基于Visual Studio+SQLite的矿井钻孔成像仪轨迹显示软件

计算机系统应用 ISSN 1003-3254, CODEN CSAOBN

Computer Systems & Applications,2020,29(11):255−259 [doi: 10.15888/.007627]

©中国科学院软件研究所版权所有.

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Tel: +86-10-62661041

基于Visual Studio+SQLite的矿井钻孔成像仪

轨迹显示软件

①

雷晓荣

(中煤科工集团西安研究院有限公司, 西安 710054)

通讯作者: 雷晓荣, E-mail: *****************

摘　要: 针对煤矿井下多款钻孔成像仪没有地面数据处理软件的现状, 在分析钻孔成像仪输出数据源的基础上, 给

出了软件总体架构设计, 基于Visual Studio+SQLite设计了一款兼容多款仪器的钻孔成像仪轨迹显示软件. 该软件

实现了钻孔姿态数据和图形数据的多源数据管理, 钻孔轨迹二维、三维图生成和图形操作, 钻孔柱状图的生成和操

作等功能. 应用结果表明: 该软件提供了友好的人机界面, 具有较高的应用价值.

关键词: Visual Studio; SQLite; 钻孔; 成像仪; 轨迹显示

引用格式: 雷晓荣.基于Visual Studio+SQLite的矿井钻孔成像仪轨迹显示软件.计算机系统应用,2020,29(11):255–259. www.c-s-

/1003-3254/

Trajectory Display Software of Drilling Imager in Coal Mine Based on Visual Studio+SQLite

LEI Xiao-Rong

(Xi’an Research Institute, China Coal Technology and Engineering Group Crop, Xi’an 710054, China)

Abstract: Aiming at the fact that there is no data processing software for multiple drilling imagers in coal mine, the

overall architecture design of the software is proposed, based on the analysis of output data source of drilling

imager, a trajectory display software for drilling imager compatible with multiple instruments is designed based on

Visual Studio+SQLite. The software realizes multi-source data management of borehole attitude data and graphic

data, 2d and 3d drawing generation and graphic operation of borehole trajectory, generation and operation of

borehole histogram, etc. The application results show that this software provides friendly human-machine interface

and has high application value.

Key words: Visual Studio; SQLite; drilling; imager; trajectory display

钻孔成像技术是一种利用光学成像原理的成像测

井技术, 经过多年的发展, 该种技术由最初以观察为主

的钻孔照相和钻孔摄像(钻孔电视), 发展成为结合视

频采集和图像处理的综合式全景摄像系统, 提前观测

以及了解煤矿井下地质条件能够有效掌握煤矿井下巷

道的围岩、工作面的断层构造以及上覆岩层导水裂隙

带等地质情况, 对巷道的支护设计、巷道修复和围岩

注浆加固等工作提供真实且有效数据支持

[1–10]

. 早期的

钻孔成像仪只有摄像头模块, 近两年加入了钻孔轨迹

测量模块和深度计数模块, 对地面轨迹显示和处理软

件提出了新的要求: 把精确的深度信息、测量点的钻

孔偏差信息、钻孔璧图像信息的深度融合并借助数据

① 基金项目: 国家重点研发计划(2017YFC0804105); 国家自然科学基金(41807190); 天地科技股份有限公司科技创新创业资金专项(2018-TD-MS072,

2019-TD-ZD003)

Foundation item: National Key Research and Development Program of China (2017YFC0804105); National Natural Science Foundation of China (41807190);

Special Fund for Science and Technology Innovation and Entrepreneurship of Tiandi Co. Ltd. (2018-TD-MS072, 2019-TD-ZD003)

收稿时间: 2020-03-12; 修改时间: 2020-04-12; 采用时间: 2020-04-14; csa在线出版时间: 2020-10-29

Research and Development 研究开发

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库管理并兼容多种仪器成为主要的研究方向.

文章借助软件工程的设计理念, 给出了软件的总

体架构设计框图, 并基于Visual Studio+SQLite技术实

现了矿井钻孔成像仪轨迹显示软件.

1 钻孔成像仪及数据源分析

1.1 钻孔成像仪组成及工作原理

CXK12矿用本安型钻孔成像仪由CXK12－Z矿

用本安型钻孔成像仪主机、CXK－5S矿用本安型钻

孔深度计数器、CXK－26T矿用本安型钻孔成像仪探

头、CXK－42T矿用本安型钻孔成像仪探头、煤矿用

聚乙烯绝缘编织屏蔽聚氯乙烯护套通信软电缆、聚乙

烯绝缘铜网屏蔽聚氨酯护套综合抗拉电缆组成, 总体

组成框架如图1所示.

深度计数器主机

显示单元

探头

电子罗盘

光电编码器

深度采

信号

集模块

嵌入式平台

电源

摄像摸组

电源模块光源

图1 成像仪组成框架

图1中, 深度计数器的核心是光电编码器. 测量时

探头通过电缆送入钻孔内部, 探头进入钻孔的深度可

通过间接测量进入钻孔内部的电缆长度进行测量. 仪

器中将深度计数器和滚轮相结合, 输送电缆时通过计

数器滚轮连接即可实现对钻孔深度的测量; 主机包括

嵌入式OMAP4460模块

[11]

、显示模块、深度采集模

块和电源模块, 搭载Android系统实现采集的轨迹数

据和图像数据井下及时处理; 探头由电子罗盘、摄像

模组和光源组成, 电子罗盘用于测量包含方位角、倾

角、工具面向角参数的姿态信息, 摄像模组记录钻孔

的图像和视频信息; 探头测量的姿态信息和图形、视

频信息通过特制的电缆传输主机进行处理和存储. 该

仪器具有体积小、重量轻、功耗低以及便携性强等优点.

1.2 钻孔成像仪输出数据源分析

CXK12矿用本安型钻孔成像仪进行一次测量后

包含的数据: 钻孔轨迹测量数据、钻孔录制视频数

据、钻孔视频展开图片元数据3部分.

(1)钻孔轨迹测量数据, 该数据的保存格式为

TXT格式(文本文件), 数据按照FileStream(文件流)写

256

研究开发 Research and Development

入, 写入顺序: 序号、深度、倾角、方位角、工具面向

角, 每输出一组上述姿态信息后加一个回车换行符, 重

复上述写入方式直到结束.

(2)钻孔视频展开图片元数据, 该数据为一系列

PNG格式图片的组合, 每个图片的命名规则为初始展

开钻孔深度数据和结束展开钻孔深度数据的组合, 中

间加“_”组成, 类似“0.5_0.9”的组合, 0.5和0.9严格对

应(1)中0.5米和0.9米出的钻孔轨迹测量数据(方位

角、倾角、工具面向角).

(3)钻孔录制视频数据, 该视频为通用的视频格式,

常见的视频播放器可以打开, 本文所述的软件不做处理.

2 软件总体架构设计

软件架构设计遵从软件工程的设计理念, 采用自

顶向下的分层设计策略, 根据成像仪数据处理涉及的

相关数据和客户方的实际需求导向, 在软件需求层次

化划分的基础上对软件功能进行模块化的细分, 各业

务模块遵从“高耦合、低内聚”的原则. 最终设计的软

件总体架构包括: 数据库、数据管理模块、图形绘制

模块、数据处理模块和柱状图5大模块, 如图2所示.

成像仪数据

数据库

Txt 导入

图片元数据

导入

软件功能框架

数据管理图形绘制数据处理柱状图

Txt 导入

二维图绘制磁偏角设置

浏览图形

文件

Excel 导入

二维图操作

开孔参数

设置

生成柱状图

XML 导入

三维图绘制轨迹计算柱状图操作

报表输出三维图操作坐标转化图形导出

图2 软件功能框架

每个功能模块根据业务需求和业务类别细分为不

同的细分子功能.

3 软件实现

3.1 数据库设计及实现

为了便于矿方进行数据管理和生产报告编制, CXK12

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矿用本安型钻孔成像仪测量的钻孔轨迹测量数据和钻

孔视频展开图片元数据设计采用SQLite数据库作为

数据存储载体.

SQLite是一款轻型的遵守ACID的关系型数据库

管理系统, 开源免费与支持嵌入式, 它占用资源非常的

低, 支持多数SQL92标准: 多数据表、事务、索引、

触发、视图及一系列应用程序接口, 其所有信息包含

在一个文件内, 核心引擎不依赖第三方软件, 直接编译

链接后即可使用

[12]

.

分析1.2节中钻孔成像仪数据源并结合SQLite语

法的基础上, 每个钻场设计一个DataTable, 数据字段

设计如表1所示.

表1 数据库字段设计

序号字段名称类型备注

1

钻场

TEXTPRIMARY KEY UNIQUE

2

钻孔

TEXTNOT NULL

3

深度

REALNOT NULL

4

倾角

REALNOT NULL

5

方位角

REALNOT NULL

6

工具面向角

REALNOT NULL

7

上下偏差

REALNOT NULL

8

左右偏差

REALNOT NULL

9

图片

BLOBNOT NULL

SQLite中存取图片采用MemoryStream的方式,

保存和读取图片的关键代码如下:

//保存图片

SQLiteParameter myPara =new SQLiteParameter

("@myPic", );

MemoryStream myStr = new MemoryStream();

byte[] byData = new Byte[];

on = 0;

(byData,0,);

= byData;

();

//读取图片

MemoryStream myStr = new MemoryStream

(sqlReader["myPic"] as byte[]);

();

3.2 软件功能实现

软件采用微软Visual Studio 2013集成开发环

境Winform架构C#语言开发, 编译依赖项为.NET

Framework 4.5.1, SQLite版本为: sqlite-netFx451-setup-

bundle-x86-2013-1.0.110.0, 设计完成的软件功能实现

如下:

(1)数据管理模块, 实现了Txt数据文件导入、XML

(eXtensible Markup Language)数据文件导入、Excel数

据文件导入、Excel导出和数据录入功能, 如图3所示.

其中Txt格式数据为西安院成像仪姿态信息, 采用

下的Stream流同步方式读取; XML格式数

据和Excel格式数据为其他厂家的数据(按照约定的

数据格式导入软件), XML格式数据采用

下的XmlDocument实现数据读取和写入, Excel格式

数据采用COM组件进

行读取和写入; 数据录入为把导入的姿态信息、经过

重新计算的偏差信息、图片源数据导入到SQLite数

据库中, 如3.1节中所述.

图3 数据管理界面

(2)数据处理模块, 实现了地磁偏角设置、开孔参

数设置(设计开孔倾角和方位角)、轨迹计算和坐标转

化功能. 地磁偏角设置当地的地磁偏差用于钻孔轨迹

计算, 以便把基于磁方位角的钻孔偏差转化到基于地

理方位角的钻孔偏差, 便于矿方把生成的偏差信息加

载到矿区地质图. 轨迹计算公式如下:

X

∑

n

n

=∆L

i

×(cosθ

i

×cos(α

i

−α

0

)+cosθ

i−1

×cos(α

i−1

−α

0

))

i=1

Y

∑

n

n

=∆L

i

×(cosθ

i

×sin(α

i

−α

0

)+cosθ

i−1

×sin(α

i−1

−α

0

))

i=1

Z

∑

n

n

=∆L

i

×(sinθ

i

+sinθ

i−1

)

i=1

∆L

i

=(A

i

+A

i−1

)/2

式中,

θ

i

、

θ

i−1

分别为当前测量点和上一次测量点的倾

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角:

α

i

、

α

i−1

别为当前测量点和上一次测量点的方位角;

A

i

为当前测量点的测量深度;

A

i−1

为上一次测量点的测

量深度;

X

n

为当前测点在X轴上的累计投影长度;

Y

n

为

当前测点的累计左右偏差;

Z

n

为当前测点的累计上下

偏差

[13]

; 开孔参数设置钻孔的开孔倾角和方位角, 根据

开孔参数可以计算出设计轨迹和实际测量轨迹的偏离

距离, 如图4中的显示效果.

(a) 二维轨迹图

(b) 三维轨迹图

图4 图形绘制界面

(3)图形绘制模块, 实现了钻孔轨迹图的二维和三

维绘制及相关的操作, 生成的二维图和三维图如图4(a)

和图4(b)所示.

二维图采用Visual Studio 2013自带的MSchart组

件绘制, 添加两个Series分别表示设计轨迹和实际轨

迹, Chart Type设计为Line. 图4(a)上下两幅图分别表

示水平面图和剖面图, 其中曲线表示实际钻孔轨迹, 而

直线表示设计钻孔轨迹, 二维轨迹图右上角红色字为

设计轨迹和实际轨迹的偏离距离.

三维图绘制采用OpenTK(OpenGL图形库的C#封

装库)图形库绘制, 关键绘图代码片段实现如下:

unc (ha,

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研究开发 Research and Development

usSrcAlpha);

(ooth);

(oothHint, HintMode.

Nicest);

(rip);

(est);

();

(ufferBit |

ufferBit);

Vector3 vec = new Vector3();

vec.X = yy + y_fact * (zy[i].ToString());

vec.Y = xx + x_fact * (sd[i].ToString());

vec.Z = zz + z_fact * (sx[i].ToString());

3 (list[i]);

其中, Vector3表示OpenTK语法中的三维向量,

包含X、Y、Z 3个坐标; 3直线绘制语句.

(4)柱状图模块, 实现了图形文件浏览、生成柱状

图、图形放大和缩小、取消缩放图形和图形导出等功

能. 柱状图的生成按照1.2中数据源的分析进行解析,

对于数据源中的每张图片进行边界特征点的提取, 根

据生成的特征描述符进行特征匹配, 然后采用加权平

滑算法解决了图片拼接时缝隙问题(算法的优化和平

滑系数的选择决定了拼接的质量), 最后对所有完成拼

接的图片进行图像边界融合和钻孔深度匹配

[14–16]

, 图5

中纵坐标表示钻孔深度(向下递增, 单位: 米), 横坐标

E、N、S、W、E表示圆形柱状图的展开方向: 东、

北、南、西、东.

图5 柱状图界面

4 实际应用

该软件开发完成后, 利用CXK12矿用本安型钻孔

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成像仪进行了室内模拟钻孔测量验证(直径55 mm的

PVC管道)、禾草沟煤矿水文观测钻孔、榆林某在建

煤矿掉钻钻孔打捞作业观察、阳煤集团某矿岩性观察

等大量的室内外测量、处理验证. 典型的应用如禾草

沟煤矿水文观测钻孔, 该钻孔为地面垂直钻孔, 手工下

放铠装线缆的方式进行测量, 每隔0.5 m测量一次, 总

测量钻孔深度64 m. 测量数据导入文章中开发的软件

后生成的钻孔柱状图如图6所示.

图6 实际柱状图界面

从图6可以明显看出岩层的分界线和孔壁的裂缝,

图像中拼接缝处有黑色的分界线但不影响钻孔的观察

效果. 钻孔柱状图的实时无缝拼接也是下一步的研究

重点.

5 结论

(1)文章在详细分析钻孔成像仪数据源的基础上,

从软件工程的思路出发, 给出了软件的整体架构设计;

(2)基于Visual Studio+SQLite设计了兼容多款钻

孔成像仪的轨迹显示软件, 并详细介绍了钻孔姿态数

据和图形数据的多源数据管理, 钻孔轨迹二维、三维

图生成和图形操作, 钻孔柱状图的生成和操作等功能

的详细实现流程和关键代码;

(3)大量的室内模拟试验和矿井实际应用表明, 该

软件功能设计合理、操作简单明了、处理速度块, 作

为几款成像仪的配套软件已服务于国内多个矿井, 取

得了一定的应用效果.

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