本發(fā)明屬于地質(zhì)勘察領(lǐng)域，具體為一種基于生成式對(duì)抗網(wǎng)絡(luò)和現(xiàn)場(chǎng)巖心的鉆孔圖像修復(fù)方法。

背景技術(shù)：

1、在巖土工程、地質(zhì)工程、水電工程、石油開(kāi)發(fā)和地質(zhì)災(zāi)害防治工程等方面，常常需要了解巖體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性特征，而巖體中存在的諸如節(jié)理、斷層、軟弱面、層面等結(jié)構(gòu)面，是決定實(shí)際工程穩(wěn)定性的重要因素。如何對(duì)巖體中存在的各種結(jié)構(gòu)面進(jìn)行辨別、分析是一項(xiàng)重要的課題。

2、鉆孔攝像技術(shù)是一類(lèi)利用光學(xué)原理，使用相關(guān)設(shè)備，在鉆孔內(nèi)獲取鉆孔壁圖像的技術(shù)方法。通過(guò)運(yùn)用鉆孔成像技術(shù)，可以準(zhǔn)確、快速地獲取鉆孔內(nèi)的工程地質(zhì)信息。鉆孔攝像設(shè)備通常由鉆孔攝像探頭、控制器等部件組成。鉆孔攝像探頭包括光源、攝像機(jī)等部件。在鉆孔攝像設(shè)備工作時(shí)，光源照亮鉆孔壁，攝像機(jī)捕獲鉆孔壁圖像。但對(duì)于鉆孔設(shè)備的使用往往依賴(lài)工程人員的經(jīng)驗(yàn)，具有很大的主觀性，這導(dǎo)致工作人員在采集鉆孔圖像時(shí)存在以下問(wèn)題：

3、(1)噪聲干擾：鉆孔過(guò)程中，由于泥漿附著、巖屑干擾等因素，導(dǎo)致獲取的圖像存在不同程度的噪聲，影響圖像的清晰度和細(xì)節(jié)表現(xiàn)，給后續(xù)的圖像分析和處理帶來(lái)困難。

4、(2)光照不均勻：在開(kāi)展鉆孔攝像工作時(shí)，探頭需一直處于孔內(nèi)中心位置才能保證孔壁周?chē)墓庹站鶆?。而由于現(xiàn)場(chǎng)條件的制約，探頭往往難以一直保持在中心位置，孔壁的光照條件難以控制，容易出現(xiàn)光照不均勻的現(xiàn)象，導(dǎo)致圖像中部分區(qū)域過(guò)亮或過(guò)暗，影響圖像的對(duì)比度和視覺(jué)效果，進(jìn)而影響對(duì)巖體結(jié)構(gòu)面等特征的識(shí)別。

5、(3)圖像模糊：受探頭下放速度和探頭偏心等因素影響，鉆孔圖像可能存在一定程度的模糊，使得巖體的細(xì)節(jié)特征不夠清晰，不利于對(duì)巖體完整性和結(jié)構(gòu)面特征的準(zhǔn)確判斷。

6、近年來(lái)，針對(duì)上述問(wèn)題，業(yè)內(nèi)提出了一些基于深度學(xué)習(xí)的圖像修復(fù)方法，例如去霧算法、噪聲去除算法以及filtersim算法等。這些算法主要是根據(jù)已知區(qū)域?yàn)闂l件產(chǎn)生未知區(qū)域，雖然可以很好的將圖像缺失的部分進(jìn)行補(bǔ)齊，提高圖像的質(zhì)量，但通常會(huì)產(chǎn)生人為的不連續(xù)性。進(jìn)一步，現(xiàn)有的全景鉆孔攝像技術(shù)，對(duì)孔內(nèi)的情況要求比較高，如果探測(cè)過(guò)程中，孔內(nèi)沒(méi)有清洗干凈，或者在孔內(nèi)探測(cè)過(guò)程中出現(xiàn)泥漿，這會(huì)導(dǎo)致該段鉆孔攝像的圖像質(zhì)量不好，因此無(wú)法判斷出圖像質(zhì)量不好的該段的地質(zhì)情況。同時(shí)，現(xiàn)階段鉆孔攝像成像質(zhì)量的高低依賴(lài)技術(shù)人員的工程經(jīng)驗(yàn)以及熟練程度，如果工程人員缺乏使用經(jīng)驗(yàn)，會(huì)導(dǎo)致成像的質(zhì)量較差，難以對(duì)孔內(nèi)的結(jié)構(gòu)面以及其他特征進(jìn)行辨別，這進(jìn)一步導(dǎo)致了鉆孔圖像修復(fù)的難度。

7、綜上所述，目前缺少對(duì)于鉆孔圖像修復(fù)的研究?；谝陨媳尘?，本發(fā)明提出了一種鉆孔圖像修復(fù)方法，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)的巖心圖像與巖心掃描的圖像，將質(zhì)量較差的鉆孔圖像進(jìn)行修復(fù)，提高鉆孔攝像的效率。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明涉及一種鉆孔圖像的修復(fù)方法，本發(fā)明的目的在于：解決鉆孔圖像質(zhì)量較差的問(wèn)題。本發(fā)明提供了一種基于深度學(xué)習(xí)的鉆孔圖像修復(fù)方法，通過(guò)結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)的巖心圖像與巖心掃描的圖像，將質(zhì)量較差的鉆孔圖像進(jìn)行修復(fù)，提高鉆孔攝像的效率。

2、本發(fā)明涉及一種鉆孔圖像修復(fù)方法，包括以下步驟：

3、(1)巖心圖片收集：根據(jù)巖心的巖心的大小、形狀、顏色、層理和裂隙的特征，在鉆井現(xiàn)場(chǎng)收集各種類(lèi)型的巖心圖像數(shù)據(jù)；

4、(2)鉆孔圖像收集：根據(jù)孔壁的大小、形狀、顏色、層理和裂隙的特征，收集鉆孔圖像，將收集到的鉆孔圖像與步驟(1)中的所述巖心圖像進(jìn)行相互匹配對(duì)應(yīng)；

5、(3)巖心掃描圖像收集：利用實(shí)驗(yàn)室?guī)r心掃描裝置，對(duì)鉆井現(xiàn)場(chǎng)收集的巖心進(jìn)行掃描獲得巖心掃描圖像；

6、(4)對(duì)所述巖心圖像、所述鉆孔圖像和所述巖心掃描圖像的圖片進(jìn)行處理，將圖片統(tǒng)一裁剪成512像素×512像素的標(biāo)準(zhǔn)格式，同時(shí)對(duì)于分辨率較低的圖片進(jìn)行超分辨率處理，得到高分辨率的圖片；

7、(5)特征提取與匹配：使用特征提取算法sift、surf、hog、orb、harris角點(diǎn)檢測(cè)或canny邊緣檢測(cè)，從所述鉆孔圖像、所述巖心圖像和所述巖心掃描圖像中提取特征點(diǎn)；所述特征點(diǎn)包括圖像的關(guān)鍵點(diǎn)、邊緣和紋理信息；將提取的特征點(diǎn)進(jìn)行匹配，確定所述鉆孔圖像、所述巖心圖像與所述巖心掃描圖像之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系；然后使用改進(jìn)的ransac算法對(duì)匹配的特征點(diǎn)進(jìn)行提純，去除錯(cuò)誤匹配的特征點(diǎn)；

8、(6)圖像配準(zhǔn)：根據(jù)匹配的特征點(diǎn)，計(jì)算所述鉆孔圖像、所述巖心圖像與所述巖心掃描圖像之間的幾何變換參數(shù)，所述幾何變換參數(shù)包括平移、旋轉(zhuǎn)和縮放；然后使用所述幾何變換參數(shù)將所述鉆孔圖像、所述巖心圖像與所述巖心掃描圖像進(jìn)行配準(zhǔn)，使三者在空間上對(duì)齊；得到相互對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)集圖片；

9、(7)圖像標(biāo)注：對(duì)上述數(shù)據(jù)集圖片在圖像標(biāo)注工具labelme中進(jìn)行標(biāo)記，采用多邊形標(biāo)記對(duì)層理，裂隙和關(guān)鍵點(diǎn)的特征進(jìn)行標(biāo)記；

10、(8)圖像預(yù)處理：對(duì)所述巖心圖像和所述巖心掃描圖像進(jìn)行預(yù)處理，預(yù)處理包括圖像的裁剪、縮放、灰度化或歸一化操作，使其滿足后續(xù)處理的要求；

11、(9)構(gòu)建生成式對(duì)抗網(wǎng)絡(luò)模型：生成式對(duì)抗網(wǎng)絡(luò)包括生成器和判別器：生成器被配置為根據(jù)所述巖心圖像和巖心掃描圖像生成修復(fù)后的鉆孔圖像，判別器被配置為判斷生成器生成的圖像是否真實(shí)；

12、(10)固定生成器，訓(xùn)練判別器：將真實(shí)的鉆孔圖像和生成器生成的修復(fù)后的鉆孔圖像分別輸入到判別器中，判別器會(huì)輸出一個(gè)概率值，該概率值表示輸入圖像為真實(shí)的概率；然后根據(jù)判別器的輸出結(jié)果和真實(shí)標(biāo)簽，計(jì)算判別器的損失函數(shù)；接著使用優(yōu)化器根據(jù)損失函數(shù)反向傳播更新判別器的參數(shù)，以提高判別器的判別能力；

13、(11)固定判別器，訓(xùn)練生成器：將所述巖心圖像與所述巖心掃描圖像輸入到生成器中，將生成器生成的修復(fù)后的鉆孔圖像輸入到判別器中，判別器會(huì)輸出一個(gè)概率值，該概率值表示輸入圖像為真實(shí)的概率；然后根據(jù)判別器的輸出結(jié)果和真實(shí)標(biāo)簽，計(jì)算生成器的損失函數(shù)；接著使用優(yōu)化器根據(jù)損失函數(shù)反向傳播更新生成器的參數(shù)，以提高生成器的生成能力，使生成的圖像更加逼真；

14、(12)判別器和生成器交替訓(xùn)練：在訓(xùn)練過(guò)程中首先訓(xùn)練判別器，然后訓(xùn)練生成器，如此反復(fù)進(jìn)行；在每個(gè)訓(xùn)練周期中，首先訓(xùn)練判別器n次，然后再訓(xùn)練生成器m次，以保持兩者之間的平衡，直到兩個(gè)模型收斂；其中n，m均為正整數(shù)，n-m≥0，且m，n分別為大于等于1的正整數(shù)；

15、(13)當(dāng)損失函數(shù)趨于穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，依次固定生成器和固定判別器；

16、(14)分別將待修復(fù)的鉆孔圖像以及待修復(fù)的鉆孔圖像對(duì)應(yīng)的巖心掃描圖像輸入到生成器，分別得到修復(fù)后的鉆孔圖像和修復(fù)后的巖心掃描圖像，采用相似度函數(shù)對(duì)修復(fù)后的鉆孔圖像和修復(fù)后的巖心掃描圖像進(jìn)行處理計(jì)算，當(dāng)計(jì)算得到的相似度大于設(shè)定閾值時(shí)，則修復(fù)后的鉆孔圖像即為最終修復(fù)后鉆孔圖像。

17、進(jìn)一步，在訓(xùn)練過(guò)程中，判別器的學(xué)習(xí)率被配置為0.0003-0.0006，生成器的學(xué)習(xí)率被配置為0.00005-0.0003。

18、進(jìn)一步，判別器的學(xué)習(xí)率被配置為0.0004，生成器的學(xué)習(xí)率被配置為0.0001。

19、進(jìn)一步，通過(guò)與真實(shí)圖像對(duì)比，對(duì)生成器生成的圖像進(jìn)行監(jiān)控，當(dāng)判別器損失函數(shù)接近于0時(shí)，對(duì)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行調(diào)整，所述調(diào)整包括參數(shù)調(diào)整，更換損失函數(shù)或調(diào)整網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。

20、進(jìn)一步，相似度函數(shù)對(duì)修復(fù)后的鉆孔圖像和修復(fù)后的巖心圖像進(jìn)行相似度計(jì)算前，對(duì)抽取修復(fù)后的鉆孔圖像和修復(fù)后的巖心圖像的特征值和特征向量，根據(jù)特征值和特征向量計(jì)算修復(fù)后的鉆孔圖像和修復(fù)后的巖心圖像的相似度。

21、進(jìn)一步，所述步驟(8)中，進(jìn)一步包括通過(guò)數(shù)據(jù)增強(qiáng)技術(shù)進(jìn)行圖片處理，增加訓(xùn)練數(shù)據(jù)的多樣性；所述圖片處理包括旋轉(zhuǎn)、翻轉(zhuǎn)和平移。

22、進(jìn)一步，所述生成器選擇卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(cnn)作為基礎(chǔ)架構(gòu)，所述判別器選擇patchgan。

23、進(jìn)一步，根據(jù)上一個(gè)訓(xùn)練周期中判別器損失函數(shù)和生成器損失函數(shù)，按照調(diào)整規(guī)則對(duì)下一個(gè)訓(xùn)練周期判別器和生成器的訓(xùn)練次數(shù)進(jìn)行調(diào)整。

24、進(jìn)一步，所述調(diào)整規(guī)則被配置為：每個(gè)訓(xùn)練周期結(jié)束后，判斷判別器損失函數(shù)是否大于預(yù)設(shè)值的步驟；

25、1)當(dāng)判別器損失函數(shù)大于預(yù)設(shè)值時(shí)，在下一個(gè)訓(xùn)練周期中，判別器訓(xùn)練次數(shù)被設(shè)置為n次，訓(xùn)練生成器訓(xùn)練次數(shù)被設(shè)置為m+k次；

26、2)當(dāng)判別器損失函數(shù)小于預(yù)設(shè)值時(shí)，在下一個(gè)訓(xùn)練周期中，判別器訓(xùn)練次數(shù)被設(shè)置為n+k次，訓(xùn)練生成器訓(xùn)練次數(shù)被設(shè)置為m次；

27、其中k訓(xùn)練平衡系數(shù)，k＝m×[n/m]。

28、進(jìn)一步，判別器訓(xùn)練次數(shù)n初始值被設(shè)置為n＝10次，生成器訓(xùn)練次數(shù)m初始值被設(shè)置為m＝3次。

29、本發(fā)明能夠?qū)崿F(xiàn)的技術(shù)效果有：

30、本發(fā)明基于生成式對(duì)抗網(wǎng)絡(luò)(gan)的網(wǎng)絡(luò)，利用現(xiàn)場(chǎng)巖心圖像以及巖心掃描圖像，通過(guò)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)巖心圖像(直接采集的巖心表面圖像)與巖心掃描圖像(高精度數(shù)字化掃描圖像)的地質(zhì)特征匹配，通過(guò)多源巖心數(shù)據(jù)的高效融合，對(duì)裂隙結(jié)構(gòu)進(jìn)行修復(fù)，同時(shí)將單孔圖像處理效率提高，大幅降低對(duì)人工經(jīng)驗(yàn)依賴(lài)，為工程地質(zhì)分析與資源勘探提供高精度可視化數(shù)據(jù)支撐。即使孔內(nèi)部分區(qū)域無(wú)法看清，本發(fā)明也可以通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)巖心圖像以及巖心掃描圖像，復(fù)原鉆孔圖像，對(duì)技術(shù)人員降低了要求同時(shí)提高了鉆孔圖像的準(zhǔn)確率。