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基于數(shù)字圖像處理技術(shù)的巖石節(jié)理寬度測(cè)量
2015-09-23
巖體節(jié)理裂隙寬度的測(cè)量在地質(zhì)勘探、礦山工程、公路鐵路建設(shè)和核電工程等諸多工程領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用。但是由于裂隙形成原因的多樣化，給它的測(cè)量與研究帶來(lái)了極大難度。一種最簡(jiǎn)單的測(cè)量寬度的方法，就是用卡鉗(測(cè)徑儀)來(lái)測(cè)量節(jié)理裂隙二側(cè)巖體斷裂面的垂直距離。這種方法受人為因素和儀器精度的影響很大，結(jié)果不穩(wěn)定且數(shù)據(jù)不精確。而對(duì)于巖體微裂隙的測(cè)量來(lái)說(shuō)，則只能在顯微鏡下進(jìn)行。一般采用的方法是：首先對(duì)對(duì)象巖體取樣，并從中采集數(shù)字圖像信息，然后沿用傳統(tǒng)的人工測(cè)量方法，對(duì)圖像中的目標(biāo)物體進(jìn)行測(cè)量，最后得出測(cè)量結(jié)果。這種方法只是在數(shù)據(jù)采集時(shí)提高了精確度，但在測(cè)量過(guò)程中由于缺少對(duì)現(xiàn)有圖像分析技術(shù)的應(yīng)用，測(cè)量結(jié)果并不理想。目前常用的圖像分析技術(shù)主要是一些圖像測(cè)量算法，其中有：當(dāng)量圓直徑算法，當(dāng)量橢圓長(zhǎng)、短軸算法等。它們都能對(duì)一定條件下的圖形進(jìn)行穩(wěn)定、精確的測(cè)量，但是單獨(dú)使用一種算法又有局限性。用于節(jié)理裂隙等面積的圓形的直徑計(jì)算裂隙的寬度(當(dāng)量圓直徑算法)，這種方法實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單但適用范圍有限，要求被測(cè)對(duì)象的邊界起伏較大才可以達(dá)到滿意效果。用于節(jié)理裂隙等面積的橢圓的短軸計(jì)算裂隙的寬度(簡(jiǎn)稱橢圓算法)，這種方法實(shí)現(xiàn)起來(lái)十分復(fù)雜，但效果較好，實(shí)際中仍有應(yīng)用。此外，簡(jiǎn)單Ferret算法(也稱Ferret Box算法)[1]采用測(cè)量與目標(biāo)物體相切的2條平行線之間距離的方法來(lái)確定不規(guī)則圖形的長(zhǎng)、寬等幾何特征，但是這種方法由于缺少對(duì)測(cè)量方向的確定，使得寬度值不穩(wěn)定，需要進(jìn)一步改進(jìn)。
本文以簡(jiǎn)單Ferret算法為基礎(chǔ)，介紹其改進(jìn)算法，并通過(guò)對(duì)一個(gè)巖石節(jié)理裂隙的實(shí)際測(cè)量過(guò)程的介紹和測(cè)量結(jié)果分析，對(duì)比了改進(jìn)的Ferret算法和目前常用的測(cè)量算法的優(yōu)劣。
1 數(shù)字圖像處理原理及算法
在數(shù)字圖像處理技術(shù)中，對(duì)不規(guī)則二維幾何圖形的測(cè)量多采用多邊形近似的方法[2]。對(duì)于復(fù)雜的不規(guī)則二維幾何圖形來(lái)說(shuō)，通常借用規(guī)則的幾何圖形對(duì)它們進(jìn)行近似計(jì)算，從而獲得被測(cè)目標(biāo)圖形的幾何特征值。需要注意的是，在對(duì)圖像中的目標(biāo)物體進(jìn)行測(cè)量之前，一般先要對(duì)原始圖像進(jìn)行二值化處理[2]，然后再以二值圖為基礎(chǔ)進(jìn)行測(cè)量分析。
1.1 簡(jiǎn)單Ferret算法原理
簡(jiǎn)單Ferret算法首先從二值圖的邊界任選一點(diǎn)，經(jīng)過(guò)此點(diǎn)做圖形的切線。取與該切線平行的直線，使它與圖形的另外一側(cè)邊界相切，當(dāng)這2條切線間的垂直距離最大時(shí)，此時(shí)的距離為被測(cè)圖形的長(zhǎng)度值；當(dāng)垂直距離達(dá)到最小時(shí)為被測(cè)圖形的寬度值。用Ferret Box測(cè)量不規(guī)則圖形的寬度示意圖如圖1所示。圖中Fm為最大值。
可以看出這種算法雖然簡(jiǎn)單卻存在缺陷。原因是：要想找到垂直距離的最大值和最小值，就要進(jìn)行多次取值和比較，對(duì)于邊界變化頻繁的圖形來(lái)說(shuō)操作十分繁瑣。而且這種方法對(duì)于凸多邊形比較適用，對(duì)于凹多邊形特別像節(jié)理裂隙這樣邊界變化很大的復(fù)雜圖形來(lái)說(shuō)確定切線存在難度，這將影響測(cè)量工作的準(zhǔn)確度。下面將以簡(jiǎn)單Ferret算法為基礎(chǔ)，介紹一種比較穩(wěn)定的測(cè)量寬度的算法——改進(jìn)的Ferret算法。
1.2 改進(jìn)的Ferret算法原理
改進(jìn)的Ferret算法充分利用了二維幾何圖形的旋轉(zhuǎn)不變性原理，彌補(bǔ)了簡(jiǎn)單Ferret算法不易測(cè)量凹多邊形的缺陷，原理步驟如下。
(1)使用求最小二階矩的方法，惟一確定測(cè)量不規(guī)則圖形寬度的參考方向。
(2)以確定的參考方向?yàn)榛鶞?zhǔn)，再采用Ferret Box的方法獲得圖形的長(zhǎng)度和寬度。
可以看出改進(jìn)的Ferret算法主要是增加了確定方向的方法，它使得寬度的測(cè)量結(jié)果趨于穩(wěn)定。
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