岩石裂隙图像分割及裂隙间距测量方法研究

摘要

天然的各类岩石中普遍存在节理裂隙，了解节理裂隙的性质对于地质、地球物理、采矿、石油工程、水文地质以及核废料隔离都具有重要意义。岩石节理裂隙研究的一项重要内容是表面形态属性数据的获取，如裂隙迹长、间距、张开度等，传统获取数据的方法是人工实地测量。与人工实地测量相比，图像测量除安全性好、速度快和精确高外，还可得到人工测量不能获得的信息(如悬崖处的裂隙网络特征等)。本文对岩石裂隙图像的分割方法及裂隙间距的测量方法进行了研究，主要工作包括：
　　 ①本文首先使用一种改进的基于马尔可夫随机场模型的图像分割方法对岩石裂隙图像进行分割。基于马尔可夫随机场模型的图像分割算法考虑图像的空间关系，有较强的抗噪性，并能兼顾彩色图像的各个颜色空间，适合于岩石裂隙图像这种噪声较多的图像。本文在原来的标号场和特征场的基础上，对图像增加一个边缘场，通过标号马尔可夫随机场和边缘马尔可夫随机场相互作用来提高分割的准确度。
　　 ②使用无监督的方式对岩石裂隙图像进行分割。传统的基于马尔可夫随机场模型的图像分割方法使用期望最大值(Expcctation Maximum)算法来估计图像的参数，EM算法对初始条件敏感，且容易陷入局部最优值。为了提高EM算法的收敛速度，本文先是用最大类间方差法对图像进行预分割，然后利用图像的灰度信息加快模拟退火算法的收敛速度，最终加快了EM算法的收敛速度，减少了算法消耗的时间。仿真实验结果表明，本文提出的改进马尔可夫模型的图像分割算法具有一定的有效性。
　　 ③传统的测量岩石裂隙间距的方法是使用手工测线法，手工测线法存在工作量大，应用范围窄的问题。本文结合了数字图像处理技术对传统的测线法进行了改进。改进后的方法包括图像分割、裂隙骨架提取、手动设置测点和计算间距四个主要步骤。最后利用所测得的数据对裂隙间距的分布做出分析。本文通过外部软件工具对所测的数据进行分析，分析证明，裂隙间距是服从正态分布的。
　　 最后对本文进行总结，指出后续研究的方向，为今后的研究工作提供了思路。