بخشی از مقاله
مقدمه
تأثیر ناپیوستگیهای موجود در توده سنگ بر ویژگیهای مهندسی سنگ بهمراتب بیش از نقشی است که ماده سنگ در این مورد دارد. دلیل اصلی بررسی درزهها این است که درزهها، توده سنگ را به نواحی مختلفی تقسیم میکنند بهطوریکه لغزش میتواند در امتداد سطوح درزه رخ دهد. درزهها همچنین مسیری را برای نفوذ سیال به داخل توده سنگ فراهم میآورند. در بررسی پایداری دیوارههای سنگی و انواع ریزشها، هندسه ناپیوستگیها و وضعیت قرارگیری آنها نسبت به یکدیگر اهمیت بهسزایی دارد. میتوان گفت که اگر در مهندسی
خاک مقاومت مکانیکی توده خاکی در درجه اول اهمیت قرار دارد، در پایداری توده سنگ وجود ناپیوستگیها در سنگ نقش اصلی را ایفا میکند .[1] بنا بر این دستیابی به اطلاعاتی در خصوص ساختار توده سنگ (مانند جهتیابی، بازشدگی، شرایط سطح و تداوم ناپیوستگیها) برای طراحی بهینه در مسایل مهندسی سنگ و رفتار مکانیکی توده سنگ ضرورت دارد. هدف اصلی در این مقاله بهدست 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 نرمافزار مطلب توسط مؤلفان بهمنظور آشکارسازی درزهها نوشته شده است، صورت میگیرد. مقادیر زوایای
اثر ناپیوستگیها مستقل از جهتداری رخساره و زاویه دوربین استو صرفاً در صفحه تصویر اندازهگیری میشوند.1
تاریخچه استفاده از تصاویر دیجیتالی در معدنکاری به چندین سال قبل برمیگردد. در سال 1976 مک کارتر2 از عکسهای تهیه شده از یک شیروانی سنگی در یک معدن روباز بهمنظور تعیین موقعیت ساختارهای زمین شناسی استفاده کرد .[2] پردازش تصویر دیجیتالی بهطور موفقیتآمیزی نیز در مکانیک سنگ بهکار گرفته شده است. برای مثال رید و هریسن3 از یک سری تکنیکهای پردازش تصویر برای تعیین هندسه ناپیوستگی از سطح سنگ استفاده کردند
.[3]
.1 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 زاویه دوربین، شیب و جهت شیب درزهها را بهدست آورده است.
2. McCarter 3. Reid and Harrison
تعیین ویژگیهای هندسه ناپیوستگیها با استفاده از تکنیکهای پردازش تصویر دیجیتال 2373
لی و تام از تکنیکی دوگانه برای آنالیز تصویر سنگ گرانیت هنگکنگ استفاده کردند و مراحل شکست و رفتار ترک خوردگی نمونههای گرانیت را تحت فشار یک محوره نشان دادند [4]، .[5]
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 بهدست آمده، شناسنامه درزههای موجود در توده سنگ را میتوان استخراج و توده سنگ را توصیف کرد. در مرحله توصیف توده سنگ، اطلاعاتی از هندسه ناپیوستگیها نظیر زاویه اثر، فاصلهداری، چگالی درزهداری و تداوم ناپیوستگیها بهدست آمده و شاخص کیفیت سنگ (RQD)، در هر راستای دلخواه مشخص میشود.
.1 انواع روشهای تعیین ویژگیهای هندسی ناپیوستگیها
اندازهگیری هندسه ناپیوستگیها از رخنمون سنگ بهطورکلی به سه روش .1 دستی .2 تکنیکهای پردازش تصویر و .3 روش لیزری انجام میشود. امروزه روشهای دستی متداولترین روش برداشت ناپیوستگیها بهشمار میرود. در این روش برداشت ناپیوستگیها بهصورت 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 بهروش معمول مشکل و اغلب ناقص است. این پیمایشها بهندرت بر اساس یک اصول منظم در عملیات معدنکاری بهکار میروند و بهدلایلی نامطلوب هستند: اول اینکه رخنمون سنگ بلافاصله بعد از آتشباری فاقد سیستم نگهداری است و اغلب مکان پرخطری است. دوم اینکه قسمت بزرگی از رخنمون سنگ ممکن است دور از دسترس باشد، سوم اینکه اندازهگیری بهروش دستی یک فرایند وقتگیر است و چهارم اینکه برداشت
4732 نشریه زمینشناسی مهندسی، جلد هشتم، شماره 3 پاییز 1393
تمامی درزهها با روش دستی امکانپذیر نیست [6]، .[7] در تکنیکهای پردازش تصاویر دیجیتالی ناپیوستگیها در یک تصویر بهصورت مرز بین دو ناحیه با سطح خاکستری متفاوت توصیف میشوند. بررسی چگونگی تغییرات سطح خاکستری در تصویر، اساس آشکارسازهای لبه در پردازش تصویر بهشمار 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 بهدست 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، جهتداری درزهها را بهصورت خودکار بهدست میدهد. بههمین دلیل با وجود سهولت و عدم نیاز به تجهیزات گرانبها در روش پردازش تصویر، در پژوهشهای اخیر از تلفیق روشهای پردازش تصویر دیجیتالی و پیمایش لیزری برای تعیین جهتداری درزهها استفاده شده است .[9]
2. سیستم خودکار آنالیز هندسه ناپیوستگیها به روش پردازش تصویر دیجیتال
مراحل کار سیستم آنالیز خودکار هندسه ناپیوستگیها عبارت است از:
1. تهیه عکس دیجیتال از جبهه کار
2. پیش پردازش تصاویر اخذ شده
3. آشکارسازی اثر ناپیوستگیها یا لبهها
4. توصیف اثر ناپیوستگیها (لبهها) با استفاده از تبدیل هاف
5. طبقهبندی درزهها بهکمک روشهای فازی
6. بهدست آوردن خصوصیات توده سنگ شامل: زاویه اثر ناپیوستگیها، فاصلهداری، چگالی درزهداری خطی، تداوم و RQD
در زیر این مراحل بههمراه یک مورد مطالعاتی تشریح میشوند.
تعیین ویژگیهای هندسه ناپیوستگیها با استفاده از تکنیکهای پردازش تصویر دیجیتال 2375
.1-2 روش تهیه عکس دیجیتال از جبهه کار
ورودی برنامه نوشته شده در نرمافزار مطلب برای آشکارسازی درزهها، تصاویر دیجیتالی از 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
حتیالامکان 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 بهطور وسیع برای چنین نوعی از پژوهشها بهکار برده شده است [3]، .[7]
برای تشریح مراحل الگوریتم نمونهای عکس از توده ماسه سنگی با دقت 7 مگاپیکسل با دوربین کانن گرفته شده است که در شکل 1 مشاهده میشود. منطقه مورد نظر در استان بوشهر شهرستان اهرم واقع است. برداشت درزهها بهمنظور 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 اولیه سنگ در شکل 1 الف نشان داده شده است که دارای ابعاد 390*255 بر حسب پیکسل است. در این شکل یک بلوک بتنی مشاهده میشود که طول یکی از ابعاد آن /5متر0 است در نتیجه طول شکل تقریباً 2 متر به دست میآید. از روی این اندازهگیری میتوان فاصله بین دو پیکسل را بهدست آورد. فاصله بین دو پیکسل بر حسب سانتیمتر برابر است با: .200 390 =0/51 برای انجام مراحل پردازش تصویر بخشی از شکل 1 الف انتخاب شده که در شکل 1 ب مشاهده میشود.
6732 نشریه زمینشناسی مهندسی، جلد هشتم، شماره 3 پاییز 1393
الف) تصویر اولیه ب) قسمتی از تصویر الف برای مراحل پردازش
شکل .1 نمونه اولیه از سنگ برای انجام مراحل پردازش.
.2-2 پیش پردازش عکسهای دیجیتالی توده سنگ
بهطورکلی هدف از پیشپردازش کاهش نویز1 و حذف جزئیات ناخواسته مانند شکاف2 بین خطوط در تصویر است. نویز به هرگونه اطلاعات نامطلوب در تصویر مربوط میشود. فرایند تصویربرداری همراه با انواع خاصی از نویزها استمثلاً. 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 [10]، .[12] 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 همچنین در فرآیند هموارسازی هیستوگرام مربوط به تصویر یکنواخت میشود. در فیلتر میانه
سطح خاکستری6 هر پیکسل با میانه سطوح خاکستری در همسایگی آن پیکسل جایگزین میشود. این فیلتر از نوع پایین گذر7 است و سبب تضعیف پیکسلهای با فرکانسهای بالا میشود [10]، .[11] در تصویر برداری با دوربین، سطوح نور و حرارت حسگر عوامل اصلی در میزان نویز و خرابی تصویر هستند. فیلترینگ بهروش 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 بهصورت تفاضل بین تصویر خراب شده و تصویر فاقد آثار تخریب شده تعریف میشود. فیلتر وینر این خطا را مینیمم کرده و نتیجه آن بهدست
آوردن تصویری بدون آثار تخریب است .[10]
