نشریه زمین شناسی مهندسی، جلد هشتم، شمارۀ 3 پاییز 9313 1732

تعیین ویژگیهای هندسه ناپیوستگیها با استفاده از تکنیک های پردازش تصویر دیجیتال
علیرضا یاراحمدی، سلیمان کاک ممی، جواد غلام نژاد*، محمدتقی صادقی، مجید مبینی؛ دانشگاه یزد
تاريخ: دريافت 7/3/19 پذيرش 6/8/12چکیده
1268732149348

Downloaded from jeg.khu.ac.ir at 11:36 IRST on Saturday October 28th 2017

Downloaded from jeg.khu.ac.ir at 11:36 IRST on Saturday October 28th 2017

اندازهگیری درجای هندسه ناپیوستگیها در تودههای سنگی به روش دستی غالباغالباً فرآیندی کند و خطرناک است. هم چنین در بسیاری از موارد قسمت بزرگی از رخنمون سنگ دور از دسترس است. بنا بر این دست یابی به روشی سریع و ایمن برای به دست آوردن پارامترهای هندسی ناپیوستگیها ضرورت دارد. برای این منظور، تکنیکهای توسعه یافته در حوزۀ پردازش تصاویر دیجیتال بسیار کارآمد و مفید هستند. از مزایای این روش نسبت به روشهای دستی میتوان به ایمنی بیش تر، سرعت بیش تر، توانایی برداشت تمامی درزهها و رخ دادن خطای کم تر در به دست آوردن دادهها اشاره کرد. در این روش با توجه به میزان اختلاف سطح خاکستری ناپیوستگیها با زمینۀ رخساره، ناپیوستگیهای موجود در رخساره سنگ آشکارسازی شده و بعضی از پارامترهای هندسی ناپیوستگیها به دست میآیند. مراحل سیستم آنالیز خودکار هندسه ناپیوستگیها شامل: 9. تهیۀ عکس از جبهه کار، 2. اعمال پیشپردازش بر روی تصاویر، 3. آشکارسازی لبهها با آشکارساز کنی، 4. توصیف لبهها با استفاده از آشکارساز خط با تبدیل هاف، 5. تخمین دسته درزهها با استفاده از روشهای فازی و 6.
به دست آوردن خصوصیات توده سنگ است. این مراحل در نرمافزار مطلب کد نویسی شدهاند به طوری که بعضی از پارامترهای هندسی ناپیوستگیها نظیر: فاصلهداری، چگالی درزهداری خطی، تداوم، زاویۀ اثر درزهها و RQD به صورت خودکار به دست میآیند. در این مقاله روش پردازش تصویر دیجیتالی برای تعیین مقادیر پارامترهای هندسی ناپیوستگیها بر روی توده ای ماسه سنگی انجام گرفته است. نتایج این روش روی تودۀ ماسه سنگی نشان میدهد که این رخساره دارای سه دسته درزه غالب به ترتیب با زوایای اثر 7، 55 و 955 درجه اند.
واژه های کلیدی: هندسه ناپیوستگیها، پردازش تصویر دیجیتال، آشکارساز کنی، تبدیل هاف، روشهای فازی.
نرمافزار مطلب.
1981454-2683

[email protected] نويسنده مسئول *
مقدمه
تأثیر ناپیوستگیهای موجود در تودۀ سنگ بر ویژگیهای مهندسی سنگ به مراتب بیش از نقشی است که مادۀ سنگ در این مورد دارد. دلیل اصلی بررسی درزهها این است که درزهها ،تودۀ سنگ را به نواحی مختلفی تقسیم میکنند به طوری که لغزش میتواند در امتداد سطوح درزه رخ دهد. درزهها هم چنین مسیری را برای نفوذ سیال به داخل تودۀ سنگ فراهم میآورند.
1268732149348

Downloaded from jeg.khu.ac.ir at 11:36 IRST on Saturday October 28th 2017

Downloaded from jeg.khu.ac.ir at 11:36 IRST on Saturday October 28th 2017

در بررسی پایداری دیوارههای سنگی و انواع ریزشها، هندسۀ ناپیوستگیها و وضعیت قرارگیری آن ها نسبت به یک دیگر اهمیت به سزایی دارد. میتوان گفت که اگر در مهندسی خاک مقاومت مکانیکی تودۀ خاکی در درجۀ اول اهمیت قرار دارد، در پایداری تودۀ سنگ وجود ناپیوستگیها در سنگ نقش اصلی را ایفا میکند ]9[. بنا بر این دست یابی به اطلاعاتی در خصوص ساختار تودۀ سنگ )مانند جهتیابی، بازشدگی، شرایط سطح و تداوم ناپیوستگی ها( برای طراحی بهینه در مسایل مهندسی سنگ و رفتار مکانیکی تودۀ سنگ ضرورت دارد. هدف اصلی در این مقاله به دست آوردن زوایای اثر ناپیوستگیها و تعیین برخی از خصوصیات هندسی ناپیوستگیها نظیر فاصلهداری و تداوم در صفحه عکسهای دیجیتالی است که از رخساره سنگ گرفته شدهاند. پردازش تصاویر دیجیتالی با برنامهای که در نرم افزار مطلب توسط مؤلفان به منظور آشکارسازی درزهها نوشته شده است، صورت میگیرد. مقادیر زوایای اثر ناپیوستگیها مستقل از جهتداری رخساره و زاویۀ دوربین است و صرفاًصرفا در صفحه تصویر اندازهگیری میشوند9.
تاریخچۀ استفاده از تصاویر دیجیتالی در معدنکاری به چندین سال قبل برمیگردد. در سال
9176 مک کارتر2 از عکسهای تهیه شده از یک شیروانی سنگی در یک معدن روباز به منظور تعیین موقعیت ساختارهای زمین شناسی استفاده کرد ]2[. پردازش تصویر دیجیتالی به طور موفقیتآمیزی نیز در مکانیک سنگ به کار گرفته شده است. برای مثال رید و هریسن3 از یک سری تکنیکهای پردازش تصویر برای تعیین هندسۀ ناپیوستگی از سطح سنگ استفاده کردند
-63245247650

.]3[
9. مؤلف در کارهای اخیر با توجه به روابط ریاضی بین مقادیر زاویه اثر درزهها در دو بعد با خصوصیات سه بعدی درزهها، جهتداری رخساره و زاویۀ دوربین، شیب و جهت شیب درزهها را به دست آورده است.
2. McCarter 3. Reid and Harrison
1737
لی و تام از تکنیکی دوگانه برای آنالیز تصویر سنگ گرانیت هنگ کنگ استفاده کردند و مراحل شکست و رفتار ترک خوردگی نمونههای گرانیت را تحت فشار یک محوره نشان دادند ]4[، ]5[.
1268732149348

Downloaded from jeg.khu.ac.ir at 11:36 IRST on Saturday October 28th 2017

Downloaded from jeg.khu.ac.ir at 11:36 IRST on Saturday October 28th 2017

برای تعیین ویژگیهای هندسه ناپیوستگیها با استفاده از تصاویر دیجیتالی، ابتدا با دوربینی مناسب از رخنمون سنگ عکسبرداری میشود. برای آشکارسازی درزهها تصاویر باید با دوربین دیجیتالی با دقت 4 مگاپیکسل به بالا گرفته شوند ]6[. در این پژوهش از دوربین کانن با دقت 7 مگاپیکسل استفاده شده است. در ادامه عملیاتهای پیش پردازش و آشکارسازی لبه برای نمایش اثر ناپیوستگیها و عوارض مورد نظر روی آن صورت میگیرد. برای تعیین دسته درزههای غالب میتوان از روشهای فازی استفاده کرد. در نهایت با استفاده از نتایج به دست آمده، شناسنامه درزههای موجود در تودۀ سنگ را میتوان استخراج و تودۀ سنگ را توصیف کرد. در مرحلۀ توصیف تودۀ سنگ، اطلاعاتی از هندسه ناپیوستگیها نظیر زاویۀ اثر ،فاصله داری ،چگالی درزهداری و تداوم ناپیوستگیها به دست آمده و شاخص کیفیت سنگ (RQD)، در هر راستای دل خواه مشخص میشود.
2. انواع روشهای تعیین ويژگیهای هندسی ناپیوستگیها
اندازهگیری هندسه ناپیوستگیها از رخنمون سنگ به طورکلی به سه روش 9. دستی 2. تکنیکهای پردازش تصویر و 3. روش لیزری انجام میشود. امروزه روشهای دستی متداول ترین روش برداشت ناپیوستگیها به شمار میرود. در این روش برداشت ناپیوستگیها به صورت درجا و با استفاده از وسایلی نظیر کمپاس، متر نواری و پروفیلمتر صورت میگیرد.
برداشت درزهها در این به دو صورت پیمایش خطی )اسکن لاین( و برداشت پنجرهای انجام میشود. برداشت درزهها به روش معمول مشکل و اغلب ناقص است. این پیمایشها به ندرت بر اساس یک اصول منظم در عملیات معدن کاری به کار میروند و به دلایلی نامطلوب هستند: اول این که رخنمون سنگ بلافاصله بعد از آتشباری فاقد سیستم نگه داری است و اغلب مکان پرخطری است. دوم این که قسمت بزرگی از رخنمون سنگ ممکن است دور از دسترس باشد، سوم این که اندازهگیری به روش دستی یک فرایند وقتگیر است و چهارم این که برداشت
1268732149348

Downloaded from jeg.khu.ac.ir at 11:36 IRST on Saturday October 28th 2017

Downloaded from jeg.khu.ac.ir at 11:36 IRST on Saturday October 28th 2017

تمامی درزهها با روش دستی امکان پذیر نیست ]6[، ]7[. در تکنیکهای پردازش تصاویر دیجیتالی ناپیوستگیها در یک تصویر به صورت مرز بین دو ناحیه با سطح خاکستری متفاوت توصیف میشوند. بررسی چگونگی تغییرات سطح خاکستری در تصویر، اساس آشکارسازهای لبه در پردازش تصویر به شمار میرود. در این روش با حداقل کردن دخالت کاربر، ضمن غلبه بر محدودیتهای روش دستی، روشی سریع، کامل، و مؤثر برای تعیین پارامترهای هندسه درزهها فراهم میسازد و چشماندازی سریع برای شناسایی و آنالیز هندسه ناپیوستگیها ارائه میدهد ]8[. روش لیزری: در روش پردازش تصویر دیجیتالی به کمک اطلاعات به دست آمده از زوایای اثر شکستگیها در تصاویر دیجیتالی دوبعدی، جهتداری درزهها با روشهای آماری و بهینهسازی در سه بعد تخمین زده میشود اما در رخسارههایی که اثر درزهها مشخص نباشد روش پردازش تصویر کارساز نیست و استفاده از پیمایش لیزری در این زمینه ،جهت داری درزهها را به صورت خودکار به دست می دهد. به همین دلیل با وجود سهولت و عدم نیاز به تجهیزات گرانبها در روش پردازش تصویر، در پژوهش های اخیر از تلفیق روشهای پردازش تصویر دیجیتالی و پیمایش لیزری برای تعیین جهتداری درزهها استفاده شده است ]1[.
سیستم خودکار آنالیز هندسه ناپیوستگیها به روش پردازش تصوير ديجیتال مراحل کار سیستم آنالیز خودکار هندسه ناپیوستگیها عبارت است از:
9. تهیۀ عکس دیجیتال از جبهۀ کار
پیش پردازش تصاویر اخذ شده
آشکارسازی اثر ناپیوستگیها یا لبهها
توصیف اثر ناپیوستگیها )لبهها( با استفاده از تبدیل هاف
طبقهبندی درزهها به کمک روشهای فازی
به دست آوردن خصوصیات تودۀ سنگ شامل: زاویۀ اثر ناپیوستگیها، فاصلهداری ،چگالی درزهداری خطی، تداوم و RQD
در زیر این مراحل به همراه یک مورد مطالعاتی تشریح میشوند.

1732
1-2. روش تهیۀ عکس ديجیتال از جبهۀ کار
1268732149348

Downloaded from jeg.khu.ac.ir at 11:36 IRST on Saturday October 28th 2017

Downloaded from jeg.khu.ac.ir at 11:36 IRST on Saturday October 28th 2017

ورودی برنامه نوشته شده در نرمافزار مطلب برای آشکارسازی درزهها، تصاویر دیجیتالیاز رخنمون سنگ هستند که با دوربین دیجیتال کانن با دقت 7 مگاپیکسل گرفته شدهاند. اگرچه تصویر گرفته شده با دوربینهای دیجیتال، معمولاً رنگی است اما از تصویر معادل سطح خاکستری آن که ماتریسی از مقادیر سطوح خاکستری پیکسلها است، برای سهولت در پردازش استفاده می کنیم. مقادیر این سطوح بین 0 تا 255 در مقیاس خاکستری است. یکی از نکات بسیار مهم در هنگام عکسبرداری، این است که روشنایی محیط تصویربرداری حتی الامکان مطلوب باشد. در چنین شرایطی، مقادیر سطح خاکستری پیکسلهای مربوط به ناپیوستگیها متفاوت از زمینه تصویر خواهد بود. روشنایی نامناسب میتواند سبب ایجاد سایه و درخشندگی زیاد شده و فرایند استخراج اطلاعات مورد نیاز را با مشکل مواجه کند. روشنایی پراکنده بهترین نوع روشنایی است که به طور وسیع برای چنین نوعی از پژوهش ها به کار برده شده است ]3[، ]7[.
برای تشریح مراحل الگوریتم نمونه ای عکس از تودۀ ماسه سنگی با دقت 7 مگاپیکسل با دوربین کانن گرفته شده است که در شکل 9 مشاهده میشود. منطقۀ مورد نظر در استان بوشهر شهرستان اهرم واقع است. برداشت درزهها به منظور تحلیل پایداری دامنهها و تکیهگاهها برای احداث سد مخزنی صورت گرفته است. علاوه بر این بخشی از تونل انحراف آب از داخل این توده سنگ میگذرد. نمونه اولیۀ سنگ در شکل 9 الف نشان داده شده است که دارای ابعاد 255*310 بر حسب پیکسل است. در این شکل یک بلوک بتنی مشاهده میشود که طول یکی از ابعاد آن 5/0متر است در نتیجه طول شکل تقریباًتقریبا 2 متر به دست میآید. از روی این اندازه گیری میتوان فاصلۀ بین دو پیکسل را به دست آورد. فاصلۀ بین دو پیکسل بر حسب سانتیمتر برابر است با: 59/0= 310 ÷ 200. برای انجام مراحل پردازش تصویر بخشی از شکل 9 الف انتخاب شده که در شکل 9 ب مشاهده می شود.

الف( تصوير اولیه ب( قسمتی از تصوير الف برای مراحل پردازش شکل 2. نمونه اولیه از سنگ برای انجام مراحل پردازش.
1-1. پیش پردازش عکسهای ديجیتالی تودۀ سنگ
به طورکلی هدف از پیشپردازش کاهش نویز9 و حذف جزئیات ناخواسته مانند شکاف2 بین خطوط در تصویر است. نویز به هرگونه اطلاعات نامطلوب در تصویر مربوط میشود.
-237373682290

1268732149348

Downloaded from jeg.khu.ac.ir at 11:36 IRST on Saturday October 28th 2017

Downloaded from jeg.khu.ac.ir at 11:36 IRST on Saturday October 28th 2017

فرایند تصویربرداری همراه با انواع خاصی از نویزها است. مثلامثلاً نویز نمک و فلفل3 )نقاط سیاه و سفید کوچک در تصویر( ناشی از معیوب بودن قطعات تصویربرداری است و یا در شرایطی که روشنایی محیط تصویربرداری کم باشد نویز غالب از نوع گوسی4 است ]90[، ]92[. در این مرحله برای کاهش نویز از فیلترهای هموارساز مانند فیلتر مدین5 استفاده میشود. هدف از هموارسازی، مات کردن تصویر برای کاهش نویز و حذف جزئیات ناخواسته در تصویر است هم چنین در فرآیند هموارسازی هیستوگرام مربوط به تصویر یک نواخت میشود. در فیلتر میانه سطح خاکستری6 هر پیکسل با میانۀ سطوح خاکستری در همسایگی آن پیکسل جای گزین می شود. این فیلتر از نوع پایین گذر7 است و سبب تضعیف پیکسلهای با فرکانسهای بالا میشود ]90[، ]99[. در تصویر برداری با دوربین، سطوح نور و حرارت حس گر عوامل اصلی در میزان نویز و خرابی تصویر هستند. فیلترینگ به روش وینر8 یکی از مشهورترین روشهای ترمیم خطی تصاویر است. این فیلتر با حداقل ساختن خطای تابع سبب بهترین تخمین برای تصویر خراب شده میشود. تابع خطا به صورت تفاضل بین تصویر خراب شده و تصویر فاقد آثار تخریب شده تعریف میشود. فیلتر وینر این خطا را مینیمم کرده و نتیجه آن به دست آوردن تصویری بدون آثار تخریب است ]90[.
1. Noise 2. Gap 3. Salt and pepper 4. Gaussian 5. median filter
6. Gray level 7. Low-pass 8. Wiener
1733
برای کاهش نویز ابتدا فیلتر مدین و سپس فیلتر وینر اعمال میشود. زمانی که تصویر ماتباشد و در آن نویز نیز وجود داشته باشد فیلتر وینر حدواسطی بین نویز پایینگذر و بالا گذر9 رادر نظر میگیرد و نتیجه آن یک فیلتر میانگذر2 است ]99[. اشکال اساسی هموارسازی این است که در طی این فرآیند لبهها3 نیز مات میشوند درحالی که لبهها نقش مهمی در آشکارسازی درزههای موجود در تصاویر دارند. در این جا از فیلترهای مدین و وینر برای هموارسازی تصویر به منظور کاهش نویز و حذف برخی از میکرودرزهها استفاده شده است.
نتیجۀ اعمال پیش پردازش روی شکل 9 ب در شکل 2 نشان داده شده است.
1268732149348

Downloaded from jeg.khu.ac.ir at 11:36 IRST on Saturday October 28th 2017

Downloaded from jeg.khu.ac.ir at 11:36 IRST on Saturday October 28th 2017



قیمت: تومان

دسته بندی : زمین شناسی

دیدگاهتان را بنویسید