錢 鵬,劉 明,李彥婧,潘 蘭
(中國(guó)石化華東分公司物探研究院,江蘇 南京 210000)
測(cè)井資料在石油天然氣及煤層氣勘探開(kāi)發(fā)中起著極其重要的作用。目前,測(cè)井曲線通過(guò)繪制在圖紙圖件上來(lái)表達(dá)信息。然而以圖紙圖件保存的測(cè)井信息,不利于后人進(jìn)一步深入研究,信息查詢、數(shù)據(jù)導(dǎo)出再利用等一些基本操作無(wú)法在這些載體上實(shí)現(xiàn)?,F(xiàn)有測(cè)井資料數(shù)字化相關(guān)軟件,由科研人員自行開(kāi)發(fā)較多,商業(yè)化銷售較少,其中廣泛推廣使用的Mapgis商業(yè)軟件盡管也可以為工程圖件數(shù)字化,但是由于沒(méi)有很強(qiáng)的針對(duì)性,數(shù)字化一口井所需的時(shí)間以及識(shí)別精度并不能全部達(dá)到要求,效率較低下。因此,研究測(cè)井曲線數(shù)字化,如何高效便捷地識(shí)別測(cè)井曲線并提取曲線數(shù)據(jù),是亟待解決的問(wèn)題。
工程圖紙圖像矢量化是國(guó)內(nèi)外熱門的研究課題,自上世紀(jì)70年代起至90年代,已經(jīng)涌現(xiàn)了大量的矢量化技術(shù)研究成果,現(xiàn)在矢量化已廣泛應(yīng)用在地理信息系統(tǒng)、工程業(yè)等很多領(lǐng)域[1-5]。測(cè)井資料數(shù)字化作為其中一個(gè)研究領(lǐng)域,國(guó)內(nèi)曾有清華大學(xué)自動(dòng)化系有過(guò)該方面的研究[6-8]。原石油部也曾從國(guó)外引進(jìn)并在國(guó)內(nèi)推廣過(guò)一種基于LAG數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的測(cè)井曲線跟蹤軟件,該軟件受限于標(biāo)準(zhǔn)坐標(biāo)圖紙,缺少通用性,先后經(jīng)過(guò)清華大學(xué)、哈爾濱工程大學(xué)、大慶石油學(xué)院等師生對(duì)其跟蹤結(jié)果進(jìn)行了一定的校正、修改和處理[1,2,7]。四川大學(xué)圖像信息研究所也在原石油部推廣的軟件的基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)出了測(cè)井曲線矢量化軟件,能夠處理簡(jiǎn)單的測(cè)井曲線[1,2,7]。國(guó)外測(cè)井曲線矢量化軟件中起步比較早的、較著名的軟件是NEURALOG,該軟件在處理過(guò)程中,遇到連續(xù)曲線和其它曲線交叉時(shí),停頓比較頻繁,經(jīng)人工干預(yù)后才能繼續(xù)跟蹤;對(duì)于虛線,則完全依賴于操作人員手工逐點(diǎn)點(diǎn)??;背景對(duì)曲線識(shí)別也會(huì)產(chǎn)生很大的影響[1,2,6,7,9]。
測(cè)井資料數(shù)字化技術(shù)方法的研究,現(xiàn)主要基于工程圖紙圖像矢量化技術(shù)[10-20]:一類是基于細(xì)化方法的矢量化,即細(xì)化線條再進(jìn)行像素點(diǎn)追蹤,該方法處理速度慢,且效果受圖像背景影響很大;另一類是基于像素的線條輪廓追蹤,充分利用了線條輪廓的方向,但還是基于線條追蹤,抗噪性能差。此后的研究方向包括消除背景、抗噪、圖像預(yù)處理提高信噪比以及追蹤方法的改進(jìn)等[21-24]。
當(dāng)前,測(cè)井曲線數(shù)字化大體流程可以歸納為:用數(shù)字化掃描儀處理圖紙得到黑白圖像,再自動(dòng)矢量化輸出矢量圖形文件。其技術(shù)研究已經(jīng)逐步提高了自動(dòng)追蹤能力,精確度和速度比起以往也有了較大的改善,并且進(jìn)一步弱化了人工干預(yù),強(qiáng)化了全程自動(dòng)化。軟件識(shí)別率為70%~85%。然而系統(tǒng)設(shè)計(jì)比較繁雜、用戶學(xué)習(xí)成本高,設(shè)計(jì)思路沒(méi)有脫離工程圖紙矢量化的范疇。
本文嘗試從新的角度出發(fā),以測(cè)井圖件為基礎(chǔ),設(shè)計(jì)一套專門針對(duì)測(cè)井曲線的識(shí)別與數(shù)據(jù)提取算法,并開(kāi)發(fā)一套便捷高效的軟件系統(tǒng)。下面對(duì)系統(tǒng)功能和核心算法進(jìn)行介紹。
本項(xiàng)數(shù)字化研究的目標(biāo)是在圖件的基礎(chǔ)上為測(cè)井資料的深入分析研究和應(yīng)用提供可靠、可操作的測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)體。數(shù)據(jù)輸入是柵格圖像,需要區(qū)分矢量圖形和柵格圖像的概念。
矢量圖形也被稱作向量圖,記錄點(diǎn)線面的坐標(biāo)位置以及顏色、形狀、輪廓、大小和屏幕位置等等信息,根據(jù)幾何元素特性(如點(diǎn)、線、矩形、多邊形、圓和弧線等等)來(lái)繪制圖形,由一系列程序指令來(lái)執(zhí)行并顯示。與矢量圖形相對(duì)應(yīng)的是柵格圖像,也被稱為光柵圖像、點(diǎn)陣圖、像素圖,最小單位是由像素構(gòu)成,每個(gè)像素有自己的顏色。柵格圖像的點(diǎn)陣分得越細(xì),圖像分辨率就越高,圖像也越有細(xì)節(jié),同時(shí)存儲(chǔ)容量也越大。
由于輸入是柵格圖像,最終輸出結(jié)果是二維數(shù)據(jù)體,為了保證系統(tǒng)在文件數(shù)據(jù)管理上的高效,輸出文件不需要也不應(yīng)該包含其他冗余的信息?,F(xiàn)階段工程圖紙圖像矢量化和測(cè)井資料的數(shù)字化相關(guān)軟件,其輸出結(jié)果多為矢量圖形,即不僅記錄點(diǎn)、線、面、文字的坐標(biāo)位置,還包括各種圖形元素的顏色、形狀、輪廓、大小和屏幕位置等信息,若有明碼格式文件輸出,在用戶不了解文件格式的內(nèi)容編排時(shí),是不容易快速獲取有效數(shù)據(jù)體的。
本系統(tǒng)的任務(wù)是對(duì)保存在柵格圖像上的測(cè)井曲線進(jìn)行正確識(shí)別,并準(zhǔn)確提取曲線數(shù)據(jù),之后直接輸出二維數(shù)據(jù)體。輸出功能是其與現(xiàn)有軟件的區(qū)別之一。
繪制在圖紙圖件上的測(cè)井曲線形態(tài)千差萬(wàn)別,但也可以總結(jié)出一些共有的特征。圖1所示是常見(jiàn)的幾種測(cè)井曲線圖件類型。
圖1 測(cè)井曲線圖件的特征Fig.1 Features of logging curve images
對(duì)測(cè)井曲線圖件分析總結(jié),可歸納出它們的一些共同特點(diǎn):
1)測(cè)井曲線以柵格圖像的形式呈現(xiàn),包括jpg、png、bmp、tiff等常見(jiàn)圖像格式。
2)測(cè)井曲線的背景有坐標(biāo)網(wǎng)格線,坐標(biāo)分為等間隔的笛卡爾平面直角坐標(biāo)系和不等間隔的半對(duì)數(shù)坐標(biāo)系。
3)曲線與坐標(biāo)網(wǎng)格線相交。
4)部分曲線之間有相交。
5)曲線之間通過(guò)顏色和線型加以區(qū)分,線型包括實(shí)線與虛線(點(diǎn)線、劃線、點(diǎn)劃線等)。
根據(jù)系統(tǒng)目標(biāo)和任務(wù),在分析處理對(duì)象的基礎(chǔ)上,將需實(shí)現(xiàn)的功能劃分為三大模塊:輸入模塊、識(shí)別與提取模塊和輸出模塊(圖2),其中核心模塊是測(cè)井曲線的識(shí)別與數(shù)據(jù)提取。下面介紹系統(tǒng)具體的功能。
圖2 流程示意圖Fig.2 Diagram of process flow
輸入模塊的功能設(shè)計(jì)為:讀取jpg、png、bmp、tiff等常見(jiàn)圖像格式,并以此作為數(shù)據(jù)輸入源,做初步的圖像剪裁處理和坐標(biāo)校正的預(yù)處理,等待識(shí)別與提取模塊的處理。整個(gè)過(guò)程是人機(jī)交互式操作。
輸出模塊的功能設(shè)計(jì)為:在顯示區(qū)域中將等待輸出的二維數(shù)據(jù)體可視化,以此來(lái)檢查提取的數(shù)據(jù)是否正確;如果正確則以文本格式記錄,保存到磁盤;若不正確則返回識(shí)別與提取模塊中重新處理。其中顯示區(qū)域?qū)⒎譃閮蓧K相同大小的區(qū)域,分別顯示原圖和提取的數(shù)據(jù)重繪圖。設(shè)定為相同大小的目的是確保待輸出數(shù)據(jù)重新繪制后,曲線的比例與原圖件中測(cè)井曲線比例完全相同。在此條件下,曲線形態(tài)完全一致視為正確,否則需重新處理。這段驗(yàn)證結(jié)果的過(guò)程交由用戶去判斷。
識(shí)別與提取模塊的功能設(shè)計(jì)為:正確識(shí)別并提取不同坐標(biāo)系下的曲線;正確識(shí)別并提取背景網(wǎng)格下的曲線;識(shí)別相交曲線并正確提取目標(biāo)曲線數(shù)據(jù);識(shí)別實(shí)線、虛線曲線并正確提取目標(biāo)曲線數(shù)據(jù)。這些功能即是在下面所列的條件限制下系統(tǒng)要完成的任務(wù):
1)不同的坐標(biāo)系:笛卡爾平面直角坐標(biāo)系和半對(duì)數(shù)坐標(biāo)系。
2)背景坐標(biāo)網(wǎng)格的干擾。
3)曲線相交織引起的干擾。
4)實(shí)線與虛線共存引起的相互干擾。
這些限制條件不會(huì)單獨(dú)地出現(xiàn),在這些條件下完成曲線正確識(shí)別與提取,需要開(kāi)發(fā)一套合適的、具有針對(duì)性的算法。
識(shí)別與提取模塊也設(shè)計(jì)為全程可視化操作,即時(shí)顯示識(shí)別的結(jié)果,以便讓用戶能及時(shí)地跟蹤識(shí)別提取過(guò)程。識(shí)別過(guò)程中,會(huì)將識(shí)別的曲線疊合在原圖上,并在顯示區(qū)域中顯示,然后由用戶判斷,保證識(shí)別結(jié)果的準(zhǔn)確。
在設(shè)計(jì)系統(tǒng)時(shí)分別在識(shí)別提取模塊和輸出模塊上,各有一次由用戶判斷處理結(jié)果的質(zhì)量驗(yàn)證,其目的是及時(shí)確保識(shí)別、提取、輸出的準(zhǔn)確(圖3)。
圖3 系統(tǒng)功能劃分Fig.3 Division of system function
在識(shí)別提取模塊的設(shè)計(jì)中,曲線與背景坐標(biāo)網(wǎng)格線交織,多條曲線相交,虛線與實(shí)線共存一直是圖像識(shí)別中的難點(diǎn)。經(jīng)過(guò)調(diào)研前人在曲線識(shí)別方面的研究成果,發(fā)現(xiàn)有兩個(gè)潛在的傳統(tǒng)誤區(qū):
第一個(gè)誤區(qū)是,過(guò)分關(guān)注于消除背景網(wǎng)格線,而忽略了研究識(shí)別曲線本身才是重點(diǎn)。為了消除背景坐標(biāo)網(wǎng)格線前人做了很多嘗試,從空域識(shí)別到頻域分析,應(yīng)用了很多方法,但背景消除并不是很完美,依然會(huì)有網(wǎng)格線殘留甚至?xí)胄碌母蓴_,尤其是頻域去噪方法,把背景網(wǎng)格線作為噪聲消除,這卻導(dǎo)致了背景網(wǎng)格線一旦是不均勻間隔,自動(dòng)消除算法就不適用,而且這還需要用戶有信號(hào)分析的理論基礎(chǔ),增加了軟件學(xué)習(xí)成本。
第二個(gè)誤區(qū)是,過(guò)分強(qiáng)調(diào)識(shí)別過(guò)程全自動(dòng)化。這樣在設(shè)計(jì)普適性算法時(shí),算法復(fù)雜度高,CPU計(jì)算時(shí)間長(zhǎng),也就意味著用戶等待響應(yīng)的時(shí)間增長(zhǎng);同時(shí)也因?yàn)榭紤]算法的普適,導(dǎo)致穩(wěn)定性和識(shí)別率都大打折扣,一味追求全自動(dòng)化而犧牲了計(jì)算速度和識(shí)別精度,這也不符合人機(jī)交互系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原則。
因此在設(shè)計(jì)系統(tǒng)的過(guò)程中,試圖避開(kāi)這兩個(gè)誤區(qū),采用自頂向下的理念,算法研究嘗試從新的角度出發(fā),將上面的復(fù)雜問(wèn)題逐步分解細(xì)化來(lái)求解。
從之前總結(jié)的曲線特征里,不難發(fā)現(xiàn)色彩是測(cè)井曲線圖件自帶的共有特性。人眼可以通過(guò)顏色立刻區(qū)分不同的曲線,受此啟發(fā),以曲線顏色作為設(shè)計(jì)的切入點(diǎn),并參考模式識(shí)別的相關(guān)理論知識(shí),提出顏色識(shí)別、背景網(wǎng)格線自動(dòng)消除、人機(jī)交互摳除干擾的一套算法來(lái)實(shí)現(xiàn)以上核心功能。
進(jìn)行綠色建筑設(shè)計(jì),就一定要選用科學(xué)節(jié)能的建筑材料,對(duì)于高層民用建筑來(lái)講,設(shè)計(jì)者要注重材料的環(huán)保與節(jié)能性,盡量使用可以循環(huán)的材料,避免使用質(zhì)量低劣、污染較高的材料,更不得采用國(guó)家和地方禁止和限制使用的建筑材料及制品??梢猿浞掷帽镜夭牧弦约白匀徊牧?,這樣可以降低運(yùn)費(fèi)與資金,節(jié)省資源。另外,還可以回收一些廢棄物,可以對(duì)其中還有利用價(jià)值的材料進(jìn)行重復(fù)利用,從而達(dá)到節(jié)能的效果。在具體設(shè)計(jì)時(shí),可以簡(jiǎn)化建筑的造型,且無(wú)大量裝飾性構(gòu)件,只要將建筑設(shè)計(jì)得美觀大方即可,結(jié)構(gòu)形式可以選擇混凝土結(jié)構(gòu)、鋼結(jié)構(gòu)等強(qiáng)度質(zhì)量較高的結(jié)構(gòu)體系進(jìn)行設(shè)計(jì)。
在設(shè)計(jì)識(shí)別提取模塊的功能時(shí),如果能在不消除背景坐標(biāo)網(wǎng)格的情況下直接識(shí)別出目標(biāo)曲線,則盡量不去做背景消除;同樣的,多條曲線相交,虛線實(shí)線共存時(shí),若能直接識(shí)別出目標(biāo)曲線,則盡量不去做干擾曲線的剔除。這樣設(shè)計(jì)既提高了算法的穩(wěn)定性也縮短了整個(gè)流程處理的時(shí)間。經(jīng)過(guò)多次編程試驗(yàn),在算法設(shè)計(jì)上首先應(yīng)用顏色識(shí)別解決以上問(wèn)題,并對(duì)顏色識(shí)別無(wú)法完成的任務(wù)再進(jìn)行針對(duì)性去干擾處理。具體步驟如下:
1)通過(guò)顏色識(shí)別,直接識(shí)別出目標(biāo)曲線,并提取數(shù)據(jù)。
2)若通過(guò)顏色識(shí)別,不止識(shí)別出目標(biāo)曲線,同時(shí)與目標(biāo)曲線顏色相同的背景坐標(biāo)網(wǎng)格線也被識(shí)別出來(lái),則針對(duì)此情況設(shè)計(jì)背景網(wǎng)格線自動(dòng)消除算法,并提取數(shù)據(jù)。
3)若通過(guò)顏色識(shí)別,不止識(shí)別出目標(biāo)曲線,同時(shí)與目標(biāo)曲線顏色相同的其他曲線也被識(shí)別出來(lái),則引入人工交互,摳除干擾,并提取數(shù)據(jù)。
4)若通過(guò)顏色識(shí)別,不止識(shí)別出目標(biāo)曲線,同時(shí)與目標(biāo)曲線顏色相同的背景網(wǎng)格線及其他曲線也被識(shí)別出來(lái),則先進(jìn)行網(wǎng)格線自動(dòng)消除處理,再引入人工交互,摳除干擾曲線,并提取數(shù)據(jù)。
顏色識(shí)別算法流程如下:
1)RGB顏色空間轉(zhuǎn)換到HSV顏色空間。
2)由用戶給出檢測(cè)點(diǎn),給出HSV三分量容差(容差可直接套用預(yù)定義的缺省值)。
3)對(duì)每個(gè)像素進(jìn)行搜索,符合條件的像素進(jìn)行存儲(chǔ)。
4)可視化顯示:對(duì)識(shí)別的像素設(shè)置為全透明,不識(shí)別的像素設(shè)置為半透明,應(yīng)用圖層概念,疊合在原圖上顯示,以供驗(yàn)證識(shí)別結(jié)果。
5)若通過(guò)用戶驗(yàn)證則結(jié)束本模塊流程;若不符合用戶要求則返回到步驟2繼續(xù)。
在顏色識(shí)別的基礎(chǔ)上,選擇性地執(zhí)行網(wǎng)格自動(dòng)消除,能降低不必要的運(yùn)算量,大大提高系統(tǒng)運(yùn)行效率。背景坐標(biāo)網(wǎng)格線自動(dòng)消除算法流程為:
1)逐行掃描像素點(diǎn),若某一行的像素點(diǎn)都同時(shí)符合坐標(biāo)網(wǎng)格線的判定條件,則記錄下行號(hào)。
2)逐列掃描像素點(diǎn),若某一列的像素點(diǎn)都同時(shí)符合坐標(biāo)網(wǎng)格線的判定條件,則記錄下列號(hào)。
3)對(duì)符合行號(hào)和列號(hào)的像素點(diǎn)進(jìn)行消除。
執(zhí)行以上流程,背景坐標(biāo)網(wǎng)格都能被很好地消除,若沒(méi)有干擾曲線,那么留下的像素點(diǎn)就是目標(biāo)曲線像素點(diǎn),便可直接進(jìn)入提取環(huán)節(jié),少部分重疊被消除的像素點(diǎn)通過(guò)再提取過(guò)程中計(jì)算補(bǔ)全。
在顏色識(shí)別與網(wǎng)格線消除的基礎(chǔ)上,通過(guò)人機(jī)交互,摳除非目標(biāo)曲線或其他干擾,剩余目標(biāo)曲線,其算法流程為:
1)通過(guò)人機(jī)交互鼠標(biāo)點(diǎn)擊,得到區(qū)域節(jié)點(diǎn)。
2)按點(diǎn)擊順序連接各個(gè)節(jié)點(diǎn)得到剔除區(qū)域。
3)將區(qū)域內(nèi)的像素點(diǎn)剔除。
以上算法復(fù)雜度低,大大提高了計(jì)算機(jī)處理速度,而且人工參與保證了結(jié)果的準(zhǔn)確性。
顏色識(shí)別、背景網(wǎng)格線消除和非目標(biāo)曲線干擾交互摳除,單獨(dú)看這三個(gè)算法,每一個(gè)都是很簡(jiǎn)單的流程,在能實(shí)現(xiàn)目標(biāo)的前提下,算法設(shè)計(jì)得越簡(jiǎn)單,后期編程就越容易優(yōu)化,相反的,不必要的情況下把算法設(shè)計(jì)得過(guò)于復(fù)雜,步驟繁多且相互之間有復(fù)雜的聯(lián)系,那么整個(gè)算法的復(fù)雜度也很難在后期編程中優(yōu)化降低,這樣就無(wú)法達(dá)到高效軟件的要求。
在執(zhí)行完一整套算法流程后,無(wú)論目標(biāo)曲線是實(shí)線還是虛線,曲線是否相交,均可以被準(zhǔn)確地識(shí)別提取出來(lái)。之后對(duì)其進(jìn)行坐標(biāo)換算和插值處理,即可輸出曲線數(shù)據(jù)結(jié)果。識(shí)別與提取的整個(gè)過(guò)程都設(shè)計(jì)為可視化過(guò)程,以確保每一步結(jié)果都能夠及時(shí)反饋,即時(shí)修改,提高效率并保證結(jié)果的準(zhǔn)確性。
下面通過(guò)幾個(gè)實(shí)例來(lái)演示本系統(tǒng)。圖4是系統(tǒng)初始化界面,其中有兩個(gè)坐標(biāo)系分別表示兩塊顯示區(qū)域。左側(cè)用于顯示測(cè)井曲線圖件,右側(cè)用于可視化提取結(jié)果,左右顯示區(qū)的大小比例相等。圖片經(jīng)過(guò)預(yù)處理剪裁后,會(huì)不等比例自動(dòng)縮放以適應(yīng)左側(cè)顯示區(qū)域大小。
圖4 系統(tǒng)界面Fig.4 System user interface
圖5是對(duì)補(bǔ)償密度曲線(以點(diǎn)線表示的虛線)識(shí)別并提取的示意圖,其中(a)圖是測(cè)井曲線原圖件中待提取的部分曲線截圖;(b)圖是導(dǎo)入系統(tǒng)后經(jīng)過(guò)剪裁和坐標(biāo)校正的預(yù)處理之后的截圖,截圖中左側(cè)圖片的坐標(biāo)軸是像素坐標(biāo);(c)圖是顏色識(shí)別結(jié)果截圖;(d)圖是干擾剔除的截圖;(e)圖是最終提取曲線的結(jié)果截圖。
圖6是某原始測(cè)井曲線圖件與目標(biāo)曲線(AC曲線)完整提取結(jié)果的對(duì)比。其中黑色粗線是原始的AC曲線,紅色虛線是經(jīng)過(guò)軟件系統(tǒng)識(shí)別提取之后的數(shù)據(jù)重繪,將重繪曲線與原始曲線疊合顯示,形態(tài)吻合準(zhǔn)確。
通過(guò)以上示例對(duì)系統(tǒng)的整體功能做了一個(gè)大致演示,分別在簡(jiǎn)單情況和復(fù)雜情況下,都準(zhǔn)確地識(shí)別并提取出了目標(biāo)測(cè)井曲線。
在經(jīng)過(guò)數(shù)字化相關(guān)技術(shù)方法的調(diào)研后,嘗試從另一個(gè)角度出發(fā),專門針對(duì)測(cè)井曲線識(shí)別與數(shù)據(jù)提取這一方面進(jìn)行了研究。在研究過(guò)程中提出了一套曲線識(shí)別與數(shù)據(jù)提取算法,并完成了數(shù)字化軟件的編寫,整個(gè)軟件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過(guò)程都在文中作了闡述。通過(guò)實(shí)際應(yīng)用表現(xiàn),本軟件系統(tǒng)提高了工作效率,也保證了輸出數(shù)據(jù)的精度,能夠方便高效地為測(cè)井資料的深入分析研究和應(yīng)用提供可靠的、可操作的測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)體,滿足科研生產(chǎn)的需要。
圖5 測(cè)井曲線的識(shí)別與提取實(shí)例Fig.5 Identification and extraction examples of logging curves
圖6 原始測(cè)井曲線圖件與成果對(duì)比Fig.6 Comparison between result and originalimage of logging curve
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