CN112782770B - 主从随机分布式高密度电法勘探的数据采集方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种主从随机分布式三维高密度电法勘探的数据采集方法，通过便携、组件式外置电源模块，改善并提升了随机分布式高密度电法系统在城市进行大深度勘探时测量效果。通过主从测点的设计，在增加测点密度、改善分辨率和勘探效果的同时又通过只选择主测点供电，减少了采集工作量，也减少了外置供电电源的数量。本发明的测量方法简单、有序、高效，且能实现完整测区的连续滚动测量，采集效率高。

Description

主从随机分布式高密度电法勘探的数据采集方法

技术领域

本发明属于电法勘探领域，具体涉及一种主从随机分布式高密度电法勘探的数据采集方法。

背景技术

高密度电阻率法是在普通电法勘探基础上发展起来的一种阵列勘探方法。传统高密度电法只能采用规则网格布设电极，在城市和其它复杂环境条件下，难以找到合适、规整的矩形区域规则布设电极，严重制约了高密度电法的应用范围。采用长电缆串接所有电极，并按电极在电缆中的位置串行顺序测量，效率较低。笨重的电缆连接既增加劳动强度，而且障碍物(河流、大型建筑、交通干线等)的存在也往往导致现场电缆布设工作难以实施。

电极随机分布式高密度电法采用偶极-偶极装置和无线采集站等创新性设计，突破了长电缆连接的束缚，特别适合于城市等复杂地表环境下的勘探需求。而且分布式采集站的并行采集优势，极大地提高了数据采集效率。然而，随机分布式高密度电法系统采用随机偶极-偶极装置设计，偶极-偶极与其它装置类型(如温纳、对称四极等)相比，随距离增加则MN电极之间测量电位差降幅更明显，会迅速降低到仪器可测电平以下，需要升压装置增大供电电流来提高测量电位差，笨重的升压装置大大增加了野外施工难度。而目前高电压、大功率的升压装置具有较大的体积和重量，且需要配备发电机供电，再通过升压装置的交流变压、整流才能输出高电压直流电。发电机和升压装置加起来近百公斤，与便携、轻便灵活的随机分布式采集系统设计以及城市地下空间快速调查的勘探需求存在巨大反差。若同时购买几十套发电机和升压电源配合随机分布式系统在野外工作既不方便也不现实。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供一种主从随机分布式高密度电法勘探的数据采集方法，具体技术方案如下：

一种主从随机分布式高密度电法勘探的数据采集方法，该方法包括如下步骤：

S1：根据地表条件在测区内首先均匀布设主测点，然后在主测点周围布设从测点，并为每个主测点赋予整个测区唯一的测点标识编号，为每个从测点赋予子测区编号；其中，主测点和从测点布设的密度满足如下条件：

相邻的主测点之间的距离L满足：L＝(2～6)a；

相邻的从测点之间、相邻从测点与主测点之间的距离l满足l＝(1～3)a；

其中，a为电极对的设计长度，a＝(1/2～1/3)H，H为设计勘探深度；

S2：采集施工时，在主测点布设主采集单元，从测点布设从采集单元；所述主采集单元包括采集站、与采集站通过短电缆连接的两个带GPS定位的电极，以及用于提高供电电压的外置电源模块；所述从采集单元包括采集站、与采集站通过短电缆连接的两个带GPS定位的电极；

S3：按照主测点的测点标识编号的顺序，依次选择其中一个主测点作为供电点，以当前主测点对应的有效测量圆域内的其它主测点及从测点作为电位测量点进行测量，然后按主测点编号顺序轮换供电测点，直至完成所有主测点的供电，完成整个测区的滚动测量；

所述有效测量圆域为以当前主测点处的供电电极对的两个电极的中点o为圆心，以R为有效测量半径绘制成的圆的内部的区域；其中，有效测量半径R＝(6～8)a。

进一步地，当主测点的电极对AB作为供电电极对时，其有效测量圆域内的其中一个测量电极对MN完成一次测量后，当MN作为供电电极对时，其有效测量圆域内的AB不再作为测量电位对进行重复测量。

进一步地，优选相邻的主测点之间的距离L＝4a，相邻的从测点之间、相邻从测点与主测点之间的距离l满足l＝2a。

一种主从随机分布式高密度电法勘探的电极布置及数据采集方法，该方法包括如下步骤：

步骤一：测点的图面设计；

(1)选择最新的高清晰度的卫星或航空遥感图像，标示出遥感图像中测区的范围，按照设计的电极对长度a和测点密度，在测区内尽量均匀布设主测点测量站位和电极对端点位置；当地表条件不满足均匀布设条件时，则适当调整位置到周围可布点区域布设；所述测点密度为：相邻的主测点之间的距离L满足：L＝(2～6)a，a＝(1/2～1/3)H，H为设计勘探深度；

(2)在所述卫星或航空遥感图像上按比例绘制出主测点的电极对，并按顺序赋予每个主测点唯一的测点标识编号；

(3)在主测点周围均匀布设从测点测量站位和电极对端点位置，并为从测点赋予唯一的子区编号；相邻的从测点之间、相邻从测点与主测点之间的距离l满足l＝(1～3)a；

(4)收集记录所有的主测点和从测点的电极对端点位置坐标和测点编号；

步骤二：现场校核：

对步骤一中设计的测点和电极对端点位置进行现场勘验，检查每个测点的地表状况，若遥感图像上设计的测点对应的现场状况不满足测点布置条件，则调整测点位置或取消测点；并收集所有经步骤二校核后的现场测点的电极对端点位置坐标和测点编号，然后在现场测点对应的电极对的位置插上带有电极对编号的明显标志物；

步骤三：根据步骤二采集的数据更新步骤一的图面设计的测点位置；按照主测点的测点标识编号，依次以当前的主测点处的电极对作为供电电极对，以该主测点的有效测量圆域内的从测点和其他主测点的电极对为测量电极对，生成每个供电电极对的测量电极对序列；

所述有效测量圆域为以当前主测点处的供电电极对的两个电极的中点o为圆心，以R为有效测量半径绘制成的圆的内部的区域；其中，有效测量半径R＝(6～8)a；

步骤四：在主测点布设主采集单元，从测点布设从采集单元；所述主采集单元包括采集站、与采集站通过短电缆连接的两个带GPS定位的电极，以及用于提高供电电压的外置电源模块；所述从采集单元包括采集站、与采集站通过短电缆连接的两个带GPS定位的电极；

步骤五：顺序指定供电电极对和其对应的测量电极对序列，进行并行测量，并根据测量得到的电位差、供电电流以及供电、测量电极对的位置关系计算得到每组供电-测量电极对的视电阻率，直到所有测点均完成供电；

步骤六：根据测量过程中得到的所有视电阻率，对地下的探测目标进行反演成像。

进一步地，所述的步骤四中，根据有效测量圆域获得每个供电电极对的测量电极对序列时，若该测量电极对序列中存在曾与该供电电极对有过供电-测量配对关系的电极对时，则将其从测量电极对序列中删除。

进一步地，所述步骤六中，对地下的探测目标反演成像后，若对特定区域感兴趣，需要继续提高特定区域的成像分辨率，则执行如下步骤：

(1)在特定区域的合适位置增补测点并布置电极对位置，且增补测点只作为供电电极对，其有效测量圆域内的其它主从测点均只作为测量电极对进行并行测量，完成一个增补测点的测量过程；

(2)重复步骤(1)，完成其它增补测点进行测量；

(3)合并增补测点测量得到的数据与原有数据，进行特定区域地下探测目标的反演；

(4)重复步骤(1)～(3)，直至达到最佳分辨率。

本发明的有益效果如下：

(1)本发明的数据采集方法，可以根据需要，增减外置电源模块，实现主从数据采集单元的角色转换；

(2)本发明的数据采集方法，对数据采集单元进行优化，采用主从模式，主数据采集单元兼具供电和测量功能，从数据采集单元只负责测量电位差，既提高了测点密度，也提高了采集效率并减轻劳动强度，实现测网密度和施工效率之间的平衡。

(3)通过有效测量圆域构建优化约束机制，优化选取邻近测点，避免无效或重复性测量，确保测量得到可信数据并最大程度地提高数据采集效率。

(4)采用滚动的方式，确保滚动测区之间无缝对接，使得滚动测量简单、有序、高效，实现完整测区的连续测量。

附图说明

图1为本发明实施例的主从采集单元布设方式示意图；

图2为本发明实施例用到的主采集单元的结构示意图；

图3为本发明实施例中的随机偶极-偶极装置示意图；

图4为本发明实施例的主从测点的纸面设计图。

具体实施方式

下面根据附图和优选实施例详细描述本发明，本发明的目的和效果将变得更加明白，应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

1.系统设计

本发明的主从随机分布式高密度电法勘探系统采用无线遥测分布式系统结构，包括中央控制单元和数据采集单元。

中央控制单元是整个采集系统的大脑中枢和指令控制中心，主要由中控计算机(包括数据采集软件)、无线通讯控制单元以及计算机外设(显示器、键盘)以及接口组成。中控计算机由采集软件控制执行观测系统参数设置、采集站状态监控、发送数据采集指令、采集过程监控、数据回传、显示及保存等功能。无线通讯控制单元在采集软件的控制下，负责与各采集站自动建立无线连接、采集站注册登记、执行指令发布(包括采集指令、数据回传指令)以及采集站的状态监控信息等。无线通讯控制单元由控制电路、指令译码电路、发射机、接收机和无线传输天线组成，采用全双工工作模式。

如图1所示，数据采集单元根据需要随机布置，共分为主采集单元和从采集单元，主采集单元包括采集站、与采集站通过短电缆连接的两个带GPS定位的电极，以及用于提高供电电压的外置电源模块；外置电源模块包括外置升压模块和电池组，如图2所示。从采集单元包括采集站、与采集站通过短电缆连接的两个带GPS定位的电极。

采集站包括控制模块、供电模块、内置电源模块和测量模块，以及无线通讯天线、GPS天线和电缆等。

控制模块负责自身系统的运行管理、自检、与中央控制单元的通讯联络以及在中央控制单元指令下担任测量角色或供电角色(供电角色仅针对主采集站)、测量以及数据保存及上传等一系列过程中对系统各模块的控制。

主测点的采集站的供电模块在收到供电指令后，将外置电源模块的高压直流电通过电缆的两根电极向地下供电，并测量供电电流大小，测量完成后上传供电电流数值以及GPS测量得到的电极位置信息。

采集站的内置电源模块用于为采集站内部供电。

测量模块是在收到测量指令后开始工作，测量电极两端的电位差。测量完成后上传电位差数值以及GPS测量得到的电极位置信息。GPS天线是为了直接获取电极位置信息，天线采用磁吸设计，便于电极顶端的取放。GPS和电极共用同一多芯电缆。每个采集站配备2条电缆、2个GPS天线和2根电极。

如图1所示，主采集单元的外置电源装置包括外置升压装置以及外接可充电电池组(例如铅酸电池或锂电池)，直流升压装置采用大功率开关电源实现直流-直流升压，将低电压的电池组电压(12-48V)升高至最高1000V的高压。升压幅度根据最大勘探深度动态可调。

2.数据采集方法

A.参数设计

勘探目标分辨率与测点密度密切相关，但测点密度也直接决定测量工作量大小。因此勘探设计及测点密度选择需要在分辨率与工作量之间寻找一个平衡点。测量参数设计就是根据探测目标要求设计最佳工作参数。

偶极矩：随机分布式系统的最大优势是可以根据现场地表条件灵活布置电极对的位置和布设方向。纸面设计时电极对AB和MN的长度(偶极矩a)可以不相等，但野外布置时建议采用近似长度，这样更有利于纸面设计和施工。电极对的长度与勘探深度以及分辨率相关，电极对长度越短，分辨率越高，但也影响勘探深度以及仪器读数精度。建议采用a＝(1/2～1/3)H(H为设计勘探深度)来考虑电极对的设计长度，如勘探深度H为100m时，可以考虑电极对的设计长度a＝30～50m。

有效测量半径与分级有效测量圆域：受仪器探测精度限制，当偶极装置的电极距L(图3中oo’间距)大于8倍偶极矩a范围之外时，MN测量得到的电位差低于本底噪声电平，仪器将难以准确读取电位差并得到真实的视电阻率值，即测量得到的视电阻率值可信度较低。因此以每一个供电电极对中心o，存在一个有效测量半径R，R＝(6～8)*a，以R半径圆内设计的MN电位测量点可以最大程度地保证测量结果的可靠性，因此称该圆内区域为“有效测量圆域”。但电极距L大小不同时，数据的可靠性仍然具有较大差异：如L＝2*a的可靠性明显高于L＝8*a。因此，可以对有效测量圆域内区域进行测量精度分级评估，形成分级有效测量圆域，从而指导主从测点的设计和布置，控制主从测点密度。

测点密度：主测点和从测点布设的密度满足如下条件：

相邻的主测点之间的距离L满足：L＝(2～6)a，优选4a；

相邻的从测点之间、相邻从测点与主测点之间的距离l满足l＝(1～3)a，优选2a。

在实际的图面设计时，以R＝2*n*a(n＝1～4)绘制4个同心圆(代表四级有效测量圆域)。将圆心放在供电电极对中点，则根据圆内的测点的分布状况可大致评估测点密度是否满足要求并指导修改完善。以图4为例，a＝50m，则分级有效测量圆域半径R＝100、200、300、400m。对于主测点69号点，主测点间距以4*a＝200m，则200m左右的圆域内存在52、68、70、77号主测点，主测点相对间距较为合适。主测点之间可以通过布置从测点加密，即以2*a＝100m来考察评估，主测点69号点100m圆域内布置了从测点5-4、5-5、7-4、7-9等。一般而言，测点布置时，在4a圆域内的主测点和2a圆域内的从测点的点数在4～8个左右为宜。

图4中69号点右下侧区域因为是建筑工地，无法布置测点，但可以通过在周围其它可布点区域加密测点来弥补。这也是随机分布式高密度的优势所在。

本发明的主从随机分布式高密度电法勘探的数据采集方法，该方法包括如下步骤：

步骤一：测点的图面设计；

(1)选择最新的高清晰度的卫星或航空遥感图像，标示出遥感图像中测区的范围，然后按照设计的偶极矩和测点密度，在测区内尽量均匀布设主测点测量站位和电极对端点位置。相邻的主测点之间的距离L满足：L＝(2～6)a，优选4a。电极对的方向取决于地表布设条件(确保足够偶极矩长度)以及良好的接地条件(避开建筑物、坚硬路面和河流等障碍物)。当地表存在村庄、大型地面建筑等硬质地表时，可以避开该区域，在其周边区域增加测点密度。然后在遥感图上按比例绘制出电极对，并按顺序赋予唯一的测站标识编号(数字序号)。

(2)在所述卫星或航空遥感图像上按比例绘制出主测点的电极对，并按顺序赋予每个主测点唯一的测点标识编号；

(3)在主测点周围均匀布设从测点测量站位和电极对端点位置，并为从测点赋予唯一的子区编号；相邻的从测点之间、相邻从测点与主测点之间的距离l满足l＝(1～3)a，优选2a。

(4)收集记录所有的主测点和从测点的电极对端点位置坐标和测点编号。

步骤二：现场校核；

遥感图更新不及时往往会导致图中地表状况与实际现场状况不一致(特别是城市新开发区域)，需要现场勘验检查。检查每个测点的地表状况。若设计测点现场不满足勘探施工条件，则需要根据现场条件决定是调整测点位置还是取消该测点。并收集所有经步骤二校核后的现场测点的电极对端点位置坐标和测点编号，然后在现场测点对应的电极对的位置插上带有电极对编号的明显标志物，便于后续数据采集时站位测点寻找。

步骤三：根据步骤二采集的数据更新步骤一的图面设计的测点；

步骤四：生成每个供电电极对的测量电极对序列；

对每一个主测点的供电电极对AB，以AB中点o为圆心，以有效测量半径R＝(6～8)a画圆，则圆内其它桩号的测点都为满足要求的测量电极对集合。假设供电电极对AB的中点o的坐标为(x₁，y₁)，其中一个测点的电极对的中点o＇坐标为(x₂，y₂)，根据两个电极对之间的距离L的计算公式如下：

对于L<R的电极对是位于有效测量圆域内的满足要求的测站点，这些点共同组成有效测量站位集合。

因此，生成每个供电电极对对应的测量电极对序列的具体过程如下：按照主测点的测点标识编号，依次以当前的主测点处的电极对作为供电电极对，以该主测点的有效测量圆域内的从测点和其它主测点的电极对为测量电极对，生成每个供电电极对的测量电极对序列。

然而，根据电法勘探的供电点AB和测量点MN满足互换性原理，即供电AB和测量点MN位置互换，理想状况下测量得到的视电阻率值相等。利用互换性原理，可以优化减少重复测点数量，提高数据采集效率。即，根据有效测量圆域获得每个供电电极对的测量电极对序列时，若该测量电极对序列中存在曾与该供电电极对有过供电-测量配对关系的电极对时，则将其从测量电极对序列中删除。如图4中44号和45号点距离小于等于有效测量半径R，若44号电极对作为供电电极对AB，45号作为测量电极对MN执行过一次测量，则根据互换性原理，45作为供电电极对AB、44号作为测量电极对MN的测量结果与前次测量结果相等，因此可以取消该重复测量操作。有效测量半径约束可以使得采集工作量大大降低，而互换性原理则对采集过程进一步优化，使得有效测量圆域内的采集点进一步减少。这样既提高数据采集效率，也使得44号采集站尽早空闲出来，移动到待布置测站的新站点等待测量(测站滚动)。而从测点只进行电位测量，不存在互换关系，只能等到供电点滚动超出有效测量范围了才能够移站。

步骤五：顺序指定供电电极对和其对应的测量电极对序列，进行并行测量，得到每组供电-测量电极对的视电阻率，直到所有测点均完成供电；

步骤六：根据测量过程中得到的所有视电阻率，对地下的探测目标进行反演成像。

若对特定区域感兴趣，需要继续提高特定区域的成像分辨率，则执行如下步骤：

(1)在特定区域的合适位置增补测点并布置电极对位置，且增补测点只作为供电电极对，其有效测量圆域内的其它主从测点均只作为测量电极对进行并行测量，完成一个增补测点的测量过程；

(2)重复步骤(1)，完成其它增补测点进行测量；

(3)合并增补测点测量得到的数据与原有数据，进行特定区域地下探测目标的反演；

(4)重复步骤(1)～(3)，直至达到最佳分辨率。

本领域普通技术人员可以理解，以上所述仅为发明的优选实例而已，并不用于限制发明，尽管参照前述实例对发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实例记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在发明的精神和原则之内，所做的修改、等同替换等均应包含在发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种主从随机分布式高密度电法勘探的数据采集方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：

S1：根据地表条件在测区内首先均匀布设主测点，然后在主测点周围布设从测点，并为每个主测点赋予整个测区唯一的测点标识编号，为每个从测点赋予子测区编号；其中，主测点和从测点布设的密度满足如下条件：

相邻的主测点之间的距离L满足：L=（2~6）a；

相邻的从测点之间、相邻从测点与主测点之间的距离l满足l=（1~3）a；

其中，a为电极对的设计长度，a=（1/2～1/3）H，H为设计勘探深度；

S2：采集施工时，在主测点布设主采集单元，从测点布设从采集单元；所述主采集单元包括采集站、与采集站通过短电缆连接的两个带GPS定位的电极，以及用于提高供电电压的外置电源模块；所述从采集单元包括采集站、与采集站通过短电缆连接的两个带GPS定位的电极；

S3：按照主测点的测点标识编号的顺序，依次选择其中一个主测点作为供电点，以当前主测点对应的有效测量圆域内的其它主测点及从测点作为电位测量点进行测量，然后按主测点编号顺序轮换供电测点，直至完成所有主测点的供电，完成整个测区的滚动测量；

所述有效测量圆域为以当前主测点处的供电电极对的两个电极的中点o为圆心，以R为有效测量半径绘制成的圆的内部的区域；其中，有效测量半径R=（6~8）a。

2.根据权利要求1所述的主从随机分布式高密度电法勘探的数据采集方法，其特征在于，当主测点的电极对AB作为供电电极对时，其有效测量圆域内的其中一个测量电极对MN完成一次测量后，当MN作为供电电极对时，其有效测量圆域内的AB不再作为测量电位对进行重复测量。

3.根据权利要求1所述的主从随机分布式高密度电法勘探的数据采集方法，其特征在于，优选相邻的主测点之间的距离L=4a，相邻的从测点之间、相邻从测点与主测点之间的距离l满足l=2a。

4.一种主从随机分布式高密度电法勘探的电极布置及数据采集方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：

步骤一：测点的图面设计；

（1）选择最新的高清晰度的卫星或航空遥感图像，标示出遥感图像中测区的范围，按照设计的电极对长度a和测点密度，在测区内尽量均匀布设主测点测量站位和电极对端点位置；当地表条件不满足均匀布设条件时，则适当调整位置到周围可布点区域布设；所述测点密度为：相邻的主测点之间的距离L满足：L=（2~6）a，a=（1/2～1/3）H，H为设计勘探深度；

（2）在所述卫星或航空遥感图像上按比例绘制出主测点的电极对，并按顺序赋予每个主测点唯一的测点标识编号；

（3）在主测点周围均匀布设从测点测量站位和电极对端点位置，并为从测点赋予唯一的子区编号；相邻的从测点之间、相邻从测点与主测点之间的距离l满足l=（1~3）a；

（4）收集记录所有的主测点和从测点的电极对端点位置坐标和测点编号；

步骤二：现场校核：

对步骤一中设计的测点和电极对端点位置进行现场勘验，检查每个测点的地表状况，若遥感图像上设计的测点对应的现场状况不满足测点布置条件，则调整测点位置或取消测点；并收集所有经步骤二校核后的现场测点的电极对端点位置坐标和测点编号，然后在现场测点对应的电极对的位置插上带有电极对编号的明显标志物；

步骤三：根据步骤二采集的数据更新步骤一的图面设计的测点位置；按照主测点的测点标识编号，依次以当前的主测点处的电极对作为供电电极对，以该主测点的有效测量圆域内的从测点和其他主测点的电极对为测量电极对，生成每个供电电极对的测量电极对序列；

所述有效测量圆域为以当前主测点处的供电电极对的两个电极的中点o为圆心，以R为有效测量半径绘制成的圆的内部的区域；其中，有效测量半径R=（6~8）a；

步骤四：在主测点布设主采集单元，从测点布设从采集单元；所述主采集单元包括采集站、与采集站通过短电缆连接的两个带GPS定位的电极，以及用于提高供电电压的外置电源模块；所述从采集单元包括采集站、与采集站通过短电缆连接的两个带GPS定位的电极；

步骤五：顺序指定供电电极对和其对应的测量电极对序列，进行并行测量，并根据测量得到的电位差、供电电流以及供电、测量电极对的位置关系计算得到每组供电-测量电极对的视电阻率，直到所有测点均完成供电；

步骤六：根据测量过程中得到的所有视电阻率，对地下的探测目标进行反演成像。

5.根据权利要求4所述的主从随机分布式高密度电法勘探的电极布置及数据采集方法，其特征在于，所述的步骤四中，根据有效测量圆域获得每个供电电极对的测量电极对序列时，若该测量电极对序列中存在曾与该供电电极对有过供电-测量配对关系的电极对时，则将其从测量电极对序列中删除。

6.根据权利要求4或5所述的主从随机分布式高密度电法勘探的电极布置及数据采集方法，其特征在于，所述步骤六中，对地下的探测目标反演成像后，若对特定区域感兴趣，需要继续提高特定区域的成像分辨率，则执行如下步骤：

（1）在特定区域的合适位置增补测点并布置电极对位置，且增补测点只作为供电电极对，其有效测量圆域内的其它主从测点均只作为测量电极对进行并行测量，完成一个增补测点的测量过程；

（2）重复步骤（1），完成其它增补测点进行测量；

（3）合并增补测点测量得到的数据与原有数据，进行特定区域地下探测目标的反演；

（4）重复步骤（1）~（3），直至达到最佳分辨率。

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