CN115452820B - 基于钻孔电视图像提取结构面特征的方法及装置和介质 - Google Patents

Abstract

本申请提供了一种基于钻孔电视图像提取结构面特征的方法及装置和介质，所述方法为适合任意方位钻孔的电视图像提取结构面特征的方法，首先读取二维展开面上裂缝点的坐标，进行正弦函数拟合，再经过一系列数据转换及空间变换，最终获得结构面的产状及张开度。本申请考虑了尽可能多的裂缝原始点的信息，减少了系统误差及人为选择最高点最低点误差，提高了结构面测量的精确性，同时能解决不规则、不完整的结构面的解算问题。

Description

基于钻孔电视图像提取结构面特征的方法及装置和介质

技术领域

本申请属于岩土工程勘察领域，尤其是涉及一种基于钻孔电视图像提取结构面特征的方法及装置和介质。

背景技术

上世纪70年代以来，钻孔电视技术在我国水电、矿山等地下工程或边坡工程的勘察及施工扰动评价等方面得到广泛应用。利用钻孔电视图像，能观测钻孔中地质体的各种特征及细微构造，如地层岩性、岩石结构、断层、裂隙、夹层、岩溶等，编录地质柱状图。该技术克服了普通钻孔取心将失去岩心原位、原状及岩样在钻孔中的构造、断裂和产状等信息，以及钻孔取心不连续，对钻孔内的裂隙、岩脉和溶洞发育等情况无法形象感知等缺点。

但目前该技术对裂隙方位角和倾角的测试的稳定性和准确性还有待提高，室内试验证明，特别是对于非竖直孔，其裂隙方位角和倾角的计算方法还不成熟。

发明内容

本申请的目的在于解决上述现有技术存在的缺陷，提出一种基于钻孔电视图像提取结构面特征的方法及装置和介质，

本申请采用的技术方案如下：

根据本申请的第一方面，提供一种基于钻孔电视图像提取结构面特征的方法，所述方法包括：

获取钻孔三维图像中裂缝上至少五个第一目标点；各个第一目标点的横纵坐标表示为:

θ＝[θ₁,θ₂,...θ_i,...,θ_n] (1)

Z＝[Z₁,Z₂,...,Z_i,...,Z_n] (2)

式中θ_i，Z_i为第i个点在钻孔二维展开图中的横坐标及纵坐标，θ为钻孔电视探头的自转角，Z为当前钻孔深度；

基于各个第一目标点的横纵坐标，进行以下形式的函数拟合：

Z(θ)＝a*sin(θ+b)+c (3)

式中，Z(θ)为当前钻孔深度，a,b,c为拟合常数；

基于拟合好的函数，构造出至少三个第二目标点，根据所述第二目标点计算平面法向量；

基于所述平面法向量和所述第二目标点，对平面方程进行求解，计算得到结构面倾角和结构面倾向。

进一步地，基于拟合好的函数，构造出三个第二目标点，所述三个第二目标点能够构造出一个平面，所述三个第二目标点分别为：

A((R*cos(0),R*sin(0)，Z(0)))

B((R*cos(π/4),R*sin(π/4)，Z(π/4))

C((R*cos(π),R*sin(π)，Z(π)))

其中R为钻孔半径。

进一步地，根据所述第二目标点，通过下式(5)计算得到平面法向量：

式中，为平面ABC的法向量，/>为点B指向点A的矢量，/>为点C指向A的矢量。

进一步地，所述基于所述平面法向量和所述第二目标点，对平面方程进行求解，计算得到结构面倾角和结构面倾向，具体包括：

设则平面方程表示为：

l₀x+n₀y+r₀z+Z(0)＝0 (5)

选取二维展开图像中裂缝张开度最大点的坐标M(θ_m,z_m)，该点三维坐标为：

计算点M到平面的距离即为裂缝张开度：

设钻孔倾向为α₀，倾角为β₀；将绕着y轴旋转(π/2-β₀)，得到旋转后的法向量/>

将绕着Z轴旋转(α₀+180)，得到旋转后的法向量/>

由法向量计算结构面倾角α，令D＝[0 0 1]，则

由法向量计算结构面倾向β，设N₂＝[x₂,y₂,z₂]，(z₂＞0)则

e₀＝arctan(abs(y₂/x₂))*180/π (11)

式中e₀为结构面倾向计算值，β为结构面倾向。

根据本申请的第二方面，提供一种基于钻孔电视图像提取结构面特征的装置，所述装置包括：

第一获取模块，被配置为获取钻孔三维图像中裂缝上至少五个第一目标点；各个第一目标点的横纵坐标表示为:

θ＝[θ₁,θ₂,...θ_i,...,θ_n] (1)

Z＝[Z₁,Z₂,...,Z_i,...,Z_n] (2)

式中θ_i，Z_i为第i个点在钻孔二维展开图中的横坐标及纵坐标，θ为钻孔电视探头的自转角，Z为当前钻孔深度；

拟合模块，被配置为基于各个第一目标点的横纵坐标，进行以下形式的函数拟合：

Z(θ)＝a*sin(θ+b)+c (3)

式中，Z(θ)为θ当前钻孔深度，a,b,c为拟合常数；

第一计算模块，被配置为基于拟合好的函数，构造出至少三个第二目标点，根据所述第二目标点计算平面法向量；

第二计算模块，被配置为基于所述平面法向量和所述第二目标点，对平面方程进行求解，计算得到结构面倾角和结构面倾向。

进一步地，所述第一计算模块被进一步配置为：

基于拟合好的函数，构造出三个第二目标点，所述三个第二目标点能够构造出一个平面，所述三个第二目标点分别为：

A((R*cos(0),R*sin(0)，Z(0)))

B((R*cos(π/4),R*sin(π/4)，Z(π/4))

C((R*cos(π),R*sin(π)，Z(π)))

其中R为钻孔半径。

进一步地，所述第一计算模块被进一步配置为：

根据所述第二目标点，通过下式(4)计算得到平面法向量：

式中，为平面ABC的法向量，/>为点B指向点A的矢量，/>为点C指向A的矢量。

进一步地，所述第二计算模块被进一步配置为：

设则平面方程表示为：

l₀x+n₀y+r₀z+Z(0)＝0 (5)

选取二维展开图像中裂缝张开度最大点的坐标M(θ_m,z_m)，该点三维坐标为：

计算点M到平面的距离即为裂缝张开度：

设钻孔倾向为α₀，倾角为β₀；将绕着y轴旋转(π/2-β₀)，得到旋转后的法向量/>

将绕着Z轴旋转(α₀+180)，得到旋转后的法向量/>

由法向量计算结构面倾角α，令D＝[0 0 1]，则

由法向量计算结构面倾向β，设N₂＝[x₂,y₂,z₂](z₂＞0)，则

e₀＝arctan(abs(y₂/x₂))*180/π (11)

式中e₀为结构面倾向计算值，β为结构面倾向。

根据本申请的第三方面，提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机可读指令，当所述计算机可读指令被计算机的处理器执行时，使计算机执行本申请如上所述的基于钻孔电视图像提取结构面特征的方法。

本申请至少具有以下技术效果：

(1)传统算法任意选取图像3点或是选择最高点最低点计算结构面产状，但由于裂缝图像存在一定宽度或存在不清晰的问题，有可能每次任意选的点并不在同一平面，造成计算误差。本申请采用二维展开图采取多点数据，并进行正弦函数拟合，尽可能多的利用结构面数据(而不是任意选取3点或是人为选择最高点最低点)，提高了结构面测量的精确性。

(2)对于不完整裂缝，难以选择图像最高点及最低点，显然难以真实获取结构面所在平面，而本申请可以根据多点信息准确获取结构面平面信息，因而具有更好的适宜性。

附图说明

此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本申请的实施例，并与说明书一起用于解释本申请的原理。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术者来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本申请实施例的结构面二维展开示意图。

图2是本申请实施例的结构面空间示意图。

图3是本申请实施例的一种基于钻孔电视图像提取结构面特征的装置的结构图。

图4是本申请实施例用于方法验证实验所采集的孔壁某一结构面照片。

图5是本申请实施例根据具体实验所得到的拟合函数的图像，θ，Z为第i个点在钻孔二维展开图中的横坐标及纵坐标。

具体实施方式

为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本申请，并不用于限定本申请，即所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本申请实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本申请的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本申请的范围，而是仅仅表示本申请的选定实施例。基于本申请的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

需要说明的是，术语“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

本申请实施例提供一种基于钻孔电视图像提取结构面特征的方法，适合任意方位钻孔的电视图像提取结构面特征，考虑钻孔图像的正南方向与钻孔最高点的偏转角，读取二维展开面上裂缝点的坐标，再经过一系列数据转换及空间变换，最终获得结构面的产状及张开度。

具体来说，如图1和图2所示，所述方法包括如下步骤：

步骤S1，获取钻孔三维图像中裂缝上至少五个第一目标点；各个第一目标点的横纵坐标表示为:

θ＝[θ₁,θ₂,...θ_i,...,θ_n] (1)

Z＝[Z₁,Z₂,...,Z_i,...,Z_n] (2)

式中θ_i，Z_i为第i个点在钻孔二维展开图中的横坐标及纵坐标，θ为，Z为。

步骤S2，基于各个第一目标点的横纵坐标，进行以下形式的函数拟合：

Z(θ)＝a*sin(θ+b)+c (3)

式中，Z(θ)为当前钻孔深度，a,b,c为拟合常数。

步骤S3，基于拟合好的函数，构造出至少三个第二目标点，根据所述第二目标点计算平面法向量。

步骤S4，基于所述平面法向量和所述第二目标点，对平面方程进行求解，计算得到结构面倾角和结构面倾向。

在一些实施例中，所述步骤S3中，基于拟合好的函数，构造出三个第二目标点，所述三个第二目标点能够构造出一个平面，所述三个第二目标点分别为：

A((R*cos(0),R*sin(0)，Z(0)))

B((R*cos(π/4),R*sin(π/4)，Z(π/4))

C((R*cos(π),R*sin(π)，Z(π)))

其中R为钻孔半径。

在一些实施例中，所述步骤S3中，根据所述第二目标点，通过下式(4)计算得到平面法向量：

式中，为平面ABC的法向量，/>为点B指向点A的矢量，/>为点C指向A的矢量。

在一些实施例中，所述步骤S4，所述基于所述平面法向量和所述第二目标点，对平面方程进行求解，计算得到结构面倾角和结构面倾向，具体包括：

设则平面方程表示为：

l₀x+n₀y+r₀z+Z(0)＝0 (5)

选取二维展开图像中裂缝张开度最大点的坐标M(θ_m,z_m)，该点三维坐标为：

计算点M到平面的距离即为裂缝张开度：

设钻孔倾向为α₀，倾角为β₀；将绕着y轴旋转(π/2-β₀)，得到旋转后的法向量/>

将绕着Z轴旋转(α₀+180)，得到旋转后的法向量/>

由法向量计算结构面倾角α，令D＝[0 0 1]，则

由法向量计算结构面倾向β，设N₂＝[x₂,y₂,z₂]，则

e₀＝arctan(abs(y₂/x₂))*180/π (11)

式中e₀为结构面倾向计算值，β为结构面倾向。

下面本发明实施例将结合具体的实验数据以进一步说明本申请的可行性和进步性。

室内试验某钻孔倾向299°，倾角1°(几乎水平)，孔径0.066，请参阅图4，为孔壁某一结构面照片。基于如上所述的种基于钻孔电视图像提取结构面特征的方法，对图4所示的图像数据进行结构面特征提取，具体包括如下步骤：

(1)获取结构面坐标(6点)如下：

X＝[0 46.1 125.3 226.1 301.6 358.9]；

Y＝[10.088 10.083 10.096 10.113 10.101 10.086]；

(2)进行正弦函数拟合，得拟合函数为：

Z(θ)＝-0.01506*sin(θ+47.15)+10.1。

拟合函数的图像如图5所示。

(3)基于步骤(2)中的拟合函数，从中选出三个第二目标点，所述三个第二目标点能够构造出一个平面，所述三个第二目标点分别为：

A((R*cos(0),R*sin(0)，Z(0)))

B((R*cos(90),R*sin(90)，Z(90))

C((R*cos(200),R*sin(200)，Z(200)))

即A(0.0330，0，10.0869)、B(0，0.0330，10.0877)、C(-0.0310，-0.0113，10.1119)。

进一步地，根据所述第二目标点，通过下式计算得到平面法向量：

(4)将将绕着y轴旋转(π/2-β₀)，得到旋转后的法向量/>

(5)将绕着Z轴旋转(α₀+180)，得到旋转后的法向量/>

(6)根据计算结构面产状：

α＝72.3,β＝316.1。

实验结果表明，根据本申请提供的基于钻孔电视图像提取结构面特征的方法所提取的结构面特征基本与测量值一致，可靠性高。

本申请实施例还提供一种基于钻孔电视图像提取结构面特征的装置，如图3所示，所述装置300包括：

第二获取模块301，被配置为获取钻孔三维图像中裂缝上至少五个第一目标点；各个第一目标点的横纵坐标表示为:

θ＝[θ₁,θ₂,...θ_i,...,θ_n] (1)

Z＝[Z₁,Z₂,...,Z_i,...,Z_n] (2)

式中θ_i，Z_i为第i个点在钻孔二维展开图中的横坐标及纵坐标，θ为，Z为。

拟合模块302，被配置为基于各个第一目标点的横纵坐标，进行以下形式的函数拟合：

Z(θ)＝a*sin(θ+b)+c (3)

式中，Z(θ)为当前钻孔深度，a,b,c为拟合常数。

第一计算模块303，被配置为基于拟合好的函数，构造出至少三个第二目标点，根据所述第二目标点计算平面法向量。

第二计算模块304，被配置为基于所述平面法向量和所述第二目标点，对平面方程进行求解，计算得到结构面倾角和结构面倾向。

在一些实施例中，所述第一计算模块303被进一步配置为：

基于拟合好的函数，构造出三个第二目标点，所述三个第二目标点能够构造出一个平面，所述三个第二目标点分别为：

A((R*cos(0),R*sin(0)，Z(0)))

B((R*cos(π/4),R*sin(π/4)，Z(π/4))

C((R*cos(π),R*sin(π)，Z(π)))

其中R为钻孔半径。

在一些实施例中，所述第一计算模块303被进一步配置为：

根据所述第二目标点，通过下式(4)计算得到平面法向量：

式中，为平面ABC的法向量，/>为点B指向点A的矢量，/>为点C指向A的矢量。

在一些实施例中，所述第二计算模块304被进一步配置为：

设则平面方程表示为：

l₀x+n₀y+r₀z+Z(0)＝0 (5)

选取二维展开图像中裂缝张开度最大点的坐标M(θ_m,z_m)，该点三维坐标为：

计算点M到平面的距离即为裂缝张开度：

设钻孔倾向为α₀，倾角为β₀；将绕着y轴旋转(π/2-β₀)，得到旋转后的法向量/>

将绕着Z轴旋转(α₀+180)，得到旋转后的法向量/>

由法向量计算结构面倾角α，令D＝[0 0 1]，则

由法向量计算结构面倾向β，设N₂＝[x₂,y₂,z₂]，则

e₀＝arctan(abs(y₂/x₂))*180/π (11)

式中e₀为结构面倾向计算值，β为结构面倾向。

需要注意，描述于本申请实施例中所涉及到的模块可以通过软件的方式实现，也可以通过硬件的方式来实现，所描述的模块也可以设置在处理器中。其中，这些模块的名称在某种情况下并不构成对该模块本身的限定。

本申请实施例还提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现如前各个实施例所述的基于钻孔电视图像提取结构面特征的方法。该计算机可读存储介质可以是上述实施例中描述的电子设备中所包含的，也可以是单独存在，而未装配入该电子设备中。

上述内容，仅为本申请的较佳示例性实施例，并非用于限制本申请的实施方案，本领域普通技术人员根据本申请的主要构思和精神，可以十分方便地进行相应的变通或修改，故本申请的保护范围应以权利要求书所要求的保护范围为准。

Claims (3)

1.一种基于钻孔电视图像提取结构面特征的方法，其特征在于：所述方法包括：

获取钻孔三维图像中裂缝上至少五个第一目标点；各个第一目标点的横纵坐标表示为:

θ＝[θ₁，θ_２，...θ_i，...，θ_n] (1)

Z＝[Z₁，Z₂，...，Z_i，...，Z_n] (2)

式中θ_i，Z_i为第i个点在钻孔二维展开图中的横坐标及纵坐标，θ为钻孔电视探头的自转角度，Z为当前钻孔深度；

基于各个第一目标点的横纵坐标，进行以下形式的函数拟合：

Z(θ)＝a*sin(θ+b)+c (3)

式中，Z(θ)为当前钻孔深度，a，b，c为拟合常数；

基于拟合好的函数，构造出三个第二目标点，根据所述第二目标点计算平面法向量；

基于所述平面法向量和所述第二目标点，对平面方程进行求解，计算得到结构面倾角和结构面倾向；

所述基于拟合好的函数，构造出三个第二目标点，所述三个第二目标点能够构造出一个平面，所述三个第二目标点分别为：

A(R*cos(0)，R*sin(0)，Z(0))

B(R*cos(π/4)，R*sin(π/4)，Z(π/4))

C(R*cos(π)，R*sin(π)，Z(π))

其中R为钻孔半径；

根据所述第二目标点，通过下式(5)计算得到平面法向量：

式中，为平面ABC的法向量，/>为点B指向点A的矢量，/>为点C指向A的矢量；

所述基于所述平面法向量和所述第二目标点，对平面方程进行求解，计算得到结构面倾角和结构面倾向，具体包括：

设则平面方程表示为：

l₀x+n₀y+r₀z+Z(0)＝0 (5)

选取二维展开图像中裂缝张开度最大点的坐标M(θ_m，z_m)，该点三维坐标为：

计算点M到平面的距离即为裂缝张开度：

设钻孔倾向为α₀，倾角为β₀；将绕着y轴旋转π/2-β₀，得到旋转后的法向量/>

将绕着Z轴旋转α₀+180°，得到旋转后的法向量/>

S012由法向量计算结构面倾角α，令D＝[001]，则

由法向量计算结构面倾向β，设N₂＝[x₂，y₂，z₂]，z₂＞0，则

e₀＝arctan(abs((y_２/x_２))*180°/π (11)

式中e₀为结构面倾向计算值，β为结构面倾向。

2.一种基于钻孔电视图像提取结构面特征的装置，其特征在于：所述装置包括：

第一获取模块，被配置为获取钻孔三维图像中裂缝上至少五个第一目标点；各个第一目标点的横纵坐标表示为:

θ＝[θ₁，θ_２，...θ_i，..，θ_n] (1)

Z＝[Z₁，Z₂，...，Z_i，...，Z_n] (2)

式中θ_i，Z_i为第i个点在钻孔二维展开图中的横坐标及纵坐标；

拟合模块，被配置为基于各个第一目标点的横纵坐标，进行以下形式的函数拟合：

Z(θ)＝a*sin(θ+b)+c (3)

式中，a，b，c为拟合常数；

第一计算模块，被配置为基于拟合好的函数，构造出三个第二目标点，根据所述第二目标点计算平面法向量；

第二计算模块，被配置为基于所述平面法向量和所述第二目标点，对平面方程进行求解，计算得到结构面倾角和结构面倾向；

所述第一计算模块被进一步配置为：

基于拟合好的函数，构造出三个第二目标点，所述三个第二目标点能够构造出一个平面，所述三个第二目标点分别为：

A(R*cos(0)，R*sin(0)，Z(0))

B(R*cos(π/4)，R*sin(π/4)，Z(π/4))

C(R*cos(π)，R*sin(π)，Z(π))

其中R为钻孔半径；

所述第一计算模块被进一步配置为：

根据所述第二目标点，通过下式(4)计算得到平面法向量：

式中，为平面ABC的法向量，/>为点B指向点A的矢量，/>为点C指向A的矢量；

所述第二计算模块被进一步配置为：

设则平面方程表示为：

l₀x+n₀y+r₀z+Z(0)＝0 (5)

选取二维展开图像中裂缝张开度最大点的坐标M(θ_m，z_m)，该点三维坐标为：

计算点M到平面的距离即为裂缝张开度：

设钻孔倾向为α₀，倾角为β₀；将绕着y轴旋转π/2-β₀，得到旋转后的法向量/>

将绕着Z轴旋转α₀+180°，得到旋转后的法向量/>

由法向量计算结构面倾角α，令D＝[001]，则

由法向量计算结构面倾向β，设N₂＝[x₂,y₂,z₂]，z₂>0，则

e₀＝arctan(abs(y₂/x₂))*180°/π (11)

式中e₀为结构面倾向计算值，β为结构面倾向。

3.一种计算机可读存储介质，其特征在于：其上存储有计算机可读指令，当所述计算机可读指令被计算机的处理器执行时，使计算机执行权利要求1所述的基于钻孔电视图像提取结构面特征的方法。