使用ParaView實現(xiàn)地面瞬變電磁法三維可視化

閆圓圓，王 宇，劉浩宇，孫文斌

(北京探創(chuàng)資源科技有限公司，北京 100067)

0 引言

地下礦產(chǎn)的開采會破壞周圍地層的應(yīng)力平衡，導(dǎo)致上覆巖層的變形和破裂，甚至坍塌。采空區(qū)坍塌將引起明顯的地層移動和斷裂變形，在地表形成拉裂、隆起、傾斜、扭曲，或形成地表階梯狀、漏斗狀的塌陷坑等，對地表已有的建筑和公路等基礎(chǔ)設(shè)施造成安全隱患[1]。在礦產(chǎn)富集地帶，礦產(chǎn)開采之后會產(chǎn)生相當(dāng)數(shù)量和規(guī)模的采空區(qū)，對其地表建筑或公路建設(shè)都具有潛在風(fēng)險，成為全國各地建設(shè)的一大地質(zhì)災(zāi)害，因此探查并治理高速公路采空區(qū)，具有十分重要的意義。

山東省淄博市臨淄區(qū)高速公路K103+953～K104+115路段位于臨淄金龍鐵礦礦區(qū)范圍之內(nèi)，該采空區(qū)與線位呈大角度相交，埋深在110 m左右，但具體位置和規(guī)模需要進(jìn)一步探查，本項目擬采用地面瞬變電磁法進(jìn)行探測，同時采用ParaView軟件進(jìn)行三維可視化成圖，以便對采空區(qū)位置進(jìn)行更準(zhǔn)確地圈定，為后續(xù)治理工作提供直觀的指導(dǎo)資料。

1 基本原理

瞬變電磁法(Transient Electromagnetic Method)是根據(jù)地質(zhì)結(jié)構(gòu)或地質(zhì)體本身的物性差異，研究由脈沖電流作為場源，激勵探測目的物感生的二次場隨時間的變化[2]來間接判斷構(gòu)造地質(zhì)、水文地質(zhì)現(xiàn)象的一種方法。廣泛用于探測煤層頂?shù)装搴畬痈凰畢^(qū)的分布情況，構(gòu)造的含、導(dǎo)水情況，老窯采空區(qū)富水性及導(dǎo)水通道等[3]。

瞬變電磁法是電磁感應(yīng)類探測方法，機理是導(dǎo)電介質(zhì)在脈沖發(fā)射的電磁場激發(fā)下產(chǎn)生的渦流場效應(yīng)，其中每個時刻的地下渦旋電流在地表產(chǎn)生的磁場都能等效成與發(fā)射線圈平面平行的環(huán)狀線電流磁場。在發(fā)射電流關(guān)斷瞬間，該環(huán)狀線電流與發(fā)射回線緊鄰，且具有相同形狀，隨后該電流環(huán)向下、向外擴散，最終逐漸變形為正圓電流環(huán)。圖1給出了發(fā)射電流關(guān)閉后幾個不同時刻的地下等效電流環(huán)的示意分布，這些等效電流環(huán)像從發(fā)射回線中“吹”出來的一系列“煙圈”，因此，這種現(xiàn)象也被稱為“煙圈效應(yīng)”[4]。

圖1 工作原理

2 施工布置

根據(jù)此次地質(zhì)任務(wù)探測埋深110 m左右的采空區(qū)，本次施工采用澳大利亞Monash GeoScope公司的terraTEM瞬變電磁探測儀。裝置形式為重疊回線裝置，2.5 m收、發(fā)射回線框，發(fā)射裝置回線匝數(shù)30，接收裝置匝數(shù)45，采樣時窗1～34，有效探測距離28～154 m。按照此次工作任務(wù)要求，在該高速公路某鐵礦K102+900～K104+200段共布設(shè)3條測線，分別命名為西路測線L1、東路測線L1和東路測線L2(東路測線在K103+710～K103+780位置處有房屋和河流，無法進(jìn)行施工，分成兩段進(jìn)行測量)，測點間距10 m，共布置255個測點。測線布置圖如圖2所示。

圖2 測線布置圖

3 探測成果三維可視化

VTK是由Kitware公司開發(fā)的一個可視化工具包，是一個開源的圖形庫，可供C++、Python、Java等多種編程語言使用。ParaView是一種基于VTK開發(fā)的交互軟件，允許不編程的數(shù)據(jù)和可視化的輸入。ParaView可用于處理結(jié)構(gòu)、非結(jié)構(gòu)等多種數(shù)據(jù)類型，可以指定的點、面或網(wǎng)線等多種方式進(jìn)行顯示。ParaView的界面圖形交互十分人性化，處理過程簡潔，與基于MATLAB、Voxler等軟件實現(xiàn)三維成圖的方法相比，其插值方式具有簡便合理、操作便捷的優(yōu)勢；同時其允許用戶個性化設(shè)置過濾器的參數(shù)，突出顯示目標(biāo)部分的圖像。另外，其可利用屬性面板設(shè)置獨特的色譜、顯示方式和透明度等圖形屬性。同時，其允許用戶使用鼠標(biāo)控制圖形的縮放、移動、旋轉(zhuǎn)等功能，用以選擇最佳的觀測視角。以上功能完全滿足礦井瞬變電磁三維可視化的要求[5]。

在使用ParaView實現(xiàn)數(shù)據(jù)三維可視化之前，須對實測的二維視深數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，將其坐標(biāo)轉(zhuǎn)化為三維數(shù)據(jù)體，通常使用MATLAB、python等數(shù)據(jù)處理工具或利用excel文件中自帶含稅工具等方式自行轉(zhuǎn)換(為保證三維圖件中視電阻率的顯示效果，可在轉(zhuǎn)化前對每條測線巷道數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)一閾值處理，避免對相對高視電阻率異常區(qū)的屏蔽)，將二維坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為三維笛卡爾坐標(biāo)系中含有x、y、z坐標(biāo)和視電阻率值ρ的數(shù)據(jù)，即將二維數(shù)據(jù)坐標(biāo)轉(zhuǎn)化為三維散點坐標(biāo)。在此數(shù)據(jù)處理過程中，地面瞬變電磁采集的縱坐標(biāo)主要是平行地面的數(shù)據(jù)，在水平地面可直接轉(zhuǎn)換為三維坐標(biāo)系中的z坐標(biāo)，在山坡、丘陵等地的數(shù)據(jù)可在最終圖件中帶入地形數(shù)據(jù)。

TerraTEM儀器采集的數(shù)據(jù)在每個測點采集到固定數(shù)量的數(shù)據(jù)，將其按照.vtk的數(shù)據(jù)格式進(jìn)行整理便可導(dǎo)入程序成圖。導(dǎo)入的數(shù)據(jù)后首先選擇apparent_resistency、surface模式，以實現(xiàn)用顏色區(qū)分顯示不同范圍的視電阻率值，之后通過Choose Preset編輯視電阻率色譜，突出顯示異常體形態(tài)和空間分布特征，即可實現(xiàn)初步、整體的數(shù)據(jù)三維可視化。另外，可在屬性面板中使用Filters模塊，分別通過Contour、Clip、Slice等不同模式展示異常區(qū)塊、部分?jǐn)?shù)據(jù)塊或切片數(shù)據(jù)體，同時可用鼠標(biāo)對圖形進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，找出最佳觀測角度或?qū)η衅恢眠M(jìn)行移動，確定最佳切片位置。相比于傳統(tǒng)的切片三維成像，此種方式所得的切片圖或等值面圖等更貼近實際。

4 案例分析

4.1 工程概況

此次地面瞬變電磁法探測區(qū)域的整體特征如下：臨淄區(qū)地處魯中丘陵與魯北平原交接地帶，位于淄博市東北部，該區(qū)第四系厚度100 m左右，地面標(biāo)高一般在+30.0～+50.0 m。公路建設(shè)用地范圍外邊界距離開采礦體形成采空區(qū)的最近距離為48 m，公路建設(shè)的主體工程為路基、橋梁、交叉等工程以及沿線設(shè)施。

擬建公路比選方案K103+230～K103+591段位于臨淄金龍鐵礦礦區(qū)范圍之內(nèi)，且在K103+362處、K103+630處有該鐵礦斜井近北西南東向斜井穿過擬建公路。其中K103+285～K103+317段位于該東礦體形成的采空區(qū)之上，公路建設(shè)的主體工程為路基、橋梁、交叉等工程以及沿線設(shè)施。擬建工程推薦方案K103+953～K104+115路段和比選方案K103+230～K103+591路段，工程建設(shè)引發(fā)采空塌陷及伴生地裂縫地質(zhì)災(zāi)害的危險性為中等，其余路段為小。

4.2 三維可視化

瞬變電磁探測所得成果主要為視電阻率值，遵從相對原則，通過對比分析阻值大小，圈出異常區(qū)域，確定閾值圈定異常區(qū)；通過異常區(qū)視電阻率阻值大小、異常區(qū)范圍大小，根據(jù)地質(zhì)任務(wù)，結(jié)合現(xiàn)場具體施工條件和探測位置的地質(zhì)資料，對異常區(qū)進(jìn)行分析，去偽存真，成果圖如圖3～5所示。

圖3 異常區(qū)分布顯示圖

圖4 三維立體切片圖

圖5 探測三維立體圖

4.3 解釋與驗證

由地質(zhì)資料可知，左側(cè)0點位置對應(yīng)高速公路點位為k102+900點，向右10 m為k102+910點，以此類推，最右側(cè)點為k104+190點。結(jié)合該點位信息和異常區(qū)分布圖可知，圖中分別在k103+50～k103+170、k103+310～k103+440(命名為D-1)、k103+500～k103+525(命名為X-1)、k103+720～k103+740(命名為X-2)、k104+150～k104+190存在低阻異常顯示。結(jié)合施工現(xiàn)場情況可知，k103+50～k103+170和k104+150～k104+190兩處為受高壓線干擾嚴(yán)重，危險性一般；D-1處異常推測為鐵礦采空區(qū)，危險性中等，建議進(jìn)行驗證；X-1推測為巷道積水或巖層富水影響，危險性一般，后續(xù)做好加固工作即可；X-2處推測為河流影響，危險性一般，無需處理。

后續(xù)礦方在D-1、X-1和X-2異常位置處布鉆驗證，結(jié)果顯示：D-1、X-1鉆孔見空，有積水。該結(jié)果說明，地面瞬變電磁探測三維立體圖能對二維成果進(jìn)行三維展示，更加直觀和精確地對采空區(qū)位置進(jìn)行展示，對指示礦方治理高速公路采空區(qū)具有顯著的優(yōu)勢。

5 結(jié)論和建議

5.1 結(jié)論

1)在巖層破碎出現(xiàn)采空區(qū)尤其是含水狀態(tài)下，其電阻率值會發(fā)生改變，低于完整巖層段的值，在此地球物理特征前提下采用地面瞬變電磁法能準(zhǔn)確探查視電阻率值異常段，圈定出采空區(qū)的位置，為礦方后續(xù)工作做出指導(dǎo)。

2)使用ParaView軟件對山東省淄博市臨淄區(qū)高速公路K103+953～K104+115路段地面瞬變電磁法探測數(shù)據(jù)進(jìn)行了三維展示，并使用Contour、Clip、Slice功能展示目標(biāo)視電阻率低值中心，共劃分出一處危險性中等的采空區(qū)異常位置，一處巷道積水影響異常區(qū)。與地面瞬變電磁法的二維等值線斷面圖相比，三維展示圖件能為礦方提供更加直觀和精準(zhǔn)的異常區(qū)展示位置，顯示效果良好。

在經(jīng)過礦方布鉆驗證后表明，此次異常區(qū)位置圈定準(zhǔn)確，為指導(dǎo)礦方后續(xù)采空區(qū)治理提供直觀的效果圖件，有力地保障了在采空區(qū)區(qū)域進(jìn)行公路建設(shè)的安全性。

5.2 建議

在地面地球物理數(shù)據(jù)的成果圖中，帶地形圖件可以為礦方提供更直觀的結(jié)果，而在ParaView軟件中，可以展示正確格式的帶地形的視電阻率三維圖件，此次三維圖件缺少探測路段的地形數(shù)據(jù)，若增加地形數(shù)據(jù)將獲得更好的展示效果，在日后的工作中可在該方向加以嘗試。