煤炭是目前人类的主要能源之一,并且是全世界开采与使用最多的能源。伴随着大量煤炭的开采利用,对其储层岩石的研究具有相当重要的意义。储层岩石的各项物理性质和矿藏的勘探开采息息相关,因此研究好储层岩石,能保障生产安全、稳定、高效的运行,同时对后续的研究工作提供重要的帮助。目前,大多采用CT成像技术获取煤岩微观结构,但是这种方法非常昂贵。利用计算机技术,通过采集真实煤岩结构的数据,结合三维重建算法可以得到煤岩结构的三维重建图像信息。本文主要围绕以单幅二维煤岩图像作为原始信息的三维重建算法进行研究,学习了针对煤岩三维重建的遗传算法和有着广泛运用的多点地质统计算法,在此基础上针对两者各自的不足进行相关改进,并进一步对重建结果进行优化。同时为了获得高质量的原始二维图像,也研究了相位一致算法在煤岩图像孔隙检测方面的作用。本文主要的研究内容及成果如下:(1)研究了基于相位一致的煤岩图像孔隙检测方法。针对经典的边缘检测算法得到的孔隙特征对图像的亮度和对比度都较敏感这一问题,引入了基于频域相位一致的图像特征检测方法。分别对三幅不同特点的煤岩孔隙图像进行相位一致运算,实验结果表明,基于频域相位一致算法对图像局部亮度和对比度不敏感,而且对孔隙特征产生单向相应,与经典空域边缘检测算子检测结果相比更加简洁准确。于经典边缘检测算子相比,该方法得到的煤岩孔隙特征具有稳定性,能够适用于多样的图像边缘检测。(2)研究了模式密度函数(Pattern Density Function,PDF)在描述煤岩介质形态学特征方面的作用,针对利用传统的以遗传算法为代表的智能优化算法得到的煤岩三维重建结果在形态学方面并不能很好地表示原始训练图像(Training Image,TI)这一问题,利用模板对TI进行扫描获得PDF,加入遗传算法作为其约束条件,提出了模式密度函数与遗传算法结合的煤岩显微图像三维重建算法(PDFSIM算法)。实验结果显示,PDF可以对重建结果的形态学特征和物理特征进行约束,得到的结果和真实结构较为接近;另外,利用不同的模板大小扫描TI、利用不同孔隙度的TI进行对比实验均获得了符合实际的重建结果,表明了该算法的有效性。(3)提出了一种结合最大球算法(Biggest Ball,BB)的PDFSIM算法(BB-PDFSIM)。尽管PDFSIM算法能够有效提高重建结果在形态学特征方面的真实度,但在物理特性方面仍有改进的余地。Silin在2003年提出的最大球算法最初被用来研究沉积岩的孔隙空间形态,我们经过分析发现,最大球思想可以很好地描述TI的形态学特征,同时最大球中所包含的图像信息更为全面,使得重建结果受到多重约束,为此,提出了BB-PDFSIM算法。另外,为了提高重建算法的运行效率,改进了遗传算法的基因交换规则,把传统的完全随机的交换机制改为有选择性的交换。实验结果显示,BB-PDFSIM算法能够得到更接近真实结构的重建结果,同时算法效率得到显著提高,很好的解决PDFSIM算法存在的不足。