地質病害三維幾何參數估計與可視化平臺開發

周麗軍

（山西省交通科技研發有限公司，山西 太原 030032）

地質病害通常具有隱蔽性、不可見性，檢測難度大，若不及時檢測與修復，產生的破壞性極大，會造成巨大的損失。目前對于道路地質病害的檢測，地質雷達具有較好的檢測效果，但是地質雷達因其電磁檢測機理使得其目標檢測結果以剖面圖的雙曲線反射波形與強度為特征，數據解析專業性強，解析難度大，不如視覺圖像直觀。傳統的地質雷達采集數據以單剖面為基礎進行解析，獲取的信息量少，不利于地質雷達數據解析[1]。可以考慮地質雷達三維數據采集，不僅能獲取豐富的數據信息，還能通過相鄰通道采集數據之間的相關性，探索地下病害之間的關聯信息，能從不同維度進行綜合推理分析，有助于地質雷達的數據解析[2-4]。

由于地質雷達探測的數據展現形式專業性強，對于非相關專業用戶很難解讀采集的病害信息，導致對地質雷達數據的挖掘力度不夠。而地質病害的可視化開發則能極大地提高非相關專業用戶對道路地質狀況的了解與認知，能以便于理解的方式表達信息[5]。因此，本文從道路內部病害的三維檢測方法與幾何參數估計、道路地質信息建模、道路地質病害三維可視化開發3個方面，將地質病害可視化地展現出來，即使非相關專業用戶也能直觀理解地質情況、病害情況以及病害的發展趨勢與安全評估情況。

1 地質病害三維檢測與解析方法

1.1 三維檢測布局

首先確定測量范圍，以2.2 m寬、2 m長道路為例，寬度方向為X測線方向，長度方向為Y測線方向，地質雷達沿Y測線方向檢測到終點后沿X測線方向位移一個單元開始掉頭，沿-Y測線方向檢測，即檢測過程為“S”型，如圖1所示。

圖1 地質病害三維檢測布局

通過三維檢測布局方法，使用地質雷達能獲取地質結構的多個剖面聯合解釋，并且能使相鄰單元或通道之間的數據相互驗證，綜合比對分析多個相鄰單元或通道地質雷達剖面之間差異和相關性，減少解釋的多解性，從而能提高道路地下病害解釋的準確性和效率[6]。

1.2 基于相關性融合的三維幾何參數估計算法

由于道路內部地質病害的地質雷達采集數據在相鄰單元或通道上具有很高的相似性，但是噪聲與干擾對目標信號而言又是不相干的，因此可以考慮使用互相關函數濾波來放大相關信號，抑制不相關的噪聲與干擾，提高信噪比，不僅能降低多解性，還能顯著提高解釋的正確性。

對于采集到的兩個通道數據x（t）和y（t），得到互相關函數為：

按照上述三維檢測布局方法，這里的數據融合處理需要對Y測線方向與-Y測線方向的數據進行一致化校準，如對于Y通道數據y（t），可以得到校準后的數據-y(t)'，于是式（1）可以寫成：

圖2中通過相鄰通道的地質雷達采集數據進行相關融合得到的病害信息，比較圖2c與圖2a、圖2b，病害信息更加突出，并且病害的底部信息也能體現出來，而圖2a與圖2b中幾乎沒有病害的底部信息。此外，通過相關融合后，獲得的病害頂部與底部信息對于病害三維估計具有重要的支撐作用。

圖2 相鄰通道檢測結果的相關性融合

根據地質雷達回波響應特征，下面從波動力學的角度從反射回波中估計脫空量參數。首先載入采集的B-scan圖像，將圖像轉化成列顯示，通過算法提取每列的極值點信息，并標注第1極值點與第2極值點。根據電磁反射回波的波動力學原理，第1極值點幅值和第2極值點幅值的比與脫空量呈以下規律：當脫空量小于1/3波長時，比值隨脫空量遞增而遞增；當脫空量大于1/3波長時，比值隨脫空量的遞增而遞減[7]。分別對上述曲線進行線性和指數曲線擬合：

a）當脫空量小于1/3波長時，進行線性擬合，擬合函數為：

式中：x為脫空量；y為極值幅度比值。

b）當脫空量大于1/3波長時，進行指數擬合，擬合函數為：

對一幅B-scan掃描圖像做上述擬合與估計，得到的結果如圖3與圖4所示。圖中根據電磁波頻率、第1極值點幅值、第2極值點幅值，獲得了病害脫空量擬合結果，并且通過與實際病害脫空量相對比，誤差均在厘米級。

圖3 采集圖像與某一列極點提取

圖4 脫空量估計

2 地質病害三維模型建立

本文構建了一段城市道路的主體三維模型，其中涉及到地形數據、地質數據、遙感影像數據、鉆孔數據、勘探線剖面數據等。其中鉆孔數據是最主要的建模數據源之一。通過對鉆孔數據進行整理，形成鉆孔位置表、鉆孔測斜表、鉆孔巖性表、鉆孔曲線表4個excel表格，再將excel表格轉換成文本文件，按照表格順序導入到軟件中。需要注意的是鉆孔測斜表中的傾角為鉆孔與z軸所交的銳角，測斜數據需要從開孔位置處開始算起[8]。

構建的主體模型還涉及到點、線、面、體等不同數據類型，需要統一多源數據的坐標系和比例尺，進行多源數據處理，特別要進行異構多源數據的融合。本文構建的城市道路三維模型要進行多方面的數據融合，首先是地形數據、地質圖、遙感影像圖等地表數據的融合；然后是地質深度數據的融合，包括地表采集數據與地下鉆孔、勘探線剖面圖數據等；最后是主體模型數據與加入的病害數據的融合，將病害數據以excel表格方式導入模型中，匹配病害尺寸位置與主體模型位置。

圖5 一段城市道路三維模型建模

3 地質病害三維可視化分析平臺

地質病害三維可視化平臺集成了現場采集數據，實驗數據和物探數據等各種數據，把這些數據匯整到統一的設計平臺中。平臺中設計了多種編輯數據的方法，將數據與地質模型關聯，修改數據模型更新。考慮到地質層之間的關系復雜，存在尖滅、透鏡體等特殊情況，因此，平臺提供了地層自動化構建功能，使大量復雜的地層構建工作由系統完成。另外，平臺提供了地質柱狀圖、剖面圖，以及各種勘察成果統計等功能，方便將成果圖形化展示及勘察數據統計。

針對檢測到的地質病害情況，提供了便捷的病害模型建模，能夠把病害數據以excel格式導入平臺直接生成三維病害模型。病害模型在地層模型作運算，能夠進行地質厚度查詢、病害位置查詢、病害體積查詢等數據分析功能，同時嵌入病害態勢估計模塊，能夠進行數據對比、發展趨勢評估、安全評定等級等決策預警功能。

4 結論

地質病害的隱蔽性與不可見性使其檢測難度增大，而通過地質雷達檢測的隱藏病害因其解析困難，使得數據無法為工作提供指導作用。本文通過采用三維檢測布局方式獲取多維度數據信息，利用相關性融合算法增強病害信息而抑制噪聲干擾，開發三維可視化分析平臺實現了對地質病害的幾何信息、地理位置顯示以及對發展趨勢與安全態勢估計，此平臺對于非相關專業用戶具有很好的可讀性，為決策層提供了很好的支撐平臺。