CN106436780B - 一种利用重力非跨越式探测地下空间的方法 - Google Patents

一种利用重力非跨越式探测地下空间的方法 Download PDF

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Abstract

本发明包括一种利用重力非跨越式探测地下空间的方法，包括布设测线，沿所需探测空间位置的边缘布设测线，保证每条测线上相邻测点的点距是相等的；重力数据采集，通过测量获得所述测线各测点的相对重力值、相对高程和三维坐标；数据处理，对采集的所述测线的重力数据进行改正，然后以测点距离为横坐标，测点相对重力值为纵坐标对改正后的重力数据进行拟合，并作出所述测线的重力数据的一阶导数图线；测量结果表征，找出所述步骤3中测线的重力数据的一阶导数图线的极值点位置。本发明可以在所需探测空间的外部通过数据的测量与计算，准确判断出所需探测空间的地下是否存在地下空间，以及地下空间的边界和规模。

Description

一种利用重力非跨越式探测地下空间的方法
技术领域
本发明涉及地下空间勘探技术领域，尤其涉及一种利用重力非跨越式探测地下空间的方法。
背景技术
地下空间空洞包括地铁工程、人防工程、排污管道工程、地下室、地下车间、地下通道、热力管道、电缆沟坑等，部分地区还有矿井通道、采煤通道等人为地下空洞，地下空间空洞大多具有分布隐秘，大小繁多，建设时期早晚不一等特点。
在城市地下空间空洞中，以地下室最为常见，近些年来伴随着房价的上涨，住房租金的直线攀升，私挖乱建地下室扩大住宅面积现象日益普遍。这种规划外的地下空间开发多由没有设计图、没有施工图、没有监理、没有监测、没有资质，由包工头组织的几个民工构成的建设队伍进行隐蔽施工。地下空间的无序开发对城市的发展、公共与民用建筑和地下基础设施都是严重威胁。这种没有经过任何论证过程和工程许可开挖的地下室，将来可能会出现各种安全隐患，进而严重危害公共安全。与此同时，有关职能部门再进行检查时，普遍会遇到“门一关，不承认”的情况，给执法过程带来了很大的难题。因此，对于本领域技术人员来说，查明地下空间的破坏现状，开展地下空间破坏摸底，以及监测地下空间破坏变化是亟需升入开展的工作。
从原理上讲，地球表面的任何物体都受到地球重力的作用，地下空间的质量盈余与亏损都能引起重力异常。重力异常值的变化与异常体的大小，以及异常体与观测点之间的距离有关，可通过重力非接触探测确定地下空间的大小和边界。高精度重力测量是现代科学技术的产物，目前的重力仪的的精度可以达到几微伽，可以很好的解决一些小地质体、小构造引起的重力异常，现有技术中还没有出现关于通过重力异常探测地下空间的方法的报道。
因此，如何发明一种利用重力非跨越式探测地下空间的方法是本领域技术人员有待解决的技术难题。
发明内容
本发明提供了一种利用重力非跨越式探测地下空间的方法，可以在所需探测空间的外部通过数据的测量与计算，准确判断出所需探测空间的地下是否存在地下空间，以及该地下空间的边界和规模。
为解决上述技术问题，本发明包括以下的技术方案：
一种利用重力非跨越式探测地下空间的方法，包括如下步骤：
步骤1布设测线，沿所需探测空间位置的边缘布设测线，保证每条测线上相邻测点的点距是相等的；
步骤2重力数据采集，通过测量获得所述测线各测点的相对重力值、相对高程和三维坐标；
步骤3数据处理，对所述步骤2中采集的所述测线的重力数据进行改正，然后以测点距离为横坐标，测点相对重力值为纵坐标对改正后的重力数据进行拟合，并作出所述测线的重力数据的一阶导数图线；
步骤4测量结果表征，找出所述步骤3中测线的重力数据的一阶导数图线的极值点位置，即可显示所需探测空间位置的地下空间的边界和规模。
具体地，所述步骤1中测线为水平长测线、垂直长测线和短测线中的任意一种或几种。
作为优选地，所述水平长测线平行于所需探测空间位置的长边进行布设，其长度在100米以上，与长边的距离为1米，所述水平长测线上相邻测点的点距为3米。
作为优选地，所述垂直长测线平行于所需探测空间位置的短边进行布设，其长度在100米以上，与短边的距离为1米，所述垂直长测线上相邻测点的点距为3米。
作为优选地，所述短测线垂直于所需探测空间位置的长边或短边进行布设，且垂足为所述长边或短边的中点，所述短测线的长度在50米以上，其上相邻测点的点距为3米。
作为优选地，所述重力数据的改正包括地形改正、固体潮改正、气压改正和零漂改正。
作为优选地，所述测线的重力数据的一阶导数图线的极大值点和极小值点之间的横坐标差值为所需探测空间位置的地下空间的对应边界长度。
进一步优选地，所述相对重力值选取CG-5重力仪进行测量，采用往返重复观测法至少测量两次，取多次测量的平均值；所述相对高程和三维坐标通过全站仪进行测量。
进一步优选地，所述测线端点位于不被地下空间影响的正常重力背景场内。
进一步优选地，所述测线跨越正常重力背景场和地下空间影响范围，所述测线到地下空间的垂距小于地下空间的深度。
本发明的有益效果如下：
本发明的利用重力非跨越式探测地下空间的方法，采用测量重力仪三脚架中心孔高程的方法，精确测量重力仪中心的相对高程，提高重力地形改正精度，可以精确的将人工建筑物的引力效应分离出来。
本发明还通过固体潮改正、气压改正和零漂改正对测得的重力数据进行改正，有效提升了测量的精度。
本发明通过对不同类型测线进行组合使用，可以在所需探测空间的外部通过数据的测量与计算，准确判断出所需探测空间的地下是否存在地下空间，以及该地下空间的边界和规模。
附图说明
图1为本发明的测线布设图；
图2为本发明实施例中探测空间1的测线布设图；
图3为本发明实施例中探测空间1的E2测线重力数据图线和水平一阶导数图线；
图4为本发明实施例中探测空间2的测线布设图；
图5为本发明实施例中探测空间2的重力异常平面剖面图；
图6为本发明实施例中探测空间2的B1测线重力数据图线和水平一阶导数图线(距目标体1.1米)；
图7为本发明实施例中探测空间2的B2测线重力数据图线和水平一阶导数图线(距目标体4.6米)。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。
本发明具体实施方式的利用重力非跨越式探测地下空间的方法，包括如下步骤：
步骤1布设测线，沿所需探测空间位置的边缘布设测线，保证每条测线上相邻测点的点距是相等的；
步骤2重力数据采集，通过测量获得所述测线各测点的相对重力值、相对高程和三维坐标；
步骤3数据处理，对所述步骤2中采集的所述测线的重力数据进行改正，然后以测点距离为横坐标，测点相对重力值为纵坐标对改正后的重力数据进行拟合，并作出所述测线的重力数据的一阶导数图线；
具体地，重力数据的改正包括地形改正、固体潮改正、气压改正和零漂改正。
步骤4测量结果表征，找出所述步骤3中测线的重力数据的一阶导数图线的极值点位置，即可显示所需探测空间位置的地下空间的边界和规模。
具体地，测线的重力数据的一阶导数图线的极大值点和极小值点之间的横坐标差值为所需探测空间位置的地下空间的对应边界长度。
本发明的数据在测量过程中，按照GB/T 17944-2000《加密重力测量规范》和GB50026-2007《工程测量规范》中的要求执行，确保数据的真实性、准确性和可靠性。相对重力值选取CG-5重力仪进行测量，采用往返重复观测法至少测量两次，取多次测量的平均值。相对高程和三维坐标通过全站仪进行测量，由于重力异常是地形起伏及测点周围人工建筑物等引起的叠加引力效应，而并非某一异常质量的单独作用，采用测量重力仪三脚架中心孔高程的方法可以精确测量重力仪中心的相对高程，从而提高重力地形改正精度，更加精确的将人工建筑物的引力效应分离出来。
图1为本发明具体实施方式的测线布设图。具体地，测线为水平长测线、垂直长测线和短测线中的任意一种或几种。水平长测线平行于所需探测空间位置的长边进行布设，其长度为100米，与长边的距离为1米，所述水平长测线上相邻测点的点距为3米，即图1中的测线1和测线2。垂直长测线平行于所需探测空间位置的短边进行布设，其长度为100米，与短边的距离为1米，所述垂直长测线上相邻测点的点距为3米，即图1中的测线3和测线4。短测线垂直于所需探测空间位置的长边或短边进行布设，且垂足为所述长边或短边的重点，所述短测线的长度为50米，其上相邻测点的点距为3米，即图1中的测线5、测线6和测试7。
本具体实施方式示例给出如下复核本发明目的重力仪测量精度要求及坐标和高程测量要求，具体如下：
1.1重力仪测量精度要求
①读数分辨率：1微伽
②典型重复性：小于5微伽
③测量范围：8,000毫伽(无重设置)
④长期剩余漂移：小于0.02毫伽/天
⑤自动倾斜补偿：±200arc sec
⑥剧烈震动(达20G时)所引起误差小于5微伽
⑦自动校正补偿：潮汐、仪器倾斜、温度、噪声采样等
⑧环境温度系数：0.2微伽/度(典型值)
⑨压力系数：0.15微伽/千帕(典型值)
1.2坐标和高程测量精度要求
实施例1
(1)布设测线
图2为本发明实施例中探测空间1的测线布设图。沿探测空间1的边沿布设E1、E2、E3和N1四条测线，共有124个测点，每条测线的相邻测点的间距均为3米。其中，测线E2和E3平行于探测空间1的长边，为水平长测线，E2和E3与探测空间1的长边的距离均为1米；E1和N1分别垂直于探测空间1的短边与长边，为短测线。
(2)重力数据采集
通过测量获得E1、E2、E3和N1四条测线各测点的相对重力值、相对高程和三维坐标。相对重力值选取CG-5重力仪进行测量，采用往返重复观测法至少测量两次，取多次测量的平均值。相对高程和三维坐标通过全站仪进行测量，采用测量重力仪三脚架中心孔高程的方法可以精确测量重力仪中心的相对高程。
(3)数据处理
对所述步骤(2)中采集的测线的重力数据进行地形改正、固体潮改正、气压改正和零漂改正，本实施例以E2测线为例，以E2测线的各测点距离为横坐标，E2测线的各测点的相对重力值为纵坐标对改正后的重力数据进行拟合得到重力数据图线，通过水平导数计算作出E2测线的重力数据的一阶导数图线，具体如图3所示。
(4)测量结果表征
图3为本发明实施例中探测空间1的E2测线重力数据图线和水平一阶导数图线。在图3中找出E2测线的重力数据的一阶导数图线的极值点位置，即可显示所需探测空间位置的地下空间的边界和规模。
从图3的重力数据图线可以看出，相对重力值在靠近探测空间1时有明显地负异常反映，这是由于探测空间1的地下存在足够的低密度或零密度值空间，且其上部建筑存在足够的降低重力异常值的密度体，因此图3很好的说明了探测空间1存在地下空间(或地下室)。从图3的水平一阶导数图线可以看出，E2测线的一阶导数图线在19号点附近为极大值，43号点附近为极小值，刚好与探测空间1的东北角位置吻合；在43号点附近为极小值，刚好与探测空间1的西北角位置吻合。所以本发明的利用重力非跨越式探测地下空间的方法，可以在所需探测空间的外部通过数据的测量与计算，准确判断出所需探测空间的地下是否存在地下空间(或地下室)，同时还可判断出所需探测空间位置的地下空间(或地下室)的边界和规模。
实施例2
(1)布设测线
图4为本发明实施例中探测空间2的测线布设图。沿探测空间2的边沿布设了B1和B2两条测线，共有73个测点，每条测线的相邻测点的间距均为3米。其中，测线B1平行于探测空间2的短边，为垂直长测线，B1测线与探测空间2的短边的距离为1米；B2测线用于排除干扰，B2测线与探测空间2的短边的距离为4.6米，与另一侧建筑的距离为1米，因为探测空间2位于狭长型建筑群内，布设测线位置两侧均有建筑且距离较近，可能会影响测量的准确性，故引入B2测线用于排除干扰。
(2)重力数据采集
通过测量获得B1和B2两条测线各测点的相对重力值、相对高程和三维坐标。相对重力值选取CG-5重力仪进行测量，采用往返重复观测法至少测量两次，取多次测量的平均值。相对高程和三维坐标通过全站仪进行测量，采用测量重力仪三脚架中心孔高程的方法可以精确测量重力仪中心的相对高程。
(3)数据处理
对所述步骤(2)中采集的测线的重力数据进行地形改正、固体潮改正、气压改正和零漂改正，作出测线B1与B2的重力异常平面剖面图，具体如图5所示。然后，本实施例再以测线B1与B2为例，以测线B1与B2的各测点距离为横坐标，测线B1与B2的各测点的相对重力值为纵坐标对改正后的重力数据进行拟合得到重力数据图线，通过水平导数计算作出B1和B2测线的重力数据的一阶导数图线，具体如图6和图7所示。
(4)测量结果表征
图5为本发明实施例中探测空间2的重力异常平面剖面图。通过图5可以看出，测线B1与B2在靠近探测空间2时，相对重力值均有很明显地负异常反映，这是由于该位置处的地下有足够的低密度或零密度值空间，但由于测线B1与B2两侧均有建筑且距离较近，此时无法判断出该地下空间(或地下室)是位于靠近测线B1的一侧，还是位于靠近B2测线的一侧。然后判断测线B1与B2的负异常幅度，从图5中可以看出，测线B1的负异常幅度明显大于测线B2，因此地下空间(或地下室)位于靠近B1测线的一侧，即探测空间2存在地下空间(或地下室)。
图6为本发明实施例中探测空间2的B1测线重力数据图线和水平一阶导数图线。在图6中找出B1测线的重力数据的一阶导数图线的极值点位置，即可显示探测空间2的地下空间的边界和规模。从图6的重力数据图线可以看出，相对重力值在靠近探测空间2时有明显地负异常反映，从图6的水平一阶导数图线可以看出，B1测线的水平导数在22号点和26号点处出现极值，与探测空间2的边界位置吻合。
图7为本发明实施例中探测空间2的B2测线重力数据图线和水平一阶导数图线。从图7中可以看出，B2测线的水平导数在20号点和29号点处出现极值，与图6中的B1测线极值点的位置相比，B2线的极值点外扩了2～3个点距，从这个角度也可以判断出地下空间(或地下室)位于靠近B1测线的一侧，即探测空间2存在地下空间(或地下室)。
综上所述，本发明的利用重力非跨越式探测地下空间的方法，采用测量重力仪三脚架中心孔高程的方法，精确测量重力仪中心的相对高程，提高重力地形改正精度，可以精确的将人工建筑物的引力效应分离出来。
本发明还通过固体潮改正、气压改正和零漂改正对测得的重力数据进行改正，有效提升了测量的精度。
本发明通过对不同类型测线进行组合使用，可以在所需探测空间的外部通过数据的测量与计算，准确判断出所需探测空间的地下是否存在地下空间，以及该地下空间的边界和规模。
以上所述实施例仅仅是本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案作出的各种变形和改进，均应落入本发明的权利要求书确定的保护范围内。
以上所述实施例仅仅是本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案作出的各种变形和改进，均应落入本发明的权利要求书确定的保护范围内。

Claims (7)

1.一种利用重力非跨越式探测地下空间的方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1布设测线，沿所需探测空间位置的边缘布设测线，保证每条测线上相邻测点的点距是相等的；
所述测线端点位于不被地下空间影响的正常重力背景场内；
所述测线跨越正常重力背景场和地下空间影响范围，所述测线到地下空间的垂距小于地下空间的深度；
步骤2重力数据采集，通过测量获得所述测线各测点的相对重力值、相对高程和三维坐标；
步骤3数据处理，对所述步骤2中采集的所述测线的重力数据进行改正，然后以测点距离为横坐标，测点相对重力值为纵坐标对改正后的重力数据进行拟合，并作出所述测线的重力数据的一阶导数图线；
所述相对重力值选取CG-5重力仪进行测量；
所述重力数据的改正包括地形改正、固体潮改正、气压改正和零漂改正；
步骤4测量结果表征，找出所述步骤3中测线的重力数据的一阶导数图线的极值点位置，即可显示所需探测空间位置的地下空间的边界和规模。
2.如权利要求1所述的利用重力非跨越式探测地下空间的方法，其特征在于，所述步骤1中测线为水平长测线、垂直长测线和短测线中的任意一种或几种。
3.如权利要求2所述的利用重力非跨越式探测地下空间的方法，其特征在于，所述水平长测线平行于所需探测空间位置的长边进行布设，其长度在100米以上，与长边的距离为1米，所述水平长测线上相邻测点的点距为3米。
4.如权利要求2所述的利用重力非跨越式探测地下空间的方法，其特征在于，所述垂直长测线平行于所需探测空间位置的短边进行布设，其长度在100米以上，与短边的距离为1米，所述垂直长测线上相邻测点的点距为3米。
5.如权利要求2所述的利用重力非跨越式探测地下空间的方法，其特征在于，所述短测线垂直于所需探测空间位置的长边或短边进行布设，且垂足为所述长边或短边的重点，所述短测线的长度在50米以上，其上相邻测点的点距为3米。
6.如权利要求1所述的利用重力非跨越式探测地下空间的方法，其特征在于，所述测线的重力数据的一阶导数图线的极大值点和极小值点之间的横坐标差值为所需探测空间位置的地下空间的对应边界长度。
7.如权利要求1所述的利用重力非跨越式探测地下空间的方法，其特征在于，采用往返重复观测法至少测量两次，取多次测量的平均值；所述相对高程和三维坐标通过全站仪进行测量。
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