物探綜合成像技術在工程勘察中的應用研究

2013-08-07 06:05:38亢會明吳有亮趙倩倩

物探化探計算技術 2013年3期

李星，亢會明，吳有亮，王俊，趙倩倩，雷宛

（1.成都理工大學地球物理學院，成都 610059；2.中國石油工程設計院有限公司西南分公司，成都 610010）

0 前言

工程物探是工程勘察中的一種重要的手段。在工程勘察過程中，對鉆孔以外盲區的地層，通常進行簡單連線、推測，無法掌握中間一些地層變化情況，尤其是一些不良地質情況。通過工程物探可以針對這些鉆孔無法探測到的地區進行探測，反演出較好的底層形態，以供勘查人員對工作區進行正確的地下地質解釋。

由于社會的發展與科技水平的提高，工程勘察場地的地形條件越來越復雜，要求的勘探精度也越來越高。簡單的一維鉆探解釋與二維物探剖面，已經無法滿足目前的工程勘察需求。在工程勘察深度、廣度不斷拓展的今天，為了更有效、更直觀地表現地下地質體的各類特征，迫切需要三維成像技術的應用。三維成像技術，其數據的連續性、直觀性，對于解決特殊地質情況下工程勘察的作用是無法替代且十分必要的［12］。

因此作者針對工程實際，利用autocad輔助二次開發與access存儲數據庫技術［14］，開發出一套適用于多種工程物探方法綜合成像的工程物探綜合成像系統。該系統可對多種物探方法進行三維可視化全方位成像，并將數據保存至所建立的工區數據庫中以方便查看與修改。

1 物探方法、開發工具簡介

1.1 物探方法簡介［2、19］

1.1.1 高密度電法

電阻率法（簡稱電法）是以巖土介質的電性差異為基礎，通過觀測和研究人工建立的地中穩定電流場的分布規律，從而達到解決某些地質問題的目的。

由于地殼中巖石和土層導電性差異的普遍存在，因此電阻率法在工程、環境地質調查及考古等領域，獲得了廣泛地應用。

高密度電法是將電阻率測深法與電阻率剖面法相結合的一種改進裝置，由于其自動化采集與陣列式的一次性布極方式，可同時提供地下剖面縱向與橫向電阻率的變化特征，大大減少了電法采集的工作量，提高了野外的工作效率。同時高密度電法有多種裝置類型可供選擇，從而可以適應各種地電條件下的電法勘探工作。

高密度電法的觀測系統，包括數據采集和資料處理兩部份。在現場測量時，只需要將全部電極設置在一定間隔的測點上，觀測密度遠比常規的電阻率法大，測點間隔一般為1m～10m。采用多芯電纜連接到程控式多路電極開關上，電極開關是一種由單片機控制的電極自動轉換裝置，可以根據需要自動進行電極裝置形式、極距及測點的轉換。

1.1.2 淺層地震反射波法［1、11、18］

在不同的彈性介質的分界面上，當有地震波經過時，所經過的地震波即會按照一定規律在界面上發生反射。地震勘探的反射波法就是利用這種規律，以人工激發向下傳播的地震波，接受反射回來的反射回波來進行地下地質構造解釋的一種物探方法。

不同彈性介質分界面間的反射系數Rn為：

式中ρn、ρn－1分別表示在第n層、第n－1層中介質的密度；Vn、Vn－1則分別表示彈性波在相應介質中的傳播速度。

由于反射系數的存在，因此，不同界面的反射波形態與振幅不盡相同。地震反射波法就是通過分析處理在地面布置的檢波器接受的反射波，來確定地下構造與地下介質的各種物性參數，從而達到工程勘察的目的。

1.1.3 地質雷達探測

探地雷達（Ground Penetrating Radar 簡稱GPR）又稱地質雷達，透地雷達，是用頻率介于106Hz～109Hz的無線電波來確定地下介質分布的一種方法。探地雷達利用高頻電磁波（主頻為數十兆赫至數百兆赫以至千兆赫）以寬頻帶短脈沖形式，由地面通過天線T 送入地下，經地下地層或目的體反射后返回地面，為另一天線R 所接收（見圖1）。脈沖波行程需時：

圖1 探地雷達記錄示意圖Fig.1 GPR record records diagram

探地雷達通過發射天線向地下發射高頻電磁波，通過接收天線接收反射回地面的電磁波。電磁波在地下介質中傳播時，遇到存在電性差異的界面時發生反射，根據接收到電磁波的波形、振幅強度和時間的變化特征，推斷出地下介質的空間位置、結構、形態和埋藏深度。探地雷達可用于檢測各種材料，如巖石、泥土、礫石，以及人造材料如混凝土、磚、瀝青等的組成。雷達可確定金屬或非金屬管道、下水道、纜線、纜線管道、孔洞、基礎層、混凝土中的鋼筋及其它地下埋件的位置，還可檢測不同巖層的深度和厚度，所以它常用于地面作業開工前對地面作一個廣泛的調查。

1.2 軟件開發工具簡介［1］

1.2.1 Visual Basic［8］

Visual Basic是Microsoft公司于1991年在BASIC 語言的基礎上，研發出的一套新一代的程序設計語言，其特點是可以快速建立一個功能較為成熟全面的應用程序。相較于老的BASIC 語言Visual Basic是面向對象的、可視化的，并且以事件驅動為運行機制的。它可以輕松地通過DAO、RDO、ADO 與數據庫連接。

1.2.2 Visual C＋＋［7］

Microsoft Visual C＋＋（簡稱Visual C＋＋、MSVC、VC＋＋或VC），是微軟公司的C＋＋開發工具，具有集成開發環境，可提供編輯C 語言，C＋＋以及C＋＋／CLI等編程語言。VC＋＋整合了便利的除錯工具，特別是整合了微軟視窗程式設計（Windows API）、三維動畫DirectX API、Microsoft.NET 框架。

1.2.3 AUTOCAD 二次開發［3］

AutoCAD 的二次開發工具主要有：Visual－Lisp、VBA、ObjectARX 和.NET API等。其中，VisualLisp與VBA 較為簡單，特別是VBA 使用方便且開發速度較快；VBA 即Mcrosoft office中的Visual Basic for Applications，它被集成到AutoCAD 2000中。VBA 為開發者提供了一種新的選擇，也為用戶訪問AutoCAD 2000中豐富的技術框架打開一條新的通道。VBA 和AutoCAD 2000中強大的ActiveX 自動化對象模型的結合，代表了一種新型的定制AutoCAD 的模式構架。通過VBA，我們可以操作AutoCAD，控制ActiveX 和其它一些應用程序，使之相互之間發生互易活動。特別是利用VBA，可以和Microsoft office access數據庫進行良好的互動，非常利于勘察測繪中大量數據與成像系統之間的連接。

2 關鍵技術

2.1 Access數據庫技術［6、9、13、14］

需要將各種數據資料數字化存入數據庫，數據庫內容選擇的原因有很多，概括起來主要有以下幾點。

（1）存儲空間的原因。每個工區物探數據與地質資料數據一般都相當龐大，而大家都知道各個數據資料是存放在磁盤陣列上的，磁盤陣列由服務器來管理，磁盤空間是有限的，服務器的能力也是有限的，不可能無限量地存入數字資源，這就需要我們對各種地質資料數字化內容進行存儲與管理。

（2）數字資源管理的需要。由于技術的快速發展，使數字化項目所生成的數字資源的生命周期越來越短，所以投入資金進行數字遷移，是延長數字資源生命的一個重要途徑。

物探綜合成像系統需要不同類型的、大量的數據的支持，為了實現數據的統一管理，需要選取一個適合本系統數據庫。作者根據前期對目前常用數據庫的調查研究，根據本項目的實際需要，確定了Access數據庫。

2.2 數據插值技術［4］

由于采集到的物探數據與鉆孔數據特點為：以二維采集為主，測線間無數據，采集的數據呈非網格化分布，對其三維成像有一定的困難。因此需要利用數據插值方法將離散數據網格化，并在網格節點附上插值結果。

空間數據插值方法，就是由已知坐標點的數據zi（xi，yi）來計算未知坐標點zj（xj，yj）的過程。由于在實際工作中，為方便數據成像與處理，一般需要獲取規則格網數據。因此，需要利用空間數據插值方法，將數據插值并使其規則網格化分布。

2.2.1 克里金（Kriging）插值法［15、20］

克里金（Kriging）插值法是一種地質統計插值方法，其在許多領域都有廣泛的應用。與其它插值方法不同，克里金插值方法首先考慮節點的空間屬性在空間位置上的變異分布；然后確定一個節點的影響半徑，利用半徑內的采樣點來估計插值節點的值。在數學上，這種方法可以對原始數據提供一種最佳線性無偏估計（針對某點處的確定值）。它最大的優點是有良好的趨勢預估性，對地形等起伏數據有較高的還原度。

相對于其它方法，克里金插值法具有兩個方面的優越性：能運用隨機性和不確定性的概念，使所插值數據具有預測性；在數據插值時，能綜合運用各種數據和信息。

算法實現過程：

（1）在該方法中，衡量各點之間空間相關程度的測度是半方差，其計算公式為式（3）。

式中h為各點之間距離；n是由h分開的成對樣本點的數量；z是點的屬性值。

（2）在不同距離的半方差值都計算出來后，繪制半方差圖，橫軸代表距離，縱軸代表半方差。在半方差圖中有三個參數：①nugget（表示距離為零時的半方差）；②sill（表示基本達到恒定的半方差值）；③range（表示一個值域范圍，在該范圍內半方差隨距離增加，超過該范圍，半方差值趨于恒定）。利用做出的半方差圖，找出與之擬合得最好的理論變異函數模型［5］（這是關鍵所在），可用于擬合的模型包括高斯模型、線性模型、球狀模型、指數模型、圓形模型。

對于球狀模型，球面模型空間相關隨距離的增長逐漸衰減，當距離大于球面半徑后，空間相關消失。

（3）用擬合的模型計算出三個參數。例如球狀模型中的nugget為c0；range為a；sill為c。

（4）利用擬合的模型估算未知點的屬性值，方程見式（5）。

式中Z0為估計值；Zx是已知點的值；Wx為權重；S是用來估算未知點的已知點數目的。

假如用三個點來估算，則有式（6）。

這樣權重就可以求出，然后可根據各權重估算出未知點屬性值。

2.2.2 謝別德（Sharde）插值法［16、17］

謝別德（Sharde）插值方法是一種改進的距離倒數加權方法，因此，它的結構與距離倒數加權方法的插值器相似。距離倒數加權方法的一個最大缺點，就是會產生等值線的牛眼狀圈閉，而謝別德利用了局部最小二乘方，來消除或減少距離加權方法所生成的等值線牛眼狀圈閉。在謝別德法中可以通過改變圓滑系數，來使插值結果更加準確或圓滑，增大圓滑參數插值出來的效果更加圓滑。

距離倒數加權方法的算法如下：

（1）首先建立模型參數，每一個模型節點的值是由所有節點的值附上一個權系數λ累加得到的。

一般權系數λ滿足式（8）。

謝別德方法是由南非地質學家Shepard提出的方法，該方法將距離倒數加權法中權系數的定義進行了改進。其權函數為式（9）。

（2）另外一種改進的Shepard方法，是根據節點的最遠點距離與指定的搜索半徑R的位置，來定其權函數如式（10）。

上述兩種方法公式（9）與公式（10）均為平面坐標形式，其同樣適用于橢球坐標系，在橢球坐標系中公式（9）與公式（10）的距離dij按橢球坐標計算。

3 綜合成像系統模塊劃分、開發與操作流程

3.1 功能模塊劃分與實現

物探綜合成像系統用于讀入地震、電法、探地雷達、地理地形信息與鉆孔數據，并對其進行三維成像、鉆孔校正等解釋，同時進行構造追蹤和插值成像的綜合成像系統。

本系統由四大模塊組成，分別是①負責讀入數據的數據讀入模塊；②對數據插值的數據插值模塊；③解釋數據的數據解釋模塊；④三維二維顯示的數據顯示模塊。

系統模塊拓撲圖見下頁圖2。

作者在本成像系統開發語言中，主要利用visual basic可視化開發工具進行系統界面與框架設計，visual C＋＋開發工具進行底層插值算法的設計與實現。并利用Microsoft access數據庫作為數據庫存儲對象，結合autocad VBA 成像自動化編程技術進行物探、鉆孔、地理地形信息的管理與成像。

3.2 系統操作流程

本系統由四大模塊組成，可對物探數據、鉆孔數據與地表地形數據存儲管理，解釋校正并對各數據三維插值成像。本系統操作流程圖見下頁圖3。

4 成像系統功能模塊介紹［2、10、12］

本成像系統共有①數據存儲功能模塊；②數據插值功能模塊；③數據解釋功能模塊；④數據成像功能模塊四種模塊組成。

4.1 數據存儲功能模塊

本模塊利用Microsoft acess數據庫的數據存儲功能，將物探數據、鉆孔數據與地表及解釋數據自動整理分類，存儲于不同的數據庫文件及數據表中，以便于工區各數據的管理與查看。

4.2 數據插值功能模塊

本模塊共有四種插值算法，即：線性一維插值算法、克里金插值算法、反距離加權算法、謝別德插值算法與改進謝別德插值算法。

本模塊利用各插值算法，對鉆孔數據、地表數據與各物探數據進行一維規則網格插值，二維規則網格插值與三維規則網格插值，為各個數據的二維三維成像提供充分的數據支持。

4.3 數據解釋功能模塊

本模塊可對數據進行高程校正，利用插值算法對數據進行重插值，并利用各個物探數據與鉆孔數據標定構造層，進行插值為autocad三維成像提供數據支持。數據校正功能可將各物探數據與鉆孔數據比較，并校正其高程；數據重插值功能可將高密度電法數據與地震速度數據進行重新調整插值；數據解釋功能可以利用各個剖面的各種數據，進行構造面追蹤解釋，并對追蹤后的構造面進行插值，為autocad構造面成像提供數據支持。

4.4 數據成像功能模塊

本模塊可以對鉆孔、物探和地表數據進行二維及三維成像。

4.4.1 二維成像

二維成像共有四種：物探數據二維成像、物探數據切片二維成像、鉆孔數據二維成像、鉆孔數據切片插值二維成像。

4.4.2 三維成像

本模塊利用autocad 進行輔助三維成像，在autocad中共有十九種數據成像模塊，分別是：地表數據三維成像、鉆孔數據三維成像、鉆孔數據插值成像、電法原始數據剖面三維成像、電法高程校正數據剖面三維成像、電法重插值數據剖面三維成像、電法切片數據剖面三維成像、地震速度原始數據剖面三維成像、地震速度高程校正數據剖面三維成像、地震速度重插值數據剖面三維成像、地震速度切片數據剖面三維成像、地震時間剖面波列圖三維成像、地震時間剖面顏色三維成像、地質雷達剖面波列圖三維成像、地質雷達剖面顏色三維成像、電法全三維成像、地震速度全三維成像、構造解釋面三維成像、構造解釋面切片成像。