CN108802829A - 一种基于远程控制的四维直流电法监测系统及反演方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于远程控制的四维直流电法监测系统及反演，利用数据采集指令发送、数据反演解译处理和可视化成像反馈等监测过程均在远程控制端执行，实现数据的快速反演解译、同时利用远程专家会诊的优势对监测对象的发展演化特征做出更为准确的判断。利用四维反演算法构建时间+空间的四维模型、求解四维大型线性方程组和可视化成像，能够最大程度真实地反映所监测区域电性异常体随时间连续变化的特征和规律。

Description

一种基于远程控制的四维直流电法监测系统及反演方法

技术领域

本发明属于地球物理监测技术领域，涉及一种直流电法地球物理监测设备及监测方法和数据处理方法，尤其涉及一种基于远程控制的四维直流电法监测系统及反演方法。

背景技术

地球物理监测已广泛应用于许多自然灾害、环境、水文和工程问题。特别地，由于地下介质的电阻率容易受到导电或电阻流体运动的影响，直流电阻率监测方法在涉及地下水运动或迁移的相关领域中表现出显著优势，成功应用于含水层中盐水入侵和污染物迁移过程监测、堤坝渗漏监测、水文地质特性分析、隧道突涌水灾害监测等。

对于地下介质动态演化过程的监测，目前在实际应用中仍以二维或三维电法仪器为主，通过定期开展一系列观测，以独立反演或时移反演的方式获得地下介质电阻率随时间变化的图像。研发人员在仪器方面做了很多功能上的改进，以便更好地适应连续监测的目的。如采用多通道多电极观测系统，大大提高了数据采集效率；对电极系进行扩展，增大了监测的覆盖范围；采用大功率/小功率无缝切换电源，以防止长期监测过程中突然断电导致数据损失的问题等。

但是上述硬件或仪器上的改进，还是基于现有的二维或三维电法仪器及数据处理方法，即通过一系列离散的二维或三维空间观测来近似替代四维时空监测，尚未形成真正的四维采集策略，没有从真正的四维维度上建立历史观测数据和模型与动态更新的观测数据和模型之间的关联，缺乏空间与时间的有效结合，存在时空分辨能力低、对地下介质快速变化的响应和成像滞后等问题。

然而，地下介质的动态变化本质上是四维的，因此，亟待研发一种能够满足连续实时监测与快速反演处理的四维电法监测系统与反演方法。

发明内容

本发明为了解决上述问题，提出了一种基于远程控制的四维直流电法监测系统及反演方法。

本发明的第一目的是提供一种基于远程控制的四维直流电法监测系统，该系统的数据采集指令发送、数据反演解译处理和可视化成像反馈等监测过程均在远程控制端执行，可利用云端服务器高速计算的特性实现数据的快速反演解译、同时利用远程专家会诊的优势对监测对象的发展演化特征做出更为准确的判断。

本发明的第二目的是提供一种基于远程控制的四维直流电法反演方法，利用四维反演算法构建时间+空间的四维模型、求解四维大型线性方程组和可视化成像，能够最大程度真实地反映所监测区域电性异常体随时间连续变化的特征和规律。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种基于远程控制的四维直流电法监测系统，包括恒压供电电源、多通道并行采集主机、电极扩展模块、电极系、GPRS无线传输系统和远程控制端，其中：

所述恒压供电电源包括主供电和辅助供电模块，通过切换主供电和辅助供电模块，保证恒压供电电源为多通道并行采集主机无间断提供稳定电压；

所述多通道并行采集主机，与电极系连接，同时与所述电极扩展箱相连，根据现场监测的需求通过电极扩展箱进一步增加或扩展电极系，所述电极系包括供电电极和观测电极阵列，在空间形式上任意布置成预定的观测方式；

所述多通道并行采集主机依照接收的采集指令，对监测区域执行四维电阻率数据采集，并接收电极系采集的数据中包含三维空间坐标参量和对应的时间参量，通过GPRS无线传输系统传输至远程控制端；

所述远程控制端通过GPRS无线传输系统向所述多通道并行采集主机发送采集指令，接收反馈的四维电阻率数据，提取电阻率的四维特征，利用四维反演对整个监测过程中地下介质电阻率时空演化特征进行动态成像。

进一步的，所述恒压供电电源，包括交流转直流恒压输出模块、无缝切换模块、稳压模块和辅助供电模块，交流转直流恒压输出模块将交流电转换为直流供电电压，所述无缝切换模块分别与交流转直流恒压输出模块和辅助供电模块连接，实现恒压输出模块供电和辅助供电模块供电的无缝切换，所述稳压模块进行正常供电状态和切换状态时的稳压调整，稳定输出电压。

优选的，所述辅助供电模块一般为大容量蓄电池。

进一步的，所述多通道并行采集主机包括高集成直流电压转换模块、多通道并行供电/采集控制模块、RS-232转光纤数据转译传输模块和工控机，其中：

所述高集成直流电压转换模块根据现场电极系接地情况，与设定的阈值进行比较，确定输出电压范围，利用双极性控制供电波形；

所述多通道并行供电/采集控制模块，被配置为控制各个通道的开断，进行设定通道的数据采集；

所述RS-232转光纤数据转译传输模块将RS-232标准的数据转译为光信号，利用光纤将数据远距离传输至GPRS无线传输模块，对光信号再次转译后发送至远程控制端；

所述工控机接收来自远程控制端的指令，发送指令给所述多通道并行供电/采集控制模块对电极系进行控制，实现多通道并行数据采集。

更进一步的，所述多通道并行供电/采集控制模块包括多个电极供电电压采集通道，开断上述通道的继电器阵列，连接继电器阵列的分压滤波电路，控制继电器阵列的控制模块，以及与分压滤波电路连接的采集卡，所述采集卡将采集信息反馈至控制模块。

进一步的，所述GPRS无线传输系统包括光纤转RS-232标准转译传输模块、RS-232标准数据转GPRS数据包信号转译模块和无缝切换供电电源；所述光纤转RS-232标准转译传输模块将光纤传来的光信号转译为RS-232标准数据，转译为GPRS数据包信号，通过GPRS天线无线将数据上传至云端服务器，供远程控制端实时下载处理；所述无缝切换供电电源提供无间断稳定电压。

进一步的，所述远程控制端通过GPRS无线网络实现与所述多通道并行采集主机的通信，远程控制端向所述多通道并行采集主机发送采集指令，所述远程控制端通过虚拟端口软件访问云端服务器，实时下载现场监测获得的数据，对数据执行四维快速反演解译和可视化显示，并将最终的成像结果反馈给工程现场。

更进一步的，所述采集指令是指预定定义的指令文件，包括典型的高密度观测方式(如温纳、施伦贝谢尔、偶极-偶极等)、全阵列的高密度观测方式(任意选择电极系中两个电极作为供电电极阵列循环跑极，剩余全部电极作为观测电极阵列同时同步并行采集)以及用户自定义指令文件。监测过程中采集到的数据通过GPRS无线传输模块实时传输至云端服务器。

基于上述系统的四维电阻率的反演方法，包括以下步骤：

进行初始化设置，确定电极的数量、供电电压、监测方式和采集方式；

依据设置的参数选择供电电极与测量电极，通过供电电极向岩土注入一定时长和一定值的激励电压，并通过测量电极进行采集；

根据采集的数据，将得到的电位差/视电阻率数据构建为具有顺序时间序列的多组完整数据集合，并进行重组，计算采集完整数据集的用时和四维反演计算所需的时间；

对每个重组后的数据集进行独立反演，并将相邻重组数据集独立反演的结果作商，从反演比率模型中识别和提取出地下介质电阻率发生变化的空间网格区域，同时计算每个空间网格电阻率变化的幅值；

构造动态调整的数据权重矩阵和时间光滑矩阵的四维电阻率反演的目标函数，得到动态成像结果。

进一步的，所述监测方式包括设置固定时长的全自动连续监测、设置监测次数的全自动连续监测两种方式；选择固定时长的监测方式，是指在选定的时间周期内四维监测系统持续全自动采集数据，并实时传输至远程端，直至最后一刻停止采集；选择监测次数的监测方式，四维监测系统将完成指定次数的采集工作，这个过程为全自动连续采集，并将数据实时传输至远程端。

进一步的，在得到多组完整数据集合后，以一次采集时长和一次反演时长的比值为依据，所述比值取整后为n，将每一组完整数据集均分为n份单位数据集，对时间序列上相邻的n份单位数据集依次重组，得到新的多个重组数据集。

更进一步的，重组数据集具有与原始完整数据集完全一致的数据结构，重组数据集的数量是原始采集的完整数据集数量的n/2倍～n倍左右。

进一步的，动态调整的具体方法为：根据对地下介质电阻率变化的空间网格区域定位和电阻率变化赋值的计算结果，动态调整四维反演方程中的数据加权矩阵和时间光滑矩阵，求解四维电阻率反演方程，多次迭代反演后得到最终反演结果。

更进一步的，所述数据加权矩阵以增大实时更新的单位数据集在四维反演方程中权重的方式，提高对更新数据集中所包含的介质电阻率变化的响应；所述时间光滑矩阵用于建立相邻多个重组数据集及其对应的时空模型间的关联，以时间维度上正则化的方式控制和调节对介质电阻率变化的敏感性，降低四维电阻率反演求解的非唯一性。

进一步的，所述四维电阻率反演的目标函数为：

Φ＝||e^TW_d ^TW_de||²+λψ+αΓ

等式右端第一项是数据误差项，W_d为数据权重矩阵，e是实际观测数据与理论观测数据的差值向量；第二项是模型光滑约束项，第三项即时间光滑约束项；其中ψ、Γ分别为空间和时间上相应的目标函数，λ和μ用于调节空间和时间模型光滑约束对目标函数影响的权重。

进一步的，所述四维电阻率反演方程为：

(J^TW_d ^TW_dJ+λC^TC+μC_T ^TAC_T)ΔM＝{J^TW_d ^TW_d(DR-G(M))-μC_T ^TAC_TM}

其中C为空间光滑度矩阵，C_T为时间光滑度矩阵，A为时间光滑系数矩阵，J为敏感度矩阵的扩展，W_d为数据权重矩阵，λ和μ用于调节空间和时间模型光滑约束对目标函数影响的权重，DR为实际观测数据，G表示正演过程，M为模型参数集合，ΔM是模型参数增量向量；数据加权矩阵的表达式Ns表示数据的数量；通过在反演方程中赋予最新观测数据不同的数据权重的方式，以增强或减弱最新观测数据对反演结果的影响。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

1.本发明提供了一种基于远程控制的四维直流电法监测系统，除在工程现场首次布置该系统并启动以外，数据采集指令发送、数据反演解译处理和可视化成像反馈等监测过程均在远程控制端执行，因此可随时随地轻松实现远程访问和遥控采集主机，无须频繁出入工程现场，这种处理方式既符合节约时间、经济成本效益的原则，又可以利用云端服务器高速计算的特性实现数据的快速反演解译、同时利用远程专家会诊的优势对监测对象的发展演化特征做出更为准确的判断。

2.本发明的多通道并行采集主机，可实现多通道观测电极同步并行采集(任意两电极作为供电电极阵列循环供电)，极大地提高了采集效率，短时间内可获得海量的观测数据，满足四维电阻率监测方法对丰富数据量的需求；另外，通过电极扩展箱可以扩展至128电极系，理论上甚至可以更多。

3.本发明提供了专为四维电阻率监测设计的无缝切换恒压供电电源，其中大功率电源为主机供电，小功率电源为GPRS无线传输模块供电，确保数据采集和数据传输的全过程不断电；同时稳压模块对正常供电状态和切换状态进行稳压调整，确保供电电压稳定；二者共同保证了采集数据的完整性和可靠性，以防遗漏重要的地下电阻率变化信息。

4.本发明提出利用光纤来实现主机与GPRS无线传输模块之间信号的远距离传输，光纤可方便布置于深长隧道、矿井等复杂地下工程环境中，传输距离远(可达几十公里)、传输速度快、信号稳定；光纤传输和GPRS无线传输模块保证了数据的实时传输。

5.本发明采集的数据均包含空间坐标参量和时间参量，利用四维反演算法构建四维，即时间+空间的模型、求解四维大型线性方程组和可视化成像，能够最大程度真实地反映所监测区域电性异常体随时间连续变化的特征和规律，对于及时捕捉灾害发生前兆、迅速做出判断和决策有重要的意义。

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是本发明系统总体架构框图；

图2是本发明多通道高精度并行采集主机结构图；

图3(a)和图3(b)是本发明多通道并行供电/采集控制模块硬件原理框图；

图4是本发明大功率无缝切换恒压供电电源结构图；

图5是本发明多通道高精度并行采集主机箱体界面图；

图6是本发明电极扩展箱体界面图；

图7是本发明供电箱体界面图；

图8是本发明远程终端箱体界面图；

图9是本发明四维数据采集流程与重组数据集构建方法的示意图；

其中，1、多通道高精度并行采集主机；2、电极扩展箱；3、大功率无缝切换恒压供电电源；4、GPRS无线传输系统；5、远程控制端；6、主机电极系；7、从机电极系；8、工控机；9、采集卡；10、主控板；11、外部电极；12、可变输出供电电压模块；13、外部12V供电；14、光电转换模块；15、GPRS模块；16、继电器控制模块；17、电极供电电压采集通道；18、继电器阵列；19、分压滤波电路；20、测量电极系；21、多路测量继电器开关；22、滤波处理(硬件)①；23、滤波处理(硬件)②；24、滤波处理(硬件)③；25、滤波处理(硬件)④；

26、AD增益放大器①；27、AD增益放大器②；28、AD增益放大器③；29、AD增益放大器④；30、ADC转换器①；31、ADC转换器②；32、ADC转换器③；33、ADC转换器④；34、多通道接收单片机①；35、多通道发射单片机②；36、DAC转换器①；37、DAC转换器②；38、DAC转换器③；39、DAC转换器④；40、多路供电继电器开关；41、供电电极系；42、大功率交流转直流恒压输出模块；43、自动切换供电模块；44、供电电压稳压模块；45、蓄电池充电模块；46、蓄电池供电模块；47、扩展电缆Ι接口；48、扩展电缆ΙΙ接口；49、电极01-32接口；50、电极33-64接口；51、接地电极接口；52、N电极接口；53、LAN接口；54、供电输入接口；55、光纤OUT接口；56、光纤IN接口；57、电极65-96接口；58、电极97-128接口；59、扩展电缆Ι接口；60、扩展电缆ΙΙ接口；61、供电输出接口；62、电源ΙΙ接口；63、12V DC接口；64、电源Ι接口；65、220V AC接口；66、天线接口；

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。

本发明的目的在于提供一种连续实时监测与快速反演处理的四维电阻率监测系统与反演方法，具体包括能够实现四维电阻率数据采集和实时远程传输的四维电法监测系统以及四维电阻率数据采集工作方法与快速反演方法，具体的技术方案为：

一种基于远程控制的四维多通道并行直流电法监测系统，包括大功率无缝切换恒压供电电源、多通道高精度并行采集主机、电极扩展箱、电极系、GPRS无线传输系统、远程控制端。

大功率无缝切换恒压供电电源与主机相连，为主机提供稳恒12V供电电压，包括大功率交流转直流恒压输出模块、无缝切换模块、稳压模块、蓄电池；

大功率交流转直流恒压输出模块包括EMI滤波整流电路、PWM脉冲反馈调试电路、斩波输出电路、辅助电源电路，用于将市电交流220V/110V电压转换为直流12V供电电压。

无缝切换模块分别与大功率交流转直流恒压输出模块和蓄电池连接，在供电单元接入220VAC的情况下，由开关电源转为12V直流电为采集现场进行供电；在突然断电的情况下，立刻转由12V蓄电池为采集现场进行供电，用于正常供电状态和切换状态时的稳压调整，将输出电压稳定在12V，实现恒压输出模块供电和蓄电池供电的无缝切换。稳压模块用于正常供电状态和切换状态时的稳压调整，将输出电压稳定在12V。

多通道高精度并行采集主机是一种内部集成的封装结构，主机面板上有多个类型的接口，可与所述电极扩展箱相连，根据现场监测的需求通过电极扩展箱进一步增加或扩展电极系；所述多通道高精度并行采集主机包括高集成直流电压转换模块、多通道并行供电/采集控制模块、信号并行处理模块、单模RS-232转光纤数据转译传输模块和工控机。

高集成直流电压转换模块可根据现场条件分档位自动智能优选所述电极系中供电电极阵列的输出电压，可选输出电压档位分为低、中、高三档，根据现场电极系接地情况(通常为接地电阻大小，在进行数据采集前会执行接地电阻测量)，自动与系统设定的阈值进行智能比较判断从而优选合适的输出电压档位，供电波形采用+ON、OFF、-ON、OFF双极性控制，用于消除地层中自然电位对监测的影响。

多通道并行供电/采集控制模块包括多通道采集控制继电器阵和控制供电电极的继电器阵以及可实现多通道模拟信号输入及数字控制信号输出的采集模块，本发明所述多通道并行是指在测量时，任意选取所述电极系中两个电极作为供电电极，剩余全部电极作为观测电极同时同步并行采集，此种多通道并行的供电/采集控制方式可在短时间内获取海量的观测数据。

信号并行处理模块包括分压处理模块和隔离滤波模块。

单模RS-232转光纤数据转译传输模块用于将RS-232标准的数据转译为光信号，利用光纤将数据远距离传输至GPRS无线传输模块，对光信号再次转译后发送至远程控制端。

工控机接收来自远程控制端的指令，发送指令给所述多通道并行供电/采集控制模块对电极系进行控制，实现循环供电和四维多通道并行数据采集；所述工控机还用于对采集到的海量数据进行即时快速处理，控制所述信号并行处理模块对数据进行滤波减噪和质量检测及控制等，并再次产生新指令给所述单模RS-232转光纤数据转译传输模块，将处理后的海量数据实时传输到GPRS无线传输模块，发送至远程控制端。

GPRS无线传输系统通过光纤与多通道高精度并行采集主机相连，用于将监测过程采集到的数据实时传输至所述远程控制端，包括光纤转RS-232标准转译传输模块、RS-232标准数据转GPRS数据包信号转译模块，小功率无缝切换供电电源。

光纤转RS-232标准转译传输模块将光纤传来的光信号转译为RS-232标准数据，再转译为GPRS数据包信号，然后通过GPRS天线无线将数据上传至云端服务器，供远程控制端实时下载处理。

小功率无缝切换供电电源包括小功率交流转直流恒压输出模块、无缝切换模块、稳压模块、蓄电池，用于给GPRS无线传输模块供电，可实现小功率恒压输出模块供电和蓄电池供电的无缝切换。

远程控制端首先通过GPRS无线网络实现与所述多通道高精度并行采集主机的通信，启动整个系统后，远程控制端向主机发送采集指令，所述远程控制端通过虚拟端口软件访问云端服务器，实时下载现场监测获得的数据，对数据执行四维快速反演解译和可视化显示，并将最终的成像结果反馈给工程现场。

采集指令是指一系列事先定义的指令文件，包括典型的高密度观测方式(如温纳、施伦贝谢尔、偶极-偶极等)、全阵列的高密度观测方式(任意选择电极系中两个电极作为供电电极阵列循环跑极，剩余全部电极作为观测电极阵列同时同步并行采集)以及用户自定义指令文件等。另一方面，监测过程中采集到的数据通过GPRS无线传输模块实时传输至云端服务器。

四维快速反演解译方法是一种基于真四维反演理论的数据解译方法，每个采集得到数据均包含五个参量(即空间坐标参量x、y、z，时间参量t和数据值)，通过构建四维“时间+空间”模型和求解四维大型线性方程组，在可视化成像结果中不仅能够获知监测过程中任一时刻异常体的空间位置、规模和形态，还可以得到整个监测过程中异常体随时间的动态发展演化特征。

具体反演过程如下：

(1)连续采集得到的电位差/视电阻率数据构成了具有顺序时间序列的多组完整数据集合，自动计算采集一组完整数据集用时和一次四维反演计算所需的时间；

(2)对于采集的多组完整数据集合，以一次采集时长和一次反演时长的比值(假定取整后为n)为依据，将每一组完整数据集均分为n份单位数据集，然后对时间序列上相邻的n份单位数据集依次重组，得到新的多个重组数据集。重组数据集具有与原始完整数据集完全一致的数据结构，但新得到的重组数据集的数量是原始采集的完整数据集数量的n/2倍～n倍左右。四维反演计算是对重组数据集进行处理和解译，在时间维度上要比处理原始数据集的方案提前n倍，因此对地下介质电阻率变化的响应将更为快速、及时，并得到更高帧频的反演图像。而且，利用重组数据集反演不会降低反演成像质量，因此能够显著提高对地下介质电阻率变化的时空分辨能力。

(3)对实时更新和重组的数据集首先进行一次独立反演，并将相邻重组数据集独立反演的结果作商，从反演比率模型中识别和提取出地下介质电阻率发生变化的空间网格区域，同时计算每个空间网格电阻率变化的幅值。

(4)构造动态调整数据权重矩阵和时间光滑矩阵的四维电阻率反演的目标函数；

(5)根据对地下介质电阻率变化的空间网格区域定位和电阻率变化赋值的计算结果，动态调整四维反演方程中的数据加权矩阵和时间光滑矩阵，求解四维电阻率反演方程，多次迭代反演后得到最终反演结果。

(6)所述数据加权矩阵以增大实时更新的单位数据集在四维反演方程中权重的方式，提高对更新数据集中所包含的介质电阻率变化的响应；所述时间光滑矩阵则用于建立相邻多个重组数据集及其对应的时空模型间的关联，以时间维度上正则化的方式控制和调节对介质电阻率变化的敏感性，降低四维电阻率反演求解的非唯一性。

作为一种典型实施方式，如图1所示，一种基于远程控制的四维多通道并行直流电法监测系统。它包括多通道高精度并行采集主机1、电极扩展箱2、大功率无缝切换恒压供电电源3、GPRS无线传输系统4、远程控制端5、主机电极系6、从机电极系7。本发明能够在测线布置到现场特定监测区域后，启动多通道高精度并行采集主机1，由远程控制端5通过GPRS无线传输系统4向多通道高精度智能采集主机1发送指令，主机接收指令后控制电极系进行循环供电和四维多通道并行数据采集，采集得到的海量观测数据在所述多通道高精度并行采集主机1内部经过高速处理后存储，并通过GPRS无线传输系统4实时传输至远程控制端5，在远程控制端5上执行数据反演解译和可视化成像显示工作，实现数据的快速反演解译。

主机电极系6连接多通道高精度并行采集主机1，多通道高精度并行采集主机1通过电极扩展箱2连接从机电极系7，形成了电极扩展。

在其他实施方式中，可以有多个电极扩展箱2，形成不同程度的电机扩展。

如图2所示，多通道高精度并行采集主机1主要由工控机8、采集卡9、主控板10、光电转换模块14和GPRS模块15组成，是采集现场的“中枢”。工控机8与光电转换模块14连接，光电转换模块14另一端连接GPRS模块15，可变输出供电电压模块12与采集卡9连接，外部12V供电13分别给工控机8、采集卡9、主控板10和光电转换模块14供电。

主控板10连接电机系与电极扩展箱2。

多通道高精度并行采集主机1与电极扩展箱2、大功率无缝切换恒压供电电源3、GPRS无线传输系统4和主机电极系6相连接。由大功率无缝切换恒压供电电源3提供12V直流电及激励电压，多通道高精度并行采集主机1将激励电压通过电极注入岩土，同时向电极扩展单元输送激励电压并控制其完成供电与采集，多通道高精度并行采集主机1将数据发送至GPRS无线传输系统4，GPRS无线传输系统4与远程控制端5之间利用无线网络进行通信。

多通道并行供电/采集控制模块包括继电器控制模块16、采集卡9、电极供电电压采集通道17、继电器阵列18和分压滤波电路19，如图3(a)所示。采集控制模块能够“定时”自动连续采集数据，并且能够通过设置“采集次数”实现数据的连续采集。

如图3(b)所示，测量电极系20的测量电压，经过多路测量继电器开关21选择是具体哪组电极采集，采集到的电压经过硬件的滤波处理电路，滤波处理电路选用低通的巴特沃兹滤波电路，主要是滤除掉20Hz和50Hz以上的干扰信号，将处理之后得到的信号先经过AD增益放大电器，对信号进行相应的放大，然后经过ADC转换器送与多通道接收单片机，多通道接收单片机然后将得到的数据，传送给工控机8，工控机8将采集到的信号进行软件滤波和筛选，从而得到所需要的数据，完成测量过程。

当然,在本实施例中,以通道个数为4进行说明，因此，滤波处理电路(在图3(b)中为滤波处理(硬件)①22、滤波处理(硬件)②23、滤波处理(硬件)③24、滤波处理(硬件)④25)、AD增益放大器(在图3(b)中为AD增益放大器①26、AD增益放大器②27、AD增益放大器③28和AD增益放大器④29)、ADC转换器(在图3(b)中为ADC转换器①30、ADC转换器②31、ADC转换器③32、ADC转换器④33)和DAC转换器(在图3(b)中为DAC转换器①36、DAC转换器②37、DAC转换器③38、DAC转换器④39)均是四个，但是，在其他实施例中，如果通道个数为其他数目，可以适当的增加或减少上述元器件的个数。

如图4所示，大功率无缝切换恒压供电电源3包括大功率交流转直流恒压输出模块42、自动切换供电模块43、供电电压稳压模块44、蓄电池充电模块45、蓄电池供电模块46，通过电缆与多通道高精度并行采集主机1相连接，采用220V交流电与12V直流电双端输入，输出12V直流电压作为多通道高精度并行采集主机1的仪器供电，同时输出35V/120V/350V电压作为电极向岩层注入的激励电压。

一路上，大功率交流转直流恒压输出模块42与自动切换供电模块43连接，自动切换供电模块43另一端与供电电压稳压模块44连接，输出稳压后的12V。

另一路上，蓄电池充电模块45与蓄电池供电模块46连接，蓄电池供电模块46另一端与供电电压稳压模块44连接。

GPRS无线传输系统4与多通道高精度并行采集主机1之间采用RS232进行通信，将多通道高精度并行采集主机1发送来的数据，经由GPRS网络传输至远程控制端5，同时还可以接收远程控制端5发送来的数据，实现对多通道高精度并行采集主机1参数的修改。

如图5所示，主机电极系6和从机电极系7，主机电极系6可分别连接电极01-32接口49、电极33-64接口50，从机电极系7可分别连接电极65-96接口57、电极97-128接口58；采集现场所铺设的电极，可以按照不同的采集方式确定电极的分布及电极的间距，并且还可以通过自定义采集方式自主设定起始电极、电极数量、以及电极间距。

远程控制端5通过虚拟串口读取服务器，接收采集现场发送来的数据并自动存储，并且可以通过有线网络利用服务器将数据发送至无线传输单元，从而实现远程修改多通道高精度并行采集主机1的控制参数。

如图6所示，以扩展128电极为例进行详细说明。电极扩展箱2包括电极供电继电器阵和电极采集继电器阵，通过电缆与多通道高精度并行采集主机1相连，可实现64通道数据采集，通过电极65-96接口57与电极97-128接口58下接从机电极系7。同时接收多通道高精度并行采集主机1的控制指令，控制电极供电继电器阵的通断，实现对电极的供电、断电。同时，多通道高精度并行采集主机1通过接口向电极供电继电器阵和电极采集继电器阵提供36V/120V/350V电压，作为供电电极向岩层供电的激励电压，同时对继电器阵列供电。

本发明在工作时，在测线布置到现场特定监测区域后，启动多通道高精度并行采集主机，由远程控制端通过GPRS无线传输系统向多通道高精度智能采集主机发送指令，主机接收指令后控制电极系进行循环供电和四维多通道并行数据采集，采集得到的海量观测数据在所述多通道高精度并行采集主机内部经过高速处理后存储，并通过GPRS无线传输系统实时传输至远程控制端，在远程控制端上执行数据反演解译和可视化成像显示工作，大大节约了时间、经济成本，实现数据的快速反演解译，有利于对监测对象的发展演化特征做出更为准确的判断。

本发明的实际工作流程如下：

当采集现场的仪器通过电缆连接完毕上电后且远程客户端平台成功联网，该系统即可运行。

1.首先在采集现场对采集主机单元完成初始化设置，包括电极数量、供电电压、监测次数、采集方式。

2.在采集现场运行采样主机单元，依据指令选择供电电极与测量电极，通过供电电极向岩土注入一定时长、一定值的激励电压，并通过测量电极进行采集。

3.采集到的参数经过采样主机单元处理后，将有效数据通过串口发送至无线传输单元，无线传输单元将电信号转换为无线信号，通过GPRS 4G网络将数据传输至服务器。

4.远程客户端平台联网成功后，读取服务器中的数据，并进行实时显示与存储。

5.当数据接收完毕时，若要进行下一次监测，可对采样主机单元进行远程控制。

6.远程客户端平台首先设置采样主机单元的控制参数，之后将指令通过网络传输至服务器，服务器利用GPRS网络将数据发送至无线传输模块，再转至采样主机单元；采样主机单元接收到控制参数后，完成参数修改，自动进行下一步数据采集。

电极数量根据预监测区域大小和电极分布情况确定，为本领域技术人员可以根据具体情况进行调整的，在此不再赘述。

供电电压与电极的类型、参数以及具体待监测区域相适配，为本领域技术人员可以根据具体情况进行调整的，在此不再赘述。

监测次数由具体成像要求和待监测区域确定。

监测方式包括设置固定时长的全自动连续监测、设置监测次数的全自动连续监测两种方式。选择固定时长的监测方式，是指在选定的时间周期内四维监测系统持续全自动采集数据，并实时传输至远程端，直至最后一刻停止采集；选择监测次数的监测方式，四维监测系统将完成指定次数的采集工作，这个过程为全自动连续采集，并将数据实时传输至远程端。

根据采集的数据，利用四维反演对整个监测过程中地下介质电阻率时空演化特征进行动态成像。

如图9所示，具体的四维反演过程包括：

(1)连续采集得到的电位差/视电阻率数据构成了具有顺序时间序列的多组完整数据集合，自动计算采集一组完整数据集用时和一次四维反演计算所需的时间；

(2)对于采集的多组完整数据集合，以一次采集时长和一次反演时长的比值(假定取整后为n)为依据，将每一组完整数据集均分为n份单位数据集，然后对时间序列上相邻的n份单位数据集依次重组，得到新的多个重组数据集。重组数据集具有与原始完整数据集完全一致的数据结构，但新得到的重组数据集的数量是原始采集的完整数据集数量的n/2倍～n倍左右。

四维反演计算是对重组数据集进行处理和解译，在时间维度上要比处理原始数据集的方案提前n倍，因此对地下介质电阻率变化的响应将更为快速、及时，并得到更高帧频的反演图像。而且，利用重组数据集反演不会降低反演成像质量，因此能够显著提高对地下介质电阻率变化的时空分辨能力。

(3)对实时更新和重组的数据集首先进行一次独立反演，并将相邻重组数据集独立反演的结果作商，从反演比率模型中识别和提取出地下介质电阻率发生变化的空间网格区域，同时计算每个空间网格电阻率变化的幅值。

(4)构造动态调整数据权重矩阵和时间光滑矩阵的四维电阻率反演的目标函数；

(5)根据对地下介质电阻率变化的空间网格区域定位和电阻率变化赋值的计算结果，动态调整四维反演方程中的数据加权矩阵和时间光滑矩阵，求解四维电阻率反演方程，多次迭代反演后得到最终反演结果。

(6)所述数据加权矩阵以增大实时更新的单位数据集在四维反演方程中权重的方式，提高对更新数据集中所包含的介质电阻率变化的响应；所述时间光滑矩阵则用于建立相邻多个重组数据集及其对应的时空模型间的关联，以时间维度上正则化的方式控制和调节对介质电阻率变化的敏感性，降低四维电阻率反演求解的非唯一性。

更为具体的，步骤(1)中，对某区域进行监测，连续进行数据采集，使用某种特定的电极排列，如温纳装置、施伦贝尔装置、bipole-bipole(跨孔装置)或多种装置的组合，对AB两点供电，测量MN的电位差，除以供电电流，计算装置系数，可得到多组含有空间坐标、时间记录的电位差/视电阻率数据。

步骤(2)中，对拆分后的小份数据进行重组，将任意相邻的多份数据重新组合为新的完整数据集，称为重组数据集。取当前时刻已经采集的全部重组数据集用于反演，用DR^k(k＝1,2,...,Nk)表示，则新的数据集合为DR＝(DR¹,DR²,…,DR^Nk)^T，Nk表示用于同时反演的重组数据集的个数。

步骤(3)中，从相邻重组数据独立反演结果的比率模型中识别和提取出地下介质电阻率发生变化的空间网格区域，同时计算每个空间网格电阻率变化的幅值。

步骤(3)中，重组数据集DR^k(k＝1,2,...,Nk)独立反演的结果分别为则与比率矩阵

步骤(4)中，目标函数如下所示：

Φ＝||e^TW_d ^TW_de||²+λψ+αΓ

等式右端第一项是数据误差项，W_d为数据权重矩阵，e是实际观测数据与理论观测数据的差值向量。第二项是模型光滑约束项，第三项即时间光滑约束项。其中ψ、Γ分别为空间和时间上相应的目标函数，λ和μ用于调节空间和时间模型光滑约束对目标函数影响的权重。

数据误差项中，e＝DR-(G(M)+JΔM)，其中，DR为实际观测数据，G表示正演过程，M^k(k＝1,2,...,Nk)是一组模型参数，与DR^k一一对应，M＝[M¹,...,M^Nk]^T，ΔM是M在迭代中的模型参数增量向量，J为敏感度矩阵的扩展，J＝diag[J¹,J²,…,J^Nk],J^k(k＝1,2,...,Nk)为单个模型的敏感度矩阵，与M^k(k＝1,2,...,Nk)一一对应。

步骤(4)中，动态调整数据权重矩阵和时间光滑权重矩阵的四维电阻率反演方程如下：

(J^TW_d ^TW_dJ+λC^TC+μC_T ^TAC_T)ΔM＝{J^TW_d ^TW_d(DR-G(M))-μC_T ^TAC_TM}

其中C为空间光滑度矩阵，C_T为时间光滑度矩阵，A为时间光滑系数矩阵。

数据加权矩阵的表达式Ns表示一小份数据的数量。通过在反演方程中赋予最新观测数据不同的数据权重(改变数据加权系数a的大小)的方式，可以增强或减弱最新观测数据对反演结果的影响。

时间光滑约束的表达式如下：

时间光滑度矩阵C_T仅有主对角线和其中一个子对角线有值1或-1，其余元素为0。

时间光滑系数矩阵：

其中

对角线元素a_i(i＝1,2,...,Nm)为Nm个不同空间位置在时间上的光滑权重。

当比率矩阵K^k中的元素k>1.2或k<0.8时，a_i取0；1.15<k<1.20或者0.80<k<0.85，a_i取0.01；0.85<k<1.15时，a_i取0.1。过求解反演方程得到ΔM，通过迭代得到反演结果。

通过求解反演方程得到ΔM，通过迭代得到反演结果。

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 (13)

1.一种基于远程控制的四维直流电法监测系统，其特征是：包括恒压供电电源、多通道并行采集主机、电极扩展模块、电极系、GPRS无线传输系统和远程控制端，其中：

所述恒压供电电源包括主供电和辅助供电模块，通过切换主供电和辅助供电模块，保证恒压供电电源为多通道并行采集主机无间断提供稳定电压；

所述多通道并行采集主机，与电极系连接，同时与所述电极扩展箱相连，根据现场监测的需求通过电极扩展箱进一步增加或扩展电极系，所述电极系包括供电电极和观测电极阵列，在空间形式上任意布置成预定的观测方式；

所述多通道并行采集主机依照接收的采集指令，对监测区域执行四维电阻率数据采集，并接收电极系采集的数据中包含三维空间坐标参量和对应的时间参量，通过GPRS无线传输系统传输至远程控制端；

所述远程控制端通过GPRS无线传输系统向所述多通道并行采集主机发送采集指令，接收反馈的四维电阻率数据，提取电阻率的四维特征，利用四维反演对整个监测过程中地下介质电阻率时空演化特征进行动态成像。

2.如权利要求1所述的一种基于远程控制的四维直流电法监测系统，其特征是：所述恒压供电电源，包括交流转直流恒压输出模块、无缝切换模块、稳压模块和辅助供电模块，交流转直流恒压输出模块将交流电转换为直流供电电压，所述无缝切换模块分别与交流转直流恒压输出模块和辅助供电模块连接，实现恒压输出模块供电和辅助供电模块供电的无缝切换，所述稳压模块进行正常供电状态和切换状态时的稳压调整，稳定输出电压。

3.如权利要求1所述的一种基于远程控制的四维直流电法监测系统，其特征是：所述多通道并行采集主机包括高集成直流电压转换模块、多通道并行供电/采集控制模块、RS-232转光纤数据转译传输模块和工控机，其中：

所述高集成直流电压转换模块根据现场电极系接地情况，与设定的阈值进行比较，确定输出电压范围，利用双极性控制供电波形；

所述多通道并行供电/采集控制模块，被配置为控制各个通道的开断，进行设定通道的数据采集；

所述RS-232转光纤数据转译传输模块将RS-232标准的数据转译为光信号，利用光纤将数据远距离传输至GPRS无线传输模块，对光信号再次转译后发送至远程控制端；

所述工控机接收来自远程控制端的指令，发送指令给所述多通道并行供电/采集控制模块对电极系进行控制，实现多通道并行数据采集。

4.如权利要求3所述的一种基于远程控制的四维直流电法监测系统，其特征是：所述多通道并行供电/采集控制模块包括多个电极供电电压采集通道，开断上述通道的继电器阵列，连接继电器阵列的分压滤波电路，控制继电器阵列的控制模块，以及与分压滤波电路连接的采集卡，所述采集卡将采集信息反馈至控制模块。

5.如权利要求1所述的一种基于远程控制的四维直流电法监测系统，其特征是：所述GPRS无线传输系统包括光纤转RS-232标准转译传输模块、RS-232标准数据转GPRS数据包信号转译模块和无缝切换供电电源；所述光纤转RS-232标准转译传输模块将光纤传来的光信号转译为RS-232标准数据，转译为GPRS数据包信号，通过GPRS天线无线将数据上传至云端服务器，供远程控制端实时下载处理；所述无缝切换供电电源提供无间断稳定电压。

6.如权利要求1所述的一种基于远程控制的四维直流电法监测系统，其特征是：所述远程控制端通过GPRS无线网络实现与所述多通道并行采集主机的通信，远程控制端向所述多通道并行采集主机发送采集指令，所述远程控制端通过虚拟端口软件访问云端服务器，实时下载现场监测获得的数据，对数据执行四维快速反演解译和可视化显示，并将最终的成像结果反馈给工程现场。

7.基于如权利要求1-6中任一项所述的系统的反演方法，其特征是：包括以下步骤：

进行初始化设置，确定电极的数量、供电电压、监测方式和采集方式；

依据设置的参数选择供电电极与测量电极，通过供电电极向岩土注入一定时长和一定值的激励电压，并通过测量电极进行采集；

根据采集的数据，将得到的电位差/视电阻率数据构建为具有顺序时间序列的多组完整数据集合，并进行重组，计算采集完整数据集的用时和四维反演计算所需的时间；

对每个重组后的数据集进行独立反演，并将相邻重组数据集独立反演的结果作商，从反演比率模型中识别和提取出地下介质电阻率发生变化的空间网格区域，同时计算每个空间网格电阻率变化的幅值；

构造动态调整的数据权重矩阵和时间光滑矩阵的四维电阻率反演的目标函数，得到动态成像结果。

8.如权利要求7所述的反演方法，其特征是：所述监测方式包括设置固定时长的全自动连续监测、设置监测次数的全自动连续监测两种方式；选择固定时长的监测方式，是指在选定的时间周期内四维监测系统持续全自动采集数据，并实时传输至远程端，直至最后一刻停止采集；选择监测次数的监测方式，四维监测系统将完成指定次数的采集工作，这个过程为全自动连续采集，并将数据实时传输至远程端。

9.如权利要求7所述的反演方法，其特征是：在得到多组完整数据集合后，以一次采集时长和一次反演时长的比值为依据，所述比值取整后为n，将每一组完整数据集均分为n份单位数据集，对时间序列上相邻的n份单位数据集依次重组，得到新的多个重组数据集。

10.如权利要求7所述的反演方法，其特征是：动态调整的具体方法为：根据对地下介质电阻率变化的空间网格区域定位和电阻率变化赋值的计算结果，动态调整四维反演方程中的数据加权矩阵和时间光滑矩阵，求解四维电阻率反演方程，多次迭代反演后得到最终反演结果。

11.如权利要求10所述的反演方法，其特征是：所述数据加权矩阵以增大实时更新的单位数据集在四维反演方程中权重的方式，提高对更新数据集中所包含的介质电阻率变化的响应；所述时间光滑矩阵用于建立相邻多个重组数据集及其对应的时空模型间的关联，以时间维度上正则化的方式控制和调节对介质电阻率变化的敏感性，降低四维电阻率反演求解的非唯一性。

12.如权利要求7所述的反演方法，其特征是：所述四维电阻率反演的目标函数为：

Φ＝||e^TW_d ^TW_de||²+λψ+αΓ

等式右端第一项是数据误差项，W_d为数据权重矩阵，e是实际观测数据与理论观测数据的差值向量；第二项是模型光滑约束项，第三项即时间光滑约束项；其中ψ、Γ分别为空间和时间上相应的目标函数，λ和μ用于调节空间和时间模型光滑约束对目标函数影响的权重。

13.如权利要求7所述的反演方法，其特征是：所述四维电阻率反演方程为：

(J^TW_d ^TW_dJ+λC^TC+μC_T ^TAC_T)ΔM＝{J^TW_d ^TW_d(DR-G(M))-μC_T ^TAC_TM}

其中C为空间光滑度矩阵，C_T为时间光滑度矩阵，A为时间光滑系数矩阵，J为敏感度矩阵的扩展，W_d为数据权重矩阵，λ和μ用于调节空间和时间模型光滑约束对目标函数影响的权重，DR为实际观测数据，G表示正演过程，M为模型参数集合，ΔM是模型参数增量向量；数据加权矩阵的表达式Ns表示数据的数量；通过在反演方程中赋予最新观测数据不同的数据权重的方式，以增强或减弱最新观测数据对反演结果的影响。