視電阻率等值線圖水體區(qū)域自動識別系統(tǒng)

曹 敏, 楊 璽, 畢志周, 張林山, 張長勝, 李 川

(1.云南電網有限責任公司電力科學研究院,云南 昆明 650217；2.昆明理工大學 信息工程與自動化學院,云南 昆明 650500)

視電阻率等值線圖水體區(qū)域自動識別系統(tǒng)

曹 敏1, 楊 璽2, 畢志周1, 張林山1, 張長勝2, 李 川2

(1.云南電網有限責任公司電力科學研究院,云南 昆明 650217；2.昆明理工大學 信息工程與自動化學院,云南 昆明 650500)

為了實現對視電阻率等值線圖中的疑似水體區(qū)域進行識別，開發(fā)了一種基于不規(guī)則三角網(TIN)等值線填充與OpenCV輪廓提取對各個水體區(qū)域進行涂色與識別的系統(tǒng)，改進了等值線填色過程，并根據提取的水體區(qū)域輪廓拓撲關系樹，計算各個區(qū)域面積，給出區(qū)域在圖像中的具體位置。通過對自動識別結果與人工識別結果的對比，驗證系統(tǒng)的實用性，說明系統(tǒng)能夠快速準確地識別出視電阻率等值線圖的水體區(qū)域。

視電阻率； 等值線圖； 水體區(qū)域； 識別系統(tǒng)

0 引 言

變電站基礎設施在建設過程中需詳細分析建設點的地質條件。像水體(如溶洞充水、破碎帶積水和淺層水)這種能給大型設施帶來不安全因素的地質特征需要進行超前探測，并且進行位置與大小的判別對于變電站工程勘探具有重要意義。

傳統(tǒng)利用瞬變電磁法探測水體區(qū)域，且對視電阻率等值線圖呈現出的水體狀態(tài)與位置需要人工標記[1～6]，效率較低。本文開發(fā)了一種在自動生成等值線圖的基礎上計算出各個水體區(qū)域的面積與位置的系統(tǒng)，從而達到自動識別的目的。本系統(tǒng)利用基于Delaunay三角網與線性插值的方法對探測得到的離散視電阻率數據生成等值線圖[7]，在填色過程中根據區(qū)域顏色對應的視電阻率值分離出水體區(qū)域，基于OpenCV提取區(qū)域輪廓，且對識別出的對應水體視電阻率的低阻區(qū)域進行劃分，對劃分出的各個區(qū)域進行面積計算，并給出區(qū)域分布位置。

1 視電阻率等值線的繪制

目前對于離散視電阻率的等值線繪制方法已經非常成熟，常用的有基于規(guī)則矩形網格(grid)和基于不規(guī)則三角網(triangular irregular network ，TIN)兩種方法?；赥IN的方法在反映視電阻率分布情況的真實性上更具有優(yōu)勢。故本系統(tǒng)采用TIN來繪制等值線，具體方法參見文獻[7]。

2 視電阻率圖低阻區(qū)域的一次標識

2.1 水體與非水體區(qū)域顏色確定

傳統(tǒng)基于拓撲關系[8]、面積大小[9]等方法都可以實現對等值線圖的填色。出于效率的考慮，本系統(tǒng)先根據文獻[10]的算法對開區(qū)域進行填充，再按照封閉區(qū)域最左端橫坐標從小到大排序的方法確定封閉區(qū)域的填充順序，從而達到整個等值線圖的填充。

彩色等值線圖被劃分為n個等級，則有n-1種具有不同屬性值的等值線，且有n種不同的顏色值Color[n]。為了識別水體區(qū)域，本系統(tǒng)采用RGB(255,255,255)來確定水體區(qū)域的顏色，其他區(qū)域的顏色則用RGB(0,0,0)來確定。

如圖1(a)所示，如果等值線圖邊界Contour為不規(guī)則多邊形，對于開區(qū)域RO1或RO2，如果為水體區(qū)域，需對其設置為RGB(255,255,255)，這時，如果圖像背景顏色也為RGB(255,255,255)，則區(qū)域RO1或RO2會被忽略掉。所以，需將圖像背景色置為RGB(0,0,0)，如圖1(b)所示，這樣當對非水體區(qū)域進行置色時，便很好地區(qū)分了水體與非水體區(qū)域。

圖1 等值線圖背景色設置Fig 1 Setting of contour diagram background color

2.2 水體區(qū)域填色方法

如果一個區(qū)域R顏色值為Color[i]，則其視電阻率范圍ZR=[Z(i-1),Z(i)]與水體視電阻率范圍ZW=[Z(d),Z(u)}滿足公式

ZR∩ZW≠?

(1)

則區(qū)域R便為水體區(qū)域。

如圖2所示，當ContourLine[i+1]的視電阻率Z(i+1)大于水體區(qū)域視電阻率上限Z(u)，ContourLine[i-1]的視電阻率Z(i-1)小于水體區(qū)域視電阻率下限Z(d)，ContourLine[i]的視電阻率Z(i)小于Z(u)且大于Z(d)時，標記顏色為Color[i+1]和Color[i]的區(qū)域為水體區(qū)域，且置顏色為RGB(255,255,255)。

圖2 等值線與視電阻率范圍關系Fig 2 Relationship between contour and scope of apparent resistivity

設區(qū)域R(i)顏色代表視電阻率范圍為[Z(left),Z(right)]，又設原始離散數據點的最小視電阻率值為Z(min)，最大視電阻率值為Z(max)，則當R(i)的顏色為Color[0]或Color[n]時，其視電阻率范圍應分別為[Z(left)=Z(min),Z(right)=Z(0)]，[Z(left)=Z(n-1),Z(right)=Z(max)]。根據圖2所給示例，給出通用的識別水體區(qū)域的方法，代碼如下：

if((Z(left)<=Z(u) && Z(left)>=Z(d))‖(Z(right)<=Z(u) && Z(right)>=Z(d))‖(Z(right)>=Z(u) && Z(left)<=Z(d)))

{

Color(R(i))=RGB(255,255,255);

}

else

{

Color(R(i))=RGB(0,0,0);

}

3 水體區(qū)域輪廓識別

3.1 基于OpenCV的輪廓檢測與水體區(qū)域輪廓分析

OpenCV是一種開源的計算機視覺處理庫，其中對于輪廓的識別函數cvFindContours可以快速識別出圖像中的不規(guī)則形狀輪廓，并且可以建立輪廓之間的包含關系拓撲樹。

由2.2節(jié)方法識別出的水體區(qū)域可能存在圖3所示情況，即水體區(qū)域RW1內部會有個別非水體區(qū)域如NRW1,NRW2的存在。在這種情況下，對水體區(qū)域RW1的實際面積計算需減去NRW1和NRW2的面積，即：RealArea(RW1)=Area(RW1)-Area(NRW1)-Area(NRW2)，則對于水體區(qū)域RW內部含有n個非水體區(qū)域的情況，可以表示為

(2)

圖3 水體區(qū)域內部含有非水體區(qū)域示意Fig 3 Diagram of water regions contains non-water regions

cvFindContours可以建立所有輪廓的整個層次樹結構。如圖3所示水體區(qū)域分布，則可以建立如圖4所示輪廓層次結構，反映了等值線圖中水體區(qū)域及其包含的分散非水體區(qū)域的層次關系。

圖4 水體區(qū)域輪廓層次結構Fig 4 Hierarchy of water regions outline

3.2 水體區(qū)域特征計算

設有n個水體區(qū)域，則計算每個水體區(qū)域的實際面積的具體代碼為：

for(k=1∶n)

RealAreaofR(k)=AreaofR(k);

for(t=1∶m)

RealAreaofR(k)=RealAreaofR(k)-SubAreaofR(t);

設區(qū)域R(k)的輪廓為CR，且CR由m個點組成，則根據形心的定義可以對每個區(qū)域R(k)的中心位置計算。在人工識別時，往往需對區(qū)域的左端起始位置xStart與上端起始位置yStart進行判別，本系統(tǒng)也給出了具體的自動計算方法：

for(k=1∶n)

{

}

xStart=min(CR(1∶n).x);

yStart=min(CR(1∶n).y).

上述方法計算出的是水體區(qū)域在等值線圖中的像素面積，如果等值線圖的分辨率為Xpixel×Ypixel，實際探測點跨度寬為cx，地下探測深度為cy，則在計算實際橫斷面中水體區(qū)域的面積還要考慮實際距離與圖像像素距離的比例問題。如果xPropotion= Xpixel/cx，yPropotion= Ypixel/cy，再根據平面比例原則可得：

RealAreaofR(k)=RealAreaofR(k)/xPropotion/yPropotion；

PosofR(k).x=PosofR(k).x /xPropotion；

PosofR(k).y=PosofR(k).y/ yPropotion；

xStart=xStart/ xPropotion；

yStart=yStart/ yPropotion。

4 實 驗

利用有256個平面空間離散視電阻率的一組數據對本系統(tǒng)進行實際測試。首先生成具有16個等級且分辨率為1 024×768的視電阻率等值線圖，如圖5所示。

圖5 彩色視電阻率等值線圖Fig 5 Color contour map of apparent resist

設水體視電阻率范圍為0～139，則在圖5等值線圖基礎上，利用2節(jié)的方法將水體區(qū)域和非水體區(qū)域劃分出來，結果如圖6所示。

圖6 識別出的水體區(qū)域Fig 6 Recognized water regions

根據圖6劃分出的水體區(qū)域，結合3節(jié)給出的方法進行面積、中心位置與左上端起始位置計算，結果如表1所示?？梢娙绻扇斯碜R別圖5生成的等值線圖，水體區(qū)域分布特征也為表1給出的識別結果。

表1 等值線圖中的水體區(qū)域數據Tab 1 Data of water regions in contour map

5 結 論

視電阻率等值線圖水體區(qū)域自動識別系統(tǒng)改進了基于TIN的等值線填色過程，精確劃分了水體與非水體區(qū)域，并且利用OpenCV輪廓提取方法建立了水體區(qū)域與包含的非水體區(qū)域的層次結構，計算了實際面積、中心位置和左上端起始位置，給出了計算結果。經過大量數據的實驗，驗證了本系統(tǒng)在水體等低阻區(qū)域的識別應用中具有較高的效率與準確性。根據本系統(tǒng)可以對任意指定視電阻率值范圍的區(qū)域進行識別，且投入到了實際應用中。

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Automatic identification systems of water regions of apparent resistivity contour maps

CAO Min1, YANG Xi2, BI Zhi-zhou1, ZHANG Lin-shan1, ZHANG Chang-sheng2, LI Chuan2

(1.Yunnan Power Grid Electric Power Research Institute Co Ltd,Kunming 650217,China;2.Faculty of Information Engineering and Automation,Kunming University of Science and Technology,Kunming 650500,China)

In order to identify the suspected water regions of apparent resistivity contour maps,develop a system of filling contour maps based on triangulated irregular network(TIN)and identification of each water regions based on open source computer Vision(OpenCV)outlines extraction,improve contour coloring process,and according to the extracted water area contour topology tree,calculate area of each region,give specific location of area in image.By comparing results of automatic identification with manual identification results,verify practicality of the system,it indicates the system can quickly and accurately identify the water body regions of apparent resistivity contour maps.

apparent resistivity; contour maps; water regions; identification system

10.13873/J.1000—9787(2016)07—0100—03

2015—10—29

TP 391

A

1000—9787(2016)07—0100—03

曹 敏(1961-)，男，山東齊河人，教授級高級工程師，云南電網公司一級技術專家，研究方向為智能配電網、電能計量。