CN108562952B - 一种野外岩层产状数据采集装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种野外岩层产状数据采集装置及方法，其中采集装置包括顺次相连的数据采集单元、角度计算单元、产状数据计算单元，数据采集单元用于采集装置置于待测岩层表面后装置的磁感应数据和重力感应数据；角度计算单元用于根据数据采集单元采集的磁感应数据和重力感应数据计算获得装置方位角、装置俯仰角和装置翻滚角；产状数据计算单元用于根据角度计算单元计算获得的装置方位角、装置俯仰角和装置翻滚角三种数据，计算获得待测岩层产状数据并输出。本发明可以将装置按照任意角度摆放于待测岩层表面上进行自动测试，不受量测人员主观因素影响，减少了人为误差，量测精度高，工作效率高；避免依赖GPS进行方位定位，采集工作不受环境影响。

Description

一种野外岩层产状数据采集装置及方法

技术领域

本发明属于工程地质勘察、区域地质调查领域，特别涉及一种野外岩层产状数据采集装置及方法。

背景技术

工程地质勘察及区域地质调查工作中，工作人员采集岩层产状数据，包括岩层走向、倾向和倾角，是最为频繁的工作内容之一。

目前，国内外对于岩层产状数据采集主要利用的装置包括机械地质罗盘和数字化地质罗盘。

使用传统机械地质罗盘每次只能采集一个数据，地质调查人员需要多次操作才能完成对岩层产状数据(走向、倾向和倾角)的采集工作，并且机械罗盘指针的抖动及目测结果均造成比较大的误差。

数字化地质罗盘能解决上述传统机械地质罗盘的问题，并可推动数字化地质调查工作，是理想的工作模式。已有的数字罗盘采用人为判断岩层走向，通过两次量测的方式获得岩层产状。这种采集方法需要过多的人为干预，需要人为判断岩层的产状，特别是走向数据，需要将数字罗盘按照目视判断的岩层(地质构造面)走向的摆放角度置于岩层面之上，才能获得装置的方位角数据，以此计算岩层的产状数据。同时，这种采集方法中的方位角数据需要GPS数据的支持。这种方法的缺点是：人工干预会造成人为的误差；GPS搜星速度限制了工作人员的工作效率，并且在一些极端情况下，比如隧洞、巷道等环境中获取GPS极其困难。

发明内容

使用现有方法和装置采集野外岩层产状数据时，需要过多的人工干预，采集误差大，采集工作受环境影响，工作效率低。本发明的目的在于，针对上述现有技术的不足，提供一种野外岩层产状数据采集装置及方法，不受量测人员主观因素影响，量测精度高，工作效率高；避免依赖GPS进行方位定位，采集工作不受环境影响。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：

一种野外岩层产状数据采集装置，其结构特点是包括顺次相连的数据采集单元、角度计算单元、产状数据计算单元，其中：

数据采集单元：用于采集装置置于待测岩层表面后装置的磁感应数据和重力感应数据；

角度计算单元：用于根据数据采集单元采集的磁感应数据和重力感应数据计算获得装置方位角、装置俯仰角和装置翻滚角；

产状数据计算单元：用于根据角度计算单元计算获得的装置方位角、装置俯仰角和装置翻滚角三种数据，计算获得待测岩层产状数据并输出，所述产状数据包括岩层走向、岩层倾向和岩层倾角。

进一步地，还包括与所述产状数据计算单元输出端相连的数据平滑单元，其中数据平滑单元用于对产状数据计算单元计算获得的产状数据进行数据平滑化处理。

作为一种优选方式，所述数据采集单元包括磁感应器和重力感应器。

基于同一个发明构思，本发明还提供了一种利用所述野外岩层产状数据采集装置进行岩层产状数据采集的方法，包括以下步骤：

步骤A.将装置放置于待测岩层表面并采集装置的磁感应数据和重力感应数据；

步骤B.利用磁感应数据和重力感应数据计算装置方位角、装置俯仰角和装置翻滚角；

步骤C.利用装置方位角、装置俯仰角和装置翻滚角计算获得待测岩层产状数据并输出。

进一步地，所述步骤C中，岩层产状数据经过平滑化处理后再输出。

作为一种优选方式，所述步骤B中，装置方位角a＝actan(Hy/Hx)，装置俯仰角b＝actan

装置翻滚角v＝actan

其中，Hy为磁感应数据在世界坐标系中y向的分量，Hx为磁感应数据在世界坐标系中x向的分量，Ax为重力感应数据在世界坐标系中x向的分量，Ay为重力感应数据在世界坐标系中y向的分量，Az为重力感应数据在世界坐标系中z向的分量。

作为一种优选方式，所述步骤C中，

岩层倾角R1＝asin(sin(b)/cos(atan(sin(v)/tan(b)))；

岩层走向R2＝a-atan(cos(R1))/tan(sin(v)/tan(b))；

若装置翻滚角为正，则岩层倾向等于岩层走向加90°；若装置翻滚角为负，则岩层倾向等于岩层走向减90°；其中a为装置方位角，b为装置俯仰角，v为装置翻滚角。

作为一种优选方式，所述平滑化处理过程包括：首先建立计算链表结构，再收集装置在ts内获得的岩层产状数据，从送链表尾向链表首填充数据并弃用超出链表结构的数据，对链表内的数据求平均后输出。

与现有技术相比，本发明可以将装置按照任意角度摆放于待测岩层表面上进行自动测试，不受量测人员主观因素影响，减少了人为误差，量测精度高，工作效率高；避免依赖GPS进行方位定位，采集工作不受环境影响。

附图说明

图1为本发明采集装置结构框图。

图2为本发明采集方法流程图。

图3为数据平滑化处理过程示意图。

图4为岩层产状数据一实施例输出结果图。

其中，1为数据采集单元，2为角度计算单元，3为产状数据计算单元，4为数据平滑单元。

具体实施方式

如图1所示，野外岩层产状数据采集装置包括顺次相连的数据采集单元1、角度计算单元2、产状数据计算单元3，其中：

数据采集单元1：用于采集装置置于待测岩层表面后装置的磁感应数据和重力感应数据；装置可按任意角度放置于岩层表面。将装置长轴横置于待测岩层走向线附近，可提高数据采集精度。

角度计算单元2：用于根据数据采集单元1采集的磁感应数据和重力感应数据计算获得装置方位角、装置俯仰角和装置翻滚角。

产状数据计算单元3：用于根据角度计算单元2计算获得的装置方位角、装置俯仰角和装置翻滚角三种数据，计算获得待测岩层产状数据并输出，所述产状数据包括岩层走向、岩层倾向和岩层倾角。

野外岩层产状数据采集装置还包括与所述产状数据计算单元3输出端相连的数据平滑单元4，其中数据平滑单元4用于对产状数据计算单元3计算获得的产状数据进行数据平滑化处理。

所述数据采集单元1包括磁感应器和重力感应器。

如图2所示，利用所述野外岩层产状数据采集装置进行岩层产状数据采集的方法包括以下步骤：

步骤A.将装置放置于待测岩层表面并采集装置的磁感应数据和重力感应数据；

步骤B.利用磁感应数据和重力感应数据计算装置方位角、装置俯仰角和装置翻滚角；即获得采集装置在世界坐标系中的绝对坐标。

步骤C.利用装置方位角、装置俯仰角和装置翻滚角计算获得待测岩层产状数据并输出。

所述步骤C中，岩层产状数据经过平滑化处理后再输出。

所述步骤B中，装置方位角a＝actan(Hy/Hx)，装置俯仰角b＝actan

装置翻滚角v＝actan

其中，Hy为磁感应数据在世界坐标系中y向的分量，Hx为磁感应数据在世界坐标系中x向的分量，Ax为重力感应数据在世界坐标系中x向的分量，Ay为重力感应数据在世界坐标系中y向的分量，Az为重力感应数据在世界坐标系中z向的分量。

其中岩层与世界坐标系水平面的交线即为岩层走向。采集装置放置于岩层面上，装置方位角与岩层走向存在一夹角，此夹角由装置俯仰角b和装置翻滚角v的三维空间几何关系所定。所述步骤C中，

岩层倾角R1＝asin(sin(b)/cos(atan(sin(v)/tan(b)))；

岩层走向R2＝a-atan(cos(R1))/tan(sin(v)/tan(b))。

岩层倾向的计算按照量测时装置摆放的姿势确定，即按照装置翻滚角的情况，将岩层走向加减90°获取。若装置翻滚角为正，则岩层倾向等于岩层走向加90°；若装置翻滚角为负，则岩层倾向等于岩层走向减90°；其中a为装置方位角，b为装置俯仰角，v为装置翻滚角。

所述的夹角不应被理解为装置方位角补偿角，此夹角为岩层走向与装置方位的夹角，本发明中的计算公式保证了不论装置以何种角度放置于岩层之上，获得岩层走向均为同一角度。

如图3所示，所述平滑化处理过程包括：首先建立计算链表结构，再收集装置在1s内获得的岩层产状数据。从送链表尾向链表首填充数据并弃用超出链表结构的数据(即，新数据加入链表尾部，已有数据向前偏移一位，超出链表结构的数据被弃用)，对链表内的数据求平均后输出。最终输出到显示屏幕的产状数据结果如图4所示。平滑化处理可以降低采集装置采集到数据的突变和振幅。

上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是局限性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种野外岩层产状数据采集装置，其特征在于，包括顺次相连的数据采集单元(1)、角度计算单元(2)、产状数据计算单元(3)，其中：

数据采集单元(1)：用于采集装置置于待测岩层表面后装置的磁感应数据和重力感应数据；

角度计算单元(2)：用于根据数据采集单元(1)采集的磁感应数据和重力感应数据计算获得装置方位角、装置俯仰角和装置翻滚角；

产状数据计算单元(3)：用于根据角度计算单元(2)计算获得的装置方位角、装置俯仰角和装置翻滚角三种数据，计算获得待测岩层产状数据并输出，所述产状数据包括岩层走向、岩层倾向和岩层倾角，其中，

岩层倾角R1＝asin(sin(b)/cos(atan(sin(v)/tan(b)))；

岩层走向R2＝a-atan(cos(R1))/tan(sin(v)/tan(b))；

若装置翻滚角为正，则岩层倾向等于岩层走向加90°；若装置翻滚角为负，则岩层倾向等于岩层走向减90°；其中a为装置方位角，b为装置俯仰角，v为装置翻滚角。

2.如权利要求1所述的野外岩层产状数据采集装置，其特征在于，还包括与所述产状数据计算单元(3)输出端相连的数据平滑单元(4)，其中数据平滑单元(4)用于对产状数据计算单元(3)计算获得的产状数据进行数据平滑化处理。

3.如权利要求1所述的野外岩层产状数据采集装置，其特征在于，所述数据采集单元(1)包括磁感应器和重力感应器。

4.一种利用如权利要求1至3任一项所述野外岩层产状数据采集装置进行岩层产状数据采集的方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤A.将装置放置于待测岩层表面并采集装置的磁感应数据和重力感应数据；

步骤B.利用磁感应数据和重力感应数据计算装置方位角、装置俯仰角和装置翻滚角；

步骤C.利用装置方位角、装置俯仰角和装置翻滚角计算获得待测岩层产状数据并输出；其中，

岩层倾角R1＝asin(sin(b)/cos(atan(sin(v)/tan(b)))；

岩层走向R2＝a-atan(cos(R1))/tan(sin(v)/tan(b))；

若装置翻滚角为正，则岩层倾向等于岩层走向加90°；若装置翻滚角为负，则岩层倾向等于岩层走向减90°；其中a为装置方位角，b为装置俯仰角，v为装置翻滚角。

5.如权利要求4所述的野外岩层产状数据采集方法，其特征在于，所述步骤C中，岩层产状数据经过平滑化处理后再输出。

6.如权利要求5所述的野外岩层产状数据采集方法，其特征在于，所述平滑化处理过程包括：首先建立计算链表结构，再收集装置在ts内获得的岩层产状数据，从送链表尾向链表首填充数据并弃用超出链表结构的数据，对链表内的数据求平均后输出。

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