苑舒斌 符耀慶

摘 要：針對(duì)海上平臺(tái)巖屑錄井?dāng)?shù)字圖像實(shí)時(shí)處理、分析和發(fā)布的需要，減少海上平臺(tái)地質(zhì)人員工作強(qiáng)度，保證巖屑采集原始信息的完整性，增強(qiáng)海上和陸地之間信息共享的及時(shí)性，提高分析決策效率，提出了海上平臺(tái)衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)巖屑數(shù)字圖像實(shí)時(shí)處理分析發(fā)布系統(tǒng)的整體架構(gòu)設(shè)計(jì)，包括巖屑數(shù)字圖像分析處理、衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)傳輸和信息集成共享等主要內(nèi)容，通過(guò)系統(tǒng)的建設(shè)和應(yīng)用，很大程度上避免了漏采樣品，并提高了分析效率以及多方信息溝通的能力。

關(guān)鍵詞：巖屑數(shù)字圖像 圖像處理 圖像識(shí)別 圖像壓縮 傳輸策略 信息集成

中圖分類號(hào)：TP39 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2012）12（a）-00-03

在石油勘探領(lǐng)域，巖屑是地質(zhì)人員及時(shí)認(rèn)識(shí)地層巖性和油性的直觀材料，而巖屑錄井是巖屑信息獲取的重要手段。地質(zhì)員按要求每隔一定深度取樣一次，再對(duì)每次取得的原始樣品進(jìn)行篩選、過(guò)濾和清洗后，進(jìn)行顯微鏡下地質(zhì)觀察和定名，并確定取樣深度的巖石類別，求出各類巖屑樣品的質(zhì)量或體積百分比，配合其它錄井資料，繪制井下巖屑地層剖面圖。在巖屑錄井工作中，還要用特定波段的熒光燈照射某些層段的巖屑以激發(fā)出熒光，通過(guò)熒光顏色和強(qiáng)度識(shí)別其含油氣性。巖屑錄井有識(shí)別井下地層巖性和油氣的重要作用，且費(fèi)用少，是油氣勘探中必須進(jìn)行的一項(xiàng)工作。

目前，海上平臺(tái)在進(jìn)行巖屑錄井時(shí)仍采用傳統(tǒng)的技術(shù)和方法，即撈樣、清洗、照相、描述等均由現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)員人工完成。但隨著鉆井技術(shù)的不斷發(fā)展，過(guò)去需要20多d才能鉆完的一口生產(chǎn)井，現(xiàn)在只需要5 d左右，這樣無(wú)疑給取樣和描述工作帶來(lái)了諸多的難題。首先，地質(zhì)員需要在1～2 min內(nèi)完成一次巖屑樣本抽取工作，清洗、照相、描述等后續(xù)工作根本就來(lái)不及完成，因而很容易出現(xiàn)漏采樣本的情況。其次，PDC鉆頭的應(yīng)用，導(dǎo)致巖屑樣本非常細(xì)小，不易觀察和識(shí)別，致使現(xiàn)場(chǎng)描述工作非常困難，出現(xiàn)偏差的情況時(shí)有發(fā)生。同時(shí)由于海上平臺(tái)和陸地之間的信息不同步，地質(zhì)員獲取到的數(shù)字圖像資料和分析結(jié)果無(wú)法及時(shí)地反饋給研究決策人員，造成鉆井過(guò)程中基于巖屑信息的分析決策滯后。針對(duì)以上巖屑錄井工作中存在的問(wèn)題，結(jié)合數(shù)字圖像處理分析技術(shù)以及高適用性的數(shù)據(jù)傳輸策略，將海上采集分析、衛(wèi)星數(shù)據(jù)傳輸、陸上深化應(yīng)用作為一個(gè)有機(jī)整體，進(jìn)行海上平臺(tái)數(shù)字圖像自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和研究。

1 整體的設(shè)計(jì)思路

巖屑數(shù)字圖像自動(dòng)識(shí)別分析系統(tǒng)在設(shè)計(jì)上需要綜合考慮平臺(tái)地質(zhì)員以及陸上研究決策人員對(duì)巖屑錄井信息的管理、監(jiān)控以及應(yīng)用等方面的需求。如圖1所示，平臺(tái)巖屑錄井一般分為圖像采集、圖像儲(chǔ)存、圖像處理分析三個(gè)步驟。首先，通過(guò)使用工業(yè)級(jí)CCD攝像頭對(duì)巖屑進(jìn)行白光掃描和紫外激發(fā)光源下的熒光掃描，獲取巖屑的白光熒光圖像，再通過(guò)傳輸接口保存到服務(wù)器相應(yīng)的文件夾中。系統(tǒng)會(huì)不間斷地對(duì)這些文件夾進(jìn)行檢測(cè)，當(dāng)發(fā)現(xiàn)新的圖像文件后，及時(shí)進(jìn)行處理和分析，并第一時(shí)間將結(jié)果呈現(xiàn)在平臺(tái)地質(zhì)員面前。與此同時(shí)，陸上的分析決策人員也將實(shí)時(shí)捕獲平臺(tái)通過(guò)衛(wèi)星傳送過(guò)來(lái)的巖屑數(shù)字圖像和分析處理數(shù)據(jù)，并可以對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行僅一步分析，最后計(jì)算巖屑目標(biāo)的多項(xiàng)參數(shù)。除了具備海上平臺(tái)分析功能外，陸上可通過(guò)人工方式對(duì)巖屑巖性及含油巖屑發(fā)光特性進(jìn)行識(shí)別，提高識(shí)別的準(zhǔn)確率。最后生成多種統(tǒng)計(jì)報(bào)表，并以直方圖和頻率圖等直觀的方式將信息呈現(xiàn)在決策人員面前。

考慮到同時(shí)進(jìn)行巖屑錄井工作的平臺(tái)可能有多個(gè)以及陸上數(shù)據(jù)集中管理的需要，陸上系統(tǒng)可以同步接受來(lái)自不同平臺(tái)的信息。

圖1 系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)思路

2 巖屑數(shù)字圖像處理分析

圖像自動(dòng)處理與分析無(wú)論在海上還是陸上系統(tǒng)中都是最核心的功能。該功能案工作流程可分為巖屑圖像預(yù)處理、目標(biāo)分割、特征提取和目標(biāo)識(shí)別三個(gè)階段。

為了保證分析結(jié)果的準(zhǔn)確性，系統(tǒng)對(duì)巖屑圖像質(zhì)量有著比較高的要求，主要在清晰度和分辨率兩個(gè)方面。因?yàn)樵谶M(jìn)行圖像采集時(shí)，由于光照條件和巖屑形狀的不同，會(huì)導(dǎo)致掃描時(shí)不同區(qū)域的景深和明暗程度差別很大，從而導(dǎo)致圖像亮度不均勻和模糊失真的情況發(fā)生，這將會(huì)嚴(yán)重影響識(shí)別分析的效果。系統(tǒng)通過(guò)激光測(cè)距和圖像融合技術(shù)解決清晰度問(wèn)題。通過(guò)采用高分辨率掃描儀解決分辨率問(wèn)題，分辨率一般要在10000 dpi以上，這樣當(dāng)圖像在放大100倍之后，巖屑的真實(shí)信息才能反映出來(lái)，尤其是巖屑紋理信息，這是巖屑紋理識(shí)別的重要基礎(chǔ)。

2.1 圖像預(yù)處理

由于巖屑樣品采集使用的工業(yè)級(jí)CCD鏡頭屬于感光器件，在進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換以及電信號(hào)傳輸過(guò)程中難免受到電磁干擾，影響圖像質(zhì)量，這樣就需要在分析之前進(jìn)行圖像的預(yù)處理，以達(dá)到降噪的目的。

本系統(tǒng)通過(guò)采用陰影校正、噪聲去除、對(duì)比度增強(qiáng)和邊界增強(qiáng)等方法，實(shí)現(xiàn)圖像質(zhì)量的改善。陰影校正是通過(guò)直方圖均衡的方法在進(jìn)行灰度轉(zhuǎn)換時(shí)處理光照不均或曝光不足的現(xiàn)象。對(duì)于噪聲的處理，主要是通過(guò)圖像平滑、高斯濾波和中值濾波來(lái)完成。通過(guò)圖像平滑方式降噪，系統(tǒng)提供了鄰域平均法、頻域低通濾波法和多圖像平均法。在對(duì)圖像進(jìn)行平滑時(shí)要注意對(duì)圖像邊緣的保護(hù)，避免平滑造成的邊緣信息的損失。對(duì)比度增強(qiáng)采用了自乘增強(qiáng)、自動(dòng)平衡、直方圖均衡等方法來(lái)實(shí)現(xiàn)，可以明顯提高圖像視覺效果。

對(duì)于通過(guò)上述方法仍無(wú)法消除的一些小的目標(biāo)或目標(biāo)上的孔洞，系統(tǒng)使用小孔去除或填充的方法進(jìn)行處理，以減少這些孔洞對(duì)分析結(jié)果的影響。

2.2 圖像目標(biāo)分割

本系統(tǒng)采用的是結(jié)構(gòu)化的分割方法，首先將預(yù)處理過(guò)的巖屑數(shù)字圖像進(jìn)行灰度變換（如圖2所示），在通過(guò)灰度拉伸增強(qiáng)圖像的灰度對(duì)比度，使目標(biāo)和背景更容易區(qū)分出來(lái)，再對(duì)灰度圖像進(jìn)行閾值分割。

這里我們使用多閾值分割方法，主要是因?yàn)閹r屑圖像不同目標(biāo)之間的灰度級(jí)別可能相差很大，屬于多目標(biāo)分割范疇。通過(guò)OTSU多閾值分割算法，可以將巖屑數(shù)字圖像分為若干個(gè)子圖像，每個(gè)子圖像的灰度級(jí)別都在一定范圍內(nèi)且不重合。在應(yīng)用中，多閾值分割很好地將目標(biāo)和背景分離出來(lái)（如圖3所示）。

但是閾值分割只能將目標(biāo)和背景分離開來(lái)，卻無(wú)法將粘連在一起的目標(biāo)區(qū)域分開，既有可能將多個(gè)連接在一起的目標(biāo)當(dāng)成一個(gè)目標(biāo)進(jìn)行識(shí)別分析。為了解決這一問(wèn)題，系統(tǒng)對(duì)每一個(gè)閾值分割出來(lái)的子圖像中粘連不是很嚴(yán)重的目標(biāo)通過(guò)分水嶺算法進(jìn)行處理，對(duì)粘連比較嚴(yán)重的目標(biāo)通過(guò)邊緣檢測(cè)的方法進(jìn)行處理，比如roberts算子、laplace算子、hough算子等等。然后再將多幅子圖像拼接成一個(gè)完整的圖像。

通過(guò)目標(biāo)分割實(shí)現(xiàn)了巖屑目標(biāo)與圖像背景以及不同巖屑目標(biāo)之間的分離，從而提取出若干個(gè)具有相似特征的目標(biāo)區(qū)域，為進(jìn)一步的目標(biāo)識(shí)別做好準(zhǔn)備。

2.3 巖屑特征提取及識(shí)別

目標(biāo)特征是進(jìn)行目標(biāo)識(shí)別的基礎(chǔ)，一般可以分為自然特征和人工特征，前者有目標(biāo)顏色、亮度、紋理和輪廓等，而后者多指人為加工和變換后的特征，比如直方圖和頻譜等。

由于采集出來(lái)的巖屑樣本大多是灰色和黑色的，尤其是濕樣，不同巖屑的顏色都很接近，很難通過(guò)色彩來(lái)進(jìn)行區(qū)分。所以本系統(tǒng)將巖屑紋理作為主要的巖屑特征，并通過(guò)其對(duì)不同巖屑進(jìn)行識(shí)別。

系統(tǒng)通過(guò)統(tǒng)計(jì)方法對(duì)巖屑紋理進(jìn)行描述。直方圖是統(tǒng)計(jì)方法中最基本的方法，尤其適用于自然紋理。直方圖包括灰度直方圖、灰度水平差分直方圖、灰度和差直方圖以及灰度共生矩陣，系統(tǒng)會(huì)根據(jù)事先設(shè)定好的參數(shù)對(duì)巖屑目標(biāo)進(jìn)行某一類直方圖的統(tǒng)計(jì)，并求出相應(yīng)的數(shù)學(xué)統(tǒng)計(jì)量特征。如表1所示，顯示7類巖屑的6種統(tǒng)計(jì)量特征。

這里需要說(shuō)明的是，并不是每一個(gè)直方圖的每一個(gè)統(tǒng)計(jì)量特征均能作為巖屑目標(biāo)識(shí)別的依據(jù)，只能通過(guò)大量的實(shí)驗(yàn)，找出不同巖性在統(tǒng)計(jì)特征上的變化規(guī)律，從而制定出合理的識(shí)別方法。比如經(jīng)過(guò)500個(gè)樣品的試驗(yàn)，繪制出全部四個(gè)直方圖的30個(gè)統(tǒng)計(jì)特征量的統(tǒng)計(jì)曲線和相互重疊的概率分布表，便可以快速地分清哪些特征值適用于區(qū)分哪些巖屑。通過(guò)實(shí)驗(yàn)，灰色白云質(zhì)泥巖、綠灰色含膏泥巖、灰色石膏質(zhì)泥巖可以通過(guò)灰度和差直方圖的均值、方差、相關(guān)度和熵與砂巖區(qū)分開，而其它的泥巖則無(wú)法通過(guò)這些統(tǒng)計(jì)量特征進(jìn)行區(qū)分。由此可見，巖屑識(shí)別的工作重點(diǎn)不單單在于研究巖屑特征的提取，還需要進(jìn)行大量的實(shí)驗(yàn)，對(duì)特征值以及巖屑之間相互關(guān)系進(jìn)行分析。

目前，系統(tǒng)知識(shí)庫(kù)所包含的巖屑圖像數(shù)據(jù)主要來(lái)自于南海鉆井平臺(tái)，這些數(shù)據(jù)是否適應(yīng)渤海、黃海、東海和北海的地質(zhì)環(huán)境還需要進(jìn)一步研究和驗(yàn)證。

3 衛(wèi)星傳輸設(shè)計(jì)

3.1 數(shù)據(jù)傳輸策略

海上和陸上的信息傳輸是通過(guò)衛(wèi)星來(lái)完成的，傳輸?shù)臄?shù)據(jù)類型主要有分析處理數(shù)據(jù)和巖屑數(shù)字圖像兩類，前者信息量較小，而后者信息量往往較大，瞬間的傳輸峰值有可能超出帶寬的限制。為了不影響海上平臺(tái)正常的生產(chǎn)作業(yè)，同時(shí)在有需要的時(shí)候?qū)崿F(xiàn)海陸信息共享，系統(tǒng)在傳輸策略上支持實(shí)時(shí)傳輸、定時(shí)傳輸和適時(shí)傳輸三種方法。

除了上述的數(shù)據(jù)傳輸策略外，系統(tǒng)還支持有選擇地?cái)?shù)據(jù)傳輸。陸上決策人員比較關(guān)心含油巖屑的圖像信息，而通過(guò)初步分析往往能夠判定巖屑是否含油，系統(tǒng)可以根據(jù)設(shè)定將含油豐度滿足一定條件的巖屑圖像傳輸回陸地，以便決策人員進(jìn)行進(jìn)一步的分析處理。

3.2 圖像壓縮

對(duì)10 cm×10 cm的盛樣皿進(jìn)行10000 dpi的巖屑掃描時(shí)，生成的jpg圖像大小一般會(huì)超過(guò)100 M，硬件系統(tǒng)每半分鐘會(huì)采集一幅白光圖像和一幅熒光圖像，直接傳輸對(duì)帶寬的占用非常大。為了解決這一問(wèn)題，系統(tǒng)采用了一種高效的圖像壓縮算法，首先對(duì)圖像進(jìn)行色彩空間轉(zhuǎn)換，從RGB格式轉(zhuǎn)換成格式，再經(jīng)過(guò)塔式小波變換-量化-熵編碼等操作，完成圖像的壓縮。

反之，進(jìn)行上述操作的逆操作可以實(shí)現(xiàn)對(duì)壓縮圖像的解壓。通過(guò)應(yīng)用，當(dāng)壓縮比為48∶1時(shí)，經(jīng)壓縮算法處理過(guò)的圖像質(zhì)量幾乎沒有受到影響，能滿足進(jìn)一步分析處理的需要，并大大降低了衛(wèi)星流量。

3.3 數(shù)據(jù)同步

多個(gè)平臺(tái)子系統(tǒng)與主服務(wù)器之間的數(shù)據(jù)同步是通過(guò)多線程技術(shù)和多數(shù)據(jù)庫(kù)同步技術(shù)實(shí)現(xiàn)的。前者適用于圖像文件的傳輸，并需要在發(fā)送端執(zhí)行傳輸主程序，在接收端執(zhí)行監(jiān)聽主程序和會(huì)話主程序。相應(yīng)的程序調(diào)度與執(zhí)行是通過(guò)系統(tǒng)的作業(yè)調(diào)度模塊來(lái)完成的，具有較好的靈活性。圖像的識(shí)別分析結(jié)果均存儲(chǔ)在SQL Server數(shù)據(jù)庫(kù)中，子數(shù)據(jù)源與主數(shù)據(jù)源的數(shù)據(jù)同步采用SQL Server事務(wù)復(fù)制方式。

4 網(wǎng)絡(luò)共享平臺(tái)設(shè)計(jì)

4.1 信息集成

巖屑錄井是獲取第一手地址資料的重要手段，但并不是唯一的手段。其中測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)對(duì)鉆井工作也有很重要的指導(dǎo)意義。為了讓決策人員更全面地了解這些信息，系統(tǒng)在巖屑錄井信息的基礎(chǔ)上集成了隨鉆決策系統(tǒng)中的測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)，包括自然伽瑪、自然電位、微電極、電阻率、井陘、中子孔、體積密度、聲波時(shí)差等。集成方式是通過(guò)在隨鉆決策系統(tǒng)中發(fā)布相應(yīng)的Web Service接口實(shí)現(xiàn)的。同時(shí)本系統(tǒng)也提供了多種數(shù)據(jù)共享接口，包括按層級(jí)及深度讀取圖像及分析數(shù)據(jù)接口、按井讀取熒光豐度曲線接口等，實(shí)現(xiàn)方式也是web服務(wù)。

4.2 前臺(tái)功能設(shè)計(jì)

如圖4所示，網(wǎng)絡(luò)共享平臺(tái)由三部分組成：數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、信息發(fā)布和系統(tǒng)管理。首先平臺(tái)通過(guò)多渠道收集存儲(chǔ)了包括數(shù)字圖像、分析處理數(shù)據(jù)和外部集成數(shù)據(jù)在內(nèi)的對(duì)分析決策有幫助的各類數(shù)據(jù)，是信息發(fā)布的數(shù)據(jù)來(lái)源。而信息發(fā)布通過(guò)對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行不同角度的組織，構(gòu)建了基于井信息的圖像展示、曲線繪制、報(bào)告瀏覽、多井對(duì)比和綜合評(píng)價(jià)等功能，方便研究人員從不同方面觀察了解巖屑錄井信息以及多信息綜合應(yīng)用情況。平臺(tái)還提供了知識(shí)管理功能，逐步將全部錄井?dāng)?shù)據(jù)和評(píng)價(jià)結(jié)果納入到知識(shí)管理體系中來(lái)，形成綜合錄井知識(shí)庫(kù)，為今后的查詢、瀏覽和應(yīng)用提供方便。除此之外，平臺(tái)通過(guò)多層級(jí)的用戶授權(quán)機(jī)制和日志記錄機(jī)制，保障平臺(tái)安全運(yùn)行。

5 結(jié)語(yǔ)

海上平臺(tái)巖屑數(shù)字圖像自動(dòng)識(shí)別分析系統(tǒng)在研究、設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)過(guò)程中充分考慮了海陸工作人員的巖屑錄井需求，并很好地與自動(dòng)采樣掃描硬件系統(tǒng)銜接起來(lái)，是在海上平臺(tái)錄井工作自動(dòng)化和智能化研究領(lǐng)域的一次具有創(chuàng)新性的探索，對(duì)今后在陸上和海上進(jìn)行大規(guī)模的自動(dòng)化錄井工作提供了有價(jià)值的借鑒和參考。

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