本發(fā)明涉及圖像處理技術(shù)，特別涉及一種利用圖像處理技術(shù)定量辨識(shí)五種破壞類型煤體的方法，屬于礦山安全領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

隨著煤炭產(chǎn)業(yè)的迅猛發(fā)展以及煤炭產(chǎn)量的整體增長(zhǎng)，隨之而來(lái)產(chǎn)生的便是煤礦事故的不斷發(fā)生。煤與瓦斯突出事故作為煤礦事故類型中的主要形式受到全球煤礦行業(yè)的重點(diǎn)關(guān)注。煤與瓦斯突出這一種煤巖動(dòng)力災(zāi)害誘發(fā)因素復(fù)雜，受地應(yīng)力、煤體中瓦斯及煤的物理力學(xué)性質(zhì)等多方面作用的綜合影響。中國(guó)受開(kāi)采技術(shù)、開(kāi)采條件、開(kāi)采量等因素的影響，發(fā)生煤與瓦斯突出事故的總次數(shù)占全球總次數(shù)的三分之一，是世界上受煤與瓦斯突出事故影響最嚴(yán)重的國(guó)家?，F(xiàn)在，我國(guó)近300座煤礦發(fā)生突出次數(shù)達(dá)到萬(wàn)次之多，已經(jīng)超過(guò)了其他國(guó)家煤與瓦斯突出次數(shù)的總和。統(tǒng)計(jì)截止到2015年12月共計(jì)有煤與瓦斯突出礦井1218處。以國(guó)有重點(diǎn)煤礦作為樣本來(lái)研究統(tǒng)計(jì)發(fā)生煤與瓦斯突出礦井?dāng)?shù)，1992年共有132處，該事故類型煤礦占比18.8％，2004年共有154處，該事故類型煤礦占比25％，2008年共有176處，該事故類型煤礦占比19.9％，2010年共有235處，該事故類型煤礦占比22.5％。通過(guò)對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，國(guó)有重點(diǎn)煤礦中礦井為煤與瓦斯突出礦井的總量占20％左右。隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，礦井總數(shù)量也是在不斷增加的，因此也造成了煤與瓦斯突出礦井的絕對(duì)數(shù)量是一直處于不斷增加的狀態(tài)中。除此之外，隨著現(xiàn)在煤炭企業(yè)的采煤量不斷創(chuàng)造新高，一些較為容易開(kāi)采的煤炭資源已經(jīng)開(kāi)采殆盡，解決這一問(wèn)題的唯一方法就是加大開(kāi)采深度，這也是未來(lái)煤炭開(kāi)采的大趨勢(shì)。

煤礦開(kāi)采深度的不斷加大，致使在煤層瓦斯含量和地應(yīng)力較大的環(huán)境下進(jìn)行煤炭開(kāi)采工作，煤與瓦斯突出的可能性和危險(xiǎn)性更大，煤與瓦斯突出礦井也必然會(huì)給煤礦井下安全生產(chǎn)帶來(lái)更多的隱患，煤礦工作人員在井下從事生產(chǎn)工作也要經(jīng)受更大的心理壓力。

煤炭需求量增加、礦井開(kāi)采時(shí)深度加深的同時(shí)，煤與瓦斯突出礦井比例不斷增大，煤與瓦斯突出事故的發(fā)生可能性將越來(lái)越大，隨之發(fā)生的就是突出次數(shù)與突出強(qiáng)度的增加。煤與瓦斯突出事故作為煤礦安全生產(chǎn)需要特殊關(guān)注的問(wèn)題，直接關(guān)系著安全生產(chǎn)工作局面，尋找有效治理和預(yù)防的方法成為解決該類問(wèn)題的關(guān)鍵。所以對(duì)煤與瓦斯的深入研究以解決這類事故發(fā)生是完全有必要的。通過(guò)對(duì)事故的發(fā)生機(jī)理進(jìn)行全面分析發(fā)現(xiàn)，引起該類事故發(fā)生的其中一條關(guān)鍵因素是煤體構(gòu)造的破壞。煤層經(jīng)構(gòu)造應(yīng)力的作用，煤體的原生結(jié)構(gòu)與構(gòu)造破壞嚴(yán)重，稱為構(gòu)造煤。這時(shí)，煤體構(gòu)造會(huì)產(chǎn)生破碎、揉皺以及擦光面等。通過(guò)對(duì)構(gòu)造煤的性質(zhì)原理進(jìn)行學(xué)習(xí)研究可以從根本上遏制煤與瓦斯突出事故的發(fā)生。

構(gòu)造煤中將煤體分為不同的破壞類型，國(guó)內(nèi)外專家學(xué)者常用宏觀辨識(shí)的方法進(jìn)行不同破壞類型煤體的辨識(shí)，在日常的生產(chǎn)檢查中起到了關(guān)鍵作用。但是單純的通過(guò)肉眼觀察辨識(shí)存在很大的誤差，定性的識(shí)別也必會(huì)存留很多安全隱患，存在太多的不可靠性。因此從定性到定量的發(fā)展必然是科學(xué)研究的重要思路。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，圖像識(shí)別技術(shù)日益進(jìn)步，在科研、生活的各個(gè)方面都得到很多應(yīng)用、可以發(fā)揮很大的作用，通過(guò)圖像識(shí)別技術(shù)得出量化的數(shù)值在多個(gè)科技領(lǐng)域都得到了全面的應(yīng)用，因此如何在揭示煤與瓦斯突出煤體破壞類型的基礎(chǔ)上，運(yùn)用圖像處理技術(shù)，設(shè)計(jì)一種實(shí)用、安全、準(zhǔn)確的基于圖像處理技術(shù)的煤體破壞類型的辨識(shí)方法來(lái)有效的預(yù)防煤與瓦斯突出事故，就成為本發(fā)明要解決的問(wèn)題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

鑒于上述現(xiàn)有技術(shù)領(lǐng)域中的實(shí)際情況，本發(fā)明旨在提供一種過(guò)程簡(jiǎn)單、精確方便的對(duì)五種破壞類型煤體圖像定量辨識(shí)的方法。

本發(fā)明是通過(guò)以下技術(shù)方案來(lái)實(shí)現(xiàn)的：

本發(fā)明所述的一種通過(guò)圖像處理技術(shù)處理煤體圖像達(dá)到對(duì)五種破壞類型煤體的定量辨識(shí)的方法，以分辨率為247×215，灰度256的煤體圖像作為樣例來(lái)進(jìn)行分析。

所述的基于圖像處理技術(shù)的五種破壞類型煤體的辨識(shí)方法包括構(gòu)造全新的紋理特征向量，在確定的核函數(shù)下帶入支持向量機(jī)(SVM分類器)進(jìn)行分類，定量辨識(shí)I、Ⅱ、Ⅲ類破壞類型煤體、計(jì)算反光比例來(lái)定量辨識(shí)Ⅳ、Ⅴ類破壞類型煤體。

所述的結(jié)合灰度共生矩陣與小波變換分析構(gòu)造由圖像的角二階矩、對(duì)比度、相關(guān)性、均值和方差組成全新紋理特征向量來(lái)量化描述圖像紋理信息。經(jīng)計(jì)算在核函數(shù)寬度g＝1.1e-005、懲罰性系數(shù)為c＝138.77時(shí)，通過(guò)SVM程序?qū)、II、III類破壞類型煤體的定量辨識(shí)準(zhǔn)確率達(dá)到了85％。

所述的針對(duì)Ⅳ、Ⅴ類煤體辨識(shí)率較低的問(wèn)題，對(duì)圖像進(jìn)行灰度化、邊緣檢測(cè)、二值化轉(zhuǎn)換，計(jì)算白色部分即圖像的反光比例來(lái)定量辨識(shí)這兩類煤體圖像。整個(gè)圖像處理過(guò)程精確、方便，能高效的定量辨識(shí)五種破壞類型煤體，非常適合在煤與瓦斯突出五種破壞類型煤體的辨識(shí)研究中推廣、使用。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明所述方法處理煤體圖像的小波Daubechies3-5變換分解圖；

圖2為本發(fā)明所述方法計(jì)算Ⅳ、Ⅴ類煤體的反射面積比例圖。

具體實(shí)施方式

本發(fā)明的中心思想是通過(guò)在煤礦井下工作面拍攝相關(guān)的煤體圖像，然后對(duì)拍攝的圖像運(yùn)用圖像處理技術(shù)進(jìn)行處理，最后得到紋理特征辨識(shí)規(guī)律，為對(duì)五種破壞類型煤體的定量辨識(shí)提供依據(jù)。

為了形象地說(shuō)明利用圖像處理技術(shù)辨識(shí)五種破壞類型煤體的方法，下面對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的具體解釋和描述：

一、歸納分析

對(duì)構(gòu)造煤結(jié)構(gòu)特征和傳統(tǒng)煤體破壞類型辨識(shí)方法進(jìn)行分析，為獲取照片指標(biāo)以及圖像處理結(jié)果對(duì)比提供理論指導(dǎo)。

二、實(shí)驗(yàn)研究

通過(guò)在煤礦井下工作面拍攝各類煤體煤壁照片，照片分辨率為247×215，收集煤樣，在實(shí)驗(yàn)室測(cè)量不同煤樣的瓦斯放散初速度以及煤的堅(jiān)固性系數(shù)，根據(jù)傳統(tǒng)辨識(shí)方法確定所拍圖像煤體的破壞類型，為圖像處理做好準(zhǔn)備工作。

三、圖像研究

由于小波變換濾波長(zhǎng)度和分解尺度的選擇直接影響到分類的準(zhǔn)確率，為使圖像信息完整，信息提取過(guò)程中又不至于計(jì)算量過(guò)大，選擇濾波長(zhǎng)度為三，分解尺度為五的小波變換來(lái)進(jìn)行圖片處理，圖1為經(jīng)Daubechies3-5分解的煤體圖像示意圖。提取分解后煤體圖像中的HL、LH、HH子圖像中的垂直、水平以及對(duì)角方向的高頻信息，再通過(guò)LL子圖像提取煤體圖像整體信息，針對(duì)每一子帶的均值、均值紋理度、方差、方差紋理度參數(shù)來(lái)量化圖像的細(xì)節(jié)，從而反映圖像的紋理、邊緣等信息。

所述的利用支持向量機(jī)對(duì)煤體圖像信息的紋理度進(jìn)行分析來(lái)定量辨識(shí)不同破壞類型煤體通過(guò)以下方法得到：

首先，在采集的煤體圖像中選擇50個(gè)樣本，各類煤體圖像選擇10張圖像，5張放入樣品集中，另外5張用作測(cè)試集。圖像格式為JPG，分辨率為247×215；

其次，對(duì)煤體圖像進(jìn)行特征向量計(jì)算，對(duì)煤體圖像進(jìn)行小波Daubechies3-5變換分解，構(gòu)造得出紋理特征向量；

最后，經(jīng)過(guò)開(kāi)發(fā)的SVM程序運(yùn)算測(cè)試，在核函數(shù)寬度g＝1.1e-005、懲罰性系數(shù)138.77時(shí)，對(duì)I、Ⅱ、Ⅲ類破壞類型煤體的準(zhǔn)確率達(dá)85％，對(duì)Ⅳ、Ⅴ類破壞類型煤體的準(zhǔn)確率達(dá)64％。

所述的針對(duì)第Ⅳ、Ⅴ類破壞類型煤體的辨識(shí)效果不理想，利用反光比例來(lái)定量辨識(shí)Ⅳ、Ⅴ破壞類型煤體通過(guò)以下方法得到：

首先，在采集的煤體圖像中選擇第Ⅳ、Ⅴ類破壞類型煤體圖像各10張，圖像格式為JPG，分辨率為247×215；

其次，RGB圖像灰度化處理煤體圖像，灰度級(jí)256，索貝爾(Sobel)邊緣提取算子；

接著，整體閾值法的二值圖轉(zhuǎn)換，其關(guān)系式；

最后，將所選煤體圖像平分9格，計(jì)算每一部分的反射面積比例，統(tǒng)計(jì)后得出如圖2的反射面積比例圖。

圖中橫坐標(biāo)為二值圖分割圖像編號(hào)，縱坐標(biāo)為反射面積比例。

從圖中可以看出，Ⅳ類煤體圖像每一部分反射面積比例變化極大，從0.0082～0.0831之間都有存在；而Ⅴ類煤體圖像的每一部分反射面積比例比較均勻，0.0269～0.0454之間。從分析結(jié)果看，Ⅳ類煤體圖像反射面積分布范圍更廣，各小部分之間分布并不均勻，面積比例值較大且數(shù)值跨度較大；Ⅴ類煤體圖像反射光分布均勻，面積比例值較小，數(shù)值也很集中。這一量化值關(guān)系與Ⅳ類煤體為塊狀結(jié)構(gòu)、Ⅴ類煤體為土狀結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)特性相關(guān)，是定量辨識(shí)Ⅳ、Ⅴ類煤體圖像的一個(gè)很好方法。

以上所述，僅為本發(fā)明較佳的具體實(shí)施方式，但本發(fā)明的保護(hù)范圍并不局限于此，任何熟悉本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員在本發(fā)明揭露的技術(shù)范圍內(nèi)，可輕易想到的變化或替換，都應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。