一种岩芯数字化采集系统及方法与流程

本发明属于地质勘探技术领域，尤其涉及一种岩芯数字化采集系统及方法。

背景技术：

在工程物探、水文地质、矿产勘察等等工程工作中，尽管已经有了很多无损探测方法，如电法、磁法、声波探测等等手段，但通常都还需要通过钻孔采取岩芯来对其进行标定和校正，以便获取准确的地下地质体资料。甚至在很多的工程工作中，钻孔取芯还是主要的勘察手段。但岩芯实物的运输保存又是一个耗时耗力的工作，而且不易追溯，尽管已经有一些数字化技术在使用，但也主要限于对采取后的岩芯进行拍照留存，难以再现地下地质体的完整情况；而若遇地质状况复杂、岩层破碎、或者孔径过大的情况下，钻机打孔过程中根本采取不到岩芯，以至于工程人员无法准确获取地层的岩性、溶蚀程度、裂隙发育情况、构造发育情况等信息，给工程的后续工作带来不便。

技术实现要素：

针对现有技术中的上述不足，本发明提供的一种岩芯数字化采集系统及方法解决了因岩层破碎、孔径过大采取不到岩芯以及岩芯实物难以运输保存的问题。

为了达到以上目的，本发明采用的技术方案为：

本方案提供一种岩芯数字化采集系统，包括井口滑轮、分别与所述井口滑轮连接的深度传感器、三脚架和绞车、与深度传感器连接的工控机单元以及分别与所述工控机单元连接的井下探头单元和计算机图像处理单元；所述绞车位于三脚架上，所述井口滑轮位于三脚架上，且位于绞车的上方；

所述深度传感器，用于获取井口滑轮的转动角度；

所述井下探头单元，用于根据所述转动角度摄取钻孔内壁360度的数字图像序列；

所述工控机单元，用于将接收数字图像序列发送至计算机图像处理单元；

所述计算机图像处理单元，用于利用插值加权方法对所述数字图像序列进行处理，并将处理后的图像进行3d复原，得到岩芯数字化图像，完成对岩芯的数据化采集。

进一步地，所述工控机单元包括控制器、与所述控制器连接的工控机主机以及与所述工控机主机连接的显示器；

所述控制器的视频输出端与工控机主机的视频输入端连接，且所述控制器的rs-232接口与工控机主机的rs-232接口连接；所述显示器通过vga接口与所述工控机主机连接。

再进一步地，所述计算机图像处理单元包括计算机、图像采集卡和刻录机，其中，所述计算机通过rs-232接口与所述控制器连接。

再进一步地，所述控制器的编码输入端与深度传感器的输出端连接。

再进一步地，所述井下探头单元的电源及信号均通过传输电缆与控制器连接，其中，所述传输电缆为12芯结构。

再进一步地，所述井下探头单元包括探头筒、位于所述探头筒内且与所述传输电缆连接的摄像头和led照明光源、位于拍摄区域的锥形反射镜以及位于锥形反射镜上方的内嵌指北针；其中，所述传输电缆为所述摄像头和led照明光源的供电。

基于上述系统，本发明还提供了一种岩芯数字化采集方法，包括以下步骤：

s1、将钻孔井下探头放入孔中，并利用深度传感器获取井口滑轮的转动角度；

s2、根据所述转动角度，利用摄像头通过锥形反光镜摄取钻孔内壁360度的数字图像序列；

s3、利用插值加权方法对所述数字图像序列进行处理，并将处理后的图像进行3d复原，得到岩芯数字化图像，完成对岩芯的数据化采集。

进一步地，所述步骤s3中利用插值加权方法对所述数字图像序列进行处理的表达式如下：

其中，表示待求像素点的灰度值，i表示待求像素点的横坐标x的整数部分，u表示x的小数部分，j表示待求像素点的纵坐标y的整数部分，v表示y的小数部分，a表示横坐标上的权重向量，b表示16个相邻像素点的灰度值矩阵，c表示纵坐标上的权重向量，s即是权重的值。

本发明的有益效果：

（1）本发明的目的是通过钻孔全井壁成像技术，在钻完孔之后，经过洗孔清孔，将钻孔采集探头下放到孔中，配合利用深度传感器直接采集钻孔孔内壁360度的完整数字图像序列。利用数字图像处理技术，对井下采集的图像序列进行了数字化处理、展开、图像分割、边缘跟踪、拼接并进行3d复原，从而得到完整的岩芯数字化图像。本发明通过以上设计，解决了因岩层破碎、孔径过大采取不到岩芯的问题，实现了岩芯数字化采集。

（2）本发明实现了钻孔现场直接采集，避免岩芯实物的运输和保存困难问题。

（3）本发明通过利用锥形反射镜和单个高清数字摄像头配合采集360度孔壁图像，避免多镜头或镜头旋转产生的采集误差。

（4）本发明集合采集和图像处理功能，能有效地实现现场观看采集质量，直接在现场形成3d数字化岩芯，将内业工作直接在现场即可完成，无需专家到达现场即可进行地质情况分析和判断，不仅提高了工作效率，还保证了采集质量。

附图说明

图1为本发明的系统结构示意图。

图2为本实施例的系统组成示意图。

图3为本实施例中控制器与工控机主机端口连接示意图。

图4为本实施例中井下探头单元结构示意图。

图5为本实施例中井下探头与控制器电缆连接示意图。

图6为本实施例中孔壁图像变换示意图。

图7为本实施例中孔壁图像展开示意图。

图8为本实施例中孔壁图像的插值示意图。

图9为本发明的方法流程图。

图10为本实施例中实际采集的孔壁展开图。

图11为本实施例中实际采集的旋转3d岩芯图。

图12为本实施例中3d复原后的孔壁展开图。

图13为本实施例中3d复原后的旋转3d岩芯图。

其中，1-井口滑轮，2-深度传感器，3-三脚架，4-绞车，5-工控主机，6-控制器，7-显示器，8-传输电缆，9-探头筒，10-摄像头，11-led照明光源，12-锥形反射镜，13-内嵌指北针。

具体实施方式

下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

实施例1

如图1所示，本发明提供了一种岩芯数字化采集系统，包括井口滑轮1、分别与所述井口滑轮1连接的深度传感器2、三脚架3和绞车4、与深度传感器2连接的工控机单元以及分别与所述工控机单元连接的井下探头单元和计算机图像处理单元；所述绞车4位于三脚架3上，所述井口滑轮1位于三脚架3上，且位于绞车4的上方；深度传感器2，用于获取井口滑轮1的转动角度；井下探头单元，用于根据所述转动角度摄取钻孔内壁360度的数字图像序列；工控机单元，用于将接收数字图像序列发送至计算机图像处理单元；计算机图像处理单元，用于利用插值加权方法对所述数字图像序列进行处理，并将处理后的图像进行3d复原，得到岩芯数字化图像，完成对岩芯的数据化采集。

如图2和图3所示，工控机单元包括控制器6、与控制器6连接的工控机主机5以及与工控机主机5连接的显示器7；控制器6的视频输出端与工控机主机5的视频输入端连接，且控制器6的rs-232接口与工控机主机5的rs-232接口连接；显示器7通过vga接口与工控机主机5连接。控制器6的编码输入端与深度传感器2的输出端连接。计算机图像处理单元包括计算机、图像采集卡和刻录机，其中，所述计算机通过rs-232接口与所述控制器6连接。

如图4和图5所示，井下探头单元的电源及信号均通过传输电缆8与控制器6连接，其中，所述传输电缆8为12芯结构。井下探头单元包括探头筒9、位于所述探头筒9内且与所述传输电缆8连接的摄像头10和led照明光源11以及位于拍摄区域的锥形反射镜12；其中，所述传输电缆8为所述摄像头10和led照明光源11的供电。

本实施例中，在对岩芯进行数字化采集前，需确认以下工作：

准备工作：

（1）清洁摄像窗口：摄像窗口不清洁透明，将会影响摄像质量。在下井工作以前，请用清洁柔软布或长纤维的绵纸将玻璃窗口擦拭洁净，保持窗口清洁透明。

（2）调整摄像机镜头光圈：为了获得最佳钻孔孔壁图像，必须把摄像机镜头的光圈调整到适当的位置。

（3）检查井下探头密封：钻孔数字岩芯采集系统井下部分的密封有两处，一处是摄像窗口，另一处是电缆密封头。为防止井内积水进入探头内，仔细检查探头的密封性，必要时采用硅脂涂抹密封；

系统安装和连接：

（1）三脚架3与绞车4的安装：撑开三脚架3架于钻孔的上方，将绞车4安装在三脚架3上，请注意绞车刹车的方向，刹车的棘轮朝向外（即操作者方向），这样在起吊井下探头时刹车才能起作用。

（2）安装井口滑轮1：将井口滑轮1安装在三脚架的顶盘上，注意螺栓不要拧的太紧，让井口滑轮能够自由活动。

（3）井下探头安装：井下探头在出厂时，已将机心、光学系统安装成一体，一般情况下无须打开，只需将传输电缆的密封头与井下探头连接连接安装便可。

（4）系统连接：其接口均采用标准接口，将传输电缆8的另一端插头插入工控机面板上电缆插座并拧紧；将井口滑轮1上编码器的数据传输电缆8与工控机主机后面板上的编码器插座插接，接口为rs-232接口；用视频传输线把控制器后面板上的视频输出与计算机后面板上的视频口（图像采集卡的输入口的com1或com2）连接；工控主机5用220v电源，检查电源电压是否正确，并将它们的电源线插接好。

本实施例中，如图2所示，工控机单元包括工控机主机5、控制器6和显示器三部分，其中，控制器6包括电源、调焦控制、深度传感器和图像采集控制。控制器6为井下探头提供摄像机电源、照明电源、控制调焦等。深度传感器2精确记录测井深度并显示，采集控制器接受深度信息，并通过rs-232接口与计算机图像处理单元对话，控制图像采集。

本实施例中，计算机图像处理单元包括计算机、图像采集卡和刻录机。计算机图像处理单元采集传输电缆送来的孔壁图像信号，并对孔壁图像信号进行识别、展开处理，自动拼接形成岩芯3d图像，通过监视器显示出来，并记录在计算机硬盘里。

本实施例中，计算机图像处理单元还可以对已存入的图像信息进行编辑解释处理，还可通过刻录机把钻孔图像信息刻录在光盘上保存，打印机将图像打印成图。

本实施例中，如图3所示，控制器6作为整个系统的控制连接中心，其输入有分别来源于深度传感器2的编码输入和井下探头高清摄像机的视频信号输入，该视频信号通过探头电缆传输，井下探头的连接电缆既作为视频信号传输电缆，也作为摄像头的控制和探头照明led灯的电源供电电缆。井下探头的传输电缆的输出端包括两端：一是深度传感器2的数据输出，经由rs-232输出到工控机主机5的rs-232接口；二是视频信号的输出，输出给工控机主机5，由工控机主机5保存到硬盘上。

本实施例中，传输电缆8为12芯结构，结构图如图4所示，一头连接井下探头，另一头连接控制器6后面板的电缆插座；深度传感器2的数据传输电缆与控制器6后面板上的编码器插座相连；视频传输线连接控制器6后面板上的视频输出与工控机后面板上的视频口，也即是图像采集卡输入口。

本实施例中，控制器6后面板上的rs-232口与工控主机后面板的rs-232口相连，使用串口线相连，显示器7与工控主机通过vga线连接；控制器6、工控机主机5、显示器7均使用~220v交流电源

本实施例中，如图4所示，井下探头单元包括井下高清数字摄像头10、led照明光源11、锥形反射镜12、透明摄像窗和内嵌指北针13，井下探头单元的电源及信号均通过传输电缆8与地面工控机单元连接。井下探头与控制器电缆连接各插头、座芯连接分配如图5所示，图中，①-视频，②-视频接地，③-公共接地，④-空，⑤-空，⑥-+12v摄像机电源，⑦-12v摄像机电源接地，⑧-~220vled照明灯，⑨-空，⑩-~220vled照明灯，⑪-+7v调焦电机电源，⑫-7v调焦电机电源地。

本实施例中，采用摄像头10通过锥形反光镜12摄取孔壁四周图像，利用计算机控制图像采集和图像处理系统，自动采集图像，并进行展开、拼接处理，形成钻孔全孔壁柱状剖面连续图像实时显示，连续记录全孔壁图像。采用计算机控制采集图像，改模拟图像记录为数字图像记录，图像记录在硬盘上或刻录在光盘上，孔壁图像变换如图6所示，圆柱形孔壁投射在锥形镜上的图像被高清数字摄像机所采集，得到环形的图像，经过展开、插值还原成矩形图像。

本实施例中，展开及插值原理如下图7-图8所示，从图7和图8可以看到孔壁在锥形镜上投影，孔径为，但锥形镜的顶部半径为，而底部半径为，展开后形成矩形图像，矩形的上底（也即拍摄区域的顶部）宽度为，而下底（也即拍摄区域的底部）的宽度为，均需要插值得到实际宽度为的像素值。

本实施例中，采用三次插值，输出像素的值为输入图像种距离它最近的4×4邻域内采样电像素值的加权平均值，三次插值使用多项式逼近理论上的最佳插值函数。多项式如下：

式中的是周围像素沿x方向于远点的距离，代求像素的灰度值由其周围16个点的灰度值加权插值得到，计算公式如下：

其中，表示待求像素点的灰度值，i表示待求像素点的横坐标x的整数部分，u表示x的小数部分，j表示待求像素点的纵坐标y的整数部分，v表示y的小数部分，a表示横坐标上的权重向量，b表示16个相邻像素点的灰度值矩阵，c表示纵坐标上的权重向量，s即是权重的值。

本发明通过钻孔全井壁成像技术，在钻完孔之后，经过洗孔清孔，将钻孔采集探头下放到孔中，配合利用深度传感器直接采集钻孔孔内壁360度的完整数字图像序列。利用数字图像处理技术，对井下采集的图像序列进行了数字化处理、展开、图像分割、边缘跟踪、拼接并进行3d复原，从而得到完整的岩芯数字化图像。解决了因岩层破碎、孔径过大采取不到岩芯的问题，实现了岩芯的数字化采集。

实施例2

如图9所示，本发明还提供了一种岩芯数字化采集方法，其实现方法如下：

s1、将钻孔井下探头放入孔中，并利用深度传感器获取井口滑轮的转动角度；

s2、根据所述转动角度，利用摄像头通过锥形反光镜摄取钻孔内壁360度的数字图像序列；

s3、利用插值加权方法对所述数字图像序列进行处理，并将处理后的图像进行3d复原，得到岩芯数字化图像，完成对岩芯的数据化采集。

本实施例中，展开及插值原理如下图7所示，从图7可以看到孔壁在锥形镜上投影，孔径为，但锥形镜的顶部半径为，而底部半径为，展开后形成矩形图像，矩形的上底（也即拍摄区域的顶部）宽度为，而下底（也即拍摄区域的底部）的宽度为，均需要插值得到实际宽度为的像素值。

本实施例中，采用三次插值，输出像素的值为输入图像种距离它最近的4×4邻域内采样电像素值的加权平均值，三次插值使用多项式逼近理论上的最佳插值函数。多项式如下：

式中的是周围像素沿x方向于远点的距离，代求像素的灰度值由其周围16个点的灰度值加权插值得到，计算公式如下：

其中，表示待求像素点的灰度值，i表示待求像素点的横坐标x的整数部分，u表示x的小数部分，j表示待求像素点的纵坐标y的整数部分，v表示y的小数部分，a表示横坐标上的权重向量，b表示16个相邻像素点的灰度值矩阵，c表示纵坐标上的权重向量，s即是权重的值。

本实施例中，图像采集方式分“定时采集”和“计数采集”两种方式：

（1）定时采集方式：是由时钟信号控制，通过设置时间间隔参数，使得每隔一定的时间，计时信号控制程序自动完成图像采集。定时采集方式是以测井速度来控制采集图像的拼接，速度控制不准确，将会引起孔壁信息的丢失或重复，影响孔壁完整图像的拼接。定时采集方式适用于数控伺服电机类绞车工作。

（2）计数采集方式：是一种用深度控制采集图像的方式。精确的测井深度计数控制器，通过接口与计算机通话，按一定的步长深度控制图像采集，并实现孔壁图像的准确拼接。

本实施例中，本发明通过钻孔全井壁成像技术，在钻完孔之后，经过洗孔清孔，将钻孔采集探头下放到孔中，配合利用深度传感器直接采集钻孔孔内壁360度的完整数字图像序列。利用数字图像处理技术，对井下采集的图像序列进行了数字化处理、展开、图像分割、边缘跟踪、拼接并进行3d复原，从而得到完整的岩芯数字化图像，其效果如下图10-图13所示，图10为实际采集的孔壁展开图，图11为实际采集的旋转3d岩芯图，图12为3d复原后的孔壁展开图，图13为3d复原后的旋转3d岩芯图。

本发明通过以上设计，解决了因岩层破碎、孔径过大采取不到岩芯的问题，实现了岩芯的数字化采集。