CN108760825A - 适应于城市环境的任意布孔的三维跨孔电阻率ct成像方法 - Google Patents

适应于城市环境的任意布孔的三维跨孔电阻率ct成像方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种适应于城市环境的任意布孔的三维跨孔电阻率CT成像方法，对目标区域进行地质分析，初步推断目标区域内可能存在的岩溶或者地下空洞等不良地质的大致范围；结合场地条件，在选定的探测区域布置钻探孔、钻孔测线和地表测线，确定钻孔测线电极和地表电极间距；根据布孔方式选定相应的跑极方式进行三维跨孔电阻率CT探测；采用自动化建模对测区完成网格剖分建模，通过反演获得对目标区域不良地质体的反演成像结果。本发明利用自动化建模方法实现对不规则探测区域的建模。

Description

适应于城市环境的任意布孔的三维跨孔电阻率CT成像方法
技术领域
本发明属于电阻率勘探领域，具体涉及一种适应于城市环境的任意布孔的三维跨孔电阻率CT成像方法。
背景技术
随着城市化水平的不断提高，城市规模的急剧扩大，现代城市空间与城市功能之间的各种矛盾日益尖锐，在一定程度上制约了城市的可持续发展。根据我国大城市地下空间开发的经验，如果没有充分考虑地下空间开发活动与地质环境的相互影响和作用,在一定条件下就会产生环境地质问题或地质灾害,其中主要包括岩溶引发的地面变形或沉降、因地层承压含水层被揭穿而引起的突涌管涌或者砂土液化、在开发过程中因地下空洞而导致城市地面塌陷、城市活断层断裂蠕动或突发错动导致城市建筑物破坏等。
跨孔电阻率CT作为一种精细钻孔探测技术，具有探测精度高、灵活方便、不占用施工时间等优点，对溶洞、断层和基岩面等均有较佳的探测效果，可以对局部区域开展精细的探测。但由于城市地面环境复杂、建筑密集，人类活动频繁，可用于布孔的场地条件和施工条件有限，往往难以满足同时布置四个平行钻孔以形成三维跨孔CT立体观测空间的要求，导致实际情况中能够布置的钻孔数量有限、钻孔布置网格往往也是不规则的。因此，复杂的城市环境和受限的空间给三维电阻率跨孔CT的应用带来了巨大的制约，亟待发明一种适应于城市环境的科学可靠的三维电阻率跨孔CT方法和技术。
发明内容
本发明为了解决上述问题，提出了一种适应于城市环境的任意布孔的三维跨孔电阻率CT成像方法，本发明能够对城市中所需探测的区域进行任意布孔，将孔中电极和布置方式灵活的地表电极相联合，实现对目标区域的三维探测，并在后续的数据处理过程中利用自动化建模方法实现对不规则探测区域的建模。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种适应于城市环境的任意布孔的三维跨孔电阻率CT成像方法，包括以下步骤：
对目标区域进行地质分析，初步推断目标区域内可能存在的岩溶或者地下空洞等不良地质的大致范围；
结合场地条件，在选定的探测区域布置钻探孔、钻孔测线和地表测线，确定钻孔测线电极和地表电极间距；
根据布孔方式选定相应的跑极方式进行三维跨孔电阻率CT探测；
采用自动化建模对测区完成网格剖分建模，通过反演获得对目标区域不良地质体的反演成像结果。
进一步的，钻探孔、钻孔测线和地表测线的布置方式根据钻探孔的分布位置和数量包括：任意凸四边形布置、任意三角形布置、双钻孔布置或/和单钻孔布置方式。
更进一步的，任意凸四边形布置方式具体为：钻探孔为4个，钻孔间距根据探测区域的实际情况进行调整，钻孔深度依据所探测目标的深度、实际钻孔的深度来确定；每个钻孔内布置1条钻孔测线，测线长度等于相应的钻孔深度，共4条测线，从测区平面上看钻探孔以凸四边形的形状分布在测区周围。
更进一步的，任意三角形布置方式具体为：钻探孔为3个，钻孔间距根据探测区域的实际情况进行调整，钻孔深度依据所探测目标的深度、实际钻孔的深度来确定；每个钻孔内布置1条钻孔测线，测线长度等于相应的钻孔深度，共3条测线，从测区平面上看钻探孔以三角形的形状分布在测区周围。
更进一步的，双钻孔布置方式具体为：钻探孔为2个，间距根据探测区域的实际情况进行调整，钻孔深度依据所探测目标的深度、实际钻孔的深度来确定；每个钻孔内布置1条钻孔测线，钻孔测线长度等于钻孔深；在每个钻孔上方以垂直于双孔连线的方向布置1条地面电极测线，地面测线长度是孔中测线长度的2倍左右，共4条测线，从测区平面上看钻探孔和地面测线以工字形的形状分布在测区周围。
更进一步的，单钻孔布置方式具体为：钻探孔为1个，钻探孔位置宜位于探测区域中心位置附近，钻孔深度依据所探测目标的深度、实际钻孔的深度来确定；钻孔内布置1条钻孔测线，钻孔测线长度等于钻孔深；在钻孔上方地表布置2条地面电极测线，测线方向相互垂直，地面测线长度是孔中测线长度的2倍左右，共3条测线；从测区平面上看钻探孔和地面测线以十字形的形状分布在测区上方。
优选的，钻孔测线电极间距不超过2m，地表测线电极间距等于钻孔测线电极间距。
根据布孔方式选定相应的跑极方式具体为：
针对任意凸四边形布置和任意三角形布置的钻探孔布孔方式，采用bipole-bipole四极阵列和pole–tripole四极电极跑极方式；
或/和，针对双钻孔布置和单钻孔布置的钻探孔布孔方式，采用bipole-bipole四极阵列、和pole–tripole四极阵列和dipole-dipole四极阵列三种电极跑极方式，且在探测获取数据的过程中应使得供电电极一个处于钻孔测线上、一个位于地表测线上或者都处于钻孔测线上，以保证最后成像的效果。
进一步的，自动化建模的过程包括：
以测区平面建立直角坐标系，沿坐标系y轴负方向自上而下定义各个钻孔点，钻孔点是数据的取值取决于布孔方式；
每个钻孔点画两条分别平行于x轴和y轴的直线，形成网格状区域；
根据布孔布线时所测得的钻孔点的坐标值，计算区域上每个小网格的边长值；
根据得到的网格的边长值采用反演核心区域网格等间距、边界区域网格自适应微调整的原则选取合适的模型单元网格边长进行网格剖分，完成目标区域的自动化建模。
更进一步的，反演核心区域网格等间距、边界区域网格自适应微调整的原则，具体为：定义布孔点围成的区域为反演核心区域，核心区域的水平方向单元网格边长等间距，反演核心区域外的边界区域的水平方向单元网格间距应等同于核心区域的单元网格边长值，当钻孔点没有处在模型的网格点上时，仅对在孔点附近的网格进行适当微调使得钻孔点处于网格点处，其余部分网格间距保持不变。
更进一步的，反演核心区域钻孔方向的网格间距取钻孔测线电极间距的1/3-2/3，以确保测量数据与电阻率模型在反演过程中保持收敛又尽量避免网格剖分过于密集而导致反演效率降低。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
1、本发明克服了复杂城市环境对三维跨孔电阻率CT的布孔限制，扩大了三维跨孔电阻率CT的应用范围；
2、本发明采取一套统一的针对不同布孔方式的跑极方式，大大减少了任意布孔对探测成像效果的影响；
3、本发明利用自动化建模可对不规则探测区域进行网格剖分、建模，保证了反演成像的顺利进行。
附图说明
构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。
图1为本发明的实施流程图；
图2(a)-图2(d)为本发明不同布孔方式的三维布置图；
图3(a)、图3(b)为本发明电阻率跨孔CTbipole-bipole(AM-BN和AM-NB)四极阵列装置图；
图4(a)、图4(b)为本发明电阻率跨孔CT pole–tripole(A-BMN和A-NMB)四极阵列装置图；
图5(a)、图5(b)为本发明电阻率跨孔CTdipole-dipole(AB-MN)四极阵列装置图；
图6为本发明实例模型三维示意图；
图7为本发明实例模型网格剖分三视图；
图8为本发明实例模型反演结果示意图；
其中：1、钻孔测线，2、不良地质体，3、地表测线，4、供电电极AB，5、接收电极MN。
具体实施方式：
下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
在本发明中，术语如“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”、“竖直”、“水平”、“侧”、“底”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，只是为了便于叙述本发明各部件或元件结构关系而确定的关系词，并非特指本发明中任一部件或元件，不能理解为对本发明的限制。
本发明中，术语如“固接”、“相连”、“连接”等应做广义理解，表示可以是固定连接，也可以是一体地连接或可拆卸连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的相关科研或技术人员，可以根据具体情况确定上述术语在本发明中的具体含义，不能理解为对本发明的限制。
一种适应于城市环境的任意布孔的三维跨孔电阻率CT成像方法，包括如下步骤：
(1)首先对目标区域进行地质分析，结合现有的地质资料和现场勘查报告，对区域内可能存在的岩溶或者地下空洞等不良地质的大致范围做出初步推断；
(2)根据调查结果和场地条件，在选定的探测区域布置钻探孔、钻孔测线和地表测线，确定钻孔测线电极和地表电极间距；
(3)根据布孔方式选定相应的跑极方式进行三维跨孔电阻率CT探测；
(4)采用自动化建模对测区完成网格剖分建模，通过反演获得对目标区域不良地质体的反演成像结果；
如图2(a)-图2(d)所示，步骤(2)中的钻探孔、钻孔测线和地表测线的布置方式根据钻探孔的分布位置和数量分为4种：任意凸四边形布置、任意三角形布置、双钻孔布置、单钻孔布置。
对于任意凸四边形布置，钻探孔为4个，钻孔间距根据探测区域的实际情况进行调整，钻孔深度依据所探测目标的深度、实际钻孔的深度来确定。每个钻孔内布置1条钻孔测线，测线长度等于相应的钻孔深度，共4条测线。从测区平面上看钻探孔以凸四边形的形状分布在测区周围。
对于任意三角形布置，钻探孔为3个，钻孔间距根据探测区域的实际情况进行调整，钻孔深度依据所探测目标的深度、实际钻孔的深度来确定。每个钻孔内布置1条钻孔测线，测线长度等于相应的钻孔深度，共3条测线。从测区平面上看钻探孔以三角形的形状分布在测区周围。
对于双钻孔布置，钻探孔为2个，间距根据探测区域的实际情况进行调整，钻孔深度依据所探测目标的深度、实际钻孔的深度来确定。每个钻孔内布置1条钻孔测线，钻孔测线长度等于钻孔深；在每个钻孔上方以垂直于双孔连线的方向布置1条地面电极测线，地面测线长度是孔中测线长度的2倍左右，共4条测线。从测区平面上看钻探孔和地面测线以工字形的形状分布在测区周围。
对于单钻孔布置，钻探孔为1个，钻探孔位置宜位于探测区域中心位置附近，钻孔深度依据所探测目标的深度、实际钻孔的深度来确定。钻孔内布置1条钻孔测线，钻孔测线长度等于钻孔深；在钻孔上方地表布置2条地面电极测线，测线方向相互垂直，地面测线长度是孔中测线长度的2倍左右，共3条测线。从测区平面上看钻探孔和地面测线以十字形的形状分布在测区上方。
步骤(2)中的钻孔测线电极间距以不超过2m为宜,地表测线电极间距等于钻孔测线电极间距；
步骤(3)中根据布孔方式选定相应的跑极方式具体如下，
如图3-图5所示，针对任意凸四边形布置和任意三角形布置的钻探孔布孔方式，采用bipole-bipole(AM-BN和AM-NB)四极阵列和pole–tripole(A-BMN和A-NMB)四极电极跑极方式；
针对双钻孔布置和单钻孔布置的钻探孔布孔方式，采用bipole-bipole(AM-BN和AM-NB)四极阵列、和pole–tripole(A-BMN和A-NMB)四极阵列和dipole-dipole(AB-MN)四极阵列三种电极跑极方式，且在探测获取数据的过程中应使得供电电极一个处于钻孔测线上、一个位于地表测线上或者都处于钻孔测线上，以保证最后成像的效果；
步骤(4)中的自动化建模，其具体实施方式如下：
1)以测区平面建立直角坐标系，沿坐标系y轴负方向(不考虑钻孔点的x轴坐标)自上而下定义钻孔点为Ai(i＝1,2,…,n),其中n的取值取决于布孔方式；
2)每个钻孔点画两条分别平行于x轴和y轴的直线，形成网格状区域；
3)根据布孔布线时所测得的钻孔点的坐标值(在现场布置勘探时利用全站仪获得)计算区域上每个小网格的边长值lk(k＝1,2,3,…)；
4)根据得到的网格的边长值lk采用“反演核心区域网格等间距、边界区域网格自适应微调整”的原则选取合适的模型单元网格边长进行网格剖分，完成目标区域的自动化建模；
钻孔点坐标值和lk的取值可取到小数点后面两位；
“反演核心区域网格等间距、边界区域网格自适应微调整”的原则，具体内容如下：
定义布孔点围成的区域为反演核心区域，核心区域的水平方向单元网格边长等间距，反演核心区域外的边界区域的水平方向单元网格间距应等同于核心区域的单元网格边长值，当钻孔点没有处在模型的网格点上时，仅对在孔点附近的网格进行适当微调使得钻孔点处于网格点处，其余部分网格间距保持不变。
反演核心区域钻孔方向的网格间距一般取钻孔测线电极间距的1/2，这样既能确保测量数据与电阻率模型在反演过程中保持收敛又能尽量避免因为网格剖分过于密集而导致反演效率降低。
作为一种典型实施例，如图1所示，一种适应于城市环境的任意布孔的三维跨孔电阻率CT成像方法，其特征是，具体包括如下步骤：
A.首先对目标区域进行地质分析，结合现有的地质资料和现场勘查报告，对区域内可能存在的岩溶或者地下空洞等不良地质的大致范围做出初步推断；
B.根据初步推断在选定的目标区域边界外围布置4个钻探孔。将钻孔深度定为30m，每个钻孔内布置1条钻孔测线，测线长度同样为30m，共4条测线；
钻孔测线电极间距定为2m，每条测线16个电极，共64个电极；
C.选取bipole-bipole(AM-BN和AM-NB)和pole–tripole(A-BMN和A-NMB)两种电极排列方式进行跑极，对目标区域进行三维跨孔电阻率CT探测，进一步对整个不良地质体边界进行识别和定位；
D.采用自动化建模对测区完成网格剖分建模，具体实施方式如下：
以测区平面建立直角坐标系，沿坐标系y轴负方向(不考虑钻孔点的x轴坐标)自上而下定义钻孔点为Ai(i＝1,2,3,4)；
每个钻孔点画两条分别平行于x轴和y轴的直线，形成网格状区域；
根据布孔布线时所测得的钻孔点的坐标值(在现场布置勘探时利用全站仪获得)计算区域上每个小网格的边长值lk(k＝1,2,3,…,6),钻孔点坐标值和lk的取值取到小数点后面两位；
根据得到的网格的边长值lk采用“反演核心区域网格等间距、边界区域网格自适应微调整”的原则选取合适的模型单元网格边长进行网格剖分，完成目标区域的自动化建模；
如图6和图7所示，本实例单元网格边长取1.0m，钻孔方向网格边长取1.0m。最终可以得到如图8所示的反演结果。
以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。
上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (10)

1.一种适应于城市环境的任意布孔的三维跨孔电阻率CT成像方法，其特征是：包括以下步骤：
对目标区域进行地质分析，初步推断目标区域内可能存在的岩溶或者地下空洞等不良地质的大致范围；
结合场地条件，在选定的探测区域布置钻探孔、钻孔测线和地表测线，确定钻孔测线电极和地表电极间距；
根据布孔方式选定相应的跑极方式进行三维跨孔电阻率CT探测；
采用自动化建模对测区完成网格剖分建模，通过反演获得对目标区域不良地质体的反演成像结果。
2.如权利要求1所述的一种适应于城市环境的任意布孔的三维跨孔电阻率CT成像方法，其特征是：钻探孔、钻孔测线和地表测线的布置方式根据钻探孔的分布位置和数量包括：任意凸四边形布置、任意三角形布置、双钻孔布置或/和单钻孔布置方式；
或，各个布置方式中，钻孔测线电极间距不超过2m，地表测线电极间距等于钻孔测线电极间距。
3.如权利要求1所述的一种适应于城市环境的任意布孔的三维跨孔电阻率CT成像方法，其特征是：任意凸四边形布置方式具体为：钻探孔为4个，钻孔间距根据探测区域的实际情况进行调整，钻孔深度依据所探测目标的深度、实际钻孔的深度来确定；每个钻孔内布置1条钻孔测线，测线长度等于相应的钻孔深度，共4条测线，从测区平面上看钻探孔以凸四边形的形状分布在测区周围。
4.如权利要求1所述的一种适应于城市环境的任意布孔的三维跨孔电阻率CT成像方法，其特征是：任意三角形布置方式具体为：钻探孔为3个，钻孔间距根据探测区域的实际情况进行调整，钻孔深度依据所探测目标的深度、实际钻孔的深度来确定；每个钻孔内布置1条钻孔测线，测线长度等于相应的钻孔深度，共3条测线，从测区平面上看钻探孔以三角形的形状分布在测区周围。
5.如权利要求1所述的一种适应于城市环境的任意布孔的三维跨孔电阻率CT成像方法，其特征是：双钻孔布置方式具体为：钻探孔为2个，间距根据探测区域的实际情况进行调整，钻孔深度依据所探测目标的深度、实际钻孔的深度来确定；每个钻孔内布置1条钻孔测线，钻孔测线长度等于钻孔深；在每个钻孔上方以垂直于双孔连线的方向布置1条地面电极测线，地面测线长度是孔中测线长度的2倍左右，共4条测线，从测区平面上看钻探孔和地面测线以工字形的形状分布在测区周围。
6.如权利要求1所述的一种适应于城市环境的任意布孔的三维跨孔电阻率CT成像方法，其特征是：单钻孔布置方式具体为：钻探孔为1个，钻探孔位置宜位于探测区域中心位置附近，钻孔深度依据所探测目标的深度、实际钻孔的深度来确定；钻孔内布置1条钻孔测线，钻孔测线长度等于钻孔深；在钻孔上方地表布置2条地面电极测线，测线方向相互垂直，地面测线长度是孔中测线长度的2倍左右，共3条测线；从测区平面上看钻探孔和地面测线以十字形的形状分布在测区上方。
7.如权利要求1所述的一种适应于城市环境的任意布孔的三维跨孔电阻率CT成像方法，其特征是：根据布孔方式选定相应的跑极方式具体为：
针对任意凸四边形布置和任意三角形布置的钻探孔布孔方式，采用bipole-bipole四极阵列和pole–tripole四极电极跑极方式；
或/和，针对双钻孔布置和单钻孔布置的钻探孔布孔方式，采用bipole-bipole四极阵列、和pole–tripole四极阵列和dipole-dipole四极阵列三种电极跑极方式，且在探测获取数据的过程中应使得供电电极一个处于钻孔测线上、一个位于地表测线上或者都处于钻孔测线上，以保证最后成像的效果。
8.如权利要求1所述的一种适应于城市环境的任意布孔的三维跨孔电阻率CT成像方法，其特征是：自动化建模的过程包括：
以测区平面建立直角坐标系，沿坐标系y轴负方向自上而下定义各个钻孔点，钻孔点是数据的取值取决于布孔方式；
每个钻孔点画两条分别平行于x轴和y轴的直线，形成网格状区域；
根据布孔布线时所测得的钻孔点的坐标值，计算区域上每个小网格的边长值；
根据得到的网格的边长值采用反演核心区域网格等间距、边界区域网格自适应微调整的原则选取合适的模型单元网格边长进行网格剖分，完成目标区域的自动化建模。
9.如权利要求8所述的一种适应于城市环境的任意布孔的三维跨孔电阻率CT成像方法，其特征是：反演核心区域网格等间距、边界区域网格自适应微调整的原则，具体为：定义布孔点围成的区域为反演核心区域，核心区域的水平方向单元网格边长等间距，反演核心区域外的边界区域的水平方向单元网格间距应等同于核心区域的单元网格边长值，当钻孔点没有处在模型的网格点上时，仅对在孔点附近的网格进行适当微调使得钻孔点处于网格点处，其余部分网格间距保持不变。
10.如权利要求8所述的一种适应于城市环境的任意布孔的三维跨孔电阻率CT成像方法，其特征是：反演核心区域钻孔方向的网格间距取钻孔测线电极间距的1/3-2/3，以确保测量数据与电阻率模型在反演过程中保持收敛又尽量避免网格剖分过于密集而导致反演效率降低。
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