曹 敏, 楊 璽, 畢志周, 張林山, 張長(zhǎng)勝, 李 川

(1.云南電網(wǎng)有限責(zé)任公司電力科學(xué)研究院,云南 昆明 650217；2.昆明理工大學(xué) 信息工程與自動(dòng)化學(xué)院,云南 昆明 650500)

視電阻率等值線圖水體區(qū)域自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)

曹 敏1, 楊 璽2, 畢志周1, 張林山1, 張長(zhǎng)勝2, 李 川2

(1.云南電網(wǎng)有限責(zé)任公司電力科學(xué)研究院,云南 昆明 650217；2.昆明理工大學(xué) 信息工程與自動(dòng)化學(xué)院,云南 昆明 650500)

為了實(shí)現(xiàn)對(duì)視電阻率等值線圖中的疑似水體區(qū)域進(jìn)行識(shí)別，開(kāi)發(fā)了一種基于不規(guī)則三角網(wǎng)(TIN)等值線填充與OpenCV輪廓提取對(duì)各個(gè)水體區(qū)域進(jìn)行涂色與識(shí)別的系統(tǒng)，改進(jìn)了等值線填色過(guò)程，并根據(jù)提取的水體區(qū)域輪廓拓?fù)潢P(guān)系樹(shù)，計(jì)算各個(gè)區(qū)域面積，給出區(qū)域在圖像中的具體位置。通過(guò)對(duì)自動(dòng)識(shí)別結(jié)果與人工識(shí)別結(jié)果的對(duì)比，驗(yàn)證系統(tǒng)的實(shí)用性，說(shuō)明系統(tǒng)能夠快速準(zhǔn)確地識(shí)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(shí)別系統(tǒng)

0 引 言

變電站基礎(chǔ)設(shè)施在建設(shè)過(guò)程中需詳細(xì)分析建設(shè)點(diǎn)的地質(zhì)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(shè)施帶來(lái)不安全因素的地質(zhì)特征需要進(jìn)行超前探測(cè)，并且進(jìn)行位置與大小的判別對(duì)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(cè)水體區(qū)域，且對(duì)視電阻率等值線圖呈現(xiàn)出的水體狀態(tài)與位置需要人工標(biāo)記[1～6]，效率較低。本文開(kāi)發(fā)了一種在自動(dòng)生成等值線圖的基礎(chǔ)上計(jì)算出各個(gè)水體區(qū)域的面積與位置的系統(tǒng)，從而達(dá)到自動(dòng)識(shí)別的目的。本系統(tǒng)利用基于Delaunay三角網(wǎng)與線性插值的方法對(duì)探測(cè)得到的離散視電阻率數(shù)據(jù)生成等值線圖[7]，在填色過(guò)程中根據(jù)區(qū)域顏色對(duì)應(yīng)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(duì)識(shí)別出的對(duì)應(yīng)水體視電阻率的低阻區(qū)域進(jìn)行劃分，對(duì)劃分出的各個(gè)區(qū)域進(jìn)行面積計(jì)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(duì)于離散視電阻率的等值線繪制方法已經(jīng)非常成熟，常用的有基于規(guī)則矩形網(wǎng)格(grid)和基于不規(guī)則三角網(wǎng)(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(shí)性上更具有優(yōu)勢(shì)。故本系統(tǒng)采用TIN來(lái)繪制等值線，具體方法參見(jiàn)文獻(xiàn)[7]。

2 視電阻率圖低阻區(qū)域的一次標(biāo)識(shí)

2.1 水體與非水體區(qū)域顏色確定

傳統(tǒng)基于拓?fù)潢P(guān)系[8]、面積大小[9]等方法都可以實(shí)現(xiàn)對(duì)等值線圖的填色。出于效率的考慮，本系統(tǒng)先根據(jù)文獻(xiàn)[10]的算法對(duì)開(kāi)區(qū)域進(jìn)行填充，再按照封閉區(qū)域最左端橫坐標(biāo)從小到大排序的方法確定封閉區(qū)域的填充順序，從而達(dá)到整個(gè)等值線圖的填充。

彩色等值線圖被劃分為n個(gè)等級(jí)，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(shí)別水體區(qū)域，本系統(tǒng)采用RGB(255,255,255)來(lái)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(lái)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(duì)于開(kāi)區(qū)域RO1或RO2，如果為水體區(qū)域，需對(duì)其設(shè)置為RGB(255,255,255)，這時(shí)，如果圖像背景顏色也為RGB(255,255,255)，則區(qū)域RO1或RO2會(huì)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(dāng)對(duì)非水體區(qū)域進(jìn)行置色時(shí)，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(shè)置Fig 1 Setting of contour diagram background color

2.2 水體區(qū)域填色方法

如果一個(gè)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(dāng)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(shí)，標(biāo)記顏色為Color[i+1]和Color[i]的區(qū)域?yàn)樗w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(guān)系Fig 2 Relationship between contour and scope of apparent resistivity

設(shè)區(qū)域R(i)顏色代表視電阻率范圍為[Z(left),Z(right)]，又設(shè)原始離散數(shù)據(jù)點(diǎn)的最小視電阻率值為Z(min)，最大視電阻率值為Z(max)，則當(dāng)R(i)的顏色為Color[0]或Color[n]時(shí)，其視電阻率范圍應(yīng)分別為[Z(left)=Z(min),Z(right)=Z(0)]，[Z(left)=Z(n-1),Z(right)=Z(max)]。根據(jù)圖2所給示例，給出通用的識(shí)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(shí)別

3.1 基于OpenCV的輪廓檢測(cè)與水體區(qū)域輪廓分析

OpenCV是一種開(kāi)源的計(jì)算機(jī)視覺(jué)處理庫(kù)，其中對(duì)于輪廓的識(shí)別函數(shù)cvFindContours可以快速識(shí)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(guān)系拓?fù)錁?shù)。

由2.2節(jié)方法識(shí)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(nèi)部會(huì)有個(gè)別非水體區(qū)域如NRW1,NRW2的存在。在這種情況下，對(duì)水體區(qū)域RW1的實(shí)際面積計(jì)算需減去NRW1和NRW2的面積，即：RealArea(RW1)=Area(RW1)-Area(NRW1)-Area(NRW2)，則對(duì)于水體區(qū)域RW內(nèi)部含有n個(gè)非水體區(qū)域的情況，可以表示為

(2)

圖3 水體區(qū)域內(nèi)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(gè)層次樹(shù)結(jié)構(gòu)。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(jié)構(gòu)，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(guān)系。

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

3.2 水體區(qū)域特征計(jì)算

設(shè)有n個(gè)水體區(qū)域，則計(jì)算每個(gè)水體區(qū)域的實(shí)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(shè)區(qū)域R(k)的輪廓為CR，且CR由m個(gè)點(diǎn)組成，則根據(jù)形心的定義可以對(duì)每個(gè)區(qū)域R(k)的中心位置計(jì)算。在人工識(shí)別時(shí)，往往需對(duì)區(qū)域的左端起始位置xStart與上端起始位置yStart進(jìn)行判別，本系統(tǒng)也給出了具體的自動(dòng)計(jì)算方法：

for(k=1∶n)

{

}

xStart=min(CR(1∶n).x);

yStart=min(CR(1∶n).y).

上述方法計(jì)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(shí)際探測(cè)點(diǎn)跨度寬為cx，地下探測(cè)深度為cy，則在計(jì)算實(shí)際橫斷面中水體區(qū)域的面積還要考慮實(shí)際距離與圖像像素距離的比例問(wèn)題。如果xPropotion= Xpixel/cx，yPropotion= Ypixel/cy，再根據(jù)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(shí) 驗(yàn)

利用有256個(gè)平面空間離散視電阻率的一組數(shù)據(jù)對(duì)本系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)際測(cè)試。首先生成具有16個(gè)等級(jí)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(shè)水體視電阻率范圍為0～139，則在圖5等值線圖基礎(chǔ)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(lái)，結(jié)果如圖6所示。

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

根據(jù)圖6劃分出的水體區(qū)域，結(jié)合3節(jié)給出的方法進(jìn)行面積、中心位置與左上端起始位置計(jì)算，結(jié)果如表1所示?？梢?jiàn)如果由人工來(lái)識(shí)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(shí)別結(jié)果。

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

5 結(jié) 論

視電阻率等值線圖水體區(qū)域自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)改進(jìn)了基于TIN的等值線填色過(guò)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(jié)構(gòu)，計(jì)算了實(shí)際面積、中心位置和左上端起始位置，給出了計(jì)算結(jié)果。經(jīng)過(guò)大量數(shù)據(jù)的實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了本系統(tǒng)在水體等低阻區(qū)域的識(shí)別應(yīng)用中具有較高的效率與準(zhǔn)確性。根據(jù)本系統(tǒng)可以對(duì)任意指定視電阻率值范圍的區(qū)域進(jìn)行識(shí)別，且投入到了實(shí)際應(yīng)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(jí)高級(jí)工程師，云南電網(wǎng)公司一級(jí)技術(shù)專家，研究方向?yàn)橹悄芘潆娋W(wǎng)、電能計(jì)量。