物探综合成像技术在工程勘察中的应用研究

2013-08-07亢会明吴有亮赵倩倩

物探化探计算技术 2013年3期

李星，亢会明，吴有亮，王俊，赵倩倩，雷宛

（1.成都理工大学地球物理学院，成都 610059；2.中国石油工程设计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种重要的手段。在工程勘察过程中，对钻孔以外盲区的地层，通常进行简单连线、推测，无法掌握中间一些地层变化情况，尤其是一些不良地质情况。通过工程物探可以针对这些钻孔无法探测到的地区进行探测，反演出较好的底层形态，以供勘查人员对工作区进行正确的地下地质解释。

由于社会的发展与科技水平的提高，工程勘察场地的地形条件越来越复杂，要求的勘探精度也越来越高。简单的一维钻探解释与二维物探剖面，已经无法满足目前的工程勘察需求。在工程勘察深度、广度不断拓展的今天，为了更有效、更直观地表现地下地质体的各类特征，迫切需要三维成像技术的应用。三维成像技术，其数据的连续性、直观性，对于解决特殊地质情况下工程勘察的作用是无法替代且十分必要的［12］。

因此作者针对工程实际，利用autocad辅助二次开发与access存储数据库技术［14］，开发出一套适用于多种工程物探方法综合成像的工程物探综合成像系统。该系统可对多种物探方法进行三维可视化全方位成像，并将数据保存至所建立的工区数据库中以方便查看与修改。

1 物探方法、开发工具简介

1.1 物探方法简介［2、19］

1.1.1 高密度电法

电阻率法（简称电法）是以岩土介质的电性差异为基础，通过观测和研究人工建立的地中稳定电流场的分布规律，从而达到解决某些地质问题的目的。

由于地壳中岩石和土层导电性差异的普遍存在，因此电阻率法在工程、环境地质调查及考古等领域，获得了广泛地应用。

高密度电法是将电阻率测深法与电阻率剖面法相结合的一种改进装置，由于其自动化采集与阵列式的一次性布极方式，可同时提供地下剖面纵向与横向电阻率的变化特征，大大减少了电法采集的工作量，提高了野外的工作效率。同时高密度电法有多种装置类型可供选择，从而可以适应各种地电条件下的电法勘探工作。

高密度电法的观测系统，包括数据采集和资料处理两部份。在现场测量时，只需要将全部电极设置在一定间隔的测点上，观测密度远比常规的电阻率法大，测点间隔一般为1m～10m。采用多芯电缆连接到程控式多路电极开关上，电极开关是一种由单片机控制的电极自动转换装置，可以根据需要自动进行电极装置形式、极距及测点的转换。

1.1.2 浅层地震反射波法［1、11、18］

在不同的弹性介质的分界面上，当有地震波经过时，所经过的地震波即会按照一定规律在界面上发生反射。地震勘探的反射波法就是利用这种规律，以人工激发向下传播的地震波，接受反射回来的反射回波来进行地下地质构造解释的一种物探方法。

不同弹性介质分界面间的反射系数Rn为：

式中ρn、ρn－1分别表示在第n层、第n－1层中介质的密度；Vn、Vn－1则分别表示弹性波在相应介质中的传播速度。

由于反射系数的存在，因此，不同界面的反射波形态与振幅不尽相同。地震反射波法就是通过分析处理在地面布置的检波器接受的反射波，来确定地下构造与地下介质的各种物性参数，从而达到工程勘察的目的。

1.1.3 地质雷达探测

探地雷达（Ground Penetrating Radar 简称GPR）又称地质雷达，透地雷达，是用频率介于106Hz～109Hz的无线电波来确定地下介质分布的一种方法。探地雷达利用高频电磁波（主频为数十兆赫至数百兆赫以至千兆赫）以宽频带短脉冲形式，由地面通过天线T 送入地下，经地下地层或目的体反射后返回地面，为另一天线R 所接收（见图1）。脉冲波行程需时：

图1 探地雷达记录示意图Fig.1 GPR record records diagram

探地雷达通过发射天线向地下发射高频电磁波，通过接收天线接收反射回地面的电磁波。电磁波在地下介质中传播时，遇到存在电性差异的界面时发生反射，根据接收到电磁波的波形、振幅强度和时间的变化特征，推断出地下介质的空间位置、结构、形态和埋藏深度。探地雷达可用于检测各种材料，如岩石、泥土、砾石，以及人造材料如混凝土、砖、沥青等的组成。雷达可确定金属或非金属管道、下水道、缆线、缆线管道、孔洞、基础层、混凝土中的钢筋及其它地下埋件的位置，还可检测不同岩层的深度和厚度，所以它常用于地面作业开工前对地面作一个广泛的调查。

1.2 软件开发工具简介［1］

1.2.1 Visual Basic［8］

Visual Basic是Microsoft公司于1991年在BASIC 语言的基础上，研发出的一套新一代的程序设计语言，其特点是可以快速建立一个功能较为成熟全面的应用程序。相较于老的BASIC 语言Visual Basic是面向对象的、可视化的，并且以事件驱动为运行机制的。它可以轻松地通过DAO、RDO、ADO 与数据库连接。

1.2.2 Visual C＋＋［7］

Microsoft Visual C＋＋（简称Visual C＋＋、MSVC、VC＋＋或VC），是微软公司的C＋＋开发工具，具有集成开发环境，可提供编辑C 语言，C＋＋以及C＋＋／CLI等编程语言。VC＋＋整合了便利的除错工具，特别是整合了微软视窗程式设计（Windows API）、三维动画DirectX API、Microsoft.NET 框架。

1.2.3 AUTOCAD 二次开发［3］

AutoCAD 的二次开发工具主要有：Visual－Lisp、VBA、ObjectARX 和.NET API等。其中，VisualLisp与VBA 较为简单，特别是VBA 使用方便且开发速度较快；VBA 即Mcrosoft office中的Visual Basic for Applications，它被集成到AutoCAD 2000中。VBA 为开发者提供了一种新的选择，也为用户访问AutoCAD 2000中丰富的技术框架打开一条新的通道。VBA 和AutoCAD 2000中强大的ActiveX 自动化对象模型的结合，代表了一种新型的定制AutoCAD 的模式构架。通过VBA，我们可以操作AutoCAD，控制ActiveX 和其它一些应用程序，使之相互之间发生互易活动。特别是利用VBA，可以和Microsoft office access数据库进行良好的互动，非常利于勘察测绘中大量数据与成像系统之间的连接。

2 关键技术

2.1 Access数据库技术［6、9、13、14］

需要将各种数据资料数字化存入数据库，数据库内容选择的原因有很多，概括起来主要有以下几点。

（1）存储空间的原因。每个工区物探数据与地质资料数据一般都相当庞大，而大家都知道各个数据资料是存放在磁盘阵列上的，磁盘阵列由服务器来管理，磁盘空间是有限的，服务器的能力也是有限的，不可能无限量地存入数字资源，这就需要我们对各种地质资料数字化内容进行存储与管理。

（2）数字资源管理的需要。由于技术的快速发展，使数字化项目所生成的数字资源的生命周期越来越短，所以投入资金进行数字迁移，是延长数字资源生命的一个重要途径。

物探综合成像系统需要不同类型的、大量的数据的支持，为了实现数据的统一管理，需要选取一个适合本系统数据库。作者根据前期对目前常用数据库的调查研究，根据本项目的实际需要，确定了Access数据库。

2.2 数据插值技术［4］

由于采集到的物探数据与钻孔数据特点为：以二维采集为主，测线间无数据，采集的数据呈非网格化分布，对其三维成像有一定的困难。因此需要利用数据插值方法将离散数据网格化，并在网格节点附上插值结果。

空间数据插值方法，就是由已知坐标点的数据zi（xi，yi）来计算未知坐标点zj（xj，yj）的过程。由于在实际工作中，为方便数据成像与处理，一般需要获取规则格网数据。因此，需要利用空间数据插值方法，将数据插值并使其规则网格化分布。

2.2.1 克里金（Kriging）插值法［15、20］

克里金（Kriging）插值法是一种地质统计插值方法，其在许多领域都有广泛的应用。与其它插值方法不同，克里金插值方法首先考虑节点的空间属性在空间位置上的变异分布；然后确定一个节点的影响半径，利用半径内的采样点来估计插值节点的值。在数学上，这种方法可以对原始数据提供一种最佳线性无偏估计（针对某点处的确定值）。它最大的优点是有良好的趋势预估性，对地形等起伏数据有较高的还原度。

相对于其它方法，克里金插值法具有两个方面的优越性：能运用随机性和不确定性的概念，使所插值数据具有预测性；在数据插值时，能综合运用各种数据和信息。

算法实现过程：

（1）在该方法中，衡量各点之间空间相关程度的测度是半方差，其计算公式为式（3）。

式中h为各点之间距离；n是由h分开的成对样本点的数量；z是点的属性值。

（2）在不同距离的半方差值都计算出来后，绘制半方差图，横轴代表距离，纵轴代表半方差。在半方差图中有三个参数：①nugget（表示距离为零时的半方差）；②sill（表示基本达到恒定的半方差值）；③range（表示一个值域范围，在该范围内半方差随距离增加，超过该范围，半方差值趋于恒定）。利用做出的半方差图，找出与之拟合得最好的理论变异函数模型［5］（这是关键所在），可用于拟合的模型包括高斯模型、线性模型、球状模型、指数模型、圆形模型。

对于球状模型，球面模型空间相关随距离的增长逐渐衰减，当距离大于球面半径后，空间相关消失。

（3）用拟合的模型计算出三个参数。例如球状模型中的nugget为c0；range为a；sill为c。

（4）利用拟合的模型估算未知点的属性值，方程见式（5）。

式中Z0为估计值；Zx是已知点的值；Wx为权重；S是用来估算未知点的已知点数目的。

假如用三个点来估算，则有式（6）。

这样权重就可以求出，然后可根据各权重估算出未知点属性值。

2.2.2 谢别德（Sharde）插值法［16、17］

谢别德（Sharde）插值方法是一种改进的距离倒数加权方法，因此，它的结构与距离倒数加权方法的插值器相似。距离倒数加权方法的一个最大缺点，就是会产生等值线的牛眼状圈闭，而谢别德利用了局部最小二乘方，来消除或减少距离加权方法所生成的等值线牛眼状圈闭。在谢别德法中可以通过改变圆滑系数，来使插值结果更加准确或圆滑，增大圆滑参数插值出来的效果更加圆滑。

距离倒数加权方法的算法如下：

（1）首先建立模型参数，每一个模型节点的值是由所有节点的值附上一个权系数λ累加得到的。

一般权系数λ满足式（8）。

谢别德方法是由南非地质学家Shepard提出的方法，该方法将距离倒数加权法中权系数的定义进行了改进。其权函数为式（9）。

（2）另外一种改进的Shepard方法，是根据节点的最远点距离与指定的搜索半径R的位置，来定其权函数如式（10）。

上述两种方法公式（9）与公式（10）均为平面坐标形式，其同样适用于椭球坐标系，在椭球坐标系中公式（9）与公式（10）的距离dij按椭球坐标计算。

3 综合成像系统模块划分、开发与操作流程

3.1 功能模块划分与实现

物探综合成像系统用于读入地震、电法、探地雷达、地理地形信息与钻孔数据，并对其进行三维成像、钻孔校正等解释，同时进行构造追踪和插值成像的综合成像系统。

本系统由四大模块组成，分别是①负责读入数据的数据读入模块；②对数据插值的数据插值模块；③解释数据的数据解释模块；④三维二维显示的数据显示模块。

系统模块拓扑图见下页图2。

作者在本成像系统开发语言中，主要利用visual basic可视化开发工具进行系统界面与框架设计，visual C＋＋开发工具进行底层插值算法的设计与实现。并利用Microsoft access数据库作为数据库存储对象，结合autocad VBA 成像自动化编程技术进行物探、钻孔、地理地形信息的管理与成像。

3.2 系统操作流程

本系统由四大模块组成，可对物探数据、钻孔数据与地表地形数据存储管理，解释校正并对各数据三维插值成像。本系统操作流程图见下页图3。

4 成像系统功能模块介绍［2、10、12］

本成像系统共有①数据存储功能模块；②数据插值功能模块；③数据解释功能模块；④数据成像功能模块四种模块组成。

4.1 数据存储功能模块

本模块利用Microsoft acess数据库的数据存储功能，将物探数据、钻孔数据与地表及解释数据自动整理分类，存储于不同的数据库文件及数据表中，以便于工区各数据的管理与查看。

4.2 数据插值功能模块

本模块共有四种插值算法，即：线性一维插值算法、克里金插值算法、反距离加权算法、谢别德插值算法与改进谢别德插值算法。

本模块利用各插值算法，对钻孔数据、地表数据与各物探数据进行一维规则网格插值，二维规则网格插值与三维规则网格插值，为各个数据的二维三维成像提供充分的数据支持。

4.3 数据解释功能模块

本模块可对数据进行高程校正，利用插值算法对数据进行重插值，并利用各个物探数据与钻孔数据标定构造层，进行插值为autocad三维成像提供数据支持。数据校正功能可将各物探数据与钻孔数据比较，并校正其高程；数据重插值功能可将高密度电法数据与地震速度数据进行重新调整插值；数据解释功能可以利用各个剖面的各种数据，进行构造面追踪解释，并对追踪后的构造面进行插值，为autocad构造面成像提供数据支持。

4.4 数据成像功能模块

本模块可以对钻孔、物探和地表数据进行二维及三维成像。

4.4.1 二维成像

二维成像共有四种：物探数据二维成像、物探数据切片二维成像、钻孔数据二维成像、钻孔数据切片插值二维成像。

4.4.2 三维成像

本模块利用autocad 进行辅助三维成像，在autocad中共有十九种数据成像模块，分别是：地表数据三维成像、钻孔数据三维成像、钻孔数据插值成像、电法原始数据剖面三维成像、电法高程校正数据剖面三维成像、电法重插值数据剖面三维成像、电法切片数据剖面三维成像、地震速度原始数据剖面三维成像、地震速度高程校正数据剖面三维成像、地震速度重插值数据剖面三维成像、地震速度切片数据剖面三维成像、地震时间剖面波列图三维成像、地震时间剖面颜色三维成像、地质雷达剖面波列图三维成像、地质雷达剖面颜色三维成像、电法全三维成像、地震速度全三维成像、构造解释面三维成像、构造解释面切片成像。