國產(chǎn)巖心光譜掃描儀CMS350A數(shù)據(jù)預(yù)處理技術(shù)

蒙亞平， 杜培軍， 李二珠， 張 浩， 徐志剛

(南京大學(xué)江蘇省地理信息技術(shù)重點實驗室,南京 210023)

國產(chǎn)巖心光譜掃描儀CMS350A數(shù)據(jù)預(yù)處理技術(shù)

蒙亞平， 杜培軍， 李二珠， 張 浩， 徐志剛

(南京大學(xué)江蘇省地理信息技術(shù)重點實驗室,南京 210023)

巖心高光譜編錄是目前深度挖掘地質(zhì)資料、實現(xiàn)地質(zhì)找礦突破的有效支持技術(shù)之一。該技術(shù)實現(xiàn)了高光譜遙感礦物識別優(yōu)勢與鉆探技術(shù)深部巖層采樣特點的結(jié)合。針對國家重大科學(xué)儀器設(shè)備開發(fā)專項“巖心光譜掃描儀研發(fā)與產(chǎn)業(yè)化”支持研發(fā)的國內(nèi)首臺巖心光譜掃描儀CMS350A數(shù)據(jù)采集機理和獲取的巖心圖像及光譜數(shù)據(jù)的特點，對巖心光譜掃描數(shù)據(jù)預(yù)處理方法開展研究，提出了基于標(biāo)準(zhǔn)板的巖心掃描圖像增強方法、圖譜分析結(jié)合的干擾光譜識別和校正技術(shù)及巖心自動提取和拼接模型，實現(xiàn)了對巖心光譜掃描數(shù)據(jù)的實時、可靠處理，為后期巖心光譜分析、理化參數(shù)反演和礦物分析等工作奠定了基礎(chǔ)。

巖心光譜掃描儀； 圖像增強； 巖心抽取； 巖心拼接； 光譜校正

0 引言

能源和礦產(chǎn)是支撐現(xiàn)代社會發(fā)展的重要資源，是國家重要的戰(zhàn)略資源。能源和礦產(chǎn)安全對國家經(jīng)濟和社會發(fā)展具有重要意義。自1999年新一輪國土資源大調(diào)查開展以來，快速發(fā)展的多平臺、多傳感器、多分辨率、主/被動、多/高光譜對地觀測技術(shù)被引入地質(zhì)勘查工作，使我國遙感地質(zhì)勘查技術(shù)取得了顯著進步。目前，我國已經(jīng)逐步形成了“星―空―地―地下”的立體勘查技術(shù)體系[1-2]。遙感技術(shù)因其宏觀性、綜合性、多尺度及多層次等特點，已成為地質(zhì)研究和地質(zhì)勘查不可缺少的技術(shù)手段。特別是高光譜遙感，使遙感地質(zhì)工作發(fā)生了由宏觀探測到微觀探測，由定性解譯到定量反演的質(zhì)的飛躍。利用高光譜遙感技術(shù)可獲取地質(zhì)體的構(gòu)造產(chǎn)狀、反演礦物豐度和成分、建立遙感找礦模型，將遙感地質(zhì)研究和應(yīng)用推向了一個新的高度[3]。然而，遙感技術(shù)只能對地表以及淺層的地質(zhì)現(xiàn)象進行觀測，不能觀測地下深處的地質(zhì)現(xiàn)象。隨著礦產(chǎn)勘查工作的深入，勘查難度越來越大，成本越來越高，勘查方向已由地表轉(zhuǎn)向深部勘查，傳統(tǒng)高光譜遙感技術(shù)難以勝任這項觀測任務(wù)。面對新的挑戰(zhàn)，在國內(nèi)外已有眾多研究，先后提出了“玻璃地球”[4]、“光譜地殼”[5]等計劃，將高光譜技術(shù)和鉆探技術(shù)結(jié)合起來，以提高深部找礦的能力。

在眾多礦產(chǎn)資源勘探技術(shù)中，鉆探技術(shù)從地下取出實物巖礦樣品，可有效服務(wù)于資源勘探、國家重大科學(xué)工程、地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警及治理等工作[6]。巖心是地質(zhì)勘查和能源礦產(chǎn)資源勘探等工作的第一手資料。為了解決巖心易風(fēng)化損毀、海量巖心數(shù)據(jù)編錄負擔(dān)重、巖心管理和應(yīng)用數(shù)字化水平不高等一系列問題，研究人員逐漸引入了巖心數(shù)字圖像采集[7]、巖心數(shù)據(jù)庫[8]及高光譜巖心編錄[9-10]等技術(shù)。巖心光譜掃描儀是目前國際上最先進的高光譜巖心編錄技術(shù)，綜合運用了數(shù)字圖像和光譜掃描技術(shù)，利用光譜儀測量巖心在一定波長范圍內(nèi)的反射波譜特征，定量識別礦物成分； 同時又通過巖心的快速掃描獲得高精度成像數(shù)據(jù)，實現(xiàn)了巖心的圖譜合一。國外對巖心光譜掃描儀的研發(fā)已有成功案例，如澳大利亞聯(lián)邦科學(xué)與工業(yè)研究組織設(shè)計制作的HyLogger巖心掃描儀系統(tǒng)，由HyLogger巖心掃描儀和光譜地質(zhì)分析軟件(the spectral geologist，TSG)組成，可實現(xiàn)巖心礦物的現(xiàn)場快速掃描分析。國內(nèi)對高光譜巖心編錄技術(shù)已有一些研究，但對巖心光譜掃描儀的研發(fā)工作一直滯后于應(yīng)用需求。

由中國地質(zhì)調(diào)查局南京調(diào)查中心承擔(dān)的國家重大科學(xué)儀器設(shè)備開發(fā)專項“巖心光譜掃描儀研發(fā)與產(chǎn)業(yè)化”，研制了具有自主知識產(chǎn)權(quán)的巖心光譜掃描儀。目前研發(fā)的巖心光譜掃描儀CMS350A(以下簡稱CMS350A)已經(jīng)達到了生產(chǎn)需要的技術(shù)指標(biāo)[11]。不同于常見的巖心圖像采集需要利用線陣相機將巖心的外表面掃描一周[12]，CMS350A所掃描的對象是固定的巖心，采用步進的方式進行巖心掃描，得到的是一系列巖心側(cè)面的正射掃描圖像，因而克服了掃描儀運動的影響，提高了圖像的精度。然而，因巖心本身的特點以及巖心光譜掃描儀的工作方式，導(dǎo)致巖心掃描原始數(shù)據(jù)中的圖像、光譜以及其他信息均以文件方式存在，失去了巖心的連續(xù)變化特點； 巖心掃描圖像因掃描環(huán)境中光源分布不均而出現(xiàn)局部失真，導(dǎo)致獲取的巖心掃描光譜也存在一定的偏差，不便于后續(xù)分析和應(yīng)用。因此有必要構(gòu)建一套適合CMS350A掃描數(shù)據(jù)的預(yù)處理技術(shù)，為巖心數(shù)據(jù)的后續(xù)使用和分析提供基礎(chǔ)方法支撐。本文基于CMS350A的特點，在 Visual Studio 2008平臺上，研究巖心光譜掃描數(shù)據(jù)預(yù)處理技術(shù)方法，提出了有效的巖心掃描圖像校正、巖心提取和拼接及干擾光譜校正方法，并在OpenCV2.44圖形庫函數(shù)支持下實現(xiàn)了軟件模塊的研發(fā)。

1 CMS350A及其原始數(shù)據(jù)

CMS350A以獨立工作的光譜儀和高清數(shù)碼相機分別獲取觀測范圍內(nèi)被測物體的光譜曲線和圖像，通過二者的匹配，實現(xiàn)巖心空間和光譜信息的編錄。巖心光譜掃描儀分為2個模塊： ①平臺模塊，主要是搭載巖心盤，并實現(xiàn)X/Y方向的移動； ②儀器設(shè)備支架，用于搭載儀器測量設(shè)備及照明系統(tǒng)(圖1)。

圖1 巖心光譜掃描儀Fig.1 Core spectral scanner

巖心掃描的流程為從巖心的右上角開始到左下角結(jié)束沿巖心盤縱向進行掃描，當(dāng)達到底部時，向左偏移1個巖心盤格子的位置，繼續(xù)從右上到左下掃描，直至掃描完整個巖心盤。

巖心成像采用面陣彩色相機，采集步長為10 cm，圖像大小為1 600像元×1 200像元，數(shù)據(jù)保存格式為JPEG格式，掃描速度為30 幀/s，采取IP通訊。巖心光譜掃描儀提供聚四氯乙烯標(biāo)準(zhǔn)板，分為標(biāo)準(zhǔn)白板和標(biāo)準(zhǔn)黑板。理想的標(biāo)準(zhǔn)白板是完全反射漫射體，反射率為100%； 理想的標(biāo)準(zhǔn)黑板是絕對黑體表面，反射率為0[13]。

CMS350A采用小型化可見光—近紅外(VNIR)和短波紅外(SWIR)成像光譜儀，巖心光譜掃描數(shù)據(jù)被重采樣為1 nm光譜分辨率，對應(yīng)的光譜采集掃描步長為5 cm，數(shù)據(jù)保存格式為ASCII碼。2臺光譜儀的技術(shù)參數(shù)詳見表1。

表1 CMS350A采用的小型化VNIR和SWIR成像光譜儀技術(shù)參數(shù)Tab.1 Technical parameters of small VNIR and SWIR imaging spectrometers used in CMS350A

2 巖心圖像增強

CMS350A采用面陣彩色相機獲取巖心圖像，但因受相機光敏單元的響應(yīng)差異、光照的不均勻性和各光敏單元的暗電流及偏置等影響，容易導(dǎo)致圖像曝光不均勻、局部曝光過度或不足等問題。巖心圖像外觀失真的現(xiàn)象不利于使用者對巖心的直觀認識，也會對后續(xù)利用計算機進行巖心分析(如計算巖石質(zhì)量指數(shù)、孔隙率和紋理分析等)產(chǎn)生不利影響。因此，對巖心數(shù)據(jù)預(yù)處理的第一步就是對巖心圖像進行增強。研究表明，在HSV彩色空間中對亮度通道進行處理，比在RGB彩色空間中更具優(yōu)勢，更適合圖像增強和校正[14]。因此，本文選擇在HSV彩色空間中對亮度通道進行處理。為了驗證和尋找能適應(yīng)復(fù)雜光照環(huán)境的巖心圖像增強方法，選擇強光照射和弱光照射的真實巖心掃描圖像各1組(圖2(a)―(d)和圖2(i)―(l)分別為典型代表圖像)進行試驗。每組圖像為1個巖心盤的所有掃描圖像(每盤為80幀圖像)。圖2(a)中巖心受強光照射影響，其掃描圖像的亮度值整體被高估(圖2(e))，圖像中原本反射率低的暗斑和背景與高亮度的巖心對比度減小，圖像識別度降低； 圖2(i)中巖心主體顏色為暗色調(diào)，表面有亮斑，但是因光照太弱，圖像整體亮度被低估(圖2(m))，巖心表面亮斑不能清晰辨識。

(a) 原圖像1(b) 圖像1直方圖均衡化(c) 圖像1同態(tài)濾波 (d) 圖像1標(biāo)準(zhǔn)板校正

(e) 原圖像1亮度分布(f) 圖像1直方圖均衡化亮度分布 (g) 圖像1同態(tài)濾波亮度分布 (h) 圖像1標(biāo)準(zhǔn)板校正亮度分布

(i) 原圖像2(j) 圖像2直方圖均衡化(k) 圖像2同態(tài)濾波 (l) 圖像2標(biāo)準(zhǔn)板校正

(m) 原圖像2亮度分布(n) 圖像2直方圖均衡化亮度分布(o) 圖像2同態(tài)濾波亮度分布 (p) 圖像2標(biāo)準(zhǔn)板校正亮度分布

圖2不同方法校正圖像結(jié)果對比

Fig.2Comparisonofimagesmodificatedresultsbydifferentmethods

2.1 圖像增強常用方法

圖像增強的目的是減弱光照對圖像生成的乘性噪聲影響，同時保留物體的反射特性對圖像生成的影響。直方圖均衡化是目前常見的圖像增強方法之一，通過對灰度級累計概率分布的線性映射實現(xiàn)對灰度級的調(diào)整，方法簡單、快速、有效，在圖像增強中得到廣泛應(yīng)用； 其缺點是對處理的數(shù)據(jù)不加選擇，可能會增加背景噪聲的對比度而降低有用信號的對比度，如圖2(b)和圖2(j)所示。利用直方圖均衡化進行圖像校正，圖像亮度被高估和被低估的問題都能得到一定程度的解決，亮度值的分布具有層次性(如圖2(f)和圖2(n)所示)，提升了部分細節(jié)的辨識度。但在增強圖像信息的同時，也增強了背景噪聲，圖2(a)中較暗的圖斑和圖2(i)中的亮圖斑仍不能得到清晰的顯示，巖心圖像的整體色調(diào)也與真實巖心表面存在差異[15]。

另一種比較常見的方法是同態(tài)濾波。同態(tài)濾波是基于一個簡單的亮度成像模型，能夠在頻率域中結(jié)合傅里葉變換和高通濾波器，壓縮圖像亮度范圍并增強圖像對比度的方法[16-18]，對消除強光照射造成的圖像噪聲有良好效果。如圖2(c)和圖2(g)所示，圖像的細節(jié)信息得到了增強，巖心表面的一些暗色圖斑能夠得到直接顯示。但是，同態(tài)濾波的效果取決于對應(yīng)高通濾波器的參數(shù)設(shè)置，同一個參數(shù)對于不同光照環(huán)境造成的噪聲處理效果也不同，如圖2(k)和圖2(o)所示，相同的高通濾波器參數(shù)在校正弱光照射的掃描圖像時，會因同態(tài)濾波具有抑制低頻能量的作用導(dǎo)致信息大量丟失，校正后亮度值集中在0附近。巖心掃描工作環(huán)境的光照條件復(fù)雜多變，對參數(shù)依賴較高的同態(tài)濾波器不能有效應(yīng)對這種復(fù)雜情況。

2.2 基于標(biāo)準(zhǔn)板的巖心圖像增強

目前被廣泛認可的成像原理可用圖像亮度成像模型表達，即

f(x,y)=i(x,y)r(x,y),

(1)

式中f(x,y),i(x,y)和r(x,y)分別為坐標(biāo)點(x,y)處的亮度函數(shù)、入射光的量和反射光與入射光的比率。r(x,y)由被照射物體的特性決定[16]。

圖3(a)—(c)分別示出在強光照射、弱光照射和正常光照射情況下，光照條件對成像過程中圖像亮度的影響。

(a) 強光照射 (b) 弱光照射 (c) 正常情況

圖3不同光源照射下物體亮度偏差示意圖

Fig.3Brightnessbiasofobjectsunderdifferentintensitylightconditions

圖3中，S為某一強度的光源；wb表示理想光照狀態(tài)下物體的亮度投射面；w，b和o分別表示理想光照狀態(tài)下標(biāo)準(zhǔn)白板亮度值1、標(biāo)準(zhǔn)黑板亮度值0和被照射物體的亮度；WB表示在實際工作中光照狀態(tài)下亮度投射面；W，B和O則分別表示實際工作狀態(tài)下標(biāo)準(zhǔn)白板、標(biāo)準(zhǔn)黑板和被照射物體的掃描亮度。

依據(jù)數(shù)據(jù)特點，提出了在HSV彩色空間中進行的標(biāo)準(zhǔn)板校正方法。該方法是將巖心圖像的亮度與同一光照條件下標(biāo)準(zhǔn)板成像的亮度進行對比，通過線性縮放，削減光照函數(shù)i(x,y)的乘性噪聲影響，從而實現(xiàn)對圖像的校正。如圖3所示，光照環(huán)境對成像的影響比較復(fù)雜，實際成像亮度投射面相比理想狀態(tài)的亮度投射面有不同程度的縮放，但被照射物體的亮度與標(biāo)準(zhǔn)板亮度的比值卻是不變的，這由被照射材料的反射特征決定而不受光照的影響，即

(2)

因此，可以得到利用標(biāo)準(zhǔn)白板和標(biāo)準(zhǔn)黑板校正圖像的方法，即

φo=α(Mo-Mb)，

(3)

(4)

式中：Mo為待校正圖像亮度；Mw為在同等條件下的標(biāo)準(zhǔn)白板圖像亮度；Mb為相應(yīng)條件下標(biāo)準(zhǔn)黑板掃描圖像亮度；φs為理想狀態(tài)下標(biāo)準(zhǔn)白板的反射率；φo為經(jīng)過標(biāo)準(zhǔn)板校正的反射率。

用本文提出的基于標(biāo)準(zhǔn)板校正方法對強光照射導(dǎo)致巖心圖像失真(圖2(a))進行校正的結(jié)果(圖2(d))表明，該方法提高了圖像中的暗斑和背景框的辨識度，削減了強光照射的乘性噪聲，解決了強光照射導(dǎo)致圖像亮度被整體高估的問題(圖2(h))。用本文提出的方法對弱光照射導(dǎo)致巖心圖像失真(圖2(i))進行圖像校正的結(jié)果如圖2(l)所示，相比原圖像的亮度有一定提升，圖像中的亮斑和紋理信息也能夠清晰識別，圖像亮度整體被低估的問題得到了一定程度的解決(圖2(p))。

對比圖2中各種巖心圖像增強的方法可以看出，本文提出的方法能夠適應(yīng)多種復(fù)雜光照環(huán)境，相比直方圖均衡化能更有效地去除乘性噪聲、增強圖像有用信息的對比度而不會增強噪聲的對比度(圖2(b)和圖2(j))； 相比同態(tài)濾波不會丟失低頻信息(圖2(c)和圖2(k)), 且不受參數(shù)設(shè)定的限制，具有更高的魯棒性和普適性。

3 干擾光譜識別與校正

不同的礦物擁有不同的反射光譜特征。通過光譜分析，對巖石的掃描光譜進行處理，分析礦物組成及其品位等各種信息，再根據(jù)巖心位置確定不同礦物在不同深度的分布，就可以實現(xiàn)對蝕變成礦的物理、化學(xué)條件及其時空變化的定性和定量研究[19]。

CMS350A的光譜分辨率在VNIR和SWIR波段分別達到了4 nm和10 nm，通過插值處理可獲得光譜分辨率為1 nm的光譜文件； 標(biāo)準(zhǔn)板測試和巖心盤測試中的信噪比在SWIR譜段分別達到600∶1和400∶1，能夠滿足巖心高光譜編錄的光譜分辨率和信噪比要求[11]。但在巖心掃描過程中，一些不可避免的因素會形成干擾光譜，導(dǎo)致巖心掃描光譜不能真實反映掃描部位的巖心光譜特征。干擾光譜的形成因素主要有： ①被掃描區(qū)域位于巖心盤的邊框處(圖4(a))； ②掃描區(qū)域的巖心因自然或者人為原因造成斷裂，導(dǎo)致存在巖心空白區(qū)(圖4(b))； ③掃描區(qū)域存在大量紅色顏料的編號涂層(圖4(c))。因素①和②導(dǎo)致掃描光譜中混入了巖心框背景木板的反射光譜，而因素③導(dǎo)致掃描光譜實際為紅色顏料涂層與巖心的混合光譜，會對后續(xù)的巖石礦物光譜分析造成干擾，因此需要在圖像信息支持下，對干擾光譜進行識別和校正。

(a) 邊框干擾 (b) 巖心斷裂缺失 (c) 顏料涂層干擾

圖4造成巖心掃描干擾光譜的原因

Fig.4Reasonscausinginterferencespectrumofcorescanning

3.1 干擾光譜識別

干擾光譜檢測是通過計算光譜掃描視場內(nèi)巖心覆蓋面積比例的大小來實現(xiàn)的，當(dāng)面積比例低于一定閾值，則判定該處的掃描光譜為干擾光譜。該方法需要解決如何提取巖心覆蓋區(qū)域和如何計算巖心覆蓋區(qū)域面積比這2個核心問題。

3.1.1 巖心覆蓋區(qū)域提取

經(jīng)過大量測試和分析，發(fā)現(xiàn)可以用式(5)有效提取巖心覆蓋區(qū)域，即

CA=B/R，

(5)

式中：CA為提取巖心覆蓋區(qū)域的比值圖像；B和R分別為巖心掃描圖像藍光和紅光通道亮度值。

如圖5所示，用式(5)提取的結(jié)果中，巖心覆蓋區(qū)域呈高亮度值，而紅色顏料涂層覆蓋和巖心缺失的區(qū)域則呈低亮度值。通過對多個巖心盤的圖像進行試驗，得到經(jīng)驗閾值t，即

t=min(mean,0.4)，

(6)

式中：mean為比值圖像CA均值； 0.4為經(jīng)驗常數(shù)。

(a) 巖心覆蓋區(qū)充滿視域 (b) CA均值誤判結(jié)果 (c) 經(jīng)驗常數(shù)0.4提取的巖心

圖5閾值分割效果

Fig.5Resultsofthresholdsegmentation

在巖心覆蓋區(qū)域并沒有充滿整個視域時，以CA圖像的均值作為閾值進行圖像分割，能夠很好地提取巖心覆蓋區(qū)域； 而當(dāng)巖心覆蓋區(qū)域幾乎充滿視域時(圖5(a))，用CA的均值則只能提取巖心表面亮度較高的部分，而將亮度較低部分歸為背景，從而產(chǎn)生誤判(圖 5(b))； 但是，選擇經(jīng)驗常數(shù)0.4可以很好地提取巖心幾乎覆蓋整個視域時的巖心覆蓋區(qū)域(圖 5(c))。采取閾值選擇策略，能夠應(yīng)對幾乎所有用來試驗的巖心盤掃描圖像。

3.1.2 巖心覆蓋區(qū)域面積比計算

巖心直徑和掃描步長均為5 cm，因此設(shè)定巖心光譜有效掃描區(qū)域為與巖心等寬的正方形(圖6紅色方框)，面積為As； 有效掃描區(qū)內(nèi)巖心覆蓋的面積為Ac。利用式(7)計算巖心覆蓋面積比φ，即

φ=Ac/As。

(7)

當(dāng)φ<1/2時，則判定該區(qū)域的掃描光譜為非巖心掃描光譜，需要進行校正。圖6(b)中的A區(qū)屬于正常掃描區(qū)域； 而B區(qū)屬于非正常區(qū)域，對應(yīng)的掃描光譜需要進行校正。

(a) 巖心圖像 (b) 巖心覆蓋區(qū)

圖6干擾光譜檢測區(qū)

Fig.6Interferencespectrumdetectionandmodificationarea

3.2 干擾光譜校正

根據(jù)地理學(xué)第一定律“任何事物都相關(guān)，只是相近的事物關(guān)聯(lián)更緊密”的原理，巖心的巖性分布也符合這一定律，即在一根巖心上，距離越近的2個點的巖石物理、化學(xué)性質(zhì)越相似。基于此原理，本文選擇利用干擾光譜前、后鄰近位置的掃描光譜近似表示該處的巖心掃描光譜。CMS350A的光譜掃描步長為5 cm，在地質(zhì)現(xiàn)象中，這是一個非常鄰近的距離，所以利用這種方法來校正干擾光譜具有非常高的可行性和可信度。與巖心掃描圖像處理方式不同，光譜重建是按步進視場順序進行的，本文選擇直接按照光譜掃描順序，利用掃描光譜的后一個掃描光譜來校正該處掃描光譜。光譜校正前、后的效果如圖7所示。圖6(b)中的A區(qū)為正常區(qū)域，不需要進行光譜校正，所以校正前(圖7(a))與校正后(圖7(b))的光譜是一致的； 圖6(b)中的B區(qū)為巖心的邊框覆蓋區(qū)域，該處的掃描光譜呈現(xiàn)低反射率(圖7(c))，與該處前、后位置的巖石高反射率特征差異巨大； 該處前一個掃描位置的巖心反射率(圖7(a))和后一個掃描位置的巖心反射率(圖7(c))非常不同，故對后一個位置的巖心反射率進行校正，得到校正的巖心反射率(圖7(d))。

(a) A區(qū)校正前光譜 (b) A區(qū)校正后光譜 (c) B區(qū)校正前光譜 (d) B區(qū)校正后光譜

圖7檢測區(qū)校正前后結(jié)果

Fig.7Resultsofdetedionandmodification

4 巖心圖像提取與增強

4.1 巖心圖像提取

在1幀巖心掃描圖像中，巖心呈近似矩形的形狀，縱向貫穿整幀圖像，其余部分為巖心盤邊框、間隙以及其他格子的巖心。這些信息不僅增加了數(shù)據(jù)存儲空間，同時會對后續(xù)的計算機自動化分析巖心造成干擾(圖8(a))。

(a) 巖心掃描圖像(b) 巖心提取結(jié)果

圖8巖心圖像提取示意圖

Fig.8Diagramofcoreimageextraction

巖心提取是從原掃描圖像中識別并裁剪巖心覆蓋的矩形區(qū)域(如圖8(a)中紅色方框范圍內(nèi))； 由于巖心縱向貫穿圖像，高度是固定的； 但巖心掃描平臺在工作過程中因巖心盤或者鏡頭輕微位移等導(dǎo)致巖心在圖像中的橫向位置是不確定的，因此確定了巖心左、右邊界的位置也就確定了巖心覆蓋的矩形區(qū)域。本文采用基于光譜角的方法來確定矩形的左、右邊界，即

(8)

式中：a和b分別為同一行中任意2個相鄰的像元RGB這3個通道像素值構(gòu)成的向量；a×b為2個向量的內(nèi)積； |a||b|為向量模長的乘積； cos〈a,b〉為2個向量夾角的余弦值。

通過2個相鄰特征向量的夾角(即2個像元的差異大小)判斷這2個像元的位置是否位于邊界處。此外，巖心掃描圖像會產(chǎn)生局部形變，導(dǎo)致巖心覆蓋區(qū)域不是規(guī)則的矩形，其左、右2邊界會有輕微的彎曲和傾斜； 因此，求巖心的左、右2邊界要通過分別計算每一行中巖心的左、右2邊界位置并求均值來確定巖心從何處進行分割。巖心提取結(jié)果如圖8(b)所示。

4.2 巖心圖像拼接

巖心本身的特點和巖心的存儲與掃描方式?jīng)Q定了巖心圖像具有非常鮮明的特征： 每個巖心待提取的范圍位于巖心圖像縱向中線附近，覆蓋范圍近似矩形； 相鄰2幀圖像中巖心的寬度基本一致，且?guī)r心中線與圖像中線幾乎平行。上述特征提供了另一個思路來進行圖像配準(zhǔn)，即無需在相鄰2幀圖像中尋找大量的同名點，只需要找出每2幀相鄰圖像中巖心的中線，然后將每一幀巖心圖像中線與融合圖像中線重合，即可完成對待拼接圖像的近似配準(zhǔn)。尋找?guī)r心的中線位置是利用式(8)計算的光譜角來實現(xiàn)的： 從巖心掃描圖像的中間位置向2側(cè)遍歷，采用角度分割算法分別求出巖心在掃描圖像的左、右邊界位置，然后用左、右邊界的均值作為巖心的中線位置。圖9示出利用該方法進行3幀巖心圖像(圖9(a)—(c))匹配的效果，圖中紅線為中線位置，通過中線匹配實現(xiàn)圖像配準(zhǔn)和拼接(圖9(d))。

(a) 巖心提取結(jié)果1 (b) 巖心提取結(jié)果2(c) 巖心提取結(jié)果3

(d)巖心拼接結(jié)果圖9 利用中線匹配法進行巖心圖像配準(zhǔn)和拼接Fig.9 Core image matching and mosaicing using center line matching method

上述方法回避了傳統(tǒng)拼接方法要求每2幀待拼接圖像之間必須有同名點的條件[20-22]。從拼接結(jié)果來看，該方法的匹配效果可以體現(xiàn)巖心連續(xù)變化的特點，同時能夠較好地顯示巖心原有的外觀； 更重要的是，用該方法進行圖像匹配快速高效，對巖心圖像這類數(shù)據(jù)量非常大而拼接結(jié)果并不需要完全精確的圖像拼接任務(wù)，具有良好的適用性和較高的工作效率。

5 數(shù)據(jù)預(yù)處理軟件開發(fā)

基于Visual Studio 2008平臺，在OpenCV2.44圖形庫函數(shù)支持下，實現(xiàn)了巖心光譜掃描儀數(shù)據(jù)預(yù)處理軟件模塊的研發(fā)。該軟件包括基本數(shù)據(jù)處理、巖心掃描圖像校正、巖心掃描光譜校正和巖心數(shù)據(jù)查詢4個主要模塊(圖10)。

圖10 CMS350A預(yù)處理軟件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.10 Architecture of CMS350A preprocessing software system

該預(yù)處理軟件的任務(wù)是處理海量的巖心掃描數(shù)據(jù)，在保證數(shù)據(jù)處理結(jié)果準(zhǔn)確性的同時，加強了自動化處理能力； 軟件運行中的文件尋址和命名，以及大部分參數(shù)獲取和設(shè)置工作均由軟件系統(tǒng)自主完成； 同時，該軟件具有一鍵預(yù)處理功能，可自主完成整個預(yù)處理流程，大大降低了人力成本。目前該軟件開發(fā)已經(jīng)完成，運行穩(wěn)定。

6 結(jié)論

本文針對CMS350A獲取的巖心掃描數(shù)據(jù)特點，結(jié)合生產(chǎn)實際需要，對巖心掃描數(shù)據(jù)的預(yù)處理方法展開研究，得到以下結(jié)論：

1)基于標(biāo)準(zhǔn)板的巖心圖像增強方法原理簡單、可操作性強，既能消除光照造成的乘性噪聲，又能應(yīng)對巖心掃描工作中遇到的復(fù)雜多變的光照環(huán)境。

2)通過計算光譜掃描視場內(nèi)巖心覆蓋面積比例的大小來識別干擾光譜，具有較強的可操作性； 結(jié)合“空間相似性”原理、利用鄰近點的掃描光譜替換干擾光譜，可有效進行干擾光譜校正。

3)基于光譜角法的自動提取方法能夠快速、高效地提取巖心掃描邊界。利用光譜角法與中線匹配相結(jié)合的方法能夠快速、有效地進行巖心圖像配準(zhǔn)和拼接，能夠解決巖心圖像匹配中相鄰圖像之間同名點過少或者沒有同名點的問題，具有一定的實用價值。

4)采用的巖心掃描數(shù)據(jù)預(yù)處理方法具有一定的前、后操作順序： 巖心提取和拼接是基于圖像增強結(jié)果進行的，通過圖像增強可以提高巖心提取和拼接的精度； 而光譜校正是基于巖心提取結(jié)果進行的，通過文件編號進行定位，并不受巖心圖像拼接結(jié)果的影響。

5)基于Visual Studio 2008平臺，在OpenCV2.44圖形庫函數(shù)支持下開發(fā)的巖心光譜掃描儀數(shù)據(jù)預(yù)處理軟件系統(tǒng)，提高了巖心光譜掃描全流程的自動化處理能力和工作效率。

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DatapreprocessingmethodsofdomesticcorespectralscannerCMS350A

MENG Yaping， DU Peijun， LI Erzhu， ZHANG Hao， XU Zhigang

(JiangsuProvincialKeyLaboratoryofGeographicInformationScienceandTechnology，NanjingUniversity，Nanjing210023，China)

Hyperspectrum logging of core is one of the effective techniques for excavating geological data deeply and making a breakthrough in geological prospecting. Using hyperspectral remote sensing technology and deep rock sampling based on drilling technology has the advantages of mineral recognition. The first core scanner CMS350A in China has been developed successfully through the special project of national great scientific instruments and equipment, namely “development and marketing of core spectral scanner”. In consideration of the data collecting mechanism and characteristics of acquired core images and spectra by the scanner, the authors focused on developing the data preprocessing methods for the core image and spectrum data. A radiation correction method based on standard plate was developed for core scanning image, an interference spectrum detection and modification technology was proposed, and a model for automatic core image extraction and mosaicking was created to accurately process the data in time. These methods constitute the basis for core spectrum analysis, physic-chemical parameters inversion, and mineral analysis in future.

core spectral scanner； image enhancement； core extraction； core mosaic； spectrum modification

10.6046/gtzyyg.2017.04.12

蒙亞平,杜培軍,李二珠,等.國產(chǎn)巖心光譜掃描儀CMS350A數(shù)據(jù)預(yù)處理技術(shù)[J].國土資源遙感,2017,29(4)：73-81.(Meng Y P,Du P J,Li E J,et al.Data preprocessing methods of domestic core spectral scanner CMS350A[J].Remote Sensing for Land and Resources,2017,29(4)：73-81.)

TP 79

A

1001-070X(2017)04-0073-09

2016-03-25；

2016-05-26

國家重大科學(xué)儀器設(shè)備開發(fā)專項項目“巖心光譜掃描儀研發(fā)與產(chǎn)業(yè)化”(編號： 2012YQ05025004)資助。

蒙亞平(1991-)，男，碩士研究生，主要研究方向為遙感地學(xué)分析。Email： ypmengnju@126.com。

(責(zé)任編輯：李瑜)