CN108152216A - 一种基于岩芯高光谱扫描图像的钻孔三维矿物填图方法 - Google Patents

一种基于岩芯高光谱扫描图像的钻孔三维矿物填图方法 Download PDF

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张川
叶发旺
车永飞
杨旭
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Abstract

本发明属于地质勘查技术领域，具体涉及一种基于岩芯高光谱扫描图像的钻孔三维矿物填图方法。本发明包括如下步骤：步骤1、钻孔岩芯高光谱图像扫描；步骤2、岩芯高光谱图像预处理；步骤3、岩芯高光谱图像矿物填图；步骤4、岩芯矿物相对含量统计计算和数值化编录；步骤5、构建钻孔三维空间数据库；步骤6、岩芯矿物相对含量数据与钻孔数据库集成；步骤7、三维建模平台下三维可视化实现。本发明能够定量化反映钻孔岩芯发育的各类矿物信息，形象、直观地在三维空间下呈现各种矿物的空间分布，使地质分析更加便利。

Description

一种基于岩芯高光谱扫描图像的钻孔三维矿物填图方法
技术领域
本发明属于地质勘查技术领域，具体涉及一种基于岩芯高光谱扫描图像的钻孔三维矿物填图方法。
背景技术
目前，为了研究深部蚀变矿物分布、分带性及矿物组合特点，传统方法是通过地质人员的钻孔岩芯编录，在钻孔柱状图上绘制矿物大类的分布，对于局部重点地段通过岩芯取样和化学鉴定分析获得更精细的结果。钻孔岩芯编录多依据地质人员的背景知识和经验判断，易受主观因素的影响，而化学鉴定结果虽然客观可靠但仅是局部样点的分析。
高光谱技术在矿物识别方面具有其独特的优势，基于不同矿物在不同波长位置的诊断性光谱特征和光谱匹配算法，能够客观、准确地将高光谱图像中的矿物提取出来，目前可识别的矿物多达几十种。将高光谱技术引入钻孔岩芯矿物填图，能够获取各种矿物在岩芯整个面上的分布，且无损岩芯。然而，对于岩芯图像精细的矿物填图结果，地质人员往往无从下手。一方面二维图像本身缺少空间概念，另一方面图像填图的结果虽然表达细致，但较零散很难做定量分析。因此，如何将钻孔岩芯矿物发育状况和空间分布特征更加直观、定量地呈现给地质人员，是需要进一步探究的问题。三维建模与可视化技术能够形象、直观地展示地质体和地质现象，弥补传统地质信息表达方式的不足。但是，三维地质建模平台往往通过链接属性数据库的方式进行三维模拟，因此，将钻孔岩芯矿物填图结果合理转化为属性数据并能够与钻孔数据库有机整合，是需要首先解决的问题。
发明内容
本发明解决的技术问题：针对现有技术的不足，本发明提供一种基于岩芯高光谱扫描图像的钻孔三维矿物填图方法，能够定量化反映钻孔岩芯发育的各类矿物信息，形象、直观地在三维空间下呈现各种矿物的空间分布，使地质分析更加便利。
本发明采用的技术方案：
一种基于岩芯高光谱扫描图像的钻孔三维矿物填图方法，包括如下步骤：
步骤1、钻孔岩芯高光谱图像扫描；步骤2、岩芯高光谱图像预处理；步骤3、岩芯高光谱图像矿物填图；步骤4、岩芯矿物相对含量统计计算和数值化编录；步骤5、构建钻孔三维空间数据库；步骤6、岩芯矿物相对含量数据与钻孔数据库集成；步骤7、三维建模平台下三维可视化实现。
所述步骤1中，按照统一的数据采集标准，利用地面成像光谱仪器通过推扫式扫描方式获取钻孔岩芯高光谱图像数据和标准板图像数据。
岩芯摆放，使各岩芯展布方向与图像扫描方向大致平行，采集的数据文件依据钻孔号、钻孔深度等来命名；数据采集过程中，每隔0.5小时，同步采集标准板图像数据；数据采集的过程中，保持光照条件和外部环境稳定，若出现变化应立刻同步采集标准板图像数据。
所述步骤2包括如下步骤：步骤2.1、辐射校正；步骤2.2、光谱重建。
所述步骤2.1的具体步骤为：利用地面成像光谱仪器的传感器系统定标参数，对步骤1获取的钻孔岩芯高光谱图像数据，包括同步采集的标准板图像数据，进行系统级辐射校正，得到辐射亮度图像数据。
所述步骤2.2的具体步骤为：对步骤2.1处理后的辐射亮度图像，获取标准板图像的辐射亮度均值光谱，利用线性回归法建立标准板辐射亮度均值光谱与标准板反射率光谱之间的经验线性公式，利用此经验线性公式对辐射校正后的钻孔岩芯高光谱图像进行反射率光谱计算，得到钻孔岩芯反射率图像数据，作为后续矿物填图的基础数据。每个标准板负责计算从它到下一个标准板时间段内采集的岩芯图像。
所述步骤3.1的具体步骤为：对步骤2.2处理得到的岩芯反射率图像，参考标准矿物波谱库进行波段重采样，使两者的波谱分辨率和波谱范围一致，同时达到降维和优化信息量的目的；
所述步骤3.2的具体步骤为：对步骤3.1处理得到的岩芯反射率图像，以标准矿物波谱库为标准，采用光谱匹配算法进行图像逐像元的光谱匹配计算，之后针对每种矿物设定各自统一的阈值，从岩芯图像上将存在的各种矿物提取出来，并通过不同的色彩表达在图像上。
所述步骤4的具体步骤为：根据步骤3获得的岩芯高光谱矿物填图结果图像，设定统一的计算尺度，利用数字图像像元统计法按照钻孔深度顺序计算每一段岩芯图像中每种矿物的相对含量，具体计算方法如下：
获取第1段岩芯图像的所有像元数N1，提取的第1种矿物像元数n11，第2种矿物的像元数n12，第3种矿物的像元数n13，……；则在第一段岩芯图像中第1种矿物的相对含量为n11/N1×100％，第2种矿物的含量为n12/N1×100％，第3种矿物的含量为n13/N1×100％，……；
获取第2段岩芯图像的所有像元数N2，提取的第1种矿物像元数n21，第2种矿物的像元数n22，第3种矿物的像元数n23，……；则在第一段岩芯图像中第1种矿物的相对含量为n21/N2×100％，第2种矿物的含量为n22/N2×100％，第3种矿物的含量为n23/N2×100％，……；
……；
获取第x段岩芯图像的所有像元数Nx，提取的第1种矿物像元数nx1，第2种矿物的像元数nx2，第3种矿物的像元数nx3，……；则在第一段岩芯图像中第1种矿物的相对含量为nx1/Nx×100％，第2种矿物的含量为nx2/Nx×100％，第3种矿物的含量为nx3/Nx×100％，……；
将计算结果同步进行数值编录，编录字段包括：钻孔号，深度，第1种矿物含量，第2种矿物含量，第3种矿物含量，……。
所述步骤5的具体步骤为：收集钻孔资料，获得钻孔的三维空间定位信息：钻孔号，钻孔的三维坐标X、Y、Z，方位角，轨迹线类型直孔、曲孔，倾角，测斜，孔深，将这些信息整理成字段录入在excel表中后，建立数据库。
所述步骤6的具体步骤为：针对步骤4计算并编录好的钻孔矿物相对含量数据，将每种矿物含量的数值按照钻孔号、深度字段与步骤5构建的钻孔三维空间数据库中的相应字段进行整合，形成一个既包括钻孔三维空间信息字段，又包括每种矿物含量字段的大数据库。
所述步骤7的具体步骤为：将步骤6集成好的大数据库导入三维地质建模软件，软件根据后台链接的数据库属性数据进行三维建模，通过设置软件的显示参数，实现三维可视化表达，模拟三维空间下各钻孔深度方向上各矿物的空间分布和强弱趋势，并能够同时通过旋转、平移、缩放进行各种交互式操作和分析。
本发明的有益效果：
(1)本发明提供一种基于岩芯高光谱扫描图像的钻孔三维矿物填图方法，能够定量化反映钻孔岩芯发育的各类矿物信息；
(2)本发明提供一种基于岩芯高光谱扫描图像的钻孔三维矿物填图方法，形象、直观地在三维空间下呈现各种矿物的空间分布，使地质分析更加便利；
(3)本发明提供一种基于岩芯高光谱扫描图像的钻孔三维矿物填图方法，对深部地质分析和找矿勘查具有一定的现实意义。
附图说明
图1为本发明提供一种基于岩芯高光谱扫描图像的钻孔三维矿物填图方法流程图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明提供一种基于岩芯高光谱扫描图像的钻孔三维矿物填图方法作进一步详细说明。
如图1所示，本发明提供一种基于岩芯高光谱扫描图像的钻孔三维矿物填图方法，包括如下步骤：
步骤1、钻孔岩芯高光谱图像扫描：
将岩芯箱依次放置于平台之上，按照统一的数据采集标准，利用Hyspex或其它类似的地面成像光谱仪器通过推扫式扫描方式获取钻孔岩芯高光谱图像数据。
数据采集过程中，每隔0.5小时，同步获取标准板图像数据，用于步骤2进行岩芯高光谱图像的光谱重建。
在图像数据采集前整理岩芯箱中的岩芯摆放，使各岩芯展布方向与图像扫描方向大致平行，采集的数据文件严格依据钻孔号、钻孔深度等来命名，这样有利于后续数据处理的便利，提高处理效率。在数据采集的过程中，保持光照条件和外部环境稳定，若出现变化应立刻同步采集标准板图像数据。
步骤2、岩芯高光谱图像预处理：
步骤2.1、辐射校正：
利用地面成像光谱仪器的传感器系统定标参数，对步骤1获取的钻孔岩芯高光谱图像数据(包括同步采集的标准板图像数据)进行系统级辐射校正，得到辐射亮度图像数据；
所述辐射校正为本领域技术人员公知常识，通过将采集的图像数据DN值转换为具有物理意义的辐射亮度值实现。
步骤2.2、光谱重建：
对步骤2.1处理后的辐射亮度图像，获取标准板范围内的辐射亮度均值光谱，利用线性回归法建立标准板辐射亮度均值光谱与标准板反射率光谱之间的经验线性公式，利用此经验线性公式对辐射校正后的钻孔岩芯高光谱图像进行反射率光谱计算，得到钻孔岩芯反射率图像数据，作为后续矿物填图的基础数据。
注意：严格按照每个标准板图像数据采集的时间计算该时间范围内的同一批岩芯图像反射率。
步骤3、岩芯高光谱图像矿物填图：
步骤3.1波段重采样
对步骤2.2处理得到的岩芯反射率图像，参考标准矿物波谱库进行波段重采样，如美国地质调查局USGS波谱库、美国喷气推进实验室JPL波谱库或其他涵盖矿物标准波谱的波谱数据库，使两者的波谱分辨率和波谱范围一致，同时达到降维和优化信息量的目的。
步骤3.2光谱匹配计算
对步骤3.1处理得到的岩芯反射率图像，以标准矿物波谱库为标准，采用光谱匹配算法进行图像逐像元的光谱匹配计算，如光谱角匹配、光谱相似度匹配、光谱相关系数匹配等，之后针对每种矿物设定各自统一的阈值，从岩芯图像上将存在的各种矿物提取出来，并通过不同的色彩表达在图像上。
步骤4、岩芯矿物相对含量统计计算和数值化编录：
根据步骤3获得的岩芯高光谱矿物填图结果图像，设定统一的计算尺度，例如：尺度设为1米表示在每1米岩芯范围内进行一次计算，尺度设为0.5米表示在每0.5米岩芯范围内进行一次计算，尽可能选择小尺度，因为小尺度能够很方便的往大尺度进行转换，反之则不然。利用数字图像像元统计法按照钻孔深度顺序计算每一段岩芯图像中每种矿物的相对含量，具体计算方法如下：
获取第1段岩芯图像的所有像元数N1，提取的第1种矿物像元数n11，第2种矿物的像元数n12，第3种矿物的像元数n13，……。则在第一段岩芯图像中第1种矿物的相对含量为(n11/N1)×100％，第2种矿物的含量为(n12/N1)×100％，第3种矿物的含量为(n13/N1)×100％，……。
获取第2段岩芯图像的所有像元数N2，提取的第1种矿物像元数n21，第2种矿物的像元数n22，第3种矿物的像元数n23，……。则在第一段岩芯图像中第1种矿物的相对含量为(n21/N2)×100％，第2种矿物的含量为(n22/N2)×100％，第3种矿物的含量为(n23/N2)×100％，……。
获取第3段岩芯图像的所有像元数N3，提取的第1种矿物像元数n31，第2种矿物的像元数n32，第3种矿物的像元数n33，……。则在第一段岩芯图像中第1种矿物的相对含量为(n31/N3)×100％，第2种矿物的含量为(n32/N3)×100％，第3种矿物的含量为(n33/N3)×100％，……。
……。
将计算结果同步进行数值编录，编录字段包括：钻孔号，深度，第1种矿物含量，第2种矿物含量，第3种矿物含量，……。
步骤5、构建钻孔三维空间数据库：
收集钻孔资料，获得钻孔的三维空间定位信息：钻孔号，钻孔的三维坐标(X、Y、Z)，方位角，轨迹线类型(直孔、曲孔)，倾角，测斜，孔深，将这些信息整理成字段录入在excel表中后，建立数据库。
步骤6、岩芯矿物相对含量数据与钻孔数据库集成：
针对步骤4计算并编录好的钻孔矿物相对含量数据，将每种矿物含量的数值按照钻孔号、深度字段与步骤5构建的钻孔三维空间数据库中的相应字段进行整合，形成一个既包括钻孔三维空间信息字段，又包括每种矿物含量字段的大数据库。
注：此数据库为开放式，其他地质信息也可以通过不同字段进行集成，如岩性、矿化品位等。
步骤7、三维建模平台下三维可视化实现：
将步骤6集成好的大数据库导入三维地质建模软件，如3Dmine、Gocad等，软件根据后台链接的数据库属性数据进行三维建模，通过设置软件的显示参数，实现三维可视化表达，模拟三维空间下各钻孔深度方向上各矿物的空间分布和强弱趋势，并能够同时通过旋转、平移、缩放进行各种交互式操作和分析。

Claims (11)

1.一种基于岩芯高光谱扫描图像的钻孔三维矿物填图方法，其特征在于：包括如下步骤：
步骤(1)、钻孔岩芯高光谱图像扫描；步骤(2)、岩芯高光谱图像预处理；步骤(3)、岩芯高光谱图像矿物填图；步骤(4)、岩芯矿物相对含量统计计算和数值化编录；步骤(5)、构建钻孔三维空间数据库；步骤(6)、岩芯矿物相对含量数据与钻孔数据库集成；步骤(7)、三维建模平台下三维可视化实现。
2.根据权利要求1所述的一种基于岩芯高光谱扫描图像的钻孔三维矿物填图方法，其特征在于：所述步骤(1)中，按照统一的数据采集标准，利用地面成像光谱仪器通过推扫式扫描方式获取钻孔岩芯高光谱图像数据和标准板图像数据。
3.根据权利要求2所述的一种基于岩芯高光谱扫描图像的钻孔三维矿物填图方法，其特征在于：岩芯摆放，使各岩芯展布方向与图像扫描方向大致平行，采集的数据文件依据钻孔号、钻孔深度等来命名；数据采集过程中，每隔0.5小时，同步采集标准板图像数据；数据采集的过程中，保持光照条件和外部环境稳定，若出现变化应立刻同步采集标准板图像数据。
4.根据权利要求1所述的一种基于岩芯高光谱扫描图像的钻孔三维矿物填图方法，其特征在于：所述步骤(2)包括如下步骤：步骤(2.1)、辐射校正；步骤(2.2)、光谱重建。
5.根据权利要求4所述的一种基于岩芯高光谱扫描图像的钻孔三维矿物填图方法，其特征在于：所述步骤(2.1)的具体步骤为：利用地面成像光谱仪器的传感器系统定标参数，对步骤(1)获取的钻孔岩芯高光谱图像数据，包括同步采集的标准板图像数据，进行系统级辐射校正，得到辐射亮度图像数据。
6.根据权利要求4所述的一种基于岩芯高光谱扫描图像的钻孔三维矿物填图方法，其特征在于：所述步骤(2.2)的具体步骤为：对步骤(2.1)处理后的辐射亮度图像，获取标准板图像的辐射亮度均值光谱，利用线性回归法建立标准板辐射亮度均值光谱与标准板反射率光谱之间的经验线性公式，利用此经验线性公式对辐射校正后的钻孔岩芯高光谱图像进行反射率光谱计算，得到钻孔岩芯反射率图像数据，作为后续矿物填图的基础数据。每个标准板负责计算从它到下一个标准板时间段内采集的岩芯图像。
7.根据权利要求6所述的一种基于岩芯高光谱扫描图像的钻孔三维矿物填图方法，其特征在于：所述步骤(3.1)的具体步骤为：对步骤(2.2)处理得到的岩芯反射率图像，参考标准矿物波谱库进行波段重采样，使两者的波谱分辨率和波谱范围一致，同时达到降维和优化信息量的目的；
所述步骤(3.2)的具体步骤为：对步骤(3.1)处理得到的岩芯反射率图像，以标准矿物波谱库为标准，采用光谱匹配算法进行图像逐像元的光谱匹配计算，之后针对每种矿物设定各自统一的阈值，从岩芯图像上将存在的各种矿物提取出来，并通过不同的色彩表达在图像上。
8.根据权利要求7所述的一种基于岩芯高光谱扫描图像的钻孔三维矿物填图方法，其特征在于：所述步骤(4)的具体步骤为：根据步骤(3)获得的岩芯高光谱矿物填图结果图像，设定统一的计算尺度，利用数字图像像元统计法按照钻孔深度顺序计算每一段岩芯图像中每种矿物的相对含量，具体计算方法如下：
获取第1段岩芯图像的所有像元数N1，提取的第1种矿物像元数n11，第2种矿物的像元数n12，第3种矿物的像元数n13，……；则在第一段岩芯图像中第1种矿物的相对含量为(n11/N1)×100％，第2种矿物的含量为(n12/N1)×100％，第3种矿物的含量为(n13/N1)×100％，……；
获取第2段岩芯图像的所有像元数N2，提取的第1种矿物像元数n21，第2种矿物的像元数n22，第3种矿物的像元数n23，……；则在第一段岩芯图像中第1种矿物的相对含量为(n21/N2)×100％，第2种矿物的含量为(n22/N2)×100％，第3种矿物的含量为(n23/N2)×100％，……；
……；
获取第x段岩芯图像的所有像元数Nx，提取的第1种矿物像元数nx1，第2种矿物的像元数nx2，第3种矿物的像元数nx3，……；则在第一段岩芯图像中第1种矿物的相对含量为(nx1/Nx)×100％，第2种矿物的含量为(nx2/Nx)×100％，第3种矿物的含量为(nx3/Nx)×100％，……；
将计算结果同步进行数值编录，编录字段包括：钻孔号，深度，第1种矿物含量，第2种矿物含量，第3种矿物含量，……。
9.根据权利要求8所述的一种基于岩芯高光谱扫描图像的钻孔三维矿物填图方法，其特征在于：所述步骤(5)的具体步骤为：收集钻孔资料，获得钻孔的三维空间定位信息：钻孔号，钻孔的三维坐标(X、Y、Z)，方位角，轨迹线类型(直孔、曲孔)，倾角，测斜，孔深，将这些信息整理成字段录入在excel表中后，建立数据库。
10.根据权利要求9所述的一种基于岩芯高光谱扫描图像的钻孔三维矿物填图方法，其特征在于：所述步骤(6)的具体步骤为：针对步骤(4)计算并编录好的钻孔矿物相对含量数据，将每种矿物含量的数值按照钻孔号、深度字段与步骤(5)构建的钻孔三维空间数据库中的相应字段进行整合，形成一个既包括钻孔三维空间信息字段，又包括每种矿物含量字段的大数据库。
11.根据权利要求10所述的一种基于岩芯高光谱扫描图像的钻孔三维矿物填图方法，其特征在于：所述步骤(7)的具体步骤为：将步骤(6)集成好的大数据库导入三维地质建模软件，软件根据后台链接的数据库属性数据进行三维建模，通过设置软件的显示参数，实现三维可视化表达，模拟三维空间下各钻孔深度方向上各矿物的空间分布和强弱趋势，并能够同时通过旋转、平移、缩放进行各种交互式操作和分析。
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