CN113031087B - 一种跨街对穿电阻率测量系统及数据采集方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种跨街对穿电阻率测量系统及其数据采集方法，城市街道下方是各种地下管线以及地铁、隧道等隐蔽工程集中通过的区域。街道路基在地下水的作用下容易形成空洞塌陷，具有极大的危害性。如何快速、准确定位空洞塌陷是城市发展过程中迫切需要解决的难题。本发明提出一种基于随机分布式高密度电法勘探技术的跨街电阻率成像方法。最少只需要在街道两侧平行布置两条高密度电法测线，通过独特的数据采集方法设计，实现三维立体对穿成像，获得街道下方至少五组视电阻率断面数据，再通过二维、三维电阻率反演，实现对街道路面下方地下空间的二维断面成像和三维立体成像。该方法测量过程快捷高效且沿道路两侧有序滚动推进，与交通互不影响。

Description

一种跨街对穿电阻率测量系统及数据采集方法

技术领域

本发明属于电法勘探技术领域，涉及一种跨街对穿电阻率测量系统及数据采集方法。

背景技术

城市道路既是地面车辆、行人通行的主要通道，也是地下隐蔽工程集中通过的区域。城市道路地下的不同深度处往往密集分布着各种地下结构体，如上水/下水、电力、通讯等地下管网以及地铁、隧道等大型地下工程。由于多种原因，如地基变形、结构沉降、以及高车流量加上重载货车重压等因素都会导致路基土壤发生脱空变形和沉降变化，进而使得地下隐蔽管路结构出现变形、破损，进一步改变了路基土壤和水环境的动态平衡，加剧了地下水对路基土壤的冲刷作用，逐步剥失、掏空街道路基土层，形成局部路基空洞。而这种空洞被硬质路面覆盖，规模小时不易被发现，但随着空洞范围的扩大，积累超过一定的临界尺寸时，突然触发大面积地表塌陷，造成人民生命安全和财产的重大损失。这种塌陷发生的时间、地点具有随机性、偶然性、隐蔽性和突发性，成为城市道路安全面临的重大隐患，迫切需要发展高效、快捷的动态检测和监测手段来动态感知城市道路及其地下空间的健康状况，为市政工程维护和城市道路安全保驾护航。

由于城市道路车来车往，车流量高，因此对城市道路安全性检测主要以地球物理无损检测为主，在发现异常后再配合钻探等其它方法进行查证。目前主要以探地雷达路面检测为主。探地雷达方法具有探测精度高、可车载快速测量等优势，但探地雷达探测深度有限(车载高频天线探测深度局限于路面下较浅的深度)；而且，车载探地雷达只能探测行车路线上是否存在空洞，容易漏掉不在行车线路上的空洞。另外探地雷达的低频天线容易受到外来干扰的影响，且探测效率较低。地震勘探虽然也具有较高分辨率，但施工效率更低，且需要密切接触路面激发和接收。城市道路车流量较大，车流噪声对地震勘探检测过程以及地震勘探施工过程对道路交通会造成相互影响、相互干扰。而其它物理方法要么易受城市电磁干扰影响，难以得到较好的检测效果，要么分辨率过低，难以准确发现空洞点。城市道路塌陷既是城市发展面临的障碍和重大待解需求，而相应的快速无损检测技术也是一个重难点研究方向。

高密度电阻率法采用直流供电，具有较好的抗电磁干扰能力。电阻率成像也具有直观、易于解释且探测效率高的特点，在工业过程和结构检测、医学探测、工程勘探领域得到广泛的应用。然而高密度电阻率剖面法只能对测线正下方区域进行垂向剖面成像，医学和工业检测领域的电阻率成像技术具有对穿成像能力，但只是实现了二维断面成像，缺乏三维立体成像的能力。而传统三维高密度电法需要在地面布置规则网格并采用“S”串接电缆方式进行；但是城市道路周围都是高楼，狭长的道路通道以及大面积的硬化地表不具备布置面积性三维规则网格进行勘探的基本条件，最可能实现的是在道路两侧、沿着道路通行的方向布置两条平行测线。现有的可视化技术至少需要三条平行测线的数据才能进行三维立体可视化；城市道路路面具有一定的宽度(一般30～60m)，地下隐蔽工程又基本沿着道路中线延伸，道路两侧与路中间部位地下结构差异极大；采用路侧仅能探测正下方区域的平行测线实现大跨度路面三维电阻率透视成像仍然是现有技术难以解决的难题，迫切需要发展能实现跨街透视成像的勘探设备和勘探方法。

发明内容

本发明针对现有技术的不足，提供一种跨街对穿电阻率测量系统及数据测量方法，具体技术方案如下：

一种跨街对穿电阻率测量系统，该系统包括主机、分段式接地电缆、跨街连接电缆和接地电极；

该系统包括至少两条布置在待测道路两侧绿化带的平行测线，每条测线上布设多条前后串接的分段式接地电缆及与之连接的电极；当测线布置遇到道路支路或不宜布置电极的地段，通过所述跨街连接电缆连接前后布置的分段式接地电缆，形成单侧电缆串；街道两侧的两条电缆串的尾端通过所述跨街连接电缆连接，串接成一整体电缆串；所述主机与整体电缆串的一端连接；

所述主机包括高密度电阻率测量仪以及配套的采集控制软件，主机受所述的采集控制软件控制完成数据采集参数设置、供电与电位测量电极通道选择、数据采集过程控制、数据显示、存储等，并控制高密度电阻率测量仪完成供电和电位测量过程；主机根据跨街成像的需要搜索各电缆段，寻找特定的供电电极对AB或测量电极对MN的组合，得到沿道路走向的多组电阻率成像数据；

所述分段式接地电缆为多芯分布式电缆，其上等距设置多个电极结；所述分段式接地电缆还设置有电极转换开关，用于控制每个电极结的选通；多条所述分段式接地电缆顺序串接并连接到主机；所述接地电极通过所述电极结连接到所述分段式接地电缆上，所述接地电极的长度能穿透硬质地面并良好接地；

所述跨街连接电缆为与接地电缆相同芯数和相同接口标准的电缆，用于串接单侧前后布设或跨街左右对应布设的分段式接地电缆的连接；

所述分段式接地电缆和跨街连接电缆均至少包括供电信号芯线、电位测量芯线和通讯信号芯线。

进一步地，当待测道路存在中间绿化带或道路两侧绿化带有足够宽度时，该系统包括沿道路两侧及其中间绿化带布置的多条平行测线，每条测线上均布设多条前后串接的分段式接地电缆及与之连接的电极，不同测线的接地电缆串通过跨街连接电缆首尾串接，形成S形电缆串，所述主机连接在S形电缆串的一端。

进一步地，该系统还包括GPS测量仪器，用于收集电极点位置信息，并导入所述主机，用于采集过程控制。

一种基于所述的跨街对穿电阻率测量系统的数据采集方法，设有m条测线，每条测线中有L个分段式电缆，每个分段式接地电缆中有p个电极结，每个电极结上连接一个接地电极；整个电缆串从连接主机端开始，为每个电极结及其连接的电极顺序递增编号；该电阻率成像系统的测量过程为连续滚动测量，即，设定测线上与滚动方向相反的一端为前端，所有测线上的前端N个分段式电缆移动到测线后端与已有分段式电缆串的尾端连接，并通过跨街连接电缆连接不同测线的电缆串，形成预先设计的、滚动过程中统一的电缆串排列形式；供电电极对AB的选择只发生在每条测线的前2N个分段式电缆段中，而电位测量电极对MN的选择是除供电电极对AB点外，按设定的规则遍历整个电缆串；

该数据采集方法包括如下步骤：

S1：确定供电电极对AB和测量电极对MN的位置；

当AB同测线供电时：从整个电缆串前端开始，沿着滚动的前进方向，选择m条测线的前N个分段式电缆中的任意一个接地电极作为供电电极A，选择位于A点后面且满足AB序号间隔小于N·p的接地电极作为供电电极B，组成供电电极对AB；m条测线共有m·(N·p-1)·N·p个供电电极对AB的组合；电位测量电极对的选择从靠近主机端的位置开始，搜索整个电缆串中除AB以外的所有电极，寻找与供电电极对AB点位序号间隔相匹配的MN电极组合；

当AB跨测线供电时：A点和B点位于不同测线的对应位置，供电点的选择顺序是，A点和B点位置的选择都是从各自测线前端第一个电极开始，到第N个分段式电缆的最后一个电极结束；m条测线共有

个供电电极对AB的组合；电位测量电极对的选择从靠近主机端的位置开始，搜索整个电缆串中除AB以外的接地电极作为MN，且MN的点位序号间隔在1到N·p之间选择；

S2：判断测量电极对MN与AB的间距是否位于AB的有效测量半径r内，若为是，则进行供电和电位测量；若为否，则移动到下一个ABMN组合的位置进行测量判断；

所述AB的有效测量半径r≤n·a，其中n为有效半径系数，n＝6～8，a为AB间距；

S3：完成整个测量过程后，断开前部待滚动段第N个分段式接地电缆与第N+1个分段式接地电缆的接头，并将前N个分段式接地电缆及其所属的电极移动到其所在测线的尾端布置，并与所在测线尾端的分段式电缆串接成整体电缆串，所有测线的电缆串按照系统设计要求的排列形式通过跨街连接电缆连接，形成新的整体电缆串；进行下一轮测量过程。

一种跨街对穿电阻率二维成像方法，该方法基于上述的数据采集方法获得的视电阻率数据集，提取满足特定位置成像要求的二维剖面数据。该成像方法包括如下步骤：

当AB和MN位于同一条测线上进行测量时，根据AB、MN空间位置关系计算装置系数K，结合测量得到的供电电流、电位差，计算得到该测线垂向剖面视电阻率数据集，进而通过二维电阻率反演得到测线下方区域的垂向断面成像；

当AB和MN位于不同测线上进行测量时，根据AB、MN空间位置关系计算装置系数K，结合测量得到的供电电流、电位差，计算得到位于AB所在测线、MN所在测线的中间线方向的垂直剖面上的视电阻率数据集，进而通过二维电阻率反演得到位于AB所在测线、MN所在测线的中间线下方区域垂直断面成像，即双侧对穿中线剖面成像；

当供电电位A和B位于不同测线上进行供电时，根据AB、MN空间位置关系计算装置系数K，结合测量得到的供电电流、电位差，计算得到AB中点和MN中点的连线的中点所形成的旁侧剖面线上的视电阻率数据集，进而通过二维电阻率反演得到该旁侧剖面成像，即跨街供电旁侧成像。

一种跨街对穿电阻率三维成像方法，根据上述的测量方法获得的供电电流、电位差，结合AB、MN空间位置关系计算装置系数K，计算得到待测道路下方各ABMN组合的视电阻率值，并将多测线测量结果按位置坐标及空间属性生成三维数据集，并进行三维反演和可视化，得到三维反演成像结果。

本发明的有益效果如下：

1.基于道路两侧布置平行测线对穿探测实现对无法布置电极的路面正下方区域的三维立体成像。通过独特的数据采集方法设计，突破现有技术只能探测测线正下方区域的限制，实现交叉对穿探测，构建形成街道下方区域至少5个断面的成像数据，为三维立体透视成像提供可能。

2.充分利用跨街连接电缆和随机分布式电极布点设计的灵活性，既轻松解决高密度电法经过交叉路口等复杂位置的探测问题，又依托电极随机分布式系统的技术优势，通过增加周边测点密度弥补局部区域缺少探测点的不足，确保勘探的连续性和探测效率。

3.施工过程只沿道路两侧有序滚动推进，施工过程和道路交通互不干扰。采集排列和测站布置在路边绿化带或人行道，测站和排列只需要沿着街道两侧人行道有序向前滚动推进，跨街连接电缆通过线槽减速带保护，既保证线缆安全，又不影响车辆通行。

4.充分利用现有的分布式高密度电法仪器系统设计，通过创新性的设备改造变形配合独特的采集设计，实现跨街对穿电阻率成像。最大程度地发掘、利用、拓展现有资源应用领域和应用范围。

5.独特的滚动式数据采集方案，只选择测线前部较少排列内的测点组合进行供电，通过有效测量半径约束和动态变偶极矩测量技术结合，实现独特的有序滚动采集过程。

6.采集过程设计高效、有序、简单且扩展能力强。采用适应性强的随机偶极-偶极装置，偶极矩和电极距可以灵活调整，最大程度地保证勘探深度和探测分辨率。同时数据采集和系统滚动过程按系统设计有序进行，简单、高效。

附图说明

图1为本发明的跨街对穿电阻率成像系统布置示意图；

图2为本发明的双测线跨街对穿电阻率成像结果位置图；

图3为本发明的多测线组合跨街成像系统布置示意图；

图4为本发明的两种供电方式电极位置示意图；

图5为本发明的动态变偶极矩滚动采集示意图。

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用以解释本发明，并不用于限定本发明。

1.系统结构

如图1所示，本发明的跨街对穿电阻率测量系统采用分布式系统设计，系统包括主机、分布式接地电缆，跨街连接电缆以及接地电极。

a.主机

主机包括高密度电阻率测量仪以及配套的采集控制软件。主机通过采集控制软件实现：数据采集参数设置、供电与电位测量电极通道选择、数据采集过程控制，数据显示、存储等，并控制电阻率测量仪完成供电和电位测量过程。根据跨街成像的需要搜索各电缆段，寻找特定的供电电极对AB或测量电极对MN的组合，得到沿道路走向的多组电阻率成像数据，用于实现三维电阻率成像；

b.分布式多路电极转换开关与分段式接地电缆

多路转换开关采用分布式设计，将电极转换开关延伸至各接地电缆端，采用嵌入式(集成在接地电缆的电极结里)或分段集中式多路开关盒两种设计，与分段接地电缆、电极共同组成分布式采集终端。接受主机控制，按照采集指令执行开关的断开或闭合，实现分布式电阻率测量过程。分段式接地电缆为多芯电缆，线缆前后端采用统一标准的公母接口，便于线缆前后串接以及与主机连接。线缆等距抽头设置成电极结。电极结等距设置，具有1、2、3、5、10m等多种间距设置，适应不同的电极距需求，便于和随机布置的电极匹配连接。

c.跨街连接电缆

跨街连接电缆采用分段式接地电缆相同的电缆芯数以及相匹配的接口制式，便于施工时与分段式接地电缆顺序连接。跨街连接电缆(如图1所示)用于：①通过街道交叉口或支路时，电极无法接地，采用跨街连接电缆串接同一测线前后布置的分段式接地电缆。②将不同测线布置的接地电缆串接成一个统一整体，再连接到主机。跨街连接电缆既是系统通讯的通道，也是供电或电位测量信号传输的通道。本发明中数据采集过程是分段进行并滚动向前推进，跨街连接电缆是频繁拆卸、移动的线缆部分，因此设计成可插拔、耐磨、耐碾压型多芯电缆，可直接横穿街道路面布置，这样设计的目的是便于拆卸、收放和移动跨街连接电缆。在车流量大的街道，可以配备活动式线槽减震带保护跨街连接电缆的安全。

分段式接地电缆和跨街连接电缆均至少包括供电信号芯线、电位测量芯线和通讯信号芯线。

d.电极

设计直径1cm、长度为40cm～1m不锈钢材质的电极，电极通过电极夹与电缆上电极结连接。电极有效接地是跨街电阻率成像的关键，而道路两侧往往接地条件不是很好，因此采用较长的电极为了充分保证电极接地良好。40cm的不锈钢电极用于马路两侧有湿润泥土出露的情形，长度1m的长电极，用于地表水泥等覆盖路面需打孔布设的情形使用。对于混凝土或其它坚硬岩石覆盖的地表，先采用小孔电钻钻透地表坚硬层直达湿润土层(钻孔时注意避开地下路灯电缆以及其它线缆)，然后布置1m的长电极进行测量。

e.测线布置方式

街道路面下方的地下隐蔽工程目标，如上水和下水管道、地铁隧道等都可以简化成不同埋深、不同直径、沿道路方向无限延伸的管状、圆柱状目标体。当出现渗漏浸润路基或空洞路基塌陷时，在渗漏区或空洞塌陷区电阻率会呈现低阻或高阻异常。为了实现对街道路面下方的目标体三维成像，需要在街道两侧平行布置多个电极排列且能顺序滚动延伸测量，形成可对穿测量的多通道电阻率勘探系统。通过不同的供电/电位测量电极组合，实现跨街对穿成像。同时通过电极排列的有序滚动延伸，实现对街道下方探测目标的连续成像。

本发明的测线布置都是避开坚硬的主路面，选择能良好接地的路侧或中央绿化带布置，主要采用双测线和多测线两种测线布置方式：

(1)双测线方式

如图1、2所示，是在道路两侧可接地的位置(如绿化带)平行布置两条测线，每条测线上布设多条前后串接的分段式接地电缆及与之连接的电极；当测线布置遇到道路支路或不宜布置电极的地段，通过所述跨街连接电缆连接前后布置的分段式接地电缆，形成单侧电缆串；两侧电缆串的尾端通过所述跨街连接电缆连接，形成U形一体化电缆串；所述主机与U形电缆串的一端连接。

(2)多测线方式

当待测道路存在中央绿化带或道路两侧绿化带有足够宽度时，可沿道路两侧及其中间绿化带布置多条平行测线，测线条数、测线间距、测点间距根据现场条件随机设置(支持不等距设置)；所有测线通过跨街连接电缆首尾串接，形成S形电缆串，所述主机与S形电缆串的一端连接(图3)。

双测线布置是最简单且受现场条件限制最少的布置方式，也是最容易实施的勘探方式，有利于实现全路段连续滚动勘探。多测线则是双侧线的组合模式，对场地条件有一定的要求，较难在全路段统一实施。建议在重点详勘区域以及现场条件允许路段考虑。

测量系统布置完成后，使用GPS等定位仪器测量收集所有电极点的位置信息，并输入到高密度电法仪主机，用于后续采集过程中MN电极对的选择。

f.采集参数设置

本发明采用随机偶极—偶极装置作为主要装置类型。随机偶极装置偶极矩和电极距动态可调，具有广泛适应性和灵活性，有利于灵活实现复杂的和特殊需求的观测设置(跨越道路支路以及不等距电极设置)，而且偶极—偶极装置具有较高的探测分辨率，因此本发明装置类型主要以偶极—偶极为主，但也支持其它装置类型的数据采集。除了装置类型设置，采集参数设置对实际测量的分辨率和勘探深度具有决定性的影响，因此还需要设计合适的采集参数来获得最佳探测效果，特别是一些与常规高密度电法有区别、且比较关键的参数设置。

最佳电极距：电极距是指测线排列中前后放置的电极之间的距离，随机分布系统中电极距可以浮动变化。由于电极距决定探测深度、成像分辨率以及采集效率和工作量，因此电极距虽然可以浮动变化，但存在一个最佳电极距分布范围。综合考虑勘探深度和分辨率，若设d为街道两侧测线间距，则最佳电极距分布范围d/(8～10)。地表条件允许时，建议参考最佳电极距布极，但系统支持电极距浮动变化。

单侧分段式接地电缆数目：仪器系统出厂时已固定每个分段式接地电缆的电极数(一般为8个或10个)和最大电极距。设定单侧分段式接地电缆的数目就决定了单侧电极总数、总电极数、跨街电缆的位置、滚动间隔以及最大勘探深度。按照目前街道下方目标的最大探测深度(50m以上)考虑，建议单次测量时至少布置6～8个单侧分段式接地电缆。工作时系统对电极进行顺序数字编号，从主机连接的首电极开始，按递增顺序编号；然后顺着跨街连接电缆延伸到后续相邻测线，再在另一端连接下一条相邻测线，直至最后一条测线；其中偶数编号的测线上电极编号是反向顺序。电位测量电极的选择是从仪器端开始，按递增顺序搜索符合条件的MN电极对。

滚动间隔：滚动间隔是按单个分段式接地电缆的电极数的整数倍定义。假设单个分段式接地电缆的电极数是p，则滚动间隔为p、2p、3p或4p等，意味着每次滚动移动1～4个分段式接地电缆。本发明优化观测系统设置，通过设置滚动间隔，最大程度减少不同测量段拼接形成的空白区或数据重复冗余。滚动测点位置及其拼接方式如图5。

测量过程是按电极供电顺序进行的。若滚动间隔是p，则完成第一个分段式接地电缆的2p个电极的供电组合(其中A点只在前p个电极中选择，B点根据间距需要变化)即可进行测站滚动。将第1个分段式接地电缆与第2个分段式接地电缆断开，并将第1个分段式接地电缆及其上的电极移动到其所在测线的尾端，并与其所在测线尾端的分段式电缆重新连接，每条测线的新的首尾端再通过跨街连接电缆连接，形成前后连接的新的一条整体电缆串；进行下一轮测量过程。若滚动间隔大于p，则需要移动更多的电缆排列、电极及其连接电缆。

有效测量半径：偶极-偶极装置随电极距的增大电位差则快速下降，迅速降到低于仪器有效测量精度，因此存在一个有效测量半径r≤n·a(其中n为有效半径系数，a为偶极矩)，一般n＝6～8。本发明采用变偶极矩测量设计，可以有效改善仪器读数精度。设置有效半径的目的是实际数据采集时根据有效测量半径设置测量阈值，排除大部分超出有效测量半径的测量过程，提高数据采集效率。

本发明的数据采集过程中，因为系统支持测点的不均匀、随机分布，AB以及MN的间距会随着隔离系数(电极距的倍数)增大而增大。需要在采集前预先通过GPS测量获得所有测点的位置信息，根据ABMN之间的位置实时计算随测量过程动态变化的有效测量半径，并控制采集选点过程。

动态变偶极矩测量方式：

传统高密度电法采用定偶极矩测量方法，即AB间距和MN间距在整个测量过程中固定不变，为一个电极距。而AB和MN之间的距离随隔离系数增加而增大。导致随深度增大MN电位差越来越小，使得仪器读数非常不稳，测量结果易出现“烟囱”效应。严重影响偶极-偶极装置的测量效果。本发明充分利用随机分布式系统点位布置的随机性和灵活性，抛弃传统高密度电法所采用的定偶极矩测量方法，测量过程中偶极矩(AB间距或MN间距)和电极距(AB中点和MN中点之间的距离)随隔离系数动态变化(图4、图5)。动态变偶极矩测量技术与有效测量半径约束结合不仅保证了仪器读数的可靠性，使得探测深度增加了近一倍，也使得横向测点密度也增加一倍，提高了横向分辨率(图5)。这是传统高密度电法不具有的突出优势。

2.数据采集方法

本发明的数据采集过程依托硬件系统的分段式和分布式以及电极布设的随机性和灵活性展开：①通过跨街连接电缆将所有测线的分段式接地电缆顺序串接成一个整体，仪器主机连接在其中一端；②采集过程采用滚动测量，每个测量过程围绕供电电极AB展开，电位测量电极MN在整个电缆串的位置根据需要选取和顺序移动。因此，一个测量过程AB电极只需要完成待滚动电缆段的供电过程即可。本发明采用设置滚动间隔实现滚动前后的测量数据无缝对接。

设有m条测线，每条测线中有L个分段式电缆，每个分段式电缆中有p个电极结，每个电极结上连接一个接地电极；整个电缆串从连接主机端开始，为每个电极结顺序递增编号；该测量过程为连续滚动测量，每次滚动N个分段式电缆；假设测线上与滚动方向相反的一端为前端，接地电缆和电极沿着滚动方向先后布置，先布置的排列为前，滚动前进的方向最后布置的排列为尾。

该数据采集方法包括如下步骤：

S1：确定供电电极对AB和测量电极对MN的位置；

当AB同测线供电时：从整个电缆串连接前端开始，沿着滚动的前进方向，选择m条测线的前N个分段式电缆中的任意一个接地电极作为供电电极A，选择位于A的后面且满足AB序号间距小于N·p的接地电极作为供电电极B，组成供电电极对AB；m条测线共有个m·(N·p-1)·N·p供电电极对AB的组合；电位测量电极的选择从靠近主机端的位置开始，搜索整个电缆串的除AB以外的接地电极，寻找与供电电极对AB电极距相匹配的MN电极组合；

当AB跨测线供电时：A点和B点位于不同测线的对应位置，供电点的选择顺序是，A点和B点位置的选择都是从各自测线前端第一个电极开始，到第N个分段式电缆的最后一个电极结束；m条测线共有个

供电电极对AB的组合；电位测量电极的选择从靠近主机端的位置开始，搜索整个电缆串的除AB以外的接地电极作为MN，且满足MN的间距在1到N·p之间选择；

S2：判断测量电极对MN与AB的间距是否位于AB的有效测量半径r内，若为是，则进行供电和电位测量；若为否，则移动到下一个ABMN的组合位置；

所述AB的有效测量半径r≤n·a，其中n为有效半径系数，n＝6～8，a为AB间距；

S3：完成整个测量过程后，将各测线前端的第N个分段式接地电缆与第N+1个分段式接地电缆断开，将前N个分段式接地电缆及附属电极移动到其所在测线的尾端，并与其所在测线尾端的分段式电缆重新连接，所有测线的电极串按照系统设计要求的排列形状通过跨街连接电缆连接，形成新的整体电缆串，进行下一轮测量过程。

本发明的数据采集过程都是围绕供电过程展开，沿测线布置的多个接地电缆段，若假定待滚动的电缆段为前端，而滚动目的区为后端，则供电过程AB极的选择只发生在前端待滚动的接地电缆段及其附近段(若每次滚动N个电缆段，则AB点选择只发生在前2N段)，且存在多种AB组合选择。针对每一个已选择好的供电电极对AB，电位测量电极对MN的选择则从主机端开始，搜索整个电缆串中满足设定条件的MN电极对。

以双测线为例描述具体的数据采集过程，假设每次测量时每条测线上只使用从前端开始的6个分段式接地电缆，每条接地电缆上有8个电极结，滚动间隔为8(每次移动一条接地电缆)，有效测量半径系数设置为8。设主机连接在第一条测线前端(如图2所示)，跨街连接电缆从第一条测线第六段接地电缆的尾部连接第二条测线。则电极结编号设置从靠近仪器的前端1号开始编号至尾端的48号，而第二条测线上电极结的编号则从尾端的49号递增至前端(近仪器端)的96号(图2)。

单测线数据采集生成如图5所示的数据集，其中圆点表示视电阻率数据在测线剖面上的位置和深度。以AB中点和MN中点连线的中点位置作为视电阻率数据放置位置的横坐标x，以AB中点和MN中点的间距(序号间隔数)作为纵坐标y。设一个分段式电缆为一个排列，则具体数据采集过程和步骤描述如下：

第一步(第一条测线单侧供电)，

(1)选择第一条测线第一个排列(图2中L1)第一个电极点(图2中1号点)为A，B放置在2号电极点(AB间距为1个电极间距)。电位测量点M从3号点开始(避开AB点)顺序递增搜索，MN使用AB相匹配的间隔(即MN间隔也为1))顺序移动电极点。当M＝3、N＝4时，对应的测点坐标为x＝2.5，y＝2。当M＝4、N＝5时，对应的测点坐标为x＝3，y＝3。然后判断MN中点与AB中点的距离是否在系统设定的有效测量半径内，若是，则开始供电和电位测量。若否，则按设定的间隔递增M和N序号，再判断新MN点是否满足要求，直至N点到达96号点则完成A＝1、B＝2的供电过程。

上述测量过程得到了同测线和跨测线的多个测量数据，然后按照前述纵横坐标的计算方法计算出每个ABMN组合的纵坐标和横坐标，然后展绘到图5中用圆点表示。图5中左上角第1排斜向的8个灰色圆点分别代表AB位置为序号1、2(MN间隔为1)且MN与AB位于在同一测线，而MN与AB间距从1递增至8时所得到的8个视电阻率测点的位置。当MN位于另一测线时，ABMN位置计算类似，只是图示过程更加复杂，得到的是图2中断面3的不同位置、不同深度的视电阻率数据集。

(2)然后，移动A点到2号点的位置，将B移动到3号电极点供电(AB层间隔仍为1)，重复第一步(1)的MN点位搜索(MN间距为1个间距)、判断MN是否在有效测量半径内及是否实施供电及电位测量过程。重复上述判断及测量过程，直至N到达96号点则完成A＝2、B＝3的供电过程。例如当M＝4、N＝5时，对应的测点坐标为x＝2.5，y＝2。其中同测线测量得到图5上部第二个斜向排列的8个灰色圆点(从第一层开始计数，第二层开始出现变偶极矩的加密排列)。

(3)然后，重复移动A的位置直至A＝8，B点保持和A点的序号间隔为1，顺序得到多个AB供电点位。针对每个确定的供电点位组合AB，重复(1)或(2)的MN选择过程，进行MN点位搜索、判断和供电及电位测量过程，得到图5左上部斜向8*8个灰色圆点。

至此则AB间隔为1的供电过程结束，该过程与传统高密度电法偶极-偶极装置测量结果类似。得到横向间距为1个电极间隔，探测深度为8个电极间隔的8*8个数据体。

(4)选择第一条测线第一个排列第一个电极点(1号点)为A，B放置在3号电极点(AB间距为2个电极间隔)，MN选择匹配的2个电极间隔，在整个电缆串中移动搜索。当A＝1、B＝3、M＝4、N＝6时，对应的测点坐标为x＝3.5，y＝3。得到从第二层开始的斜向加密测点，而且当A＝1、B＝3、M＝11、N＝13时，对应的测点坐标为x＝7，y＝10，测点深度比传统高密度电法常规测点深度下延一层。

(5)顺序选择2～8号点作为为A，B顺序放置在4～10号点(确保AB间距为2个电极间隔)，而MN选择匹配的2个电极间隔，在整个电缆串中移动搜索。当A＝2、B＝4、M＝5、N＝7时，对应的测点坐标为x＝4.5，y＝3。得到从第二层开始的斜向加密测点，当A＝2、B＝4、M＝12、N＝14时，对应的测点坐标为x＝8，y＝10，当A＝8、B＝10、M＝16、N＝18时，对应的测点坐标为x＝14，y＝10，得到从第二层开始，x位置偏移右移半个电极间隔，而测点深度比传统高密度电法常规测点深度下延一层的8*8数据集。

(6)逐渐增加AB间隔和MN间隔，完成前2N个接地电极不同位置和间距组合的供电过程，得到如图5所示的所有测点数据集(灰色圆圈)。由于采用动态变偶极矩测量技术，纵向探测深度比常规偶极-偶极测量增加近一倍，横向测点密度也提高一倍，而且很多点具有多次重复测量，可用于数据对比分析和综合处理，有助于提高测量结果的准确性。

第一条测线供电得到图2中断面5和断面3的二维断面成像数据集。

第二步(第二条测线单侧供电过程)，选择第二条测线的第一个排列(图2中L12)第一个电极点(96号点)为A，95号点为B，重复第一步的供电点选择过程(此时供电点的选择按递减顺序操作)。对于每一个选定的供电电极对AB，电位测量电极对MN的搜索、判断以及供电及电位测量过程仍然从仪器段开始，按照递增顺序执行，直至完成第二条测线滚动段所有点的供电组合则完成第二条线单侧供电过程。

第二条测线供电得到图2中断面1和断面3的二维断面成像数据集。第一条测线供电和第二条测线供电所得到的断面3数据集满足互换原理，可用于互相对比验证或取平均值改善数据质量。

第三步(跨测线供电)，

(1)选择第一条测线首排列(图2中L1)的第一个电极点1号点为A，第二条测线首排列(图2中L12)的96号点为B，M、N点的搜索仍然从仪器端开始，MN间隔从1开始，直至8(滚动间隔)。然后按照AB有效测量半径判断选择是否测量该点，顺序递增搜索、测量电缆串中除AB点以外的所有点，则完成第一个跨测线供电点的测量过程。

(2)然后同时移动AB点到下一个电极点(A＝2,B＝95)，重复(1)的MN搜索和测量过程，直至完成所有符合条件的MN组合点的测量过程。

(3)重复选择A＝3～8，对应的B＝94～88，针对每一个AB供电组合，从仪器端开始，重复MN搜索和数据采集过程，得到所有跨测线供电和电位测量数据集。

跨测线供电得到图2中断面2和断面4的二维断面成像数据集。

3.二维和三维成像

通过布置在街道两边的两条测线进行上述特别的测量过程，通过供电和测量电极对ABMN的不同组合，可以得到两条测线之间不同位置、不同深度的三维视电阻率数据体，经过三维高密度电阻率反演和三维可视化，实现对街道下方的三维电阻率成像。由于沿街道测线较长，滚动测量得到的三维数据量较大，三维电阻率反演和三维可视化需要较长的处理周期，适合于室内数据处理及数据解释阶段应用。而实际应用中往往需要快速提供城市道路隐患初步探测结果，用于：①快速发现地下结构异常点，②指导补做工作或调整工作参数等。这些情形只需要快速提取某些特别位置的剖面数据，进行二维处理和解释即可。由于二维数据量小，处理工作对硬件要求低、处理速度快，易于野外现场实现。本发明通过特别的采集方法设计，能够提取得到两条测线之间均匀分布的5条断面上不同深度的视电阻率数据集(图2、图4)，并根据需要提取其中的断面数据单独进行二维反演，帮助快速查找识别是否道路存在塌陷异常区域。5组断面数据组合反演成像，能够实现对街道下方三维区域的成像。

本发明的双侧跨街对穿电阻率成像系统通过供电电极和电位测量电极的选择性组合，形成平行于街道延伸方向的五组成像数据集(图2)：①.单侧剖面成像，实现单侧测线自身下方的成像数据(图2中断面1和断面5)；②.双侧对穿中线剖面成像，得到沿中线剖面的两组数据(处理后可得到图2中断面3的成像数据)；③.跨测线供电旁侧成像(图4e)，得到左右两侧半等分点位置的剖面数据(图2中断面2和断面4)。

a.单侧剖面成像

与传统二维高密度电法剖面测量类似，供电电极AB和电位测量电极MN只在单侧排列的电极间选择。通过改变AB和MN间距以及AB至MN距离得到单侧剖面下方电阻率成像断面。因为街道两侧对称布置两条剖面，单侧剖面成像共得到两组断面测量数据。

b.双侧对穿中线剖面成像

在一侧排列中选择两个电极作为AB极供电，另一侧排列中选择两个电极作为MN极测量电位差，再根据AB和MN位置计算出装置系数K，进而计算得到对应的视电阻率。根据系统设置顺序改变ABMN的间距和位置(图4中a、b、c、d图)，得到沿路中线方向的视电阻率剖面数据。然后反转供电和测量点到另一侧，得到另一组视电阻率剖面成像。根据互易定理，两条剖面测量结果应一致，但由于地表接地条件存在差异，实际测量结果也可能有些差异。因此两个剖面既可用于自检校验、误差评估，也可以取平均作为最终测量结果。

c.跨测线供电旁侧成像

供电电极AB分置于两条测线，AB间距最小为两条测线的间距D。数据采集时，AB间距固定，沿着测线方向同步向前逐点移动，MN点位置和间距由采集程序控制在单侧移动(图4e)，成像结果数据位于图2断面2和断面4的位置。

多测线探测的成像结果可通过测线之间两两组合实现，基于上述双侧线成像方式，组合出更多的成像剖面数据。假设由m条测线组成，则存在

种双测线组合，共计得到

成像剖面数据。实际多测线数据采集时可根据需要对采集参数做适当设置，从中选择部分测线组合进行测量。

主路下方通常是地下管网和地铁或地下隧道等地下工程集中通过的区域，也是容易发生沉降、塌陷的区域。若测线布置与参数设置得当，跨街对穿电阻率成像可以较好地探测、感知路面下方浅、中、深不同深度的地下状况。快速提取合适断面位置的二维成像结果有助于快速判断路面质量以及有无必要补充其它物探手段(如雷达)进行进一步验证。

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)

1.一种跨街对穿电阻率测量系统，其特征在于，该系统包括主机、分段式接地电缆、跨街连接电缆和接地电极；

该系统包括至少两条布置在待测道路两侧绿化带的平行测线，每条测线上布设多条前后串接的分段式接地电缆及与之连接的电极；当测线布置遇到道路支路或不宜布置电极的地段，通过所述跨街连接电缆连接前后布置的分段式接地电缆，形成单侧电缆串；街道两侧的两条电缆串的尾端通过所述跨街连接电缆连接，串接成一整体电缆串；所述主机与整体电缆串的一端连接；

所述主机包括高密度电阻率测量仪以及配套的采集控制软件，主机受所述的采集控制软件控制完成数据采集参数设置、供电与电位测量电极通道选择、数据采集过程控制、数据显示、存储，并控制高密度电阻率测量仪完成供电和电位测量过程；主机根据跨街成像的需要搜索各电缆段，寻找特定的供电电极对AB或测量电极对MN的组合，得到沿道路走向的三维视电阻率成像数据；

所述分段式接地电缆为多芯分布式电缆，其上等距设置多个电极结；所述分段式接地电缆还设置有电极转换开关，用于控制每个电极结的选通；多条所述分段式接地电缆顺序串接并连接到主机；所述接地电极通过所述电极结连接到所述分段式接地电缆上，所述接地电极的长度能穿透硬质地面并良好接地；

所述跨街连接电缆为与接地电缆相同芯数和相同接口标准的电缆，用于串接单侧前后布设或跨街左右对应布设的分段式接地电缆的连接；

所述分段式接地电缆和跨街连接电缆均至少包括供电信号芯线、电位测量芯线和通讯信号芯线。

2.根据权利要求1所述的跨街对穿电阻率测量系统，其特征在于，当待测道路存在中间绿化带或道路两侧绿化带有足够宽度时，该系统包括沿道路两侧及其中间绿化带布置的多条平行测线，每条测线上均布设多条前后串接的分段式接地电缆及与之连接的电极，不同测线的接地电缆串通过跨街连接电缆首尾串接，形成S形电缆串，所述主机连接在S形电缆串的一端。

3.根据权利要求1所述的跨街对穿电阻率测量系统，其特征在于，该系统还包括GPS定位测量仪器，用于收集电极点位置信息，并导入所述主机，用于采集过程中筛选满足有效测量半径内的电位测量电极对MN。

4.一种基于权利要求1所述的跨街对穿电阻率测量系统的数据采集方法，其特征在于，设有m条测线，每条测线中有L个分段式电缆，每个分段式接地电缆中有p个电极结，每个电极结连接一个接地电极；整个电缆串从连接主机端开始，为每个电极结及其对应电极顺序递增编号；该电阻率测量系统的测量过程为连续滚动测量，即，设定测线上与滚动方向相反的一端为前端，滚动操作是：所有测线上的前端N个分段式电缆移动到测线后端与已有分段式电缆串的尾端连接，并通过跨街连接电缆连接不同测线的电缆串，形成预先设计的、滚动过程中统一的电缆串排列形式；供电电极对AB的选择只发生在每条测线的前2N个分段式电缆段中，而电位测量电极对MN的选择是除供电电极对AB点外，按设定的规则遍历整个电缆串；

该数据采集方法包括如下步骤：

S1：确定供电电极对AB和测量电极对MN的位置；

当AB同测线供电时：从整个电缆串前端开始，沿着滚动的前进方向，选择m条测线的前N个分段式电缆中的任意一个接地电极作为供电电极A，选择位于A点后面且满足AB序号间隔小于N·p的接地电极作为供电电极B，组成供电电极对AB；m条测线共有m·(N·p-1)·N·p个供电电极对AB的组合；电位测量电极对的选择从靠近主机端的位置开始，搜索整个电缆串中除AB以外的所有电极，寻找与供电电极对AB点位序号间隔相匹配的MN电极组合；

当AB跨测线供电时：A点和B点位于不同测线的对应位置，供电点的选择顺序是，A点和B点位置的选择都是从各自测线前端第一个电极开始，到第N个分段式电缆的最后一个电极结束；m条测线共有

个供电电极对AB的组合；电位测量电极对的选择从靠近主机端的位置开始，搜索整个电缆串中除AB以外的接地电极作为MN，且MN的点位序号间隔在1到N·p之间选择；

S2：判断测量电极对MN与AB的间距是否位于AB的有效测量半径r内，若为是，则进行供电和电位测量；若为否，则移动到下一个ABMN组合的位置进行新的测量条件判断；

所述AB的有效测量半径r≤n·a，其中n为有效半径系数，n=6~8，a为AB间距；

S3：完成整个测量过程后，断开前部待滚动段第N个分段式接地电缆与第N+1个分段式接地电缆的接头，并将前N个分段式接地电缆及其所属的电极移动到其所在测线的尾端布置，并与所在测线尾端的分段式电缆串接成整体电缆串，所有测线的电缆串按照系统设计要求的排列形式通过跨街连接电缆连接，形成新的整体电缆串；进行下一轮测量过程。

5.一种跨街对穿电阻率二维成像方法，其特征在于，该方法基于权利要求4的数据采集方法获得的视电阻率数据集，提取满足特定位置成像要求的二维剖面数据；该成像方法包括如下步骤：

当AB和MN位于同一条测线上进行测量时，根据AB、MN空间位置关系计算装置系数K，结合测量得到的供电电流、电位差，计算得到该测线垂向剖面视电阻率数据集，进而通过二维电阻率反演得到测线下方区域的垂向断面成像；

当AB和MN位于不同测线上进行测量时，根据AB、MN空间位置关系计算装置系数K，结合测量得到的供电电流、电位差，计算得到位于AB所在测线、MN所在测线的中间线方向的垂直剖面上的视电阻率数据集，进而通过二维电阻率反演得到位于AB所在测线、MN所在测线的中间线下方区域垂直断面成像，即双侧对穿中线剖面成像；

当供电电位A和B分置于不同测线上进行供电时，根据AB、MN空间位置关系计算装置系数K，结合测量得到的供电电流、电位差，计算得到AB中点和MN中点的连线的中点所形成的旁侧剖面线上的视电阻率数据集，进而通过二维电阻率反演得到该旁侧剖面成像，即跨测线供电旁侧成像。

6.一种跨街对穿电阻率三维成像方法，其特征在于，根据权利要求4的测量方法获得的供电电流、电位差，结合AB、MN空间位置关系计算装置系数K，计算得到待测道路下方各ABMN组合的视电阻率值，并将多测线测量结果按位置坐标及空间属性生成三维数据集，并进行三维电阻率反演和三维可视化，得到三维反演成像结果。

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