CN112305624B - 一种非接触式跨障碍的高密度测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种非接触式跨障碍的高密度测量方法，其包括：首先，根据拟解决的地质问题与区域地质条件进行测线线路设计，并结合现场踏勘数据测量障碍物宽度与设定障碍物宽度区间；其次，搭建基础数据采集系统与跨障碍数据采集系统；接着，进行跨障碍数据采集系统转换与导入检查，最后根据导入的跨障碍数据采集系统，进行野外布线，使其满足高密度数据采集要求后，开展数据采集即可获取跨障碍高密度数据。本发明自主设计数据采集系统以规避因大障碍物出现的空道或接触如河流、水泥地面等电阻率与自然电位异常区域；同时，提出近地表非均匀性校正技术以处理因跨越小障碍物或近地表存在自然电位不均匀体而引起的电阻率剖面数据形变问题。
Description
技术领域
本发明涉及电法勘探技术领域，尤其涉及一种非接触式跨障碍的高密度测量方法。
背景技术
高密度方法被广泛用于城市地下空间探测、水文地质调查、工程地质调查、生态地质调查、环境地质调查、包袋器水分检测等领域，具有方法简单、易于实现、高精度、高分辨率的特点，但由于其需要布设大线和电极，如何在如河流、桥梁、建筑物、街道等有障碍物的地方实现高精度、无差别的精细探测一直是这项技术急需解决的最大问题。
为了解决上述问题，前人主要通过采用两类方法：第一类是针对较小的障碍物采用直接跨过的方式开展测量，但是采用传统的等间距采集装置(如温纳、斯伦贝谢等)，这种测量方式由于其在跨障碍时改变了道距，而采集系统默认仍以等间距的模式测量、补偿相关影响因素而得出相关视电阻率，往往会形成一定量的电阻率剖面形变，且规律性很强；第二类是针对如河流、道路等较大障碍物往往按照传统方式将电极直接放置在障碍物中，这些障碍物往往既是接地电阻异常区优势自然电位异常区，容易引起高阻或低阻屏蔽进而影响整个剖面的电阻率而产生形变，甚至发生难以挽回的错误。
发明内容
(一)要解决的技术问题
鉴于现有技术的上述缺点、不足，本发明提供一种非接触式跨障碍的高密度测量方法，其解决了有河流、道路、建筑物、桥梁等存在较大跨度障碍物地区的大量数据采集处理以及解决河流支流、水沟、乡村道路等小跨度障碍物所引起的电阻率屏蔽与变形的恢复与校正技术问题。
(二)技术方案
为了达到上述目的，本发明采用的主要技术方案包括：
S1、根据拟解决的地质问题与区域地质条件进行测线线路设计，并结合现场踏勘数据测量障碍物宽度与设定障碍物宽度区间；
S2、采用中间梯度测深最佳拟断面深度计算公式，基于温纳装置建立基础数据采集系统；
S3、对基础数据采集系统中的障碍物宽度区间所对应的空白片区进行补空，建立跨障碍理论数据采集系统；
S4、根据第一坐标转换公式将跨障碍理论数据采集系统转变为跨障碍实际数据采集系统，并将跨障碍实际数据采集系统导入到基于传统高密度设备改进的高密度硬件系统；
S5、根据跨障碍实际数据采集系统进行野外布线，满足高密度规范数据采集要求后，开展数据采集获取跨障碍实际采集数据序列；
S6、根据第二坐标转换公式将跨障碍实际采集数据序列转换为跨障碍理论采集序列，得到按实际坐标排列的电阻率剖面。
可选地，步骤S1包括：
S11、根据拟解决的地质问题与区域地质条件，确定高密度测线的长度、高密度测线的方向以及实际应用高密度的总道数，并对所有电极排序得到电极基本信息；电极基本信息包括实际采集数据序列N0与实际电极距LD；
S12、基于电极基本信息结合现场勘探数据，以障碍物为中心开展剖面地形放样，确定每个电极的具体空间位置以及障碍物在剖面上的跨度距离LZH，将障碍物在剖面上的跨度距离LZH通过距离换算公式换算为点电极距个数NZH；
S13、根据实际采集数据序列N0与障碍物宽度换算电极距个数NZH，得出整个剖面的实际长度所对应的跨障碍系统设计的总道数，并对所有电极排序，得出理论采集数据序列NR，而NR＝N0+NZH，同时确定障碍物宽度区间为(NFRONT,NBACK)。
可选地，所述距离换算公式为：
NZH＝Int(LZH/LD+0.5)。
可选地，所述中间梯度测深最佳拟断面深度计算公式为：
Zmed＝αmin(|lA-xmn/2|,|lB-xmn/2|)，
其中Zmed为最佳拟断面深度，α为深度系数，|lA-xmn/2|为A到MN中点的距离、|lB-xmn/2|为B到MN中点的距离；
基础数据采集系统的最佳拟断面深度为：
Zmed＝0.346|lA-xmn/2|，
其中，|lA-xmn/2|＝|lB-xmn/2|。
可选地，在步骤S3中，所述对基础数据采集系统中的障碍物宽度区间所对应的空白片区进行补空包括：
S31、当A供电电极PA、B供电电极PB中有一个处于障碍物区间(NFRONT,NBACK)，而M测量电极CM、N测量电极CN均不在障碍物区间(NFRONT,NBACK)时，则将A供电电极PA移动到NFRONT点上，B供电电极PB移到NBACK点处，同时满足
S32、当A供电电极PA、B供电电极PB均不在障碍物区间(NFRONT,NBACK)，而M测量电极CM、N测量电极CN中至少有一个在障碍物区间(NFRONT,NBACK)时，则将M测量电极CM、N测量电极CN移出障碍物区间(NFRONT,NBACK)。
可选地，步骤S32包括：
S321、当A供电电极PA、B供电电极PB均不在障碍物区间(NFRONT,NBACK)，而M测量电极CM、N测量电极CN至少有一个在障碍物区间(NFRONT,NBACK)时，若M测量电极CM在障碍物区间(NFRONT,NBACK)，则将CM移到NFRONT，CN坐标增加CM-NFRONT个单位，PA与PB不变；
S322、若N测量电极CN在障碍物区间(NFRONT,NBACK)，则将CN移到NBACK，CM坐标减少NBACK-CN个单位，PA与PB不变。
可选地，在步骤S4中，所述改进的高密度硬件系统是基于传统高密度设备通过特制跨障碍连接线得到的；特质跨障碍连接线数量为2根，长度均为50米。
可选地，所述第一坐标转换公式用于将理论采集数据序列NR的电极号转化为对应的实际采集数据序列N0的电极号，所述第一坐标转换公式为：
所述第二坐标转换公式用于将实际采集数据序列N0的电极号转化为对应的理论采集数据序列NR的电极号，所述第二坐标转换公式为：
其中，N0i为实际采集数据序列N0的电极号，NRi为理论采集数据序列NR的电极号。
可选地，步骤S6之后，还包括：
A61、将电阻率剖面中正常区域PY与受接地电阻非均匀性影响的异常区域PN，按相同拟断面深度循环抽取拟断面图，分别求取断面非异常区数据的平均值P2与异常区域的平均值P1，并计算出他们之间的差值：Dp＝P2-P1；
A62、通过校正公式将异常区域的数据进行差值校正，得出消除接地电阻非均匀性后的数据PR，所述校正公式为：
其中，P为实际坐标与电阻率序列的数据；
A63、根据反演灵敏度矩阵将所述消除接地电阻非均匀性后的数据PR进行反演。
可选地，所述反演灵敏度矩阵计算需采用基于正演算法的全域形式，所述反演灵敏度矩阵为：
其中，σn为电导率，A表示地电问题正演模拟系数矩阵，v为待求的势。
(三)有益效果
本发明的有益效果是：本发明自主设计数据采集系统以规避因大障碍物出现的空道或接触如河流、水泥地面等电阻率与自然电位异常区域；同时，提出近地表非均匀性校正技术以处理因跨越小障碍物或近地表存在自然电位不均匀体而引起的电阻率剖面数据形变问题。此外，近地表非均匀性校正技术还可用于因近地表电阻率或自然电位差异而引起的任意高密度数据变形的消除，是一种广谱性极高的电阻率变形校正技术。
附图说明
图1为本发明提供的一种非接触式跨障碍的高密度测量方法的流程示意图；
图2为本发明提供的一种非接触式跨障碍的高密度测量方法的改进的高密度硬件系统连接图；
图3为本发明提供的一种非接触式跨障碍的高密度测量方法的步骤S1的具体流程示意图；
图4为本发明提供的一种非接触式跨障碍的高密度测量方法的基于温纳装置的基础数据采集系统拟断面点位图；
图5为本发明提供的一种非接触式跨障碍的高密度测量方法的步骤S3的具体流程图；
图6为本发明提供的一种非接触式跨障碍的高密度测量方法的经过第一次补空后的数据采集系统拟断面点位图；
图7为本发明提供的一种非接触式跨障碍的高密度测量方法的经过第二次补空后形成的跨障碍数据采集系统拟断面点位图；
图8为本发明提供的一种非接触式跨障碍的高密度测量方法的转换后得到的跨障碍实际数据采集系统拟断面点位图；
图9为本发明提供的一种非接触式跨障碍的高密度测量方法的跨障碍数据采集系统野外数据采集实际布线图；
图10为本发明提供的一种非接触式跨障碍的高密度测量方法的近地表非均匀体引起电阻率剖面异常展示图；
图11为本发明提供的一种非接触式跨障碍的高密度测量方法的近地表非均匀体引起电阻率剖面异常的校正过程展示；
图12为本发明提供的一种非接触式跨障碍的高密度测量方法的近地表非均匀校正技术在西安某处地下水污染中的应用(消除近场效应前后对比)；
图13为本发明提供的一种非接触式跨障碍的高密度测量方法的布线方式与传统跨河布线方式对比图；
图14为本发明提供的一种非接触式跨障碍的高密度测量方法的与传统跨河系统在孔雀河跨河断面探测中的应用效果对比；
图15为本发明提供的一种非接触式跨障碍的高密度测量方法的在孔雀河流域河水与地下水关系调查的应用效果展示；
图16为本发明提供的一种非接触式跨障碍的高密度测量方法的数据测量与处理的流程示意图。
具体实施方式
为了更好地解释本发明，以便于理解，下面结合附图，通过具体实施方式，对本发明作详细描述。
本发明实施例提出的一种非接触式跨障碍的高密度测量方法，图1为本发明提供的一种非接触式跨障碍的高密度测量方法的流程示意图，如图1所示，首先，根据拟解决的地质问题与区域地质条件进行测线线路设计，并结合现场踏勘数据测量障碍物宽度与设定障碍物宽度区间；其次，搭建基础数据采集系统与跨障碍数据采集系统；接着，进行跨障碍数据采集系统转换与导入检查，最后根据导入的跨障碍数据采集系统，进行野外布线，使其满足高密度数据采集要求后，开展数据采集即可获取跨障碍高密度数据。
本发明在有河流、道路、建筑物、桥梁等不能正常开展高密度的地方实现高精度、大数据量测量与数据处理，进而为在河流、城市、乡村、街道等特殊地区开展高密度电法提供一套有效的方法技术体系，可广泛应用于厂区水污染勘查、地下水与生态勘查、城市地下空间精细探测、地表水与地下水关系研究、河流淡化区勘查及其他工程地质、水文地质、环境地质、生态地质等领域。本发明自主设计数据采集系统以规避因大障碍物出现的空道或接触如河流、水泥地面等电阻率与自然电位异常区域；同时，提出近地表非均匀性校正技术以处理因跨越小障碍物或近地表存在自然电位不均匀体而引起的电阻率剖面数据形变问题。此外，近地表非均匀性校正技术还可用于因近地表电阻率或自然电位差异而引起的任意高密度数据变形的消除，是一种广谱性极高的电阻率变形校正技术。
为了更好地理解上述技术方案，下面将参照附图更详细地描述本发明的示例性实施例。虽然附图中显示了本发明的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本发明而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更清楚、透彻地理解本发明，并且能够将本发明的范围完整的传达给本领域的技术人员。
具体地，本发明所提出的一种非接触式跨障碍的高密度测量方法，其包括：
首先，基于传统高密度设备，通过特制跨障碍连接线，得到改进的高密度硬件系统。为开展该项工作，所涉及的跨障碍连接线需根据具体需求适当改变其长短，其连接特征与端口设计需与配备的高密度大线系统有关，本发明试验研究改进是以重庆地质仪器厂的DUK-8系统为基础进行了相关改进而成的。具体地，跨障碍连接线数量为2根，长度均为50米，图2为本发明提供的一种非接触式跨障碍的高密度测量方法的改进的高密度硬件系统连接图，如图2所示，其特点在于：①连接线上不设电极器，连接线本身绝缘、防水、强拉力；②2根连接线间能实现正常连接；③连接线与正常大线的头、尾均可实现正常连接；④连接线与电极控制器之间能实现正常的连接。
S1、根据拟解决的地质问题与区域地质条件进行测线线路设计，并结合现场踏勘数据测量障碍物宽度与设定障碍物宽度区间。
图3为本发明提供的一种非接触式跨障碍的高密度测量方法的步骤S1的具体流程示意图，如图3所示，步骤S1包括：
S11、根据拟解决的地质问题与区域地质条件，确定高密度测线的长度、高密度测线的方向以及实际应用高密度的总道数，并对所有电极排序得到电极基本信息；电极基本信息包括实际采集数据序列N0与实际电极距LD。
S12、基于电极基本信息并结合现场勘探数据，以障碍物为中心开展剖面地形放样，确定每个电极的具体空间位置以及障碍物在剖面上的跨度距离LZH，将跨度距离LZH通过距离换算公式换算为点电极距个数NZH；其中，距离换算公式为：NZH＝lnt(LZH/LD+0.5)。跨障碍跨度需换算为横跨几个电极距，若非整数则需做取整处理，其将会存在小于0.5个电极距的误差。
S13、根据实际采集数据序列N0与障碍物宽度换算电极距个数NZH，得出整个剖面的实际长度所对应的跨障碍系统设计的总道数，并对所有电极排序，得出理论采集数据序列NR，而NR＝N0+NZH，同时确定障碍物宽度区间为(NFRONT,NBACK)。在理论采集数据序列NR中满足NBACK＝NFRONT+NZH。
S2、采用中间梯度测深最佳拟断面深度计算公式，基于温纳(wenner)装置建立基础数据采集系统。较佳地，本发明中跨障碍数据采集系统设计适应范围为A-M-N-B形式的高密度数据采集排列形式，包括温纳、斯伦贝谢、中间梯度测深及其他A-M-N-B装置的演变装置，不适应偶极-偶极、三极、两极等其他装置。
以温纳装置为基础，选择A、M、N、B等所有电极均排除(NFRONT，NBLACK)之间进行正常跑极，即可得出基本数据采集系统。具体算法如下：根据L.S.Edwards(1977)提出的直流测深理论技术，可采用统一的中间梯度测深最佳拟断面深度计算公式形式对wenner装置进行设计，优势在于即可用简单的方法搭建基础数据采集系统，同时为后续跨障碍数据采集系统设计提供一个基本参考条件其中，中间梯度测深最佳拟断面深度计算公式为：
Zmed＝αmin(|lA-xmn/2|,|lB-xmn/2|)，
其中Zmed为最佳拟断面深度，α为深度系数，|lA-xmn/2|为A到MN中点的距离、|lB-xmn/2|为B到MN中点的距离。
当A、B、M、N均不在(NFRONT,NBACK)区间内时，按温纳装置(AM＝MN＝BN)建立基础数据采集系统，基础数据采集系统的最佳拟断面深度为：
Zmed＝0.346|lA-xmn/2|，
其中，|lA-xmn/2|＝|lB-xmn/2|。
图4为本发明提供的一种非接触式跨障碍的高密度测量方法的基于温纳装置的基础数据采集系统拟断面点位图，如图4所示，相较于传统的温纳装置，出现了两组对称的四个空白片区。
S3、对基础数据采集系统中的障碍物宽度区间所对应的空白片区进行补空，建立跨障碍理论数据采集系统。
图5为本发明提供的一种非接触式跨障碍的高密度测量方法的步骤S3的具体流程图，如图5所示，在步骤S3中，对基础数据采集系统中的障碍物宽度区间所对应的空白片区进行补空包括：
S31、当A供电电极PA、B供电电极PB中有一个处于障碍物区间(NFRONT,NBACK)，而M测量电极CM、N测量电极CN均不在障碍物区间(NFRONT,NBACK)时，则将A供电电极PA移动到NFRONT点上，B供电电极PB移到NBACK点处，同时满足其最佳拟断面深度可表示为：Zmed＝0.346min(|lA-xmn/2|,|lB-xmn/2|)。
S32、当A供电电极PA、B供电电极PB均不在障碍物区间(NFRONT,NBACK)，而M测量电极CM、N测量电极CN中至少有一个在障碍物区间(NFRONT,NBACK)时，则将M测量电极CM、N测量电极CN移出障碍物区间(NFRONT,NBACK)。
S321、当A供电电极PA、B供电电极PB均不在障碍物区间(NFRONT,NBACK)，而M测量电极CM、N测量电极CN至少有一个在障碍物区间(NFRONT,NBACK)时，若M测量电极CM在障碍物区间(NFRONT,NBACK)，则将CM移到NFRONT，CN坐标增加CM-NFRONT个单位，PA与PB不变。
S322、若N测量电极CN在障碍物区间(NFRONT,NBACK)，则将CN移到NBACK，CM坐标减少NBACK-CN个单位，PA与PB不变。
同时在步骤S31与步骤S32之后，实际装置也变为中间梯度测深装置。在此基础上计算它的拟断面深度：Zmed＝0.346min(|lA-xmn/2|,|lB-xmn/2|)。
图6为本发明提供的一种非接触式跨障碍的高密度测量方法的经过第一次补空后的数据采集系统拟断面点位图，相较于图4，补齐上左右两侧对称的空白区。
图7为本发明提供的一种非接触式跨障碍的高密度测量方法的经过第二次补空后形成的跨障碍数据采集系统拟断面点位图，如图7所示，相较于图6，补齐上中间对称部分的空白区，但在中间障碍物底下及其周围会形成一个小的空白区。这一空白区的形成是由于当A、B、M、N均聚在(NFRONT,NBACK)之间时不能正常开展测量所形成的盲区，经过计算可得出盲区最大深度近似为Zmed＝0.103NZHLD,宽度为障碍物宽度越大，其盲区越宽越深。经过上述过程后即可得到最终的跨障碍数据采集系统设计。
S4、通过步骤S3可建立起基于理论采集数据序列NR的跨障碍理论数据采集系统，但我实际采集数据是实际采集数据序列N0,则需要将NR序列下的数据采集系统转变为基于N0的数据采集系统才能正常采集，其具体方法是：根据第一坐标转换公式将跨障碍理论数据采集系统转变为跨障碍实际数据采集系统，并将跨障碍实际数据采集系统导入到基于传统高密度设备改进的高密度硬件系统。
第一坐标转换公式为：
图8为本发明提供的一种非接触式跨障碍的高密度测量方法的转换后得到的跨障碍实际数据采集系统拟断面点位图，如图8所示，将这一系统移植导入高密度仪器，定义为自定义跑极装置，并检查是否导入成功，同时进行模拟跑极试验，若满足设计要求即可开展以外布线和数据测量。
S5、根据跨障碍实际数据采集系统进行野外布线，满足高密度规范数据采集要求后，高密度规范数据采集要求为电法勘探技术的行业规范要求，开展数据采集即可获取跨障碍实际采集数据序列。具体地，根据导入的数据采集系统设计，在障碍物两侧分别布线，最后将障碍物两侧的大线用跨障碍连接线连接起来，同时处理好电极好接地电阻，使其满足高密度数据采集要求后，再开展数据采集。图9为本发明提供的一种非接触式跨障碍的高密度测量方法的跨障碍数据采集系统野外数据采集实际布线图，以120道为例，图9展示了跨越河流时如何布线的示意图。在河流两岸分别布设60道高密度大线与电极，河上直接架设连接线，避免了因电极直接接触水面容易造成屏蔽与虚假异常的弊端。
S6、根据第二坐标转换公式将跨障碍实际采集数据序列转换为跨障碍理论采集序列，得到实际坐标与电阻率序列，即得到按实际坐标排列的电阻率剖面。
第二坐标转换公式为：
更进一步地，步骤S6之后，还包括：
A61、对实际坐标与电阻率序列的数据P进行平面剖面图分析，剔除其中坏点数据，同时重点开展近地表非均匀性校正。近地表非均匀性是指在高密度工作开展过程中近地表存在水沟、小水塘、水泥桩体、水窖、坑道等低阻率与自然电位异常区，面积分布较小但能改变地电场的分布，进而在高密度电阻率剖面中产生区域性电阻率形变的现象，属于能正常跨域的小障碍物。图10为本发明提供的一种非接触式跨障碍的高密度测量方法的近地表非均匀体引起电阻率剖面异常展示图，如图10所示，图10将电阻率剖面中正常区域PY与受接地电阻非均匀性影响的异常区域PN，按相同拟断面深度循环抽取拟断面图，将非异常区数据求平均值P2，再将异常区域求平均值P1，并计算出他们之间的差值：Dp＝P2-P1。
A62、通过校正公式将异常区域内的数据进行差值校正，得出消除接地电阻非均匀性后的数据PR，校正公式为：
图11为本发明提供的一种非接触式跨障碍的高密度测量方法的近地表非均匀体引起电阻率剖面异常的校正过程展示，如图11所示，图11给出了图10所示的剖面电阻率异常区(图中梯形框所示)，表现为自地表向下成三角状分布的低阻异常区域，将其中第9行抽出放大，两边需按区域为非异常区域，中间框选区域明显存在“凹”状异常区域。在校正时，将非异常区域求取其平均值P2，再将异常区域求取其平均值P1，并求出二者的校正量Dp，采用校正公式对异常区域进行校正，再转换为实际AMNB坐标格式，即可消除因接地电阻不均匀而引起的电阻率异常。需要说明的是由近地表非均匀地质体突变而引起的电阻率异常相较于正常电阻率而言，二者之间只存在一个背景差值，在进行校正的时候，主要也是消除这部分差值，必须保留异常区域内原有的毛刺起伏弱小异常，这部分异常在校正完成后刚好能真实反映实际地层的电阻率分布特征。本发明所涉及到的数据预处理与接地电阻非均匀性校正技术，除用于跨障碍的情况以外，还可适应任意单电极或多电极同时存在接地电阻异常而引起的区域性电阻率变形校正，具有普遍的适应性。
图12为本发明提供的一种非接触式跨障碍的高密度测量方法的近地表非均匀校正技术在西安某处地下水污染中的应用(消除近场效应前后对比)，如图12所示，在西安某地进行的场地污染调查中，开展近地表非均匀异常校正前、后高密度数据分别反演的结果对比，其中3号剖面即为图10、图11所示剖面。从图中可看出经过校正以后，消除了原反演结果中部存在的断裂状异常区域(实际工作部署大量的钻探工作寻找这一断裂)，得出了该区实际的地层与污染物分布区域，与钻探结果十分的吻合。
A63、根据反演灵敏度矩阵将消除接地电阻非均匀性后的数据PR进行反演。跨障碍高密度系统采集的数据必须要按实际坐标全域反演方法做数据反演，其特征在于反演矩阵需采用全域基于正演计算灵感度矩阵(K.Spitzer,1998)技术,但至于采用应用有限元或有限差分方法，则均可实现且精度差异不大。正演计算灵感度矩阵的计算方法：
高密度正演公式(Smith&Vozoi(1984))：
Av＝b，
其中，A表示地电问题正演模拟系数矩阵，v是待求的势，b表示源项。
对高密度正演公式求导可得：
其中σn为电导率，由于供电源项不受模型电导率的影响，即：将/>带入得：
故而反演灵敏度矩阵为：
通过跨障碍高密度数据采集系统的设计与反演方法的研发，可在丢失浅部少量数据的基础上，有效完成整个断面的高精度探测，避免了因接地电极直接接触河水、水泥地、桥梁、人工建筑物等电阻率与自然电位异常区而引起大规模的电阻率变形，减少人员在河流、建筑物等危险区域施工的危险；同时，提供一种因近地表区域存在水沟、桩基等电阻率或自然电位非均匀体而引起的异常屏蔽与形变校正技术，可有效解决近地表区域电阻率变化较大地区的数据变形问题，为进一步获取真实的地下介质分布提供有力的保障，具有操作简单，容易实现，可靠性高的特点，可有效适应城市、乡村、矿区、河流等特殊地理环境中的直流高密度电法数据预处理工作，是一种广谱性较高的高密度数据变形修复方法。
图13为本发明提供的一种非接触式跨障碍的高密度测量方法的布线方式与传统跨河布线方式对比图，如图13所示，为了对比本发明与传统跨河数据采集系统的不同，在同一断面上采用两种跨孔雀河数据采集系统进行数据采集，同时在河两岸离开30米、90米处尽心浅钻取水，并测量其TDS总量，以验证本方明的有效性。图13给出了本方明设计数据采集系统及将电极放置在河水里的传统跨河方式，采用Wenner装置采集。
图14为本发明提供的一种非接触式跨障碍的高密度测量方法的与传统跨河系统在孔雀河跨河断面探测中的应用效果对比，如图14所示，可看出本发明方法除浅部因无数据覆盖造成一定范围的低阻异常区外，能较为完整将河流淡化带的空间形态、特别是河流下渗面形态、横向及纵向影响深度等关键参数均能较好的刻画出来，与钻探结果较为吻合，证明了本法明的有效性。而传统的跨河方式在河流及其两侧地区，能采集到的数据几乎全是浅部数据，在远离河的地区逐渐恢复正常；总的来看在河流淡化体的纵向影响深度、横向影响范围及空间淡化体的分布等各个方面均与钻孔结果及孔雀河流域区域水文地质现象均存在较大差异，甚至是错误。
在具体实施例中，本发明在接地电阻非均匀性校正与跨越不同宽度的障碍物方面做了大量的试验工作，并在西安某处水污染调查、塔里木孔雀河支流及主河道的河水与地下水关系、河流淡化带探测等方面开展实际应用，且取得了成功，证明了本技术体系的有效性与实用性。
塔里木盆地孔雀河流域河水的真实影响带范围确定一直是该地区水文及生态地质调查中急需解决的难题。为了解决这一难题，从山前硬化河道结束开始至尉犁县阿克苏浦地区，共计部署了5条跨河高密度剖面，采用本发明方法体系进行数据采集与反演处理。图15为本发明提供的一种非接触式跨障碍的高密度测量方法的在孔雀河流域河水与地下水关系调查的应用效果展示，如图15所示，图15左侧系列图件表示自上游至下游跨河断面的电阻率异常分布图，右侧系列图件为与左侧相对应的水文地质解释图件。从图中可看出：①孔雀河河水淡化带为高阻异常特征较为明显，成椭圆状分布，下渗面圆滑，影响范围自上游往下逐渐在纵向与横向均有明显缩小，与水文地质调查结果较为吻合(图15右侧解释图件所示)；②由于河流区域内受浅部无探测数据的影响，在河流下方浅部区域内呈现高阻或低阻不一的假异常分布，最大影响深度不足15米，宽度较河面稍微宽，这部分信息需用别的方法补齐；③综合来看，孔雀河淡化带的大小受当地地质条件影响较大，上游地区地层颗粒较粗，影响范围较大，中游地区颗粒逐渐变小，河水渗透性减弱，淡化带也相应逐渐减小；下游地区部分河道干涸，浅部也被回流的咸水所覆盖，淡化带范围进一步缩小，其电阻率也在大幅度减小，说明淡化程度也在相应降低；④结合全区来看，在中下游地区的河流淡化带周围均存在明显的低阻包围圈，说明咸水从深部穿过了孔雀河淡水屏障向北侧及东侧运移，这推翻了之前认为孔雀河可有效阻止咸水北侵的传统认识，得出了这一淡水屏障只存在于浅部，有一定影响深度的新认识，从而为从区域解释和研究孔雀河北岸及东岸地区大量出现淡水咸化提供了直接证据。总的来讲，本技术体系在该区首次较为清晰的刻画出孔雀河河水影响地下水的范围，特别是河流淡化带深度与下渗面底部形态的界定，为该地区河水与地下水研究提供了有效的方法技术支撑。
综上所述，本发明提供的一种非接触式跨障碍的高密度测量方法，图16为本发明提供的一种非接触式跨障碍的高密度测量方法的数据测量与处理的流程示意图，如图16所示，其包括数据采集硬件系统改进、野外线路设计与障碍物宽度测量、基础数据采集系统设计、跨障碍数据采集系统设计、野外数据采集、数据转换、近地表非均匀性校正以及数据反演。
本发明针对因改变道距跨障碍所引起的异常形变可视为因改变道距而引起的接地电阻异常，进而引起电阻率剖面发生形变的情况，研究出来更为广谱的接地电阻非均匀性校正技术，可有效的修复对这部分形变；对于较大障碍物，采用改进传统高密度的野外采集系统，增设跨障碍链接线，同时结合温纳、斯伦贝谢、中间梯度测深等装置特点，自主设计跨障碍数据采集观测系统与反演流程，实现了保持采集数据密度不变跨障碍数据采集，有效的规避了因接地电阻异常而引起的高阻、低阻屏蔽和接地电极直接接触自电异常区而引起的大规模电阻率形变问题。
本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、系统或计算机程序产品。因此，本发明可采用完全硬件实施例、完全软件实施例，或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备(系统)和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。
应当注意的是，在权利要求中，不应将位于括号之间的任何附图标记理解成对权利要求的限制。词语“包含”不排除存在未列在权利要求中的部件或步骤。位于部件之前的词语“一”或“一个”不排除存在多个这样的部件。本发明可以借助于包括有若干不同部件的硬件以及借助于适当编程的计算机来实现。在列举了若干装置的权利要求中，这些装置中的若干个可以是通过同一个硬件来具体体现。词语第一、第二、第三等的使用，仅是为了表述方便，而不表示任何顺序。可将这些词语理解为部件名称的一部分。
此外，需要说明的是，在本说明书的描述中，术语“一个实施例”、“一些实施例”、“实施例”、“示例”、“具体示例”或“一些示例”等的描述，是指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域的技术人员在得知了基本创造性概念后，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，权利要求应该解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种修改和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也应该包含这些修改和变型在内。
Claims (10)
1.一种非接触式跨障碍的高密度测量方法，其特征在于，包括：
S1、根据拟解决的地质问题与区域地质条件进行测线线路设计，并结合现场踏勘数据测量障碍物宽度与设定障碍物宽度区间；
S2、采用中间梯度测深最佳拟断面深度计算公式，基于温纳装置建立基础数据采集系统；
S3、对基础数据采集系统中的障碍物宽度区间所对应的空白片区进行补空，建立跨障碍理论数据采集系统；
S4、根据第一坐标转换公式将跨障碍理论数据采集系统转变为跨障碍实际数据采集系统，并将跨障碍实际数据采集系统导入到基于传统高密度设备改进的高密度硬件系统；
S5、根据跨障碍实际数据采集系统进行野外布线，满足高密度规范数据采集要求后，开展数据采集获取跨障碍实际采集数据序列；
S6、根据第二坐标转换公式将跨障碍实际采集数据序列转换为跨障碍理论采集序列，得到按实际坐标排列的电阻率剖面。
2.如权利要求1所述的一种非接触式跨障碍的高密度测量方法，其特征在于，步骤S1包括：
S11、根据拟解决的地质问题与区域地质条件，确定高密度测线的长度、高密度测线的方向以及实际应用高密度的总道数，并对所有电极排序得到电极基本信息；电极基本信息包括实际采集数据序列N0与实际电极距LD；
S12、基于电极基本信息结合现场勘探数据，以障碍物为中心开展剖面地形放样，确定每个电极的具体空间位置以及障碍物在剖面上的跨度距离LZH，将障碍物在剖面上的跨度距离LZH通过距离换算公式换算为点电极距个数NZH；
S13、根据实际采集数据序列N0与障碍物宽度换算电极距个数NZH，得出整个剖面的实际长度所对应的跨障碍系统设计的总道数，并对所有电极排序，得出理论采集数据序列NR，而NR＝N0+NZH，同时确定障碍物宽度区间为(NFRONT,NBACK)，其中，NFRONT、NBACK分别为障碍物在剖面上的跨度距离的首、尾电极号。
3.如权利要求2所述的一种非接触式跨障碍的高密度测量方法，其特征在于，所述距离换算公式为：
NZH＝Int(LZH/LD+0.5)，
其中，Int表示取整数。
4.如权利要求1-3任一项所述的一种非接触式跨障碍的高密度测量方法，其特征在于，所述中间梯度测深最佳拟断面深度计算公式为：
Zmed＝αmin(|lA-xmn/2|,|lB-xmn/2|)，
其中，Zmed为最佳拟断面深度，α为深度系数，|lA-xmn/2|为A到MN中点的距离、|lB-xmn/2|为B到MN中点的距离，lA为A点的位置，lB为B点的位置，xmn/2为MN这一距离的中间位置；
基础数据采集系统的最佳拟断面深度为：
Zmed＝0.346|lA-xmn/2|，
其中，|lA-xmn/2|＝|lB-xmn/2|。
5.如权利要求4所述的一种非接触式跨障碍的高密度测量方法，其特征在于，在步骤S3中，所述对基础数据采集系统中的障碍物宽度区间所对应的空白片区进行补空包括：
S31、当A供电电极PA、B供电电极PB中有一个处于障碍物区间(NFRONT,NBACK)，而M测量电极CM、N测量电极CN均不在障碍物区间(NFRONT,NBACK)时，则将A供电电极PA移动到NFRONT点上，B供电电极PB移到NBACK点处，同时满足
S32、当A供电电极PA、B供电电极PB均不在障碍物区间(NFRONT,NBACK)，而M测量电极CM、N测量电极CN中至少有一个在障碍物区间(NFRONT,NBACK)时，则将M测量电极CM、N测量电极CN移出障碍物区间(NFRONT,NBACK)，其中，NFRONT、NBACK分别为障碍物在剖面上的跨度距离的首、尾电极号。
6.如权利要求5所述的一种非接触式跨障碍的高密度测量方法，其特征在于，步骤S32包括：
S321、当A供电电极PA、B供电电极PB均不在障碍物区间(NFRONT,NBACK)，而M测量电极CM、N测量电极CN至少有一个在障碍物区间(NFRONT,NBACK)时，若M测量电极CM在障碍物区间(NFRONT,NBACK)，则将CM移到NFRONT，CN坐标增加CM-NFRONT个单位，PA与PB不变；
S322、若N测量电极CN在障碍物区间(NFRONT,NBACK)，则将CN移到NBACK，CM坐标减少NBACK-CN个单位，PA与PB不变。
7.如权利要求1所述的一种非接触式跨障碍的高密度测量方法，其特征在于，在步骤S4中，所述改进的高密度硬件系统是基于传统高密度设备通过特制跨障碍连接线得到的；特质跨障碍连接线数量为2根，长度均为50米。
8.如权利要求2所述的一种非接触式跨障碍的高密度测量方法，其特征在于，
所述第一坐标转换公式用于将理论采集数据序列NR的电极号转化为对应的实际采集数据序列N0的电极号，所述第一坐标转换公式为：
所述第二坐标转换公式用于将实际采集数据序列N0的电极号转化为对应的理论采集数据序列NR的电极号，所述第二坐标转换公式为：
其中，N0i为实际采集数据序列N0的电极号，NRi为理论采集数据序列NR的电极号。
9.如权利要求1所述的一种非接触式跨障碍的高密度测量方法，其特征在于，步骤S6之后，还包括：
A61、将电阻率剖面中正常区域PY与受接地电阻非均匀性影响的异常区域PN，按相同拟断面深度循环抽取拟断面图，分别求取断面非异常区数据的平均值P2与异常区域的平均值P1，并计算出他们之间的差值：Dp＝P2-P1；
A62、通过校正公式将异常区域的数据进行差值校正，得出消除接地电阻非均匀性后的数据PR，所述校正公式为：
其中，P为实际坐标与电阻率序列的数据；
A63、根据反演灵敏度矩阵将所述消除接地电阻非均匀性后的数据PR进行反演。
10.如权利要求9所述的一种非接触式跨障碍的高密度测量方法，其特征在于，所述反演灵敏度矩阵计算需采用基于正演算法的全域形式，所述反演灵敏度矩阵为：
其中，σn为电导率，A表示地电问题正演模拟系数矩阵，v为待求的势。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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