2025年华为杯|围岩裂隙精准识别与三维模型重构|思路、代码、论文|持续更新中....

 题目概述

围岩裂隙精准识别与三维模型重构

煤炭是我国的主要能源，国家特别注重发展新质生产力实现煤矿安全、高效、智能化开采。井工煤矿开采是一个复杂的地下工程系统（如图1所示），其中巷道作为煤炭生产的咽喉和必要工程，承担着井下通风、材料及煤炭运输等关键功能。然而，巷道围岩内部肉眼难见的裂隙网络，常因探测不清、不准，不及时控制而引发冒顶、突水、瓦斯突出等安全事故，严重威胁生命财产安全[1,2]。因此，定量分析裂隙的几何特征，对煤矿安全生产具有重要意义。

图1 井工煤矿开采示意图[3]

传统围岩探测方法仍以“地质切片式”的岩芯取样为主，具有耗时长、成本高、劳动强度大的缺点。相比之下，钻孔成像技术则充分利用煤矿巷道锚杆支护过程中形成的钻孔对孔壁岩层进行高精度扫描，实现岩层内部结构的可视化数据采集。该技术的核心组件包括探头、主机、深度计数器、推杆和电缆线等。其中，探头一般采用高清摄像头，可对孔壁岩层进行360°全景扫描，并通过电缆线将高清图像传输至主机[4,5]。操作时，将探头安装在推杆上人工匀速推进，深度计数器通过监测电缆线的放出长度实时记录探头的位置。

钻孔成像展开图呈现岩体内部的二维裂隙图像。实际地质环境中，裂隙通常为复杂的三维曲面结构，但大部分曲率较低，可近似视为平面。当该平面与钻孔中轴线斜交时，其与钻孔表面的交线呈椭圆形。在直径均为30mm的钻孔成像展开图中，这种椭圆交线表现为具有周期性变化的正弦曲线，称为“正弦状”裂隙。这是平面裂隙在柱坐标系展开后的典型表现，在煤系地层钻孔成像中较为常见，如图3所示[7]。

然而，图像中的“正弦状”曲线并非都是裂隙，也可能是岩层界面。可依据“张开距离”和“填充材质”进行判断：若曲线有明显张开（展开图中裂隙宽度超过1mm）且内部被水、气体或其他与岩石基质不同的物质填充，则可判断为裂隙。反之，若曲线两侧紧密贴合、无明显张开，且两边岩石过渡自然连续，则判断为岩层界面。

在准确区分裂隙与岩层界面后，钻孔成像技术在实际应用中仍面临三大难题：①地质“杂音”干扰大——岩石天然纹理、孔壁残留泥浆、钻头钻进痕迹在图像中形成的干扰；②人工判读耗时长——资深工程师需要依赖经验耗费3-5小时分析单孔图像，且不同专家判断结果差异性大；③地质模型重构难——现有技术难以将不同钻孔的二维图像拼接成连续的三维地质模型。

在钻孔成像实施过程中，我们精选了典型煤系地层（如图4所示）的随钻探测图像作为研究数据。

图4 煤系常见地质构造图（改绘自文献[8]）

请利用“附件”中的数据集，解决以下问题：

问题1：基于像素分类的裂隙智能识别

钻孔成像展开图中的裂隙识别是后续所有问题研究的基础。然而，实际钻孔成像展开图中存在大量干扰因素，例如岩石天然纹理、孔壁残留泥浆、钻头钻进痕迹、图像拼接线等，如图5所示。这些干扰因素在图像中往往与真实裂隙呈现相似的视觉特征，使得裂隙识别面临严峻挑战。完整题目第二部分下载。