煤的顯微組分組含量自動測定 圖像分析法-編制說明

《煤的顯微組分組含量自動測定

圖像分析法》國家標(biāo)準(zhǔn)

編制說明

標(biāo)準(zhǔn)編制組

二〇二三年五月

1標(biāo)準(zhǔn)編制的意義和必要性

煤的鏡質(zhì)體反射率與鏡質(zhì)組、惰質(zhì)組和殼質(zhì)組三大顯微組分組的組成決定了煤的物

理化學(xué)性質(zhì)、工藝性質(zhì)及工業(yè)用途。在商品煤質(zhì)量檢測與煤炭焦化、氣化、液化、油氣

勘探等工業(yè)領(lǐng)域，這些煤巖參數(shù)指標(biāo)已被廣泛的應(yīng)用。然而多年來，煤巖參數(shù)指標(biāo)的測

定，是在顯微鏡下主要依靠人工肉眼識別來測定的。人工煤巖測定，不僅勞動強度大、

費時長，而且受觀測人員主觀認(rèn)識上的差異影響，實驗室之間的鑒定數(shù)據(jù)可比性差，制

約了煤巖參數(shù)指標(biāo)在煤炭分類和煉焦配煤等工業(yè)中的應(yīng)用。

傳統(tǒng)的人工肉眼在顯微鏡下測量鏡質(zhì)組反射率和鑒定煤巖顯微組分，煤巖鑒定人員

需要長期的專業(yè)知識和顯微鏡下實踐，才能準(zhǔn)確的判識出顯微組分，進行檢測。目前，

老一輩經(jīng)驗豐富的煤巖專業(yè)人員多已經(jīng)退離工作崗位，新一代煤巖檢測人員接受專業(yè)知

識培訓(xùn)的時間普遍較短，培訓(xùn)周期一般為1~3周。在如此短的培訓(xùn)時間內(nèi)要很好的掌握

煤巖鑒定技能是不現(xiàn)實的。從近幾年全國煤巖檢測能力驗證開展的情況看，2014年、2016

年分別有17家和15家全國煤田地質(zhì)、冶金、高校實驗室參加了煤巖檢測能力驗證。從

顯微組分組和礦物的含量測定數(shù)據(jù)（圖1-1、1-2）可以看出，各檢測實驗室的數(shù)據(jù)離散

度大，兩家檢測機構(gòu)對同一顯微組分組的檢測數(shù)據(jù)極差最大可達47.7%，各實驗室檢測

數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)差S最大達19.9，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出國家標(biāo)準(zhǔn)中精密度要求。煤巖自動化技術(shù)開發(fā)有

著國內(nèi)煤巖檢測的現(xiàn)實需求及意義，同時，隨著AI和自動化在國內(nèi)工業(yè)化領(lǐng)域的快速

發(fā)展，煤巖自動化檢測技術(shù)是未來煤巖檢測的發(fā)展趨勢和迫切需要。

圖1-12014年全國煤巖統(tǒng)檢圖1-22016年全國煤巖統(tǒng)檢

煤巖顯微圖像自動識別技術(shù)，即運用圖像分析技術(shù)，在油浸反光條件下自動采集煤

巖顯微圖像，自動進行圖像識別，獲得煤巖顯微組分組含量，亦可稱為圖像法顯微組分

1

測定。鑒于圖像法自動測定具有簡單、明晰、可視化、可追溯性等優(yōu)點，而且隨著高精

度數(shù)字化圖像采集及計算機圖像處理技術(shù)的快速發(fā)展，圖像法在煤巖顯微組分自動識別

的優(yōu)勢日益顯著。圖像法在煤巖自動化測定中的應(yīng)用，隨著攝像技術(shù)及計算機的快速發(fā)

展而越來越廣泛被應(yīng)用。

EnglandB.M.等（1979年）對澳大利亞必和必拓中央研究實驗室使用的Quantimet720

圖像分析儀進行了詳細(xì)的介紹。Quantimet720系統(tǒng)主要包括顯示板、光導(dǎo)攝像管掃描

儀、標(biāo)準(zhǔn)探測器、功能計算機、分類器-收集器等部件。通過建立的標(biāo)樣在不同光照條

件下白電平檢測信號與反射率的線性模型，對試樣進行反射率檢測。并對采用圖像分析

儀進行煤巖反射率和顯微組分定量的新方法進行了初步評價，證明了圖像分析儀在煤巖

學(xué)中的潛在應(yīng)用。

ChaoE.C.T.等（1982年）介紹了美國地質(zhì)調(diào)查國家中心實驗室的自動圖像分析系統(tǒng)

（AIAS），主要結(jié)合了一臺電視（TV）攝像機，該攝像機在反射率小于5%的范圍內(nèi)具

有最佳響應(yīng)特性。對來自電視攝像機的數(shù)字化信號的分析由微處理器控制，該微處理器

的分辨率在全照明和暗電流之間為64個灰度級。處理后的圖像被重新轉(zhuǎn)換顯示在電視

監(jiān)視器屏幕上，操作員可以通過光筆控制和編輯需要分析的顯微組分和反射率信息。

RiepeW.等（1984年）介紹了德國Leitz研制的圖像分析儀TAS，是對煤層煤樣的顯

微組分以及煤的混合物組成進行顯微測定的分析方法。TAS包括安裝在反射光顯微鏡上

的電視攝像機、分辨率為100灰度的灰度計和微型計算機。它由一個終端、一臺打印機

和一個顯示單元來補充，每幅顯微圖像掃描512×512點。對每個點進行灰度-反射率評

估，并將其存儲在圖像存儲器中，進行煤的反射率和顯微組分分析。將所有測量字段相

加，得到一個整體的反射率頻率分布圖，通常觀察到的三個峰，分別對應(yīng)于殼質(zhì)組、鏡

質(zhì)組和惰質(zhì)組三類顯微組分組。

GoodarziF.等（1986年）介紹了加拿大沉積與石油地質(zhì)研究所使用的德國卡爾蔡司

IBAS圖像分析系統(tǒng)。該系統(tǒng)配備有博世電視Chalnikon相機、256級灰度密度計、自動

掃描和自動調(diào)焦裝置。該自動化系統(tǒng)可識別給定微觀領(lǐng)域內(nèi)的256個灰度，使用已知標(biāo)

樣的反射率值可以將灰度轉(zhuǎn)換為反射率數(shù)據(jù)，自動生成煤的顯微組分、礦物和黏結(jié)劑的

連續(xù)反射率圖，根據(jù)連續(xù)反射率圖進行反射率及顯微組分的分析。

金奎勵（1986年）分析比對了自動數(shù)字煤巖反射儀（ADPR）、顯微鏡光度計、圖

像分析系統(tǒng)（IAS）三種分析方法下的煤巖反射率及顯微組分組的測定特征，提出了一種

基于人工干預(yù)的反射率直方圖顯微組分過渡區(qū)間優(yōu)選法。在樣品全片有代表性自動掃描

反射率直方圖（即指紋圖）上，在各顯微組分組分布的波谷區(qū)間截去當(dāng)中一段干擾值（包

括反映測點落在各顯微成分交界處等因素的影響），將區(qū)間值反映的成分在鏡下進行人

工修正后，根據(jù)修正數(shù)據(jù)，即可再次掃描得出三大顯微組分組的定量。并利用該方法在

顯微光度計和圖像分析系統(tǒng)上做了驗證，對于單種煤的測定效果較好。

2

PrattK.C.（1993年）利用采集到的樣品的顯微組分所有顯微圖像像素點灰度數(shù)據(jù)，繪制

出灰度頻率分布曲線，應(yīng)用PeakfitTM程序?qū)υ撉€進行擬合和分解，分離出一系列呈

正態(tài)分布的分段頻譜曲線，以代表過渡物質(zhì)頻譜曲線的峰值作為鏡質(zhì)組與惰質(zhì)組及鏡質(zhì)

組與殼質(zhì)組邊界分割閾值，獲得鏡質(zhì)組、惰質(zhì)組和殼質(zhì)組三大顯微組分組的百分含量。

PearsonD.E.（1991年）和O’BrienG.等（2003年）提出了反射率累積頻率FMR方

法。將采集到的樣品的所有顯微組分顯微圖像像素點灰度轉(zhuǎn)換為反射率值，繪制顯微組

分組和礦物反射率累積頻率曲線圖；然后繪出曲線圖中鏡質(zhì)組、殼質(zhì)組段和惰質(zhì)組段的

切線；再由切線交叉點求得鏡質(zhì)組、惰質(zhì)組、殼質(zhì)組+暗色礦物三大部分的百分含量。

胡德生、王文韜等（2003年）開發(fā)了數(shù)字化自動煤巖分析技術(shù)，該技術(shù)采用主分量

分析法（PCA）實現(xiàn)煤巖成分識別及反射率測定。煤巖成分識別主要是識別和分割出鏡

質(zhì)組、非鏡質(zhì)組和黏結(jié)劑3種成分，黏結(jié)劑是采用閾值方法直接分割，采用主分量分析

方法對鏡質(zhì)組和非鏡質(zhì)組進行分割，已應(yīng)用于煤的煉焦配煤中。

中煤科工西安研究院（2020年）開發(fā)了基于K均值聚類的煤巖顯微組分組圖像自

動分割和識別技術(shù)；開發(fā)出煤巖顯微圖像去噪預(yù)處理技術(shù)，有效解決了殼質(zhì)組與黏結(jié)劑

灰度重疊的有效分割問題，消除了拋光面下方煤顆粒反射對黏結(jié)劑區(qū)域灰度影響；開發(fā)

了基于Prewitt算子的煤巖顯微組分假邊界圖像處理技術(shù)，剔除了占比10-18%假邊界區(qū)

像素對顯微組分組自動識別結(jié)果的影響；形成了煙煤的煤巖顯微組分組圖像自動識別系

統(tǒng)，自動識別結(jié)果與資深煤巖專家人工鑒定結(jié)果重復(fù)性好、準(zhǔn)確性高。

鑒于煤巖圖像分析法進行顯微組分自動識別結(jié)果可隨時進行人工驗證、可追溯性

好，可降低操作者的勞動強度，并很大程度地減少人為測試的主觀性；而且隨著高精度

數(shù)字化圖像采集及計算機圖像處理技術(shù)的快速發(fā)展，圖像分析技術(shù)的發(fā)展日益趨于成

熟。中國在該領(lǐng)域總體上處于技術(shù)領(lǐng)先地位，在圖像采集、圖像分析、誤差溯源消除方

法設(shè)計等方面，都位于國際同類技術(shù)前列。但尚未制定統(tǒng)一的測試方法國家標(biāo)準(zhǔn)，使得

該技術(shù)主要在煤炭基礎(chǔ)研究、企業(yè)內(nèi)控等過程中應(yīng)用。本標(biāo)準(zhǔn)的出臺，將進一步規(guī)范利

用圖像分析技術(shù)進行顯微組分組自動測試的儀器條件、過程優(yōu)化和誤差控制，使得不同

廠家、不同儀器獲得的測試結(jié)果之間更具有可比性，便于圖像分析和顯微組分組自動測

試技術(shù)的推廣應(yīng)用。

2工作簡況

2.1任務(wù)來源

2020年12月24日，根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會《關(guān)于下達2020年第四批推薦性

3

國家標(biāo)準(zhǔn)計劃的通知（國標(biāo)委發(fā)【2020】53號）》，國家標(biāo)準(zhǔn)《煤的顯微組分組含量自

動測定圖像分析法》制定項目立項，項目計劃號為20204680-T-603。該標(biāo)準(zhǔn)由全國煤

炭標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會歸口管理，由中煤科工西安研究院（集團）有限公司負(fù)責(zé)起草。

2.2主要工作過程

（1）標(biāo)準(zhǔn)研制

2020年至2023年4月，標(biāo)準(zhǔn)起草組調(diào)研了國內(nèi)外煤巖顯微組分組自動測試技術(shù)發(fā)

展現(xiàn)狀以及相關(guān)儀器開發(fā)推廣進展。主要調(diào)研內(nèi)容包括：

（1）“配套煤巖顯微圖像自動采集平臺硬件系統(tǒng)相關(guān)技術(shù)要求”內(nèi)容，主要包括

①偏反光顯微鏡技術(shù)要求，②自動掃描裝置技術(shù)要求，③自動聚焦裝置技術(shù)要求，④圖

像采集系統(tǒng)技術(shù)要求。

（2）“圖像法煤巖顯微組分組自動識別技術(shù)研究”內(nèi)容，完成60個單種煤圖像法

顯微組分組自動識別方法、原理的測試驗證工作，完成了顯微組分組自動測定步驟流程

和測定結(jié)果表述及檢測報告輸出內(nèi)容。

（3）開展了利用圖像分析法進行顯微組分組自動測定的比對試驗，與傳統(tǒng)人工堅

定結(jié)果進行了比對，進行了可替代性研究，對測試精密度進行了評估，分析了可能對測

試結(jié)果產(chǎn)生影響的各種因素，提出了相應(yīng)的控制技術(shù)要求，完成了標(biāo)準(zhǔn)的初步征求意見

稿和編制說明。

在項目執(zhí)行過程中，起草單位所在地西安市自2021年12月至今受新冠疫情的嚴(yán)重

影響，項目人員于2021年12月至2022年2月份基本采取居家辦公的工作方式開展工

作，無法按計劃進行實驗室內(nèi)的樣品制備、分析測試工作，使得項目的正常進度滯后。

2022年，項目組申請延期一年。

（2）邀請專家討論

2023年至4月底，標(biāo)準(zhǔn)起草組完成了標(biāo)準(zhǔn)工作組討論稿及編制說明。起草組5月

16日組織相關(guān)煤巖專家于西安對討論稿及編制說明進行了討論，并按討論意見及建議修

改了本標(biāo)準(zhǔn)的討論稿。起草組于5月19日赴北京與煤炭科學(xué)技術(shù)研究院有限公司煤化

工分院、煤炭檢測中心相關(guān)專家討論了標(biāo)準(zhǔn)工作組討論稿，并提出了具有建設(shè)性的意見

及建議。

（3）征求意見

計劃于2023年6月組織開展標(biāo)準(zhǔn)征求意見工作。

4

3標(biāo)準(zhǔn)編制原則

（1）本標(biāo)準(zhǔn)主要依據(jù)GB/T1.1-2020《標(biāo)準(zhǔn)化工作導(dǎo)則第1部分：標(biāo)準(zhǔn)化文件的

結(jié)構(gòu)和起草規(guī)則》的要求進行編制。

（2）國內(nèi)外關(guān)于顯微組分組自動測定技術(shù)應(yīng)用情況的文獻調(diào)研表明，基于顯微圖

像分析技術(shù)的顯微組分組自動測定方法，能夠隨時進行人工驗證、可追溯性好，可以消

除受觀測人員主觀認(rèn)識上的差異影響，增強實驗室之間的鑒定數(shù)據(jù)可比性，是傳統(tǒng)人工

鑒定方法的有益補充。本標(biāo)準(zhǔn)的編制，是在傳統(tǒng)人工煤巖顯微組分組測定方法基礎(chǔ)上，

開展基于煤巖圖像分析技術(shù)的顯微組分組自動測定方法研究工作。

4標(biāo)準(zhǔn)主要內(nèi)容

4.1測定方法說明

4.1.1測定方法總述

將粉煤光片置于反光顯微鏡下，用白光反射。調(diào)節(jié)顯微鏡光源強度，能清晰地分辨

出各種組分邊界，對樣品在選定區(qū)域自動逐點掃描、聚焦并采集圖像，運用圖像分析法

自動識別各顯微組分組，并計算出每幅圖像中各組分所占像素的比例，統(tǒng)計出各顯微組

分組的體積分?jǐn)?shù)。

4.1.2測定方法依據(jù)

本測定方法是以國家標(biāo)準(zhǔn)《煤巖術(shù)語》（GB/T12937-2008）、《煙煤顯微組分分

類》（GB/T15588-2013）為基礎(chǔ)，對比參照人工測定方法《煤的顯微組分組和礦物測

定方法》（GB/T8899-2013），運用圖像處理顯微煤巖自動識別技術(shù)代替人工識別制定

顯微組分組含量自動測定方法。通過顯微鏡相機采集煤巖顯微圖像，通過自動載物臺及

圖像采集控制系統(tǒng)自動控制煤巖樣品沿X、Y、Z三軸方向自動移動，基于圖像處理方

法的自動聚焦技術(shù)控制光學(xué)顯微鏡自動調(diào)焦，實現(xiàn)樣品測點的自動掃描、自動調(diào)焦及測

點圖像的自動采集；以自動識別后各種顯微組分組的像素面積占總有效測點像素面積的

百分?jǐn)?shù)統(tǒng)計法代替現(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn)標(biāo)中的點統(tǒng)計方法，提高了結(jié)果統(tǒng)計的精度。

5

4.2術(shù)語和定義說明

GB/T12937《煤巖術(shù)語》中確立的術(shù)語和定義適用于本文件。

GB/T20733《數(shù)碼照相機術(shù)語》中確立的術(shù)語和定義適用于本文件。重點涉及的

術(shù)語有數(shù)碼照相機、圖像傳感器、電荷耦合器、互補型金屬氧化物半導(dǎo)體器件、位深、

像素、灰階等。

另外本標(biāo)準(zhǔn)還專門規(guī)定了顯微鏡相機、像素、自動載物臺、圖像采集控制系統(tǒng)、顯

微數(shù)字圖像、有效圖像、無效圖像、測點、有效測點9個術(shù)語。

顯微鏡相機：通過專用接口和顯微鏡連接，具有能輸出顯微鏡成像的數(shù)字信號的圖

像傳感器，并通過數(shù)據(jù)接口與如計算機相連，將此信號記錄在存儲媒體（如存儲卡或磁

盤）上的照相機。

像素：圖像傳感器上能單獨感光的物理單元。

自動載物臺：通過計算機程序控制沿X、Y、Z三軸方向自動移動的顯微鏡載物臺。

圖像采集控制系統(tǒng)：同時驅(qū)動自動載物臺移動和顯微鏡相機照相的計算機軟件。

顯微數(shù)字圖像：利用顯微鏡相機對顯微鏡物鏡下樣品的成像所拍攝的數(shù)字圖像。

有效圖像：指在準(zhǔn)焦條件下采集的煤巖樣品顯微圖像，可清晰的分辨出顯微組分、

礦物質(zhì)、膠結(jié)物及各種組分邊界。

無效圖像：煤巖樣品在顯微鏡非準(zhǔn)焦條件下拍攝的顯微圖像，無法清晰地分辨出顯

微組分、礦物質(zhì)、膠結(jié)物及各種組分邊界。

測點：按照設(shè)定的合理點距和行距對煤巖樣品拍攝、采集的顯微圖像區(qū)域，均勻布

滿全片。

有效測點：每個測點所采集顯微圖像中適于辨識顯微組分和礦物的區(qū)域像素集合。

單個測點采集圖像中有效測區(qū)像素數(shù)不應(yīng)少于整幅圖像的10%，否則，該測點圖像作為

無效圖像處理。

4.3儀器設(shè)備與測試系統(tǒng)

儀器設(shè)備由反光顯微鏡、數(shù)控調(diào)壓電源、自動載物臺、顯微鏡相機四部分硬件組成。

軟件包括圖像采集控制系統(tǒng)和顯微組分組圖像自動識別測定系統(tǒng)兩個模塊。上述兩個模

塊，可以集成在一起，也可以單獨運行。

6

4.3.1反光顯微鏡

應(yīng)配備反光或偏反光顯微鏡，顯微鏡光源應(yīng)采用有足夠亮度且輸出穩(wěn)定的光源，宜

采用功率為50W或100W的鹵素石英燈或同等效果的LED燈室；油浸物鏡應(yīng)為×25～

×60，目鏡應(yīng)為×8～×12.5。

4.3.2數(shù)字程控可調(diào)電源

圖像分析法需要保證能夠采集到穩(wěn)定光源條件下的煤巖圖像，宜采用具有數(shù)顯可編

程直流穩(wěn)壓/穩(wěn)流電源，輸出電壓0-12V，分辨率1mV/0.1mA；在穩(wěn)壓模式下，輸出電

壓波動應(yīng)控制在±1mV范圍。

4.3.3自動載物臺

自動載物臺應(yīng)在X、Y、Z三軸方向均能自動移動，且配有自動控制系統(tǒng)。在X、Y

軸方向能按設(shè)定的點距、行距和路線在規(guī)定范圍內(nèi)自動、連續(xù)移動樣品；在Z軸方向配

置自動聚焦裝置，具有自動調(diào)焦取得清晰圖像的功能。采集到準(zhǔn)焦且清晰的樣品顯微圖

像是圖像法顯微組分組自動識別測定的前提和基礎(chǔ)。

X-Y軸向自動掃描技術(shù)在國內(nèi)各種行業(yè)已經(jīng)非常成熟，應(yīng)用于顯微鏡平臺上，主要

考慮X、Y向的行程、步進分辨率及重復(fù)定位精度等指標(biāo)。自動聚焦技術(shù)的發(fā)展最初是

應(yīng)用于照相機系統(tǒng)，成像系統(tǒng)聚焦方法有焦點檢測法，主要是基于測距原理的測距方法。

隨著計算機技術(shù)和數(shù)字圖像處理技術(shù)的進步，應(yīng)用圖像處理方法的聚焦技術(shù)得到快速發(fā)

展。基于圖像處理方法的自動聚焦技術(shù)應(yīng)用前景最廣闊，是實現(xiàn)光學(xué)顯微鏡自動聚焦的

發(fā)展趨勢，國內(nèi)學(xué)者在顯微鏡自動聚焦技術(shù)開發(fā)及應(yīng)用方面做了大量的研究工作。

應(yīng)用于煤巖檢測光學(xué)顯微鏡的自動調(diào)焦方法，早期，國內(nèi)開發(fā)了跟蹤調(diào)焦法的顯微

鏡半自動調(diào)焦技術(shù)，該方法實際上是一種焦距預(yù)設(shè)技術(shù)，并非真正意義上的自動調(diào)焦。

其工作方法是在正式測試之前，先將樣品掃描一遍，并選取一定數(shù)量的位置，記錄這些

位置的準(zhǔn)確聚焦工作距離。在正式測試過程中，隨掃描的進行在同一方向不斷地調(diào)焦，

利用之前的各個校準(zhǔn)點做參照，使每一測點都在“理想”的焦距上，以保證成像清晰度

和數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。這種“多點定面”的技術(shù)要取得良好效果，前提是煤巖光片平整度要

足夠高，但實際上很難做到。在高倍物鏡下，樣品表面實際上不是嚴(yán)格的平面，而是一

7

個不規(guī)則的曲面，有許多突起和凹面。

目前，光學(xué)顯微鏡的自動調(diào)焦方法以基于圖像處理方法的自動聚焦技術(shù)為主。圖像

處理方法自動聚焦是應(yīng)用某種圖像處理算法來獲得圖像清晰度評價的函數(shù)值，根據(jù)函數(shù)

值調(diào)整顯微鏡成像系統(tǒng)焦距，直至這一函數(shù)值滿足某一條件為止?；趫D像處理方法的

自動聚焦技術(shù)其核心內(nèi)容是對圖像清晰度函數(shù)的研究，目前已提出了多種圖像清晰度評

價的算法。

煤巖粉煤光片中的模糊亮斑狀黏結(jié)劑在顯微鏡下呈現(xiàn)無固定形態(tài)、無明顯的銳化邊

緣，不存在準(zhǔn)焦平面，以及由于不同顯微組分及礦物的硬度差異，造成拋光面上各種成

分的突起高低差異，使得整幅圖像各部位不在同一個聚焦平面上。如黃鐵礦，在一定的

景深范圍內(nèi)沒有清晰的邊緣，加之基本上是超曝光，灰度值基本為灰階最高值，在不同

焦平面上的灰度變化極小。針對煤巖樣品的顯微鏡自動聚焦技術(shù)，起草組在前人研究的

基礎(chǔ)上，開展了基于圖像處理技術(shù)的煤巖粉煤光片顯微鏡自動聚焦算法開發(fā)工作。

（1）煤巖粉煤光片不同焦平面下灰度圖像特征分析

粉煤光片中表面平整、邊界清晰的顯微組分顆粒，在不同焦平面下采集的煤巖顯微

圖像及其圖像的灰度分布曲線如圖4-1所示。在準(zhǔn)焦平面位置采集的圖像顯示（圖4-1a），

煤顆粒與黏結(jié)劑邊界清晰，煤顆粒中各顯微成分邊界清晰易于辨識；隨著偏離準(zhǔn)焦平面

距離加大，各種邊界變得越來越模糊，各顯微成分也難于辨認(rèn)（圖4-1b-d）。相應(yīng)地，

不同焦平面下采集的顯微圖像的灰度分布曲線如圖4-1e所示，可以看出來，隨著偏離

顯微鏡準(zhǔn)焦平面距離加大，圖像中煤顆粒的灰度曲線峰值呈現(xiàn)規(guī)律性的增大，且峰值變

窄、變高。顯然這種灰度變化特征利于進行圖像清晰度評價。

(a)準(zhǔn)焦平面1圖像(b)模糊焦平面2圖像

(c)模糊焦平面3圖像d)模糊焦平面4圖像

8

(e)不同焦平面圖像灰度分布曲線

圖4-1邊界清晰圖像在不同焦平面下灰度分布特征

從粉煤光片中選擇帶有少量煤顆粒的模糊亮斑狀黏結(jié)劑視域（圖4-2）進行了觀察，

顯示視域中少量的煤顆粒（圖4-2a中右上角框圖圈定范圍）可以準(zhǔn)確定位該視域下的

圖像準(zhǔn)焦平面。分別采集了不同焦平面下的顯微圖像并生成了各圖像的灰度分布曲線

（圖4-2b-g）。可以看出，隨著偏離準(zhǔn)焦平面距離加大，煤顆粒圖像越來越模糊，直至

煤顆粒與黏結(jié)劑無法分辨。但黏結(jié)劑區(qū)域的圖像特征基本上無明顯變化，一直呈現(xiàn)模糊

狀，無清晰的邊緣，說明單從黏結(jié)劑區(qū)域的圖像特征變化無法確定該視域下的準(zhǔn)焦平面。

從不同焦平面下采集各圖像的灰度分布曲線（圖4-2g）來看，模糊黏結(jié)劑區(qū)域灰度變化

特征不明顯，也難于根據(jù)其灰度變化進行圖像清晰度評價。

(a)焦平面1圖像(b)焦平面2圖像

(c)焦平面3圖像(d)焦平面4圖像

9

(e)焦平面5圖像(f)焦平面6圖像

(g)不同焦平面圖像灰度分布曲線

圖4-2模糊亮斑區(qū)黏結(jié)劑在不同焦平面的灰度分布特征

從粉煤光片中選擇帶有少量煤顆粒的高突起高亮礦物黃鐵礦視域（圖4-3）進行了觀察。

顯示視域中少量的煤顆粒（圖4-3a中左上角框圖圈定范圍）可以準(zhǔn)確定位該視域下的

圖像準(zhǔn)焦平面。分別采集了不同焦平面下的顯微圖像并生成了各圖像的灰度分布曲線

（圖4-3b-g）。由圖可以看出，隨著偏離準(zhǔn)焦平面距離加大，黃鐵礦顆粒內(nèi)部圖像特征

基本上無明顯變化，都呈現(xiàn)為過飽和灰度值；但是煤顆粒圖像越來越模糊，直至煤顆粒

被黃鐵礦完全覆蓋。說明單從黃鐵礦區(qū)域的圖像特征變化無法確定該視域下的準(zhǔn)焦平

面。從不同焦平面下采集各圖像的灰度分段分布曲線來看，煤顆粒的不同焦平面下灰度

分布曲線（圖4-3g），呈現(xiàn)為遠(yuǎn)離準(zhǔn)焦平面特征，即隨距準(zhǔn)焦平面位置越遠(yuǎn)，煤顆粒主

體成分的灰度曲線峰值越來越小、峰值的寬度逐漸變寬，呈現(xiàn)規(guī)律性變化；而黃鐵礦顆

粒的圖像灰度分布曲線（圖4-3h）無明顯的規(guī)律性變化，煤顆粒內(nèi)部像素點灰度基本無

變化，為最高灰階255，難于根據(jù)其灰度變化進行圖像清晰度評價。

通過上述對粉煤光片中不同顯微組成的圖像特征分析，以及對典型成分在顯微鏡下

不同焦平面下圖像的灰度分布曲線的特征來看，表面平整、邊界清晰的煤顆粒及黏結(jié)劑

區(qū)域在準(zhǔn)焦平面和離焦平面上的圖像灰度曲線呈現(xiàn)出一定的變化規(guī)律，而模糊亮斑狀黏

結(jié)劑及高亮礦物在準(zhǔn)焦平面和離焦平面上的圖像灰度曲線特征變化不明顯。模糊亮斑狀

黏結(jié)劑及高亮礦物的邊緣變化不明顯，在一定景深范圍內(nèi)不存在準(zhǔn)焦平面，難于進行圖

像清晰度的判識，是煤巖樣品顯微鏡下自動聚焦技術(shù)開發(fā)的難點，對聚焦圖像質(zhì)量以及

聚焦搜索效率影響很大。

10

(a)焦平面1圖像(b)焦平面2圖像

(c)焦平面3圖像(d)焦平面4圖像

(e)焦平面5圖像(f)焦平面6圖像

(g)不同焦平面煤顆粒圖像灰度分布曲線(h)不同焦平面黃鐵礦顆粒圖像灰度分布曲線

圖4-3高突起光亮成分在不同焦平面的灰度分布特征

（2）基于灰度方差函數(shù)的煤巖圖像清晰度評價算法

目前圖像清晰度評價算法都是依照圖像的有關(guān)信息來判斷圖像聚焦與否，即圖像清

晰度評價函數(shù)是否達到最大值。常見圖像清晰度評價函數(shù)有基于灰度梯度、基于頻域和

基于圖像統(tǒng)計信息的聚焦函數(shù)。本文先后采用基于灰度方差、灰度差分絕對值之和

（SMD）、基于Robert算子的差分絕對值和以及基于Sobel算子等圖像清晰度評價方法，

11

對煤巖顯微圖像進行了自動聚焦嘗試分析。綜合比較結(jié)果表明，采用基于灰度方差算法

更適合于煤巖顯微圖像的清晰度評價。

灰度方差是基于圖像統(tǒng)計信息及自相關(guān)的聚焦函數(shù)，清晰圖像一般比模糊圖像具有

更大的灰度級差異，可以用灰度方差的大小來反映圖像的清晰程度?；叶确讲詈瘮?shù)公式

如4-1式所示：

(4-1)

式中，為圖像中第像素點的灰度值，為圖像中所有像素點灰度的平均

值，灰度方差為每個像素點的灰度值減去圖像所有像素點平均灰度值的平方和除以

總的像素個數(shù)。

（3）自動聚焦搜索算法開發(fā)

通過研究認(rèn)為，根據(jù)顯微鏡下煤巖圖像聚焦對象不同，提出了三種不同的聚焦搜索

方法。在對煤巖粉煤光片單點進行聚焦搜索時，采用粗調(diào)與微調(diào)結(jié)合的聚焦搜索方法；

對煤巖粉煤光片各掃描點連續(xù)進行聚焦搜索時，采用微調(diào)優(yōu)先聚焦搜索方法；針對粉煤

光片中存在的模糊亮斑區(qū)黏結(jié)劑和高突起高亮成分圖像，采用圖像分區(qū)搜索評價方法。

1）單點粗調(diào)與微調(diào)結(jié)合的聚焦搜索方法

在對煤巖粉煤光片單點進行聚焦搜索時，顯微鏡聚焦調(diào)節(jié)是圖像由模糊到清晰再到

模糊，然后往回調(diào)，調(diào)回清晰的過程。因此，圖像自動搜索算法目的就是控制電機，結(jié)

合清晰度評價算法，直到找到聚焦點。聚焦過程一般要求較高的精確度，因此步長的選

擇至關(guān)重要。太大步長會使電機運動越過聚焦位置，導(dǎo)致錯過聚焦點；太小步長雖然可

以精確找到聚焦點，但是運算量太大，所用時間需要太長，效率低下。從兼顧聚焦圖像

的精度和速度兩方面考慮，使用了粗調(diào)加微調(diào)的搜索方法，即在聚焦搜索過程中通過對

電機步長的改變實現(xiàn)快速、精準(zhǔn)聚焦。粗調(diào)與微調(diào)結(jié)合搜索方法，粗調(diào)是為了加快對焦

速度，微調(diào)是為了提高聚焦的精準(zhǔn)度。

粗調(diào)與微調(diào)結(jié)合搜索方法的具體流程如圖4-4，對焦過程中，先大步長移動電機進

行調(diào)焦，在得到粗略的準(zhǔn)焦函數(shù)值后，切換為小步長調(diào)焦。聚焦搜索初始階段，以一個

較大步長，從聚焦起始位置開始上下移動掃描臺，計算出各步距下焦平面的圖像清晰度

評價函數(shù)值，選擇出粗略的準(zhǔn)焦平面并記錄所在位置。搜索第二階段，以記錄的粗略準(zhǔn)

焦平面位置為中心，減小步長以更高精度進行第二遍聚焦搜索，直至找到聚焦評價函數(shù)

最大值所在位置即為最佳準(zhǔn)焦平面。

12

圖4-4粗調(diào)-微調(diào)結(jié)合對焦流程圖

2）多點微調(diào)優(yōu)先聚焦搜索方法

對煤巖粉煤光片各掃描點連續(xù)進行聚焦搜索時，顯微鏡下粉煤光片掃描點移動方式

如圖4-5所示，設(shè)定左上角為起始掃描點，從左側(cè)開始沿X軸方向向右進行第一行掃描，

掃描至第一行結(jié)束，沿Y軸向下移動至第2行從右向左掃描，按S型路線掃描全片。

粗調(diào)與微調(diào)結(jié)合搜索方法的特點是每一個掃描點都要進行第一階段的大步距粗調(diào)

和第二階段的小步距微調(diào)，沒有考慮到相鄰掃描點準(zhǔn)焦平面的關(guān)聯(lián)特征。而煤巖樣品的

制備工藝，使得拋光面上相鄰的掃描點的平整度較為接近，相鄰掃描點的準(zhǔn)焦平面變化

較小。結(jié)合相鄰掃描點的準(zhǔn)焦平面變化較小特征，在粗調(diào)與微調(diào)結(jié)合搜索方法基礎(chǔ)上，

設(shè)計了微調(diào)優(yōu)先聚焦搜索方法。

微調(diào)優(yōu)先聚焦搜索方法主體思路：起始掃描點按單點粗調(diào)與微調(diào)結(jié)合搜索方法聚

焦，并記錄起始點焦平面位置，移動樣品至相鄰第二個掃描點后，以起始掃描點準(zhǔn)焦平

面位置為基準(zhǔn)，直接進行第二階段小步距微調(diào)搜索。同粗調(diào)與微調(diào)結(jié)合搜索方法相比較，

微調(diào)優(yōu)先搜索方法只需進行少量掃描點的第一階段粗調(diào)搜索，而以小步距微調(diào)搜索為

主，理論上可以節(jié)省大量重復(fù)的粗調(diào)搜索時間，提高聚焦效率。

13

圖4-5煤巖粉煤光片自動掃描點運行軌跡圖

微調(diào)優(yōu)先聚焦搜索方法的流程如圖4-6所示。

圖4-6微調(diào)優(yōu)先搜索對焦流程圖

3）圖像多窗口聚焦評價搜索方法

采用基于灰度方差算法進行煤巖圖像清晰度評價時，對于粉煤光片中表面平整、邊

界清晰的煤顆粒和黏結(jié)劑，其在準(zhǔn)焦平面和離焦平面上的圖像灰度曲線呈現(xiàn)出規(guī)律性變

化，圖像清晰度判識效果較好；對于粉煤光片中包含的模糊亮斑狀黏結(jié)劑及高突起的高

亮成分，其本身在一定的景深范圍內(nèi)沒有清晰的邊緣，不存在明晰的準(zhǔn)焦平面，且與同

幅圖像中其他成分不在同一準(zhǔn)焦平面上，基于灰度方差算法的圖像清晰度評價函數(shù)無法

對這類圖像進行準(zhǔn)焦判識。粉煤光片中的這類掃描點，如果對整幅圖像區(qū)域采用該聚焦

評價函數(shù)來計算的話，除了會影響整幅圖像的聚焦效果，還會占用較多的判識時間。

針對這一問題，設(shè)計了圖像多窗口聚焦評價搜索方法。即將同一掃描點顯微鏡視域

下的圖像分割成多個聚焦窗口，優(yōu)選具有尖銳和清晰成分邊緣的窗口作為聚焦評價區(qū)，

14

同時將包含模糊亮斑狀黏結(jié)劑和高突起的高亮成分窗口剔除，僅對整幅圖像中優(yōu)選窗口

區(qū)域進行聚焦評價。

4）自動聚焦成像效果

在顯微鏡放大500倍下對粉煤光片按0.5mm移動步距自動掃描自動聚焦10×10個

測點，獲取100幅顯微圖像的平均單點掃描時間及百幅成像清晰度合格率數(shù)據(jù)見表4-1。

由數(shù)據(jù)可以看出，所測試的5個樣品平均單點掃描成像時間均小于等于3秒，百幅成像

清晰度合格率平均大于95%。

表4-1百幅成像清晰度合格率試驗數(shù)據(jù)

平均單點百幅成像

掃描步距掃描點數(shù)

樣品號聚焦時間合格率

/um/行×列

/秒/%

150010×102.995

250010×103.098

350010×102.894

450010×102.998

550010×102.697

基于圖像處理技術(shù)的光學(xué)顯微鏡自動聚焦方法，是對采集的圖像進行實時處理，設(shè)

定清晰度指標(biāo)閾值來自動監(jiān)控判識聚焦情況，在圖像采集過程中，對于超過一定閾值的

圖像，認(rèn)為其清晰度不夠，聚焦不準(zhǔn)確，系統(tǒng)自動控制物臺上移或下移，重新分析其清

晰度指標(biāo)，直到該指標(biāo)滿足閾值要求，再正式采集圖像；是一種真正意義上的自動調(diào)焦

技術(shù)，其實時調(diào)焦精確度高。所采集的圖像，完全可滿足顯微組分組自動測定技術(shù)要求。

鑒于市場上兩種技術(shù)均在采用，甚至一些廠家的設(shè)備難以實現(xiàn)自動調(diào)焦，但最終測

試結(jié)果能夠滿足要求，本標(biāo)準(zhǔn)未限定必須采用何種自動調(diào)焦技術(shù)，但規(guī)定了準(zhǔn)焦圖像的

比例，以引導(dǎo)用戶積極選擇技術(shù)先進的自動聚焦技術(shù)，以提高測試效率及精確度。

自動載物臺的技術(shù)參數(shù)的規(guī)定：

——X、Y行程：大于40mm；

——X、Y最小步進分辨率：不大于10μm；

——X、Y重復(fù)定位精度：不大于10μm；

——Z軸分辨率：以能獲取樣品清晰圖像為宜。

以上參數(shù)的必要性分析：

1）X、Y行程為大于40mm：煤巖光片的尺寸一般都小于這個尺寸，40mm可以保

證覆蓋整個煤巖光片。

2）X、Y最小步進分辨率為不大于10μm：即行走一步最小的距離可以在10μm以

15

下，一般的煤巖分析過程，測試點距、行距控制為0.3mm~0.6mm，本標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定明顯

較嚴(yán)格，主要是為了即使在極端要求條件下也能夠使采集的圖像覆蓋整個光片中任何位

置，而且，目前市場上的自動物臺產(chǎn)品，實現(xiàn)該指標(biāo)沒有技術(shù)上的難度。

3）X、Y重復(fù)定位精度為不大于10μm：即物臺在移動過程中可以記憶每個點的坐

標(biāo)，當(dāng)物臺移動后，使物臺回到某個點，偏差不能大于10μm。該規(guī)定的主要目的是為

了在極端要求條件下也能夠再現(xiàn)圖像采集過程，而且，目前市場上的自動物臺產(chǎn)品，大

多數(shù)能夠達到該指標(biāo)。

4）Z軸分辨率：顯微鏡Z軸傳動結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，Z軸分辨率是一個在實驗室條件

下極難檢測的參數(shù)，不易直接檢測。據(jù)前期調(diào)研，目前廣泛使用的蔡司顯微鏡手動調(diào)焦

精度為4μm，徠卡顯微鏡手動調(diào)焦精度為1-4μm。自動調(diào)焦是在普通光學(xué)顯微鏡的Z軸

加裝步進電機實現(xiàn)進一步的精度細(xì)分，并沒有精準(zhǔn)的精度參數(shù)。從實驗室的現(xiàn)有顯微鏡

試驗表明，調(diào)焦精度為1-4μm時，依據(jù)加裝的Z軸自動調(diào)焦電機的精度細(xì)分后是可以實

現(xiàn)清晰準(zhǔn)焦的。因此，對顯微鏡的Z軸的調(diào)焦精度宜從成像角度做技術(shù)要求，Z軸分辨

率以能獲取樣品清晰圖像為宜。

4.3.4圖像采集裝置

圖像采集裝置即顯微鏡相機，和控制系統(tǒng)共同組成圖像采集系統(tǒng)。對顯微鏡相機的

技術(shù)要求主要有：

a)圖像傳感器：電荷耦合陣列檢測器（CCD）或互補型金屬氧化物半導(dǎo)體器件

（CMOS），試驗表明上述兩種類型的圖像傳感器均可用于煤巖測試；

b)圖像傳感器尺寸：建議采用1/2"或2/3"規(guī)格；

c)接口：C-mount接口，符合GB/T22063-2008的技術(shù)要求；

d)位深：8bit及以上；

e)圖像文件格式：宜為JPG、BMP或TIFF格式；

f)曝光時間：可調(diào)且最短能至50ms以下；

g)計算機接口：具有和計算機相連接的接口。

顯微鏡相機說明：對顯微鏡相機的要求是以能夠連續(xù)采集清晰煤巖顯微圖像為目

的，以上為顯微鏡相機的基本要求。關(guān)于圖像傳感器尺寸要求，認(rèn)為在該尺寸規(guī)格下，

能夠采集到顯微鏡視域下足夠大尺寸的煤巖顯微圖像；關(guān)于相機位深的要求，8bit位深

16

是目前市場上工業(yè)相機的最低配置，而且目前電腦系統(tǒng)可以顯示的圖像即8bit位深圖

像。從顯微組分組識別檢測精度要求方面看，8bit位深圖像完全可滿足識別測定技術(shù)要

求；另外，從電腦圖像處理及存儲方面看，更高位深圖像將對電腦的軟硬件要求更高，

會大大增加電腦硬件成本，同時也加大了顯微組分組識別算法開發(fā)難度及運算量。實際

運行中，建議開發(fā)專門的相機自動控制軟件，以便和自動載物臺驅(qū)動軟件形成聯(lián)動，實

現(xiàn)圖像自動采集。

4.3.5圖像采集控制系統(tǒng)

圖像采集宜采用圖像采集系統(tǒng)進行自動控制，圖像采集自動控制系統(tǒng)主要控制載物

臺的移動、顯微鏡Z軸調(diào)焦及采集圖像的功能。從能夠滿足顯微組分組自動識別測定的

需求規(guī)定了圖像采集控制系統(tǒng)應(yīng)具備的基本功能。

a)自動載物臺自動移動（X、Y、Z三軸方向），設(shè)定樣品移動的點距、行距及路

線并控制試樣按照設(shè)定值自動移動；

b)自動調(diào)焦控制功能；

c)控制顯微鏡相機自動采集圖像，自動采集顯微圖像的準(zhǔn)焦圖像采集率應(yīng)不低于

90%；

d)離焦圖像判別、篩選功能，判別、篩選后的準(zhǔn)焦圖像比例不低于98%；

e)灰階化：應(yīng)具有圖像灰階化功能；

f)圖像自動傳輸?shù)接嬎銠C，具有顯示和存儲功能。

準(zhǔn)焦圖像采集率對顯微組分組自動識別和測定結(jié)果的準(zhǔn)確性非常重要，自動采集后的準(zhǔn)

焦圖像不低于90%，表明自動調(diào)焦技術(shù)是有效的，不僅可以提高測試效率，而且可以改善

有效測點的代表性。離焦圖像自動判別和篩選功能，則有利于進一步將大部分虛焦圖像

篩除，提高后續(xù)圖像分析的精度。

4.3.6圖像質(zhì)量要求

為保證能夠滿足顯微組分組自動識別測定的技術(shù)需求，本標(biāo)準(zhǔn)對顯微圖像質(zhì)量做如

下基本要求。

a)圖像質(zhì)量：符合JB/T10362-2010中“4.5影像質(zhì)量”的技術(shù)要求；

b)圖像分辨率：1024×768及以上，或80萬像素以上；

17

c)圖像灰階化：應(yīng)能夠滿足讀取256及以上灰階的需要；

以上規(guī)定的目的，一方面是為了保證有足夠的分辨能力，保證能夠準(zhǔn)確識別出各種

顯微組分邊界信息；另一方面，圖像有足夠的像素，才能保證顯微組分組識別的準(zhǔn)確性

及測定結(jié)果的代表性。

4.3.7顯微組分組圖像自動識別測定系統(tǒng)

顯微組分組圖像自動識別測定系統(tǒng)是對采集樣品顯微圖像進行輸入、識別處理、分

析、檢測、報告輸出的軟件分析、檢測平臺。顯微組分組的自動識別測定方式可采取逐

幅單張識別或?qū)λ杏行y點整體識別測定，系統(tǒng)應(yīng)具備以下基本功能：

a)調(diào)入圖像采集系統(tǒng)采集的顯微圖像，判別、篩選有效圖像；

b)顯微圖像預(yù)處理，包括圖像裁剪，圖像中的膠結(jié)物、空洞、裂隙等噪聲去除、

有效測點分析等；

c)顯微組分組圖像自動識別功能：根據(jù)油浸物鏡下采集圖像顯微組分的灰階、紋理

（結(jié)構(gòu)、形態(tài)、突起）等特征，運用數(shù)字圖像圖像處理技術(shù)自動識別顯微組分組；

d)分析計算顯微組分組測定結(jié)果和繪制顯微組分組體積百分含量直方圖；

e)形成、輸出顯微組分組含量測定報告，且識別結(jié)果可追溯。

顯微組分組自動識別的準(zhǔn)確性是影響顯微組分組含量測定的關(guān)鍵。目前，國內(nèi)外在

顯微組分組自動識別方向做了大量的研究工作。其中，基于圖像處理技術(shù)的代表性顯微

組分組自動識別方法有采用基于K均質(zhì)聚類圖像分割算法、灰度累積頻率圖FMR法及

直方圖峰值擬合法，并且實現(xiàn)了一定范圍的市場應(yīng)用。但是，顯微組分組識別的準(zhǔn)確性

各有差異，如果顯微組分組識別誤差大，其它干擾因素控制得再好，測試誤差也是比較

大的甚至是錯誤的。因此，各測點顯微組分組識別結(jié)果可審核、可追溯，是顯微組分組

自動測定系統(tǒng)應(yīng)具備的基本功能，這樣使得審核測定結(jié)果是否準(zhǔn)確時做到有據(jù)可依。對

于采用何種顯微組分組自動識別技術(shù)，本標(biāo)準(zhǔn)不進行具體規(guī)定，而是通過識別測定的追

溯功能及與人工鑒定比對來評估自動識別測定的準(zhǔn)確性與精準(zhǔn)度。

強烈建議煤巖圖像分析設(shè)備廠家不斷改進系統(tǒng)功能，提高顯微組分組自動識別和測

定結(jié)果的準(zhǔn)確性。

18

4.4圖像數(shù)量及分布

按《煤的顯微組分組和礦物測定方法》（GBT8899-2013）國家標(biāo)準(zhǔn)，顯微鏡下人工

進行煤的顯微組分組測定的測點是指顯微鏡目鏡十字絲交點下的顯微組分組。剔除掉當(dāng)

十字絲交點為膠結(jié)物、顯微組分中的細(xì)胞空腔、空洞、裂隙以及無法辨認(rèn)的微小顆粒時

的無效點，并且應(yīng)保證不少于500個有效測點均勻布滿全片。區(qū)別于人工顯微鏡觀測，

圖像分析法測點應(yīng)是指按規(guī)定步距采集的單幅圖像，以顯微鏡視域內(nèi)面采集測定取代點

采集測定。采集圖像數(shù)量，以及這些圖像在煤光片如何分布，是否有代表性的問題闡述

如下：

（1）樣品移動的點距和行距要求

GB/T8899規(guī)定“應(yīng)保證不少于500個有效測點均勻布滿全片，點距一般以

0.4mm~0.6mm為宜，行距不應(yīng)小于點距”。人工顯微鏡觀測，在50倍油浸物鏡下視域

范圍大概相當(dāng)于直徑為300μm圓面積，故點距在0.4mm~0.6mm范圍，不會出現(xiàn)對同一

區(qū)域重復(fù)測定；此外，實驗室制備的粉煤光片直徑在20mm~25mm之間，也能夠保證觀

測到足夠的測點。

相應(yīng)地，采用顯微鏡相機采集煤巖顯微圖像，在圖像傳感器尺寸為1/2"或2/3"規(guī)格

情況下，在50倍油浸物鏡下，能采集到顯微鏡下全視域的近1/3樣品顯微圖像。即采集

圖像的尺寸大概在150μm，采集樣品測點的范圍遠(yuǎn)小于顯微鏡視域面積。為保證能夠取

得足夠多測點，規(guī)定每次測定時點距、行距視樣品具體情況在0.3mm~0.6mm之間取一

定值為宜。對于20mm~25mm規(guī)格粉煤光片，去除邊緣部位，有效檢測面積大約為15mm

×15mm，按0.3mm~0.6mm點間距計算，可以獲取625~2500幅左右的圖像，完全可以

滿足規(guī)定測點要求。

（2）有效圖像數(shù)量

有效圖像數(shù)量直接影響測試結(jié)果的準(zhǔn)確性和代表性。按《煤的顯微組分組和礦物測定

方法》（GBT8899-2013）國家標(biāo)準(zhǔn)，顯微鏡下人工進行煤的顯微組分組測定的測點是

指顯微鏡目鏡十字絲交點下的顯微組分組。剔除掉當(dāng)十字絲交點為膠結(jié)物、顯微組分中

的細(xì)胞空腔、空洞、裂隙以及無法辨認(rèn)的微小顆粒時的無效點，并且應(yīng)保證不少于500

個有效測點均勻布滿全片。

區(qū)別于人工顯微鏡觀測，圖像分析法測點應(yīng)是指按照設(shè)定合理的點距和行距對煤巖

樣品拍攝、采集顯微圖像，均勻布滿全片。圖像分析法測點包括有效圖像和無效圖像，

19

而有效測點指每個測點所采集顯微圖像中適于辨識顯微組分和礦物的區(qū)域像素集合。當(dāng)

有效圖像中完全是膠結(jié)物或者適于辨識的顯微組分組和礦物占比較少時，是不利于顯微

組分組辨識的，即不具有代表性。圖像法進行顯微組分組測定的有效測點，應(yīng)是指一副

有效圖像中含有足夠面積可識別的顯微組分組及礦物顆粒，且可識別煤顆粒粒徑大于

10um。且規(guī)定單個測點采集圖像中有效測點區(qū)域像素數(shù)不應(yīng)少于整幅圖像的10%，否

則，該測點圖像作為無效圖像處理。

為了確定圖像法煤巖樣品有效圖像數(shù)量的代表性，按不同變質(zhì)階段及顯微組分組含

量變化，選取5個煤巖樣品進行測定分析。采用0.3×0.3cm等間距測點布滿全片，按300、

500、800、1000幅4種規(guī)格采集圖像，并進行圖像預(yù)處理、顯微組分組自動識別測定。

人工測定標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)及不同測點采集規(guī)格下自動測定結(jié)果極差（d）見表4-2。

表4-2不同規(guī)格有效測點下顯微組分組含量自動識別測定與人工鑒定結(jié)果統(tǒng)計表

測定有效樣品1樣品2樣品3樣品4樣品5

測點

方式E/%V/%I/%E/%V/%I/%E/%V/%I/%E/%V/%I/%E/%V/%I/%

人工

＞

鑒定5004.579.316.18.968.822.310.760.329.05.070.624.40.179.720.2

300幅5.679.914.410.770.418.98.963.028.13.474.422.20.080.519.5

500幅5.978.715.411.071.217.88.861.729.53.972.123.90.080.619.4

幅

自動8005.478.416.110.270.519.38.063.528.43.871.324.90.081.318.7

測定

1000幅5.379.015.710.470.319.38.163.228.73.871.624.60.080.919.1

平均值5.679.015.410.670.618.88.562.928.73.772.423.90.080.819.2

極差d0.61.51.70.80.91.50.91.81.40.53.12.70.00.80.8

從表4-2測定數(shù)據(jù)可以看出：4種規(guī)格測點下樣品自動測定結(jié)果的極差都很?。▓D

4-7），說明4種規(guī)格測點下顯微組分組測定結(jié)果接近。顯微組分組體積分?jǐn)?shù)P≤10%的

極差不大于0.9%，體積分?jǐn)?shù)10＜P≤30%的極差不大于2.7%，體積分?jǐn)?shù)60＜P≤90%的極

差不大于3.1%。

4種測點采集規(guī)格下自動測定與人工測定結(jié)果極差都小于5%。其中，按300幅采集

樣本極差≤3%占比87%，500、800、1000幅采集樣本極差≤3%占比都為93%。為同人工

測定國標(biāo)方法（大于500有效測點）進行比對，本次方法驗證的所有樣本有效圖像選取

均設(shè)定為500幅。

20

圖4-7不同規(guī)格測點下樣本顯微組分組含量極差分布圖

從大量的自動采集有效圖像測定與人工測定結(jié)果表明，當(dāng)有效圖像中有效測點數(shù)量

為500幅時，自動識別測定與人工測定結(jié)果相符性好，測定結(jié)果的準(zhǔn)確性能夠達到人工

測定的精度要求。此外，有效圖像占比總測點是與聚焦技術(shù)息息相關(guān)的，在提高自動聚

焦技術(shù)的基礎(chǔ)上，總測點數(shù)就可以相應(yīng)減少。有效測點是與煤巖制樣的質(zhì)量及其煤體結(jié)

構(gòu)相關(guān)的，當(dāng)粉煤光片中煤顆粒不足時即膠結(jié)物含量過高時，那么采集圖像中的有機組

分占比減少，會影響有效測點的數(shù)量；同時，如果煤顆粒粒徑小于10um占比較多時，

可識別顯微組分組顆粒數(shù)量偏少時，也會降低有效測點的數(shù)量。本標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的實際是有

效測點的數(shù)量。

4.5圖像采集參數(shù)

主要考慮的圖像采集參數(shù)包括照明條件、曝光時間、是否自動校正、圖像尺寸等，

對上述參數(shù)的要求及測試情況如下：

4.5.1照明強度和曝光時間

顯微鏡下人工進行顯微組分鑒定時，首先要依據(jù)煤巖樣品的煤化程度調(diào)節(jié)顯微鏡光

源強度，使得鏡下顯微組分的反射光強度強弱適中，利于顯微組分的識別，光線太弱或

太強，會使顯微組分間的相對亮度及清晰程度降低，都不利于顯微組分的識別。同樣，

應(yīng)用圖像采集處理技術(shù)進行顯微組分圖像識別，主要依據(jù)圖像中不同顯微組分相對灰度

差異及清晰的顯微組分邊界等特征來判識的。一般來說，圖像亮顯微組分彼此易于區(qū)分

識別，但是亮度過大，會使圖像的清晰程度降低，使顯微圖像變得模糊；顯微組分彼此

之間灰度差異變小，不易辨認(rèn)識別。顯然選擇合適的圖像亮度對顯微圖像的識別至關(guān)重

21

要。

顯微圖像的亮度和清晰程度，內(nèi)在的受煤自身的煤化程度和顯微組分影響，外在受

光源強度、曝光時間等因素影響。因此，針對不同煤化程度煤，需要優(yōu)選合適的光源強

度和曝光時間，才能獲取可辨識、高清晰程度的煤巖顯微圖像。為此，選取了代表性粉

煤光片，在不同的光源強度和曝光時間條件下進行了煤巖顯微圖像采集，對煤巖圖像中

各種成分的灰度及其相對灰度差異特征進行了研究，對煤巖圖像采集關(guān)鍵參數(shù)進行了優(yōu)

選。

（1）顯微鏡不同光源強度下顯微圖像灰度特征

在固定CCD相機曝光時間條件下，通過調(diào)節(jié)顯微鏡鹵鎢燈光源強度對不同變質(zhì)階段

的10個粉煤光片進行了圖像采集。利用0~12V直流穩(wěn)壓調(diào)節(jié)電源調(diào)節(jié)輸出電壓，輸出

電壓分別按7.5V、8.5V、9.5V、10.2V、10.8V五種參數(shù)設(shè)置。不同輸出電壓下采集煤巖

顯微圖像見圖4-8。

(a)7.5V(b)8.5V

(c)9.5V(d)10.2V(e)10.8V

圖4-8不同光源強度下采集的煤巖顯微圖像

選取10個樣品粉煤光片按黏結(jié)劑、鏡質(zhì)組、惰質(zhì)組、殼質(zhì)組四類顯微成分選取代

表性像素點，對在不同光源強度下像素點灰度特征數(shù)據(jù)進行了手動采集，具體采集數(shù)據(jù)

見表4-3。基于所采集圖像及提取數(shù)據(jù)，在“像素點”尺度下分析組成煤巖顯微圖像中

不同顯微成分在不同光源強度下的灰度特征。

表4-3不同曝光時間下各種組成像素點灰度

樣品序號光源強像素點灰度樣品序號光源強像素點灰度

（Rmax/%）度/V黏結(jié)劑殼質(zhì)組鏡質(zhì)組惰質(zhì)組（Rmax/%）度/V黏結(jié)劑殼質(zhì)組鏡質(zhì)組惰質(zhì)組

17.55123811267.5574180

22

（0.69）8.581858166（1.23）8.59112235

9.51127812179.513159250

10.2153310324610.216197255

10.8184012425010.820223255

7.5513381167.5577115

8.5920581748.58117174

27

9.51329812209.512163224

（0.75）（1.34）

10.2163810024410.215203247

10.8204412024810.819228252

7.5524521417.56109147

8.5937771978.59163206

38

9.513521102449.514216246

（0.88）（1.67）

10.2166513724910.217246251

10.8197716225410.821250255

7.553355997.56113171

8.5850821488.59170223

49

9.512721172029.514222248

（0.94）（1.76）

10.2158814523410.217247255

10.81810617324810.821251255

7.5643691047.55118172

8.59661031578.58177226

510

9.513921482089.512226249

（1.14）（2.02）

10.21611618024210.216247255

10.81913720924910.819252255

顯微鏡下人工進行煤巖顯微組分觀測時，為了使鏡下顯微組分亮度適中、邊界清晰，

針對不同變質(zhì)階段樣品，需要根據(jù)人工觀測經(jīng)驗對光源強度進行適當(dāng)?shù)恼{(diào)節(jié)。一般情況

下，低煤化程度樣品需要調(diào)大光源強度，使樣品圖像更加明亮；高煤化程度樣品需要適

當(dāng)調(diào)低光源強度，確保樣品圖像光線亮度適合，光源強度過高會出現(xiàn)顯微組分亮度過飽

和現(xiàn)象，不利于顯微組分的辨識。

分別在7.5V、8.5V、9.5V、10.2V、10.8V鹵鎢燈光源強度調(diào)節(jié)條件下，10個不同變

質(zhì)階段樣品各顯微組成像素點灰度分布情況見圖4-9。由圖可以看出：在7.5V、8.5V光

源強度下（圖4-9a、圖4-9b），樣品中各顯微組成隨煤化程度加深，像素點灰度基本呈

線性遞增；在9.5V、10.2V、10.8V光源強度下（圖4-9c、圖4-9d、圖4-9e），隨光源強

度加強，鏡質(zhì)組和惰質(zhì)組在Rmax高于1.3%左右時，像素點灰度變化率變小，煤化程度接

近2.0%時，鏡質(zhì)組和惰質(zhì)組像素點接近灰度過飽和現(xiàn)象（即指像素點達到最大灰階值），

說明在較高光源強度情況下，Rmax高于1.3%時，樣品中鏡質(zhì)組和惰質(zhì)組像素點灰度已經(jīng)

表現(xiàn)為非線性遞增，此時顯微組分邊界清晰度開始變差，不利于顯微組分組的識別。對

于低煤化程度樣品，隨光源強度增加，鏡質(zhì)組、殼質(zhì)組邊界更加清晰，利于顯微組分的

辨識。

23

(a)光源強度7.5V(b)光源強度8.5V

(c)光源強度9.5V