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基于數(shù)字圖像處理技術(shù)的巖石節(jié)理寬度測量
2015-09-23
巖體節(jié)理裂隙寬度的測量在地質(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，給它的測量與研究帶來了極大難度。一種最簡單的測量寬度的方法，就是用卡鉗(測徑儀)來測量節(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。而對于巖體微裂隙的測量來說，則只能在顯微鏡下進(jìn)行。一般采用的方法是：首先對對象巖體取樣，并從中采集數(shù)字圖像信息，然后沿用傳統(tǒng)的人工測量方法，對圖像中的目標(biāo)物體進(jìn)行測量，最后得出測量結(jié)果。這種方法只是在數(shù)據(jù)采集時提高了精確度，但在測量過程中由于缺少對現(xiàn)有圖像分析技術(shù)的應(yīng)用，測量結(jié)果并不理想。目前常用的圖像分析技術(shù)主要是一些圖像測量算法，其中有：當(dāng)量圓直徑算法，當(dāng)量橢圓長、短軸算法等。它們都能對一定條件下的圖形進(jìn)行穩(wěn)定、精確的測量，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算裂隙的寬度(當(dāng)量圓直徑算法)，這種方法實現(xiàn)簡單但適用范圍有限，要求被測對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算裂隙的寬度(簡稱橢圓算法)，這種方法實現(xiàn)起來十分復(fù)雜，但效果較好，實際中仍有應(yīng)用。此外，簡單Ferret算法(也稱Ferret Box算法)[1]采用測量與目標(biāo)物體相切的2條平行線之間距離的方法來確定不規(guī)則圖形的長、寬等幾何特征，但是這種方法由于缺少對測量方向的確定，使得寬度值不穩(wěn)定，需要進(jìn)一步改進(jìn)。
本文以簡單Ferret算法為基礎(chǔ)，介紹其改進(jìn)算法，并通過對一個巖石節(jié)理裂隙的實際測量過程的介紹和測量結(jié)果分析，對比了改進(jìn)的Ferret算法和目前常用的測量算法的優(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，對不規(guī)則二維幾何圖形的測量多采用多邊形近似的方法[2]。對于復(fù)雜的不規(guī)則二維幾何圖形來說，通常借用規(guī)則的幾何圖形對它們進(jìn)行近似計算，從而獲得被測目標(biāo)圖形的幾何特征值。需要注意的是，在對圖像中的目標(biāo)物體進(jìn)行測量之前，一般先要對原始圖像進(jìn)行二值化處理[2]，然后再以二值圖為基礎(chǔ)進(jìn)行測量分析。
1.1 簡單Ferret算法原理
簡單Ferret算法首先從二值圖的邊界任選一點(diǎn)，經(jīng)過此點(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，此時的距離為被測圖形的長度值；當(dāng)垂直距離達(dá)到最小時為被測圖形的寬度值。用Ferret Box測量不規(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，對于邊界變化頻繁的圖形來說操作十分繁瑣。而且這種方法對于凸多邊形比較適用，對于凹多邊形特別像節(jié)理裂隙這樣邊界變化很大的復(fù)雜圖形來說確定切線存在難度，這將影響測量工作的準(zhǔn)確度。下面將以簡單Ferret算法為基礎(chǔ)，介紹一種比較穩(wěn)定的測量寬度的算法——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)了簡單Ferret算法不易測量凹多邊形的缺陷，原理步驟如下。
(1)使用求最小二階矩的方法，惟一確定測量不規(guī)則圖形寬度的參考方向。
(2)以確定的參考方向為基準(zhǔn)，再采用Ferret Box的方法獲得圖形的長度和寬度。
可以看出改進(jìn)的Ferret算法主要是增加了確定方向的方法，它使得寬度的測量結(jié)果趨于穩(wěn)定。
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