模既定的条件下， 岩体的稳定性主要决定于岩体的力学性能。事物的破坏总是始自其内部的 薄弱环节，岩体当然也不会例外。岩体是自然历史的形成物，它是由形形 色色纵横交织断层、节理、裂隙、弱面、夹层等构成的非均质各项异性和 非连续的复合结构体。事实证明，在一个岩体中，裂隙面上的力学强度总 是比裂隙之间的完整岩石的力学强度低，有时低几倍有时低十几倍，甚至 几十倍。多年来的工程地质实践证明，对裂隙强度研究的任何忽视，都会 造成不同程度的、甚至是极为严重的后果【l i 。 1 2 岩石节理裂隙的分类 节理面按其结合特征可分为闭合的、张开的和充填的三种。闭合节理 又分为弱胶结的和压力愈合的两笋，前者如层理、片理，常易开裂：后者 常在高地应力作用下愈合成假胶结状态，因而又称隐节理，这些节理在风 化、卸荷和振动等外力作用下又可丌裂，成为显节理，例如，爆破法开挖 隧洞和边坡时，洞壁和边坡的节理增加，河谷斜坡上常见的倾向河谷的缓 倾角节理均是由于这一原因。 节理面的张刀：度是张开节理两岩壁日j 的垂直距离介于两岩壁间的空 间充满水或空气。两壁阃含有充填物的节理称充填节理，充填节理两岩壁 间的垂直距离称为充填节理面的张丌度。国际岩石实验室和现场试验标准 化委员会建议，按节理的张开度用表1 1 所列的术语描述节理面的结合特 征1 4 1 。 重庆邮电大学硕e 学位论文绪论 表卜1 节理面结合特征术语及描述 节理张开度描述结合特征 l o m m 宽的 l o l o o m m 很宽的张开节理面 1 0 0 1 0 0 0 m 极宽的 1 0 0 0 m似洞的 岩石工程的发展是要求深入研究岩体裂隙力学性能的一个方面。另 外，近几年来，电子计算机的发展和日益广泛的应用，改变了过去工程设 计中因工作量过份庞大而在计算上力不能及的局面，对于设计精度有了大 大提高的可能性。但是，提高设计精度，在很大程度上又必须以精确的岩 体力学性能指标数据为基础。这就又从另一个方面对岩体裂隙力学性能进 行深入研究提以了进步的要求。 1 3 国内外研究动态 数字图像处理和分析，起源于2 0 世纪2 0 年代，其后，卫星遥感、军 事、气象，医学的发展推动了数字图像处理技术的快速发展。目前，数字 图像处理已成为工程学、计算机科学、信屉科学、物理学、化学、生物学 等学科学习和研究的对象。数字图像处理是指借用数字计算机处理数字图 像。图像处理、分析与机器视觉是认知科学与计算机科学中的一个令人兴 奋的活跃分支。自2 0 世纪7 0 年代，该领域经历了人们对其兴趣的爆炸性 增长之后，在8 0 到9 0 年代逐步走向成熟，伴随而来的是实际应用的显著 增长 5 - 7 1 。近年来，越来越多的学者已开始用数字图像技术研究岩石节理 裂隙； 岩体工程的图形图像研究首要任务是图像的获取。图像获取的方式方 法一般是根据工程和试验的内容而定，但提高图像质量是图像获取的主要 目标。图像质量的好坏直接关系到后续的图像处理及分析。所以国内外许 重庆邮电大学硕i 。学位论文绪论 多研究者在图像获取研究中进行了大量的工作。从文献参考资聿斗来看目前 获取的图像类型有：光学图像( 如：图像来自卫星探测、航空测量、地面 摄影及显微镜图像采集等，精度越来越高) 【船；激光图像( 主要是三维 测量几毫米至几米大小的节理裂隙) ；c t 图像r 在实验室用于测量微小裂 隙) 【l2 】；雷达图像( 由于雷达设备精度提高，可用于钻孔和卫星探测 等) 【l3 】；超声波图像( 根据波反射原理来获取岩体内部的节理裂隙结 构) 1 1 4 j ；红外图像( 用于特殊场合) 等。 我国旅加学者王川婴研制成功“数字式全景孔摄像系统”，创造性地 实现了全景技术和数字技术，实现了孔壁3 6 0 。平面展开图像，“虚拟”钻 岩芯图像，实现了地质资料的计算机统计、分析与处理。国内众多的研究 单位在勘测高速公路、铁路线路时，采用航拍图像，并通过图像分析的方 法获地质构造、地貌及外动力地质现象、冻土工程地质区、水文地质现象 等地质资料，有的专业公司利用测雷达获得地层内部结构的雷达图像，然后 采用像分析的方法做出解释。 而近年来国外研究者们在这方面的研究主要是采用较先进的硬件设 备。t a k a h a s h i 和t a k e m u r a2 0 0 4 年用x r a y c t 扫描仪获取了微小裂隙( 5 8 m m 长) 的图像【l ”。c h a e 等( 2 0 0 3 ) 利用一种新的激光扫描仪c l s mo l y m p u s o l s l l o o 对岩石节理裂隙面的粗糙度进行了图像分析。最大可测标本为 1 0 c m x1 0 c m ，可测的最小裂隙间距为2 5 h m ，而可测得粗糙度的最小高度 为0 0 5 肛m 。c a r p i n t e r i 等( 1 9 9 9 ) 用激光扫描仪对4 c m x 4 c m 的岩石标本进行 了三维扫描，对图像进行三维分形计算，根据计算分析结果对传统的岩石 力学理论进行了补充j o h n 和c a r o l c ( 2 0 0 3 ) 却同时利用超声波传感器和可见 光摄像头在地质钻孔孔壁上取得两种不同的图像。超声波图像清晰地展示 了岩石节理裂隙的整体结构( 这是可见光图像难以得到的结果) ，而可见光 图像详细地反映了节理裂隙的连接细节及孔壁面上的岩石类型。二种图像 的信息结合，可获得岩体的大量物理信息1 1 4 。 1 4 论文背景 在岩石工程中，节理裂隙特征是一项非常重要的岩石物理性质。节理 裂隙岩体是坝基、边坡、地下洞室等岩体工程中广泛遇到的一类复杂岩体， 其力学强度、变形、渗透性及与时间相依性等特征将直接影响各类岩体工 程设计、施工、运行期的稳定分析与加固处理。获得精确有效的岩石裂隙 节理的几何信息，对于岩石工程项目的成败，山体灾害的精确预测起着至关 重庆邮电大学硕士学位论文绪论 重要的作用。 据水利部调查统计资料，在全国2 4 l 座大型水库先后发生过的1 0 0 0 宗工程事故中，因渗流破坏引起的事故占3 1 7 。因此研究岩层的裂隙就 不能忽略对裂隙内充填物的定量分析。通过观察岩层裂隙的情况判断其是 否会危害相关工程项目，甚至预测岩层裂隙的发展走向，更早地采取措施、 更高效地防患于未然，这是当今的一大课题【。6 1 。 传统的获取岩石节理裂隙数据的方法是人工实地测量，通常是用手持 仪器如曲线板等。需要工作人员攀上裸露的岩体上进行测量。但很大一部 分岩体的表面是人们不能到达的。人工实地测量是一种耗时而又危险的工 作，同时测量精度并不高。并且由于没有将岩石表面细节详细记录在案， 影响进一步的工程应用分析【1 ”。 随着i t 技术的高速发展，越来越多的研究者已开始用数字图像技术 进行岩石节理裂隙的研究。国外一个典型的例子是：瑞典政府和欧盟为了 使国家的生活环境不影响子孙后代，进行了一项号称世界几个大型项目之 一的研究项目( 每年投资几个亿) 。在瑞典核废料地下储存基地，从2 0 世纪 8 0 年代始至今，投入了大量的财力、物力和人力研究如何阻止核废料的扩 散，其中一个重要的研究内容就是岩石节理裂隙结构( 包括航空测量，地质 钻孔测量及微小节理裂隙的显微镜图像测量等) ，因为核废料的热传递、水 传递、气传递、化学反应及核废料的滞留都和岩石节理裂隙结构及扩展有 很大的直接关系【l “。 1 9 9 4 年，瑞典核燃料及核废料管理公司( s k b ) 认为有必要深入了解放 射性物质在裂隙岩体中运输和保持。传统手工统计方法不仅主观因素和随 机差异大，而且需要耗费大量人力劳动，工作效率低下。2 0 0 0 年，s k b 决定将数字图像技术运用于岩石节理裂隙的分析中。 1 5 工作内容 论文首先介绍一些岩石节理裂隙的分类与紫外光图像的采集，根据岩 石裂隙的特征和特性设计一些岩石工程的特色算法，如补洞算法，剔除小 连通分枝算法。而后研究了一种基于深度权值的逐层剥离细化算法，通过 实例分析，细化结果的拓扑性、中轴性、单像素性。表现较为优秀，同时 带有较多原图像形状信息而且对边界噪声敏感度大大降低。在研究基于深 度权值的逐层剥离细化算法的基础上，通过分析骨架两相邻像素点组合， 提出了一种基于街区距离的裂隙张开度测量算法。通过模拟实验，该算法 4 重庆邮电大学硕士学位论文 精度在o 5 个像素之内。之后，提出了一种基于裂隙缝合的断点有向缝合 算法，该算法依据断点所在裂隙的方向进行有向生长以达到缝合的目的， 在缝合过程中不仅实现了节理裂隙的拓扑性，而且还带有待缝合裂隙的宽 度信息，为岩石节理裂隙的进一步分析打下良好的基础。 1 6 论文组织与结构 本论文组织结构如下： 第一章首先介绍了岩体工程的研究意义、国内外研究动态，而后给出 了论文的研究背景和工作内容。 第二章简单说明了紫外光图像的采集，同时结合岩石裂隙的特性与特 征进行了图像预处理的一些工作，包括图像分割、二值化、滤波、去除裂 隙内部孔洞和扫除较小连通分量等操作。最后简单介绍了二值图像数学形 态学基本概念与基本操作。 第三章分析对比数种经典的骨架算法，研究了种基于深度权值的逐 层剥离细化算法。 第四章在研究基于深度权值的逐层剥离细化算法的基础上，通过分析 骨架两相邻像素点组合，提出了一种基于街区距离的裂隙张开度测量算 法。 第五章通过分析由于岩体内部的裂隙发育程度不一，环氧聚树乙脂涂 料的不均匀扩散，标本切片的涂料脱落，预处理中的过度分割等因素引起 的节理裂隙的拓扑性丢失问题，提出了一种基于裂隙缝合的断点有向缝合 算法。 第六章对全文进行了总结，并提出了进一步研究的建议。 重庆邮电人学硕士学位论文紫外光岩石节理裂隙图像采集吁处理 第二章紫外光岩石节理裂隙图像采集与处理 2 i 图像采集 各类图像都是由“照射”源和形成图像的“场景”元素对光能的反射 或吸收相结合而产生的。把“照射”和“场景”加上引号为了强调是比我 们所熟悉的情况( 即。可见光源照射各种三绝场景) 更一般的事实。例如， 照射可能由电磁能源引起，如雷达、红外光、紫外光或x 射线能源f 1 8 】。 图2 1 数字图像的获取 进行图形图像方面研究的第一项内容是数字图像获取，如图2 1 所示， 该图像显示了来自照射源通过场景( 单元) 反射的能量，同时该能量也可以 通过场景单元传送。由大量的电磁波和某些超声波敏感元件以二维阵列形 式排列，也是摄像机的常见传感器c c d 阵列，的成像系统的第一种功能 是收集入射能量并把它聚焦到一个图像平面上。如果照射的是光，则成像 系统终端前面是一个透镜，透镜把观察场景投影到透镜的聚焦平面上，如 图中内部图像平面所示。与焦点面相重合的传感器阵列产生与每一个传感 器接收光总量成讵比的输出。数字成模拟电路扫描这些输出，井把它们转 换成电视信号，然后由成像系统的其他部分数字化，输出数字图像。 6 重庆邮电大学硕士学位论文紫外光岩石节理裂隙例像采集与处理 2 2 1 岩石表面节理裂隙的特性 同其它可见光图像处理方法，岩石节理裂隙图像有以下主要特点： 图像由几十条乃至几百条粗细及长度不等的裂隙交织而构成，裂隙 的粗细宽度比可高达百倍，多尺度图像处理方法对此较为敏感。 由于裂隙生成过程及环境不同，既有山脊或山谷式的裂隙，也有阶 梯式的裂隙，所以单一的边界扫描算法不能将所有裂隙准确地检测出来。 由于裂隙中充填物的异同，裂隙表面较为粗糙，如果用单纯的基于 区域的分割法进行分割，粗裂隙部分容易被过分分割，而细裂隙部分易被 丢失而产生断口。 粗裂隙部分中内部的孔隙及矿物颗粒是裂隙中的一个重要组成部 分，为得到这些信息，在裂隙被提出后，还要进行二次精细分割。 岩石表面除颜色及灰度变化较大外，表面上的粉尘及高低不平度( 三 维构造) 也会使表面粗糙( 背景和前景界限不清楚) 。般的闽值分割方法很 难将裂隙网络从背景中分离出来。 所以，这些特性不仅使图像处理分析困难，同时也无法搞清楚表面裂 隙在第三维方向上的信息。如果结合其它光源的图像( 如紫外光图像) 进行 处理分析，信息获取效果就会好得多l l ”。 2 2 2 紫外光获取节理裂隙图像的原理及实例 在今天的图像应用中，最主要的图像元是电磁能谱，其它主要的能源包 括声波、超声波和电子。电磁波可定义为以各种波长传播的正弦波，或者 认为是一种粒子流，每个粒子包含一定能量，每束能鞋成为一个光子。光 谱波段可根据光子能量进行分组如图2 2 所示。 紫外光的应用是多种多样的，包括平板印刷技术、工业检测、显微镜 方法，激光、生物图像以及天文观测等。在1 9 世纪就发现，当紫外光直 接照射到矿物质上时，矿物荧石发出荧光。紫外光本身并不可见，但当紫 外辐射光子与荧光材料内原子中的电子碰撞时，它把电子提高到较高的能 级，随后，受激电子释放到较低的能级并以可见光范 硝内的低能光子形式 发光。 基于紫外线特性，进行了现场取样和紫外线图像获取。在瑞典核废料 处理基地a s p o 实验室，选择节理裂隙复杂的地段( 地下3 0 0 m 深) 进行 7 重庆邮电大学硕士学位论文紫外光岩石节理裂隙幽像采集i 处理 6 0 m m 直径的钻- t l ( 4 m 长) ，然后注入液体环氧树脂荧光材料) 。荧光材料 以孔为中心，通过丌启的节理裂隙向四周侵入和流动。3 4 个月后，当环 氧树脂已凝固，在同一地方，进行3 0 d r a m 直径的钻- t l ( 4 m 长) ，取出岩芯， 制成样本。在同一节理裂隙网络中，选择几个邻近的样本，在两个互相垂 直的方向，将两样本切成2 c m 厚的切片( 每个样本被切成1 0 块左右的有效 切片1 。 光子触忙i c 日t o nv o l t s ) l 妒i i ( ，1 护i 护1 0 t11 0 - j1 0 ”21 0 ”31 0 - 4i c r - - sl o - 6i o - 71 0 8l r 母 频率( 证， l l 1 # 01 0 饽i d 8l 护71 1 # 61 0 协1 0 | 4i o l tc , 1 2i o 1 0 | ol 矿1 0 1 0 7l 驴l 舻 鼓长( m em e r s j 1 0 - d 21 0 4 1l f f 4 0 j n4 8i “7 l 一1 0 i ( ) o o ”3 l e - zi o - ii 0 1i 护l 护 图2 2 光和电磁波谱图 对样本使用可见光与紫外线光分别拍照，对同一标本获得两种不同的 图像。在紫外光图像中，由于荧光材料受紫外线的作用而呈强亮度。从图 上可以看出：可见光图像由于包含了所有可见细节信息，用于局部的详细 分析，但无法判断裂隙的，旰启程度，而又由于噪声太多，影响了对岩石裂 隙边缘数据的获得；紫外线由于本身是不可见光，获得图像信息要靠充入裂 隙中的环氧树脂对它吸收后发光，而其它非环氧树脂部分的细节不显示在 图像中。这样，该图像适合岩石裂隙的边缘获取，裂隙的光亮程度也反映 出了裂隙的开启程度。但对图像细节表达不够，忽略了很多对裂隙细节及 充填状况分析很有用的数据。具体图像获取结果在下面进行显示和分析。 2 2 3 紫外光和可见光图像获取 在实验中进行的是中小和微小尺度的岩石节理裂隙网( 裂隙长度为微 米到厘米) 拍照。 8 重庆邮电大学硕士学位论文紫外光岩石节理裂隙幽像采集与处理 在该研究中，5 0 个不同的岩石节理裂隙样本被选择进行图像获取试 验，对每个样本进行两种不同的光照取像( 可见光和紫外光) 。除用数码相 机取像外( 放大系数为7 ) ，还用了显微镜取像( 放大系数为6 0 ) 。 图2 - 3 紫外线波段拍摄图片 图2 - 4 ：可见光波段拍摄图片 在一暗室中( 主要是避免外界光的影响) ，将标本放在一灯光架上，进 行取像。数码相机( 图像尺寸及深度为2 5 6 0 1 9 2 0 2 4 ) 移动，便于调节焦 距。两个日光灯也可移动和转动。紫外线灯是手持式的，较为灵活。按3 种 不同的精度进行拍照：样本整体可视精度：图像中包括完整的样本轮廓， 精度约为0 1 5 m m 像素，可测的最长裂隙约为2 0 0 m m ，最宽的裂隙宽度约 为3 0 m m ：主要节理裂隙网络整体可视精度，目的是获取节理裂隙网络 的整体信息，精度约为o 7 m m 像素；局部复杂节理裂隙网络可视精度， 主要是了解局部节理裂隙的更详细信息，精度约为o 0 2 r a m 像素。这样， 我们有了两种不同光源的图像，而两种图像的互补为我们的图像分析具有 9 重庆邮电大学硕士学位论文紫外光岩石节理裂隙豳像采集与处理 很大的启发和帮助。共计获取图像约5 0 0 幅。 图2 3 是用紫外线灯光拍摄的图像，主裂隙被清晰地显示出来。最下 面的裂隙显然是完全开启的裂隙，从钻孔的中心到孔壁有1 5 0 r a m 的厚度。 而最上面的一条裂隙是有软充填物的裂隙。在裂隙中，荧光材料没有完全 侵入，图像中的裂隙伴有一些暗区和孔洞。而可见光图像显示了岩石表面 的细节，部分地显示了开启的裂隙，但并不很完全。在图2 - 4 中，更为明显 的是可见光图像显示裂隙的结果非常模糊，小于l m m 宽的裂隙几乎无法 找到。但在紫外光图像中，这些较细的裂隙和复杂的充填物很容易被看清 楚。为了分析微裂隙结构，岩石样本还被拿到显微镜下获取图像。显微镜 为德国产的z e i s ss t e m i s v l l ，p l a ns 1 0 x ，放大倍数可达6 0 倍。与显微镜相 连的是5 0 0 线的彩色c c d 摄像机，摄像机与一p c 电脑相接，电脑内装有 德国产的图像采集卡。图像尺寸及深度为7 2 0 x5 7 6 x 2 4 比特。图2 5 为分 别用紫外光与可见光拍摄的微裂隙。显徼镜图像精度约为0 0 0 40 0 l m m 像素。在可见光图像中，主裂隙部分可见，分支裂隙难被发现。但在紫外 线图像中，裂隙的所有部分都会被显示出来。经试验得知，环氧树脂材料侵 入的最细的裂隙宽度为o 5 r a m 宽。 2 2 阈值分割 图2 - 5 ：微细裂隙图像 图像分割是将整个图像区域分割成若干个互不交叠的非空子区域的 过程。借助集合概念对图像分割可给出如下比较正式的定义1 2 0 】： 令集合r 代表整个图像区域，对r 的分割可看作将r 分成n 个满足 下列5 个条件的非空子集( 子区域) r ir 2 , - r 。： 1 0 重庆邮电大学硕士学位论文紫外光岩石节理裂隙图像采集与处理 u 月。= 月； j = l 对于所有的i 和j ，有r ，n r i = o ( i j ) ； 对于i = 1 , 2 ，n ，有p ( 足) = t r u e ； 对于i j ，有p ( r j u r ，) = f a l s e ； 对于i = 1 , 2 ，n ，r ，是连通区域。 其中以r ；) 是对所有在集合霆，中元素的逻辑谓词，o 代表空集。 关于图像分割技术，由于问题本身的重要性和困难性，从2 0 世纪7 0 年代起图像分割问题就吸引了很多研究人员为之付出了巨大的努力。虽然 到目前为止，还不存在一个通用的完美的图像分割的方法，但是对于图像 分割的一般性规律则基本上已经达成了共识【2 卜”1 ，已经产生了相当多的研 究结果和方法。 阈值分割算法的历史可追溯到近四十年前，现已提出了大量的算法。 简单说来，对灰度图像的取阈值分割就是先确定一个处于图像灰度取值范 围之中的灰度阈值，然后将图像中各个象素的灰度值都与这个阈值相比 较，并根据比较结果将对应的像素划为两类：像素的灰度值大于阈值的为 一类，像素的灰度值小于阈值的为一类( 灰度值等于阈值的象素可归入这 两类之一) 。这两类象素一般分属图像中的两类区域，所以对像素根据阈 值分类达到了区域分割的目的。 2 2 1p t i l e 法 p - t i l e 法【2 4 i 是早期的基于灰度直方图的自动阈值选择方法，它假设在 亮( 灰度级高) 背景中存在一个暗( 灰度级低) 目标，并且已知目标在整幅图像 中所占面积比为p 。该方法选择闽值的原则是，依次累计灰度直方图，直 到该累计值大于或等于目标物所占面积，此时的灰度级即为所求的阈值。该 方法计算简单。抗噪声性能较好。 2 2 2 双峰法 对于目标与背景的灰度级有明显差别的图像，其灰度直方图的分布呈 双峰状，两个波峰分别与图像中的目标和背景相对应，波谷与图像边缘相 对应。当分割闽值位于谷底时，图像分割可取得最好的效果 2 5 1 。 p ：锄鼬一q 圳：去o - , 。等+ 是0 77 。警( 2 - ) 、i 王饨、l 重庆邮电大学硕士学位论文紫外光岩石节理裂隙图像采集与处理 ( a ) 裂隙幽像 ( c ) 烈峰法 ( e ) o p t 法 ( b ) 绿通道的灰度化 ( d ) o s t u 法 图2 - 6 阈值算法图组 2 2 3o t s u 法 在o t s u 法1 2 6 中，阈值t 把图像的像素点分为c o 与c 两类( 分别代表 目标与背景) 。盯毒，2 ，仃；分别代表类内方差、类间方差、总体方差。阈值t 的分割质量由下列3 个准则函数衡量： 1 2 重庆邮电大学硕士学位论文 紫外光岩石节理裂隙图像采集与处理 r ：! ， 盯； 盯2 = o 仃。2 + 嵋砰 2 = ( 陷一所) 2 + q 以一络) 2 = 纸q ( 筠一h ) 2 f 斫= 醇+ 盯：，= 弓，q = l 一 扣o ( 2 2 ) ( 2 3 ) ( 2 。4 ) ( 2 5 ) 所2 i = o 田，鸬。窆i = o 嵋，风2 篆，鸬2 等三争 ( ：6 ) 1 一 最优阈值f 通过求类问方差的最大值得到 f + a r gma“xcr；ie ( 2 7 ) “ 2 2 4 最优阈值5 - h ( o v t ) o p t i m a lt h r e s h o l d i n g ( o p t ) f l l _ 】最优阈值法( 2 ”，有时往往不能确定图像中 目标的准确位置，这时可以假设仅仅在图像的四角是背景像素而其余部分 是目标像素，在t 阶段，分别计算背景和目标的均值u 刍= 锱与 u 6 = 惑，此时的图像被由下式求得的阂值t 分割成目标和背 景；迭代一直进行到t “= t 时结束。结束时的t 为分割阈值 r “：u b _ + - u o( 2 8 ) 2 3 图像的去噪 2 3 1 均值滤波器 令s 。表示中心在 x ，y ) ，尺寸为m n 的矩形子图像窗口的坐标组。算 术均值滤波过程就是计算s 。定义的区域中枝干扰图像g ( x ，y ) 的平均值1 引。 算术均值滤波器 ，( j ，) ) ：圭郎，f ) ( 2 9 ) m no 雨。 几何均值滤波器 盔霹 | | 叩 西一西 = 兄 重庆邮电大学硕士学位论文紫外光岩石节理裂隙图像采集与处理 谐波均值滤波器 逆谐波均值滤波器 2 3 2 顺序滤波器 l a x ，y ) = 丌g ) 】磊 ( j ，t ) e s n 八五力2 磊，) e j ”5 、o ， g ( s ，f ) 州 f ( x , y ) - 锄 ( ，f 批s 。 ( 2 1 0 ) ( 2 1 1 ) ( 2 1 2 ) 中值滤波器 厂y ) 2 噶纱，) ( 2 1 3 ) 像素的原始值包含在中值的计算结果中，中值滤波器的应用非常普 遍，对于许多种随机噪声，都有良好的去噪能力，在相同尺寸下比线性平 滑滤波器引起的模糊较少，尤其对单极或双极脉冲噪声非常有效。 中点滤波器 ，( 训) 。泰墨畿培( 墨) m 肚i n 如 g ( s , t ) 】 ( 2 1 4 ) 这种滤波器结合了顺序统计和求均值，对于高斯和均匀随机分布这类 噪声有最好的效果。 修正后的阿尔法均值滤波器 假设在e ，邻域内去掉g ( s ，t ) 最高灰度值的d 2 和最低厌度值的d 2 。 用g ，( s ，t ) 来代表剩余的m n d 个像素。 夕( 五y ) = 1 了g ，o ，f ) ( 2 1 5 ) m n d j 属， 2 3 3 补洞算法 对于二值化后的图像由于环氧聚树乙脂涂料的不均匀扩散，标本切片 的涂料脱落，预处理中的过度分割使裂隙内部出现些孔洞，他的存在对 重庆邮电大学硕士学位论文紫外光岩石节理裂隙图像采集与处理 裂隙的后续研究，如骨架的提取，裂隙张开度的测定，或是裂隙方向的判 决至关重要。该算法首先通过通过边界扫描提取出裂隙内部孔洞，而后设 立一个阈值，对裂隙内部小于阈值的孔洞置为前景。 如图2 7 所示图中( a ) 为裂隙图片，( b ) 为( a ) 的二值图，( c ) 为( b ) 中所有 非边界的孔洞，( d ) 为( b ) 填充所有面积阈值小于2 0 的孔洞的结果图。 ( a ) 裂隙幽 ( c ) 非边界孔洞 2 3 4 剔除小连通分量 图2 7 补洞算法图组 ( b ) 二值图 ( d ) 去除孔洞图 在裂隙分割的过程中，对标本切片的中涂料的散落，相机曝光不均匀， 非主要小裂隙等对岩石裂隙的后续研究的准确性非常重要。对此，文本运 用剔除小连通分量的方法对颗粒较大的噪声进行去除。该算法首先设立一 个阈值，而后计算所有裂隙的连通分量，对面积小于阈值的连通分量剔除。 参叫_ ：，： ： o ? 。 ，于 ( a ) 非边界连通分量 图2 - 8 剔除小分量图组 ( b ) 去除小连通图 重庆邮电大学硕l 学位论文 紫外光岩石节理裂隙图像采集与处理 如图2 - 8 所示图中( a ) 为图2 1 0 ( b ) 中所有非边界的连通分枝，( b ) 为( a ) 去除所有面积闽值小于1 0 的连通分量的结构图。 2 4 二值图像数学形态学 形态学( m o f p h o l o g y ) 一词通常代表生物学的一个分文【18 2 9 。3 0 l 。它是研 究动物和植物的形态和结构的学科。我们在这里使用同一词语表示数学形 态学的内容，将数学形态学( m a t h e m a t i c a l m o r p h o l o g y ) 作为工具从图像中提 取对于表达和描绘区域形状有用处的图像分量。 2 4 1 集合论基本概念 ( 1 ) 集合：有某种性质的、确定的、有区别的事物的全体常用大写的 字母，如a ，b ，c 来表示。没有任何事物的全体称为空集，记为a 。 ( 2 ) 元素：构成集合的每一个事物。常用小写的字母，如a , b ，c 来表示。 任何事物都不是空集o 的元素。 ( 3 ) 子集：当且仅当集合a 的元素都属于集合b 时，称a 是b 的子集。 a 口( 2 1 6 ) ( 4 ) 并集：由集合a 和集合b 的所有的元素组成的集合称为a 和b 的并集。 a o b( 2 1 7 ) ( 5 ) 交集；由集合a 和集合b 的公共元素组成的集合称为a 和b 的交集。 a n 占 ( 2 1 8 ) ( 6 ) 补集：a 的补集，记为a 。，定义为： a = 工l 工芒 ( 7 ) 位移：集合a 的工= ( x ，j ：) 的位移，记为4 ，定义为： 4 = ，i y = a + 工，x 一) ( 8 ) 映像：集合a 的映像，记为j ，定义为： a = i 工= 一- a , a 爿 ( 2 1 9 ) ( 2 2 0 ) ( 2 2 i ) ( 9 ) 差集：两个集合a 和b 的差，记为a b ，定义为： ， 爿- b = 协j j a ，工e 口 = 彳n 曰。( 2 2 2 ) 2 4 2 膨胀与腐蚀 膨胀和腐蚀这两种操作是形态学处理的基础，之后许多形念学算法都 1 6 重庆邮电大学硕上学位论文紫外光岩石节理裂隙图像采集与处理 是以这两种原始运算为基础的。 膨胀 由于a 和b 是z 2 中的集合，a 被b 膨胀定义为： a o b = 拓f ( 印：f 7 a 办( 2 2 3 ) 这个公式是以得到b 的相对于它自身原点的映象并见由z 对映象进行位移 为基础的。a 被b 膨胀是所有位移z 的集合，这样，雪和a 至少有一个元 素是重叠的。根据这种解释也可以定义为： 彳o b = z l ( 曰) ：1 7 a 】s 4 )( 2 2 4 ) 腐蚀 集合a 和b ，使用b 对a 进行腐蚀，用a o b 表示，并定义为： a o b = z i ( b ) ：彳) ( 2 2 5 ) 这个公式说明，使用b 对a 进行腐蚀是所有b 中包含于a 中的点z 的集 合用z 平移。 2 4 3 开操作与闭操作 开操作定义与几何解释 膨胀使图像扩大而腐蚀使图像缩小。在此讨论另外两个重要的形态学 操作，开操作与闭操作。开操作一般使对象的轮廓变得光滑，断开狭窄的 间断和消除纫的突出物。闭操作同样使轮廓线更为光滑，但与开操作相反 的是它通常消弥狭窄的间断和长细的鸿沟，消除小的孔洞。并填补轮廓拨 中的断裂。 使用结构元案b 对集合a 进行开操作表示为ao b ，定义为： a 。b = ( a o b ) o b( 2 2 6 ) 用b 对a 进行开操