CN100392377C - 煤岩反射率数字化自动测定方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及煤岩反射率数字化自动测定方法，特别涉及应用于高精度、高效的煤岩反射率测定的数字化自动方法，以解决测定精度和测定速度两者无法同时达到较高要求的技术问题。其采用数字摄像头测量煤岩反射率，然后采用现代图像分析技术进行煤岩显微组分的分割，继承了显微光度计的精度高和图像仪的速度快的优点，保证测定的精度提高测定点数，使得煤岩反射率及其分布准确、可靠；同时也使操作简单和自动化，操作人员不需要专业培训。
Description
技术领域
本发明涉及煤岩反射率数字化自动测定方法，特别涉及应用于高精度、高效的煤岩反射率测定的数字化自动方法。
背景技术
目前测定煤岩反射率主要设备是显微光度计，显微光度计测定精度高，但是测定速度慢，测定点数少，测定结果的准确性并不高，特别是反射率分布重现性差；这种方法劳动强度大，要求操作人员需要经过专业培训。
测定煤岩反射率另外一种设备是图像分析仪，用图像仪测定煤岩反射率时，每次测定时根据要测定样品选择几个标准片建立灰度与反射率的关系，测定过程不改变曝光时间，目前的图像仪灰度等级只有8位(256级)，测定煤岩反射率的精度仅为0.015％。优点是测点多、速度快，缺点是精度低，结果的准确性不够。
发明内容
本发明的目的在于提供一种煤岩反射率数字化自动测定方法，以解决测定精度和测定速度两者无法同时达到较高要求的技术问题。
为达上述目的，本发明的技术方案如下：
一种煤岩反射率数字化自动测定方法，采用数字摄像头测量煤岩反射率，然后采用图像分析技术进行煤岩显微组分的分割。
所述的采用数字摄像头测量煤岩反射率的函数式为：
G＝a×R×T+b×R+c×T+d，其包括如下步骤：
1)测定样品前，选择若干块与煤岩反射率接近的标准片，对每个标准片不断改变曝光时间进行拍摄，得到其各自的平均灰度G和曝光时间T；
2)根据各标准片的不同反射率R列出方程组，用最小二乘法求出在均方误差最小情况下的各系数a、b、c、d的解。
3)测定样品时，进行自动曝光，确定曝光时间T；
4)根据前述函数，将每个像素点的灰度G转换成反射率R。
所述采用图像分析技术进行煤岩显微组分的分割，包括如下步骤：
1)采用阈值方法分出粘结剂；
2)采用主分量分析方法分割镜质组和非镜质组。
所述主分量分析方法为，首先根据所要分析的煤岩图象的灰度(直方图)和主分量识别模型，确定主分量值；根据主分量值选择投影向量，建立投影矩阵；将所要分析的煤岩图象灰度调整并转换成向量，与主分量投影矩阵相乘得到一个十维向量，与主分量比较，识别镜质组和非镜质组；再将所识别的结果对应原图(所要分析的煤岩图象)计算镜质组和非镜质组反射率。
本发明运用数字摄像头的数字图像，继承显微光度计的精度高和图像仪的速度快优点，保证测定的精度提高测定点数，使得煤岩反射率及其分布准确、可靠。同时使操作简单和自动化，操作人员不需要专业培训。
附图说明
图1为本发明的主分量(PCA)分析方法流程图；
图2为本发明的数字化煤岩反射率自动测定系统硬件框图；
图3为本发明的数字化煤岩反射率自动测定系统主界面；
图4为本发明的反射率与图像灰度及曝光时间的关系；
图5为本发明的一煤样三次重复试验的镜质组反射率分布；
图6为本发明的镜质组反射率测定结果的比较。
具体实施方式
下面结合图1至图6，说明本发明的具体实施例。
本发明的主要思想是，取目前两种技术的优点克服他们的不足，利用数字摄像头的高灰度级并可以改变曝光时间的特点，扩展摄像头的灰度级，提高测定煤岩反射率的精度。图2为本发明的数字化煤岩反射率自动测定系统硬件框图；图3为本发明的数字化煤岩反射率自动测定系统主界面。
经过多次的实验，如图4所示，最后得到了一个函数关系式：
G＝a×R×T+b×R+c×T+d
G——灰度，
R——反射率，
T——曝光时间，
a，b，c，d，——系数，
每次测定样品前，用二至三块与煤岩反射率接近的标准片确定以上函数的系数。即对每个标准片不断改变曝光时间进行拍摄，得到其各自的平均灰度和曝光时间，然后根据各标准片的不同反射率列出方程组，用最小二乘法估计，求出在均方误差最小意义下的各系数的解。测定样品时，先进行自动曝光，确定曝光时间T，根据这个函数，将每个像素点的灰度转换成反射率。显微光度计工作时根据选定的反射率标准片自动调节光电管的工作条件，使得产生电流值可达4096(12位)，根据试验结果分析，本发明测定煤岩反射率的精度可达0.001％，与显微光度计的精度相当。
利用图像信息，采用图像分析技术准确快速进行煤岩显微组分的分割。在煤岩图像中，存在多种成分的图像。在我们的系统中，主要识别和分割出三种成分：镜质组、非镜质组和粘结剂。这三种成分的主要成像性质如下：
镜质组：镜质组主要具有光滑、均匀的特点，反射率比较适中。
非镜质组：一般是纹理粗糙，有很长的直条纹贯穿。反射率通常比镜质组高。
粘结剂：粘结药剂的显着特点是反射率很低，一般在0.3％以下。在灰度图像中的表现是图像中最暗的部分。
考虑到粘结剂的灰度特征，我们采用阈值方法得出。
对于镜质组和非镜质组的分割，我们采用了主分量分析(PCA，PrincipalComponent Analysis)的方法。研究表明，第一个主分量反映出了图像块的整体灰度，此后的分量则能体现出图像的频谱信息。同时这种方法还具有一旦训练结束后，分析时为向量投影，计算量相对于其它算法很小。算法的流程图如图1所示。
首先根据煤岩图象的灰度直方图和主分量识别模型，确定主分量值；根据主分量值选择投影向量，建立投影矩阵；将所要分析的煤岩图象灰度调整并转换成向量，与主分量投影矩阵相乘得到一个十维向量，与主分量比较，识别镜质组；再将所识别的结果对应原图计算镜质组和非镜质组反射率。
下面通过图5和图6以及表1、表2和表3，对本发明的结果进行分析。
与已有技术的区别和改进的对比如表1所示：
表1
| 性能比较 | 显微光度计 | 数字化煤岩分析系统 |
| 测定组件 | 光电管 | 数字摄像头 |
| 测区直径 | 10μm | 0.2μm |
| 惰性组含量 | 不能准确测定 | 能准确测定 |
| 测定速度 | 2点/分钟 | 3,000,000点/分钟 |
| 操作方法 | 人工 | 自动 |
| 测定煤岩反射率精度 | 0.001％ | 0.001％ |
数字化煤岩分析系统与图像分析仪区别如表2所示：
表2
| 性能比较 | 图像分析仪 | 数字化煤岩分析系统 |
| 图像灰度级数 | 8位(256级) | 12位(4096级) |
| 反射率测定 | R＝aG+b | G＝a×R×T+b×R+c×T+d |
| 镜质组识别 | 灰度梯度阈值 | PCA模式识别 |
| 测定煤岩反射率精度 | 0.015％ | 0.001％ |
为验证数字化煤岩分析系统的准确性，选用三个反射率与炼焦煤反射率相近的标准片进行检验，每个标准片自动扫描测定16个视域，求其平均值、标准差。根据国标GB 6948-86“煤的镜质组反射率测定方法”，三个标准片的测定值与理论值之差都不超过0.02％，表明此测定系统准确可靠。测定结果如表3所示：
表3
| 标准片名称 | 兰宝石 | 钇铝石榴石 | 钆镓石榴石 |
| 理论反射率％ | 0.591 | 0.905 | 1.721 |
| 实测反射率％ | 0.59 | 0.91 | 1.72 |
| 实测反射率标准差 | 0.02 | 0.02 | 0.02 |
| 实测与理论差％ | -0.001 | 0.005 | -0.001 |
采用数字摄像头，扩展了灰度级，提高了精度。测定区域(0.2μm×0.2μm)远小于煤岩组分的结构，可准确测定煤岩全组分的反射率，再加图像识别功能，使得煤岩特性分析实现自动化和数字化。由于测定速度提高了几万倍，可在很短的时间内(几十分钟)将一块光片全部测定，数据由原先的100点提高到几千万点。克服了显微光度计速度慢和图像仪精度低的不足，继承了显微光度计精度高和图像仪的测定速度快的优点，使得测定结果准确、可靠。实现了煤岩反射率测定的数字化和自动化，速度快、劳动强度低，操作人员不要经过专业培训。
Claims (6)
1.一种煤岩反射率数字化自动测定方法，其特征在于，采用数字摄像头测量煤岩反射率，然后采用图像分析技术进行煤岩显微组分的分割。
2.如权利要求1所述的煤岩反射率数字化自动测定方法，其特征在于，所述的采用数字摄像头测量煤岩反射率的函数式为G＝a×R×T+b×R+c×T+d，其包括如下步骤：
2-1)测定样品前，选择若干块与煤岩反射率接近的标准片，对每个标准片不断改变曝光时间进行拍摄，得到其各自的平均灰度G和曝光时间T；
2-2)根据各标准片的不同反射率R列出方程组，用最小二乘法求出在均方误差最小情况下的各系数a、b、c、d的解；
2-3)测定样品时，进行自动曝光，确定曝光时间T；
2-4)根据前述函数，将每个像素点的灰度G转换成反射率R。
3.如权利要求2所述的煤岩反射率数字化自动测定方法，其特征在于，所述改变曝光时间指是以2％的递减率缩短曝光时间。
4.如权利要求1所述的煤岩反射率数字化自动测定方法，其特征在于，所述采用图像分析技术进行煤岩显微组分的分割，包括如下步骤：
1)采用阈值方法分出粘结剂；
2)采用主分量分析方法分割镜质组和非镜质组。
5.如权利要求4所述的煤岩反射率数字化自动测定方法，其特征在于，所述主分量分析方法为，首先根据所要分析的煤岩图象的灰度和主分量识别模型，确定主分量值；根据主分量值选择投影向量，建立投影矩阵；将所要分析的煤岩图象灰度调整并转换成向量，与主分量投影矩阵相乘得到一个十维向量，与主分量比较，识别镜质组和非镜质组；再将所识别的结果对应原图(所要分析的煤岩图象)计算镜质组和非镜质组反射率。
6.如权利要求5所述的煤岩反射率数字化自动测定方法，其特征在于，所述主分量分析方法中的第一个主分量反映图像块的整体灰度，后面的分量体现图像的频谱信息。
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