樊 露，陳星明，袁僑坤，朱仕強，莫 超

(西南科技大學 環(huán)境與資源學院，四川 綿陽 621010)

在利用無底柱分段崩落法[1]采礦中，放礦時往往伴隨著礦石貧化的產(chǎn)生。礦石貧化的兩種表示方法，一是廢石混入率，二是礦石貧化率。實際生產(chǎn)過程中，采礦現(xiàn)場很難測定礦石的混入率。一般通過測定廢石體積來推斷廢石混入率，從而達到確定礦石貧化程度的目的。為測定廢石混入率，目前國內(nèi)普遍采用平面照相法，利用CAD圈定出圖像內(nèi)所有廢石輪廓，最后匯總得出廢石面積，這種方法往往工作量較大，并且存在較多的主觀因素，所得結(jié)果的可靠性難以把握，在實際生產(chǎn)過程中影響較大，這種方法要求主觀具有區(qū)分礦石與廢石顏色的能力。

為了使平面照相法更為成熟和完善，本文先用ARCGIS測定法測定廢石混入率，再利用CAD進行對照試驗，兩者互為驗證，旨在以更為快捷合理的方式測定出廢石體積混入率，進而達到測定廢石混入率的目的，也可為礦山處理類似問題提供一種解決思路。

1 ARCGIS測定法

平面照相法[2](亦稱平面攝影法)是近幾年在國內(nèi)外逐步發(fā)展起來的一種測定爆破塊度的新方法，因其所測定的結(jié)果可以反映整個爆堆礦巖的塊度分布情況，所以越來越多的礦山將這種方法運用于測定廢石混入率。具體應(yīng)用方法為首先對爆堆表面，包括初始表面和電鏟挖掘斷面進行拍照，在對爆堆表面進行拍照時，應(yīng)注意拍照距離和拍照角度。拍照距離對照片圖像的比例尺和清晰度有影響，而拍攝角度則是決定照相法能否準確可靠地測定爆堆礦巖塊度的關(guān)鍵因素[3]，然后應(yīng)用軟件對照片圖像進行廢石圈定，通過對圈定的廢石面積計算其廢石體積，并將體積轉(zhuǎn)換為質(zhì)量，最終求得廢石混入率。

1)試驗?zāi)Ｐ?/p>

試驗前先配比廢石質(zhì)量分數(shù)5%、10%、15%、20%的樣品各三組(黑色為礦石，白色為廢石)，攪拌均勻后分別平鋪在30 cm×30 cm框架內(nèi)，確保表面平整，隨機從三組中抽出一個百分比含量的樣品，并分別編號I、II、III和IV，在保證相機垂直于樣品的同時，為模擬地下礦山，考慮顏色變化的影響，盡量在暗光條件下進行拍攝，并對照片廢石含量進行標注，最后對4張圖像運用ARCGIS進行二值化處理，如圖1。

2)圖像二值化處理參數(shù)優(yōu)化

基于ARCGIS將圖像二值化處理，誤差來源有模型誤差、觀測誤差、截斷誤差[4],這里顯然是模型誤差和觀測誤差，具體來說是軟件自身柵格計算方式和所給照片分辨率。以廢石混入率5%為例，所選取像素中斷值為130，如圖2所示。由于是人工選取中斷值，選取過程，受圖片質(zhì)量與格柵的影響，從柵格矢量化形成的面可以看出，選取程度并不是很完全。由于二值化像素值選取存在較大的偶然因素，整個ARCGIS測定過程中，關(guān)鍵在于中斷值的選取，而中斷值的選取除了受照片質(zhì)量的影響(受拍攝角度與拍攝距離的影響)還受軟件自身劃分柵格的影響，故為驗證其中斷值選取的正確與否，可采取將ARCGIS二值化后的模型由柵格數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)向矢量數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)換，進行柵格圖像矢量化。矢量化的目的：一是將掃描獲得的圖像柵格數(shù)據(jù)存入矢量形式的空間數(shù)據(jù)庫；二是將柵格數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)壓縮，將面狀柵格數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為由矢量數(shù)據(jù)表示的多邊形邊界。將柵格矢量先轉(zhuǎn)化成面要素，然后將面要素轉(zhuǎn)化為線要素，再做直觀比較。

圖2 二值化中斷值選取圖Fig.2 Binarization interrupt value selection diagram

以5%廢石混入率樣品為例，將其柵格圖像矢量化最終轉(zhuǎn)化為線要素[3]，可以看出矢量化后線要素模型在廢石周邊含有一些零散的閉合線，如圖3，其出現(xiàn)的原因是因為拍照時光照的影響，軟件將其識別為閉合線，這些零散的閉合線能在一定程度上彌補一些中斷值邊界問題，即那些零散的閉合曲線能在一定程度上彌補類似這張沒有全部選中的情況。同時這些零散的閉合線也是產(chǎn)生誤差的主要原因，故可以通過調(diào)節(jié)中斷值,觀測其柵格圖像矢量化最終轉(zhuǎn)化為線要素，來檢驗中斷值選取是否合理。

3)ARCGIS測定實驗

ARCGIS測定法，即運用ARCGIS空間數(shù)據(jù)的重分類對圖像進行二值化處理，儲存在空間數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)，是提供多種目標服務(wù)的。當需要對特定的數(shù)據(jù)分析時，常常需要先對數(shù)據(jù)庫中提取的數(shù)據(jù)作屬性的重分類和空間圖形的化簡，構(gòu)成圖形新的使用形式。這里實質(zhì)上利用ARCGIS將柵格像素值重分類，即每幅圖都是由若干柵格組成，而像素值則代表了某一柵格平均亮度信息或是平均反射(透射)密度信息。二值化處理即是利用所選取廢石的顏色所對應(yīng)的像素值作為選定基準，其余部分則視為一個整體，將像素值二值化，從而使照片像素顯示為兩種狀態(tài)。二值化具體是根據(jù)線畫圖形-掃描后產(chǎn)生的圖像柵格數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)是按0～255的不同灰度值量度的，設(shè)G(i，j)表示第i行第j列的圖像灰度值，為將這種256級不同的灰度壓縮到2個灰度形成二值圖，即0和1兩級灰度圖，首先要在最大與最小灰度之間定義一個閾值T，則根據(jù)式(1)使圖像二值化。

圖3 柵格矢量線圖Fig.3 Grid vector diagram

(1)

需要說明的是，受拍攝角度與距離影響，圖像與實際環(huán)境可能存在較小的比例尺差異，盡可能做到垂直拍攝[5-6]。而在礦山實際生產(chǎn)過程中，尤其是在地下礦山，放礦過程很難做到垂直拍攝，故拍攝時注意選取適當?shù)膮⒄瘴镒鳛榉直媛实臏y定依據(jù)。二值化結(jié)果如圖1所示。

由于不同照片所選取像素值不同，其原因是因為照片質(zhì)量不一，像素值不同，所以，運用ARCGIS模擬分析，至關(guān)重要的一點，即為對應(yīng)廢石像素值的確定，故本文在選取像素值時，對圖中廢石做了較多的選取圖4，最后取得中間值作為二值化的基準點，其數(shù)據(jù)導出結(jié)果如圖5所示。

圖4 樣品ARCGIS重分類效果圖Fig.4 Reclassification renderings of sample ARCGIS

圖5 樣品ARCGIS重分類導出數(shù)據(jù)圖Fig.5 The reclassified and exported data map of sample ARCGIS

根據(jù)質(zhì)量計算公式，且已知礦石與廢石的密度，廢石面積通過照相法求出，由于試驗在均勻平鋪下進行，故考慮高度為單位高度，由式(2)可知：

(2)

式中：m1—廢石質(zhì)量；m2—礦石質(zhì)量；s1—廢石面積；s2—礦石面積；h1—廢石厚度。h2—礦石厚度；ρ1—廢石密度；ρ2—礦石密度。

表1 ARCGIS測定結(jié)果

由于圖片像素并不一致，導致用ARCGIS軟件讀取圖片信息時，其總面積并不能保持一致，但對試驗結(jié)果并無太大影響。

2 CAD測定法驗證

為驗證ARCGIS測定結(jié)果，利用礦山實際生產(chǎn)中常用的CAD測定法來驗證其可靠性。將用于ARCGIS測定的廢石質(zhì)量分數(shù)5%、10%、15%、20%的樣品圖片，在CAD中圈定其表面積，并分別編號a(1#)、b(2#)、c(3#)和d(4#)，對4張圖像中白色廢石利用CAD圈出其輪廓，如圖6所示。

圖6 CAD圈定后的圖像Fig.6 The image after CAD delineated

在圈出廢石的基礎(chǔ)上，匯總得出廢石面積，并利用公式計算得出廢石混入率。測定結(jié)果見表2。

表2 CAD測定結(jié)果

由表2可知，利用平面照相法，在CAD中圈定，得出結(jié)果與實際結(jié)果偏差并不大，其結(jié)果可信。

3 結(jié)果分析

由前面試驗可知，結(jié)果表明，浸水前照相法在四個不同廢石混入率5%、10%、15%、20%得出結(jié)果分別為：4.58%、10.55%、14.69%、20.05%，在ARCGIS模擬條件下得出廢石混入率分別為：4.50%、11.10%、13.94%、20.11%。分別計算出兩種軟件所得出結(jié)果相對于原始廢石混入率的絕對誤差與相對誤差，計算結(jié)果如表3。

表3 絕對誤差與相對誤差

從表3可以看出，利用CAD測定得出的絕對誤差和相對誤差分別是0.003 325和0.026 938；而ARCGIS測定得出的絕對誤差和相對誤差分別是0.006 925和0.071 550，兩者相差并不大，而且在采礦行業(yè)內(nèi)，相對誤差在10%以下已經(jīng)算是具有非常高的準確度了。此外，由于CAD測定已經(jīng)在業(yè)內(nèi)取得了一定的認可度，而試驗得出結(jié)論CAD和ARCGIS的誤差標準差也十分接近，說明運用ARCGIS可以達到CAD人工圈定的準確度，因此運用ARCGIS測定廢石混入率也應(yīng)被認可。

4 結(jié)論

盡管平面照相法已在礦山實際生產(chǎn)過程中運用多年，相當程度上已被認可，但由于工作量較大，不能及時有效地反饋信息。而利用ARCGIS軟件，可以得出更為精確的數(shù)據(jù)且耗時更短，在礦山實際生產(chǎn)過程中，無疑減少了工作量。綜合以上兩種方法所得數(shù)據(jù)分析，平面照相法ARCGIS重分類處理方法具有以下特點。

1)ARCGIS數(shù)值圖像處理技術(shù)在處理廢石邊緣區(qū)域密集分布和棱角不均勻的部分具有明顯的優(yōu)勢。

2)就整體而言ARCGIS數(shù)值圖像處理技術(shù)具有更可靠的準確度。

3)ARCGIS數(shù)值圖像處理方式得出塊度分布較CAD人工圈定方式工作量更小。

4)由于照片質(zhì)量問題，ARCGIS軟件處理結(jié)果與實際存在一定的偏差。故在實際生產(chǎn)過程中，運用ARCGIS軟件時應(yīng)當選用高質(zhì)量圖片。