钻孔数字全景成像产状提取应用研究_徐洋.pdf

电视技术 第 46 卷第 12 期(总第 565 期)83PARTS&DESIGN器件与设计文献引用格式：徐洋.钻孔数字全景成像产状提取应用研究 J.电视技术，2022，46（12）：83-88.XU Y.Application research on occurrence extraction of borehole digital panoramic imagingJ.Video Engineering，2022，46（12）：83-88.中图分类号：TP311.1 文献标识码：A DOI：10.16280/j.videoe.2022.12.018钻孔数字全景成像产状提取应用研究徐 洋（中国电建集团贵阳勘测设计研究院有限公司，贵州 贵阳 550081）摘要：介绍钻孔数字全景成像测试系统工作原理，分析现阶段测试系统测试确定岩层产状存在的误差和不确定性，提出钻孔数字全景成像产状提取方法，通过从钻孔数字全景成像展布图中读取岩层/裂隙的任意三个点，记录其深度、方位角和钻孔直径，通过向量代数和空间解析几何理论，利用三个不同点确定唯一平面原理，辅以 excel 软件编辑解析公式，计算岩层/裂隙的产状。所提方法解决了特殊地质条件钻孔取芯难、岩心采取率低、地层产状信息参数获取难、地质产状描述不准确等难题，采用钻孔数字全景成像模拟钻孔芯样进行地质产状描述，能更直观、全面、完整地解释地层产状信息，达到了钻孔全景数字成像定量解释的目的。关键词：钻孔数字全景成像；地质产状提取；工程勘查Application Research on Occurrence Extraction of Borehole Digital Panoramic ImagingXU Yang(Power China Guiyang Engineering Co.,Ltd.,Guiyang 550081,China)Abstract:This paper introduces the working principle of the borehole digital panoramic imaging test system,analyzes the errors and uncertainties existing in the current testing system to determine the occurrence of rock stratum,and puts forward the extraction method of borehole digital panoramic imaging occurrence,that is,by reading any three points of rock stratum/fracture from the borehole digital panoramic imaging layout,recording its depth azimuth and borehole diameter,through vector algebra and spatial analytic geometry theory,using three different points to determine the unique plane principle,supplemented by excel software to edit the analytical formula to calculate the occurrence of rock stratum/fracture.It solves the problems of difficult coring in special geological conditions,low core recovery rate,difficult acquisition of formation occurrence information parameters and inaccurate description of geological occurrence.Secondly,it uses borehole digital panoramic imaging to simulate borehole core samples for Geological Occurrence description,which can more intuitively,comprehensively and completely explain the formation occurrence information,and achieve the purpose of quantitative interpretation of borehole panoramic digital imaging.Keywords:borehole digital panoramic imaging;geological occurrence extraction;engineering surveys0 引 言岩层产状是指岩层在空间产出的状态和方位的总称。岩层产状求取是工程地质调查、勘查乃至工程施工不可缺失的一项重要工作。野外调查一般采用地质罗盘进行测量，调查结果较为宏观，对于指导施工存在一定的局限性；勘查、施工阶段一般采地质钻成孔，钻取芯样对地层进行地质编录获取地质信息，若遇软弱夹层、岩溶发育带、空腔、溶洞等，钻孔取芯将难以获取到复杂的地质信息资料1-2。钻孔数字全景成像技术能够解决这一难题，其为解决复杂的地质问题提供了可视化信息，如图 1 所示。作者简介：徐 洋（1984），男，本科，工程师，主要研究方向为水电站工程物探检测。84电视技术 第 46 卷第 12 期(总第 565 期)PARTS&DESIGN器件与设计图 1 岩层产状钻孔成像示意图与钻孔取芯编录相比，钻孔全景数字成像能比较直观、丰富、精确地获取地层信息，且大大缩短施工强度、工期，减少资源投入，对工程勘查、隐蔽工程施工指导及工程验收具有较好的借鉴意义。但通过对现阶段钻孔全景图像测试系统产状提取对比分析得出，系统自带的产状分析功能存在一定误差和人为判读等主观因素。为消除和解决以上难题，本文通过从钻孔成像展布图中读取岩层/裂隙的任意三个点，记录深度、方位角和钻孔直径，辅以 Excel 软件编辑解析公式，利用三个不同点确定唯一平面原理，计算岩层、裂隙的产状，这样能更好地避免测试系统误差，降低人为判读等主观因素影响。该方法提取的产状精度高，对工程勘查及隐蔽工程施工提供准确的地质信息资料起到了关键作用，具有较好的借鉴和推广意义。1 检测原理钻孔成像系统在探头前端安装高清光学摄像头，采用一种锥面反射光学变换，以高亮度、可调节LED 半导体作为成像光源，通过 360钻孔孔壁成像辅以深度计数器及电子方位罗盘沿孔深连续拼接图像，成像是钻孔圆柱面的某一段图像经过锥面反射镜反射成像于锥面反射镜底部的某一平面或近似平面上的图像3，圆柱面经过锥面反射镜变换后形成的全景图像呈圆环状，圆环的内圆表示该段圆柱面的顶面圆，外圆表示该段圆柱面的底面圆，沿着圆环的径向变化反映了钻孔圆柱面的轴向变化4。而圆环边缘的不规则程度或明暗差异则反映出钻孔壁所在处的地质差异，如裂隙、破碎带、空腔、空洞及软弱夹层的分布状况。图像通过处理软件按正北方向展开，转换成为二维平面图像。它为工程提供视觉直观的钻孔资料，便于了解地层的原始形态，包括岩层产状、裂隙发育程度、软弱夹层、灌浆过程中浆液对缝隙的充填情况以及混凝土浇筑质量等，也可以通过处理软件把展开图还原成岩心柱状图，模拟沿钻孔深度范围内的地层原始状态。2 测试研究现阶段测试系统多通过裂隙产状设计一个计算模型，在已知钻孔直径d，通过量取裂隙最高点与最低点至正北方向(N)的距离(x1,x2)，两者之间的垂直高差为 h，求取裂隙倾向和倾角2。该方法存在一定局限性，即倾向、倾角存在多解的可能，人为选择的两个测点只能确定一条线，而不能准确代表裂隙层面，且在岩层面不规则、产状变化较大的情况下，求取的产状不具代表性。本文根据成像展开图，选取三个不在同一直线的点确定唯一平面，即三点位于同一层面上，但又不在一条直线上，三点的方位角、相互水平距离和标高为已知前提条件下，通过空间解析几何求取岩层产状，能更好地解决这一系统求取产状精确度较低的弊端，解决特殊地质条件下取芯难、隐蔽工程地质缺陷产状求取困难等问题。通过对现阶段测试系统产状计算模型对比分析，如图 2 所示，裂隙倾向=(x2/2d)360；倾角多为=tan-1(h/x2-x1)=tan-1(h/d)。电视技术 第 46 卷第 12 期(总第 565 期)85PARTS&DESIGN器件与设计图 2 现阶段系统产状计算示意图3 解决思路对于垂直向下的钻孔，以(r,H,D)来表示钻孔全景数字成像展开图中空间坐标5，其中r为钻孔半径，H为钻孔向下深度，上小下大为正值，D为仪器记录的方位角，以正北为 0=360，顺时针为正，逆时针为负。定义任一平面与钻孔相交，相交的截面上任意取 3 点P1，P2，P3，如图 3 所示，则 3 个 点 的 坐 标 分 别 为P1(r,H1,D1)，P2(r,H2,D2)，P3(r,H3,D3)。图 3 岩层产状示意图以孔口为坐标原点，X轴为正东向 90，Y轴为正北向 0，转换成直角坐标系：()()()()()()111111112222222233333333,sin,cos,sin,cos,sin,cos,P x y zP rD rDHP xyzP rD rDHP xy zP rD rDH=（1）求解平面P1，P2，P3三个点构成的法向量：()12121212,PPxxyyzz=?（2）()13131313,PPxxyy zz=?（3）设向量12PP?和向量13PP?的向量积为?n，符合右手定则的法向量为()23112121312133,11PPPPyyijkxxzzxxzzMiNjLkyyM N L=+=?n（4）M=(y1-y2)(z1-z3)-(y1-y3)(z1-z2)（5）N=(x1-x3)(z1-z2)-(x1-x2)(z1-z3)（6）L=(x1-x2)(y1-y3)-(x1-x3)(y1-y2)（7）该平面相对于水平面的夹角即为岩层的倾角，设为02，则：22222+i+s nMNMNL=（8）122222n+i+sMNMNL=（9）该平面法向量在水平面上的投影所指的方向即为岩层的倾向，设定用角度表示，0,2，则：22in+sMMN=（10）22os+cNMN=（11）222211sincos+MMMNMN=+（12）将按“正北 0-正东 90-正南 180-正西270-正北360”换算成地质描述语言即可。90即为地层的走向。4 解析过程对于垂直向下的钻孔，钻孔成像产状确定步骤分为：图像展开，导入 CAD，在展布图中读取岩层/裂隙平面P1，P2，P3点的深度、方位角和钻孔直径，或直接通过测试系统读取裂隙深度和方位角，辅以Excel 利用解析几何理论求解出岩层/裂隙的走向、倾向、倾角，按方位角或者象限角的表示方法，对岩层/裂隙的产状进行描述。86电视技术 第 46 卷第 12 期(总第 565 期)PARTS&DESIGN器件与设计4.1 图像展开实时采集获取的是孔壁经过锥形镜或曲面镜的环形图像，数据处理中按正北方位展开图像，即按 N E S W N 的顺序展开，通过内圈以图像比例进行插值，使展开的图像成为规则的矩形，便于进行数据处理分析，如图 4 所示。图 4 钻孔成像展开示意图4.2 确定方位角在已知钻孔直径、裂隙发育深度的情况下，以正北 0作为唯一参考坐标，顺时针旋转一周为360、正东 90、正南 180、正西 270、正北360。为确保岩层/裂隙的产状选取不存在人为误差，任意读取的三个测点以岩层/裂隙上边缘或者下边缘为基准，即选取测点在岩