CN114518605A - 一种基于电磁法的低空、浅水、深水一体化地质测量方法 - Google Patents

一种基于电磁法的低空、浅水、深水一体化地质测量方法 Download PDF

Info

Publication number
CN114518605A
CN114518605A CN202210321589.XA CN202210321589A CN114518605A CN 114518605 A CN114518605 A CN 114518605A CN 202210321589 A CN202210321589 A CN 202210321589A CN 114518605 A CN114518605 A CN 114518605A
Authority
CN
China
Prior art keywords
water
area
shallow
deep
geological
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
CN202210321589.XA
Other languages
English (en)
Other versions
CN114518605B (zh
Inventor
王堃鹏
王向鹏
胡瑾
刘威
叶长文
李棂泽
陈宁
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Chengdu Univeristy of Technology
Original Assignee
Chengdu Univeristy of Technology
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Chengdu Univeristy of Technology filed Critical Chengdu Univeristy of Technology
Priority to CN202210321589.XA priority Critical patent/CN114518605B/zh
Publication of CN114518605A publication Critical patent/CN114518605A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN114518605B publication Critical patent/CN114518605B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01V—GEOPHYSICS; GRAVITATIONAL MEASUREMENTS; DETECTING MASSES OR OBJECTS; TAGS
    • G01V3/00—Electric or magnetic prospecting or detecting; Measuring magnetic field characteristics of the earth, e.g. declination, deviation
    • G01V3/38—Processing data, e.g. for analysis, for interpretation, for correction
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01V—GEOPHYSICS; GRAVITATIONAL MEASUREMENTS; DETECTING MASSES OR OBJECTS; TAGS
    • G01V1/00—Seismology; Seismic or acoustic prospecting or detecting
    • G01V1/38—Seismology; Seismic or acoustic prospecting or detecting specially adapted for water-covered areas
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01V—GEOPHYSICS; GRAVITATIONAL MEASUREMENTS; DETECTING MASSES OR OBJECTS; TAGS
    • G01V11/00—Prospecting or detecting by methods combining techniques covered by two or more of main groups G01V1/00 - G01V9/00
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01V—GEOPHYSICS; GRAVITATIONAL MEASUREMENTS; DETECTING MASSES OR OBJECTS; TAGS
    • G01V3/00—Electric or magnetic prospecting or detecting; Measuring magnetic field characteristics of the earth, e.g. declination, deviation
    • G01V3/12—Electric or magnetic prospecting or detecting; Measuring magnetic field characteristics of the earth, e.g. declination, deviation operating with electromagnetic waves
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01V—GEOPHYSICS; GRAVITATIONAL MEASUREMENTS; DETECTING MASSES OR OBJECTS; TAGS
    • G01V3/00—Electric or magnetic prospecting or detecting; Measuring magnetic field characteristics of the earth, e.g. declination, deviation
    • G01V3/15—Electric or magnetic prospecting or detecting; Measuring magnetic field characteristics of the earth, e.g. declination, deviation specially adapted for use during transport, e.g. by a person, vehicle or boat
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01V—GEOPHYSICS; GRAVITATIONAL MEASUREMENTS; DETECTING MASSES OR OBJECTS; TAGS
    • G01V3/00—Electric or magnetic prospecting or detecting; Measuring magnetic field characteristics of the earth, e.g. declination, deviation
    • G01V3/15—Electric or magnetic prospecting or detecting; Measuring magnetic field characteristics of the earth, e.g. declination, deviation specially adapted for use during transport, e.g. by a person, vehicle or boat
    • G01V3/16—Electric or magnetic prospecting or detecting; Measuring magnetic field characteristics of the earth, e.g. declination, deviation specially adapted for use during transport, e.g. by a person, vehicle or boat specially adapted for use from aircraft
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02A—TECHNOLOGIES FOR ADAPTATION TO CLIMATE CHANGE
    • Y02A90/00—Technologies having an indirect contribution to adaptation to climate change
    • Y02A90/30—Assessment of water resources

Landscapes

  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Geophysics (AREA)
  • Remote Sensing (AREA)
  • General Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Environmental & Geological Engineering (AREA)
  • Geology (AREA)
  • Electromagnetism (AREA)
  • Aviation & Aerospace Engineering (AREA)
  • Oceanography (AREA)
  • Acoustics & Sound (AREA)
  • Geophysics And Detection Of Objects (AREA)

Abstract

本发明公开了一种基于电磁法的低空、浅水、深水一体化地质测量方法，包括：采集获得岸坡、浅水区和深水区的地质数据；采用水上地震或水上雷达法确定库区的水深及淤泥层厚度，并建立水体淤泥层模型；建立地空及水域观测系统；对岸坡的地质数据和浅水区和深水区的地质数据进行预处理，去除数据中的突变值；根据水体淤泥层模型中的物理参数和预采样的电阻率物性参数分布建立初始模型；采用层状介质进行正演计算；建立低空区、浅水区、深水区的目标函数，并采用拟牛顿法进行反演。通过上述方案，本发明具有逻辑简单、地质测量可靠等优点，在岸坡、浅水、深水区地质测量技术领域具有很高的实用价值和推广价值。

Description

一种基于电磁法的低空、浅水、深水一体化地质测量方法
技术领域
本发明涉及岸坡、浅水、深水区地质测量技术领域，尤其是一种基于电磁法的低空、浅水、深水一体化地质测量方法。
背景技术
目前，我国水力发电站、天然水库、饮水工程、生态湖泊等区域建设工程众多，其中人工建设工程在运营过程中受各种地质环境因素影响出现渗漏等问题，对库区安全性和稳定性造成极大影响，尤其是水电站渗漏严重影响蓄能，造成极大的资源浪费和经济损失。由于水电库存水量巨大且环境复杂，高位水体对周围山体稳定性及地下水分布都有非常强烈的影响，尤其在高海拔和地形复杂地区，库区本身岩体完整性差、岩溶裂隙发育、高地应力、地质构造运动活跃、探测难度极大。为此，寻找库区的渗漏点、探明水下不良地质体，结合地质资料建立地球物理电法物性参数与岩溶、裂隙等造成渗漏的评价模型，实现对库区的区域地质环境及稳定性进行评价，对安全监测、灾害治理等意义重大，关系生态环境安全及社会稳定。
针对库区的渗漏点、水下不良地质体探测，传统地球物理电法普遍存在施工难度大、精度低、有效信息弱的缺点。比如库区岸坡难以开展大面积高精度测量，在浅水区、深水区同样没有有效的方法探测水底地质结构。
目前，关于水底探测公开的技术有：专利公开号为“CN110703335A”、“一种拖曳式的水底地质电法探测系统和方法”的中国发明专利，以及专利公开号为“CN210690839U”、名称为“一种拖曳式的水底地质电法探测系统”的中国实用新型。上述两个专利均基于直流电法的测量，其存在以下缺点：
首先，在实际情况下，渗漏点可能存在于岸坡，而库区水位在不同季节是变化的，若水位低于渗漏位置，上述两个专利探测效果会极大的降低，而岸坡大多数山体倾斜度大，地面测量工作难以开展。
其次，在浅水和深水区，由于直流电法使用的是几何测深法，需要增大正负极间距才能穿透水层和淤泥，这对于水下测量而言极为不便，在实际情况下，长导线可能会被水草缠绕，对仪器安全测量也存在很大的隐患；
最后，上述两个专利未考虑水体、淤泥层对直流电的衰减和屏蔽作用，当水域下方的渗漏点较小时，有效信号会被水体和淤泥层极大的压制，使得微小渗漏点难以有效测量。
因此，急需要提出一种逻辑简单、地质测量可靠的基于电磁法的低空、浅水、深水一体化地质测量方法。
发明内容
针对上述问题，本发明的目的在于提供一种基于电磁法的低空、浅水、深水一体化地质测量方法，本发明采用的技术方案如下：
第一部分：本技术提供了一种基于电磁法的低空、浅水、深水一体化地质测量方法，其包括以下步骤：
利用无人机搭载电磁探头采集岸坡的地质数据，以及利用船只拖载电磁探头采集浅水区和深水区的地质数据；
采用水上地震或水上雷达法确定库区的水深及淤泥层厚度，并建立水体淤泥层模型；
建立地空及水域观测系统；
对岸坡的地质数据和浅水区和深水区的地质数据进行预处理，去除数据中的突变值；
根据水体淤泥层模型中的物理参数和预采样的电阻率物性参数分布建立初始模型；
采用层状介质进行正演计算；
建立低空区、浅水区、深水区的目标函数，并采用拟牛顿法进行反演。
第二部分：本技术提供了一种基于电磁法的低空、浅水、深水一体化地质测量装置，其包括：
无人机，搭载有电磁探头，并进行库区的岸坡的地质数据采集；
船只，搭载有电磁探头，并进行库区内的浅水区和深水区的地质数据采集；
水体淤泥层模型建立模块，采用水上地震或水上雷达法确定库区的水深及淤泥层厚度，并建立水体淤泥层模型；
数据预处理模块，对岸坡的地质数据和浅水区和深水区的地质数据进行预处理，去除数据中的突变值；
初始模型建立模块，根据水体淤泥层模型中的物理参数和预采样的电阻率物性参数分布建立初始模型；
正演模块，采用层状介质进行正演计算；
反演模块，建立低空区、浅水区、深水区的目标函数，并采用拟牛顿法进行反演。
第三部分，本技术提供了一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在所述存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现一种基于电磁法的低空、浅水、深水一体化地质测量方法。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
（1）本发明巧妙得使用无人机及拖船，组成低空、浅水、深水一体化地质测量系统，解决巨量水体对电法信号的严重干扰，淤泥沉积造成的屏蔽，高海拔和复杂地形探测难度大，深水区高精度探测手段有限等一系列问题，实现对渗漏及其它不良地质体的精细探测；
（2）本发明采用无人机挂在电磁探头测量岸坡的山体地质情况，实现高效、安全的库区岸坡地质测量；另外，本发明利用拖船在水面拖曳电磁探头测量浅水区的地质情况，并且在深水区将电磁探头下放至水下，离水底一定距离实现深水区地质测量，如此一来，以满足全面可靠的采集地质数据；
（3）本发明为了降低库区巨量水体对水域测量的影响，在水域测量前，需要采用水上地震或水上雷达法，确定水深及淤泥层厚度，建立当前测区的水体、水底、淤泥三维结构，并通过采集不同点位、深度的水体、淤泥样品，进一步控制水层与淤泥层的三维电阻率结构；
（4）本发明通过对地质数据进行预处理，对数据实施多次叠加观测，并利用滤波器处理噪音，删除各种干扰引起的不正常数据点，并计算不同测点、频率、时间点的数据均值与方差，去除数据中的突变值，为数据分析和反演做准备；
（5）本发明在低空飞行测量时，加入飞行高度参数；在水域测量时，由于水层和淤泥层的影响，本发明在水域反演时，需加入水层和淤泥层的厚度以及电阻率信息；在反演中，要求将水层和淤泥层相关物性参数标记为已知参数，不参与迭代，以消除水体对电场的吸收衰减作用和淤泥层对电场的屏蔽作用，并实现精准的水下测量；
（6）本发明采用层状介质进行正演计算，其好处在于，可以快速对海量数据体实施快速成像，以提高检测效率；
（7）本发明通过建立低空区、浅水区、深水区的目标函数，并采用拟牛顿法进行反演，其好处在于，拟牛顿法计算速度快，内存消耗低，进一步地提高检测效率；
（8）本发明巧妙地建立地空及水域观测系统，由于实际情况下，不同库区的岸坡植被高度不同，因此，需要提前设计飞行高度、飞行速度以及探头类型，以达到对目的层的精确测量。在水域，同样由于水深和淤泥层的不同，需要根据确定的厚度设计拖船速度、发射参数等，实现精准的水底地质目标体定位；
综上所述，本发明具有逻辑简单、地质测量可靠等优点，在岸坡、浅水、深水区地质测量技术领域具有很高的实用价值和推广价值。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需使用的附图作简单介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对保护范围的限定，对于本领域技术人员来说，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
图1为本发明中低空、浅水、深水一体化地质测量整体布置示意图。
图2为本发明的实施方案流程图。
图3 为本发明中水体及淤泥层参数确立示意图。
图4为本发明中无人机空中测量示意图。
图5为本发明中浅水水面拖曳测量示意图。
图6为本发明中深水区拖曳测量示意图。
图7为本发明中岸坡电阻率模型。
图8为本发明中岸坡模型反演结果。
图9为本发明中浅水区电阻率模型。
图10为本发明中浅水区模型结果。
图11为本发明中深水区电阻率模型。
图12为本发明中深水区模型反演结果。
具体实施方式
为使本申请的目的、技术方案和优点更为清楚，下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明，本发明的实施方式包括但不限于下列实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
实施例
如图1至图12所示，本实施例提供了一种基于电磁法的低空、浅水、深水一体化地质测量方法，其包括以下步骤：
第一步，利用无人机搭载电磁探头采集岸坡的地质数据，以及利用船只拖载电磁探头采集浅水区和深水区的地质数据。具体来说，为实现岸坡、浅水，逐渐向深水区的有效测量，本实施例首先在岸坡使用无人机挂在电磁探头测量山体地质情况，其次在浅水区用拖船在水面拖曳电磁探头测量浅水区的地质情况，最后在深水区将电磁探头下放至水下，离水底2~10m实现深水区地质测量。
第二步，建立水体淤泥层模型：根据水上地震或水上雷达的探测结果，确立水体及淤泥层的空间分布，如图3所示。本实施例中获取整个区域的水面、水底地形高程，以及不同位置的淤泥层厚度。此外，根据区域不同点位和深度的水体样本和淤泥层样本，确立水体和淤泥层的宏观电阻率结构。若测区水体及淤泥层存在明显的电性结构性差异，还需要建立具有结构性差异的电阻率结构，以便更精准的消除水体与淤泥层对电法的干扰。
第三步，建立地空及水域观测系统：根据实际库区，在岸坡设计飞行高度，若岸坡较缓，可以设定统一的飞行高度（即L1方向）；若岸坡较陡，则根据山体地形设定飞行路线（即L2方向），如图4所示；在浅水区，根据水上地震或水上雷达测定结果，将水深十米内范围设定为浅水探测区域，并利用拖船将电磁探头拖曳在水面上，如图5所示；在深水区，将水深超过十米的范围（H)设定为深水探测区域，若水底地形平缓可统一拖曳深度（即L3方向），若水底地形崎岖陡立可按地形调整拖曳深度（即L4方向），如图6。
第四步，对岸坡的地质数据和浅水区和深水区的地质数据进行预处理，去除数据中的突变值。若要处理实测数据，必须要分析数据中的突变值。突变主要来源于无人机及水下探头的摆动，并且还会受到风和动水的影响。因此，必须去掉突变较大的观测值，并对实测数据进行叠加处理及噪音分析，去掉不同因素的干扰。
此外，电磁法可以实施频率域或时间域方法，为了实现多维反演，还可以对时间域数据进行时频转换，以方便实施频率域多维反演，同时降低计算量。
第四步，根据水体淤泥层模型中的物理参数和预采样的电阻率物性参数分布建立初始模型。由于反演存在较大的多解性，因此在正反演计算前，需要先建立可靠的初始模型。首先根据已有的水体及淤泥层物性参数，建立具有已知结构（水体及淤泥层）的电阻率空间结构，其次利用已有的钻井、钻探、岩样等确定测区的基本电阻率物性参数分布，进而建立一个有效的初始模型，同时也可以作为先验信息输入反演程序中，降低反演多解性。
第五步，采用层状介质进行正演计算，具体如下：
本实施例中低空与水域测量，都采用磁偶极子进行发射和接收，在任意层位的电场和磁场满足以下表达式：
Figure 692744DEST_PATH_IMAGE001
(1)
其中，E m 和H m 分别表示任一层的电场矢量与磁场矢量，F表示磁矢量；
Figure 69499DEST_PATH_IMAGE002
(2)
其中，
Figure 80180DEST_PATH_IMAGE003
表示当前层位的电导率，
Figure 48136DEST_PATH_IMAGE004
表示介电常数，
Figure 613110DEST_PATH_IMAGE005
表示圆频率，
Figure 324714DEST_PATH_IMAGE006
表示磁导率；
求得任一层的三轴方向的电场和磁场分量，并通过余弦变换获取时域信号，对时域信号进行时频转化，包括以下步骤：
所述时域信号为阶跃波，其表达式为：
Figure 189902DEST_PATH_IMAGE007
(3)
时域与频域的垂直磁场的表达式为：
Figure 532021DEST_PATH_IMAGE008
(4)
其中，Hz为频率计算后的磁场，Re代表取磁场实部；
垂直磁场的冲激响应表达式为：
Figure 115449DEST_PATH_IMAGE009
(5)
其中，
Figure 834007DEST_PATH_IMAGE010
表示圆频率。
通过上述式子后，即可以进一步给出垂直磁场的冲激响应值，获取时间域的衰减曲线。
第六步，建立低空区、浅水区、深水区的目标函数，并采用拟牛顿法进行反演。
其中，低空区的目标函数的表达式为：
Figure 819280DEST_PATH_IMAGE011
(6)
其中，
Figure 129039DEST_PATH_IMAGE012
表示低空测量的数据，
Figure 403025DEST_PATH_IMAGE013
表示低空测量的正演算子，m表示待求的模型向量，
Figure 456432DEST_PATH_IMAGE014
表示平衡目标函数两部分的权重因子；
Figure 296212DEST_PATH_IMAGE015
表示权重矩阵；T表示矩阵的转置；
所述浅水区的目标函数的表达式为：
Figure 245714DEST_PATH_IMAGE016
(7)
其中，d浅水表示浅水水面测量的数据，d浅水正演表示浅水测量的正演算子；
所述深水区的目标函数的表达式为：
Figure 538155DEST_PATH_IMAGE017
(8)
其中，
Figure 395252DEST_PATH_IMAGE018
表示深水水下测量的数据，
Figure 292801DEST_PATH_IMAGE019
表示深水水下测量的正演算子。
所述权重矩阵的表达式为：
Figure 944362DEST_PATH_IMAGE020
(9)
其中，
Figure 458520DEST_PATH_IMAGE021
表示数据个数；
所述
Figure 853729DEST_PATH_IMAGE022
的表达式为：
Figure 402523DEST_PATH_IMAGE023
(10)
或
Figure 714334DEST_PATH_IMAGE024
(11)
其中，
Figure 981368DEST_PATH_IMAGE025
表示可约束模型的矩阵，
Figure 180268DEST_PATH_IMAGE026
表示钻探、标本获取的已知结构；
所述可约束模型的矩阵的表达式为：
Figure 786830DEST_PATH_IMAGE027
(12)
其中，
Figure 45773DEST_PATH_IMAGE028
表示模型参数个数。
在本实施例中采用拟牛顿法实现最终的反演计算，在本实施例中，在考虑先验信息
Figure 800102DEST_PATH_IMAGE029
情况下，关于公式（6）~（8）的梯度计算进行统一化，其表达式为：
Figure 5955DEST_PATH_IMAGE030
(13)
其中，
Figure 529341DEST_PATH_IMAGE031
表示雅克比矩阵，
Figure 959185DEST_PATH_IMAGE032
表示实测数据与正演响应的残差向量。
关于本实施例的雅克比矩阵元素计算，其包括以下步骤：
预设真实反演参数为以10为底的对数参数v，其与电阻率参数m的表达式为：
Figure 138494DEST_PATH_IMAGE033
(14)
以差分形式近似微分，则雅克比矩阵的任一元素的表达式为：
Figure 679196DEST_PATH_IMAGE034
(15)
其中，
Figure 791509DEST_PATH_IMAGE035
表示第j个数据，
Figure 126675DEST_PATH_IMAGE036
表示第j个模型参数；所述
Figure 855597DEST_PATH_IMAGE037
的取值范围为0.99~0.9999；
对公式（13）引入标记矩阵，其表达为：
Figure 137674DEST_PATH_IMAGE038
(16)
其中，标记矩阵的表达式为：
Figure 635651DEST_PATH_IMAGE039
(17)
其中，
Figure 141719DEST_PATH_IMAGE040
表示模型参数个数，在标记矩阵中，1代表当前参数为自由参数需参与反演，0代表当前参数为固定参数，不参与反演，在本实施例中，将水体和淤泥层参数标记为0。
在本实施例中采用拟牛顿法进行反演，包括以下步骤：
步骤S1，选取对数化处理后的反演初始模型
Figure 826778DEST_PATH_IMAGE041
，并预设迭代次数及拟合差阀值；
步骤S2，求得模型更新方向：
Figure 709283DEST_PATH_IMAGE042
(18)
其中，
Figure 61767DEST_PATH_IMAGE043
表示拟海森矩阵，
Figure 207578DEST_PATH_IMAGE044
表示梯度向量，
Figure 645512DEST_PATH_IMAGE045
表示模型参数向量；步骤S3，搜索步长，并计算更新向量，其表达式为：
Figure 66129DEST_PATH_IMAGE046
(19)
判断是否到达预设的迭代次数及拟合差阀值，若是，则进入步骤S4，否则，进入步骤S2，继续更新；
步骤S4，恢复真实电阻率，并输出真实的电阻率，其表达式为：
Figure 741961DEST_PATH_IMAGE047
。 (20)
基于以上反演过程及步骤，实施例建立3个层状介质模型，用于说明本发明的效果及用途：
如图7所示，本实施例给出的低空测量岸坡时的层状模型，飞行高度1 m，表层电阻率设置为100 Ωm，厚度5 m，破碎层电阻率设置为10 Ωm，厚度5 m，下伏地层电阻率为100Ωm。通过正演获得垂直磁场数据，并加入2%的随机噪音作为反演数据。最终的反演结果如图8所示，从图中的虚线可以看到，低空飞行的数据可以较好的识别地下的破碎层，证明了本发明低空测量技术的正确性。
如图9所示，本实施例给出了浅水区的层状模型，浅水层电阻率设置为50 Ωm，厚度5 m，淤泥层电阻率设置为10 Ωm，厚度2 m，渗漏电阻率100 Ωm，厚度10 m，下伏地层电阻率为500 Ωm。通过正演获得垂直磁场数据，加入2%的随机噪音作为反演数据。最终的反演结果如图10所示，从图中结果可以看到，实线和虚线的水层和淤泥层是重合的，这证明本发明的标记矩阵是可靠的。此外，通过标记矩阵将水层和淤泥层参数固定后，渗漏层和下浮地层参数都有较好的识别效果，证明本发明浅水区的测量技术是正确的。
如图11所示，本实施例给出了深税区的层状模型，深水层电阻率设置为50 Ωm，厚度100 m，淤泥层电阻率设置为10 Ωm，厚度2 m，渗漏电阻率100 Ωm，厚度8 m，下伏地层电阻率为500 Ωm。本实施例通过正演获得垂直磁场数据，加入2%的随机噪音作为反演数据。最终的反演结果如图12所示，从图中结果可以看到，两条曲线在深水层和淤泥层是重合的，再一次证明本发明的标记矩阵是可靠的。此外，通过标记矩阵将深水层和淤泥层参数固定后，渗漏层和下浮地层参数都有较好的识别效果，证明本发明深水区的测量技术是正确的。
综上所述，本发明能兼顾低空、浅水、深水的一体化地质测量，且反演可靠，与现有技术相比具有突出的实质性特点和显著的进步，在岸坡、浅水、深水区地质测量技术领域具有很高的实用价值和推广价值。
上述实施例仅为本发明的优选实施例，并非对本发明保护范围的限制，但凡采用本发明的设计原理，以及在此基础上进行非创造性劳动而作出的变化，均应属于本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于电磁法的低空、浅水、深水一体化地质测量方法，其特征在于，包括以下步骤：
利用无人机搭载电磁探头采集岸坡的地质数据，以及利用船只拖载电磁探头采集浅水区和深水区的地质数据；
采用水上地震或水上雷达法确定库区的水深及淤泥层厚度，并建立水体淤泥层模型；
建立地空及水域观测系统；
对岸坡的地质数据和浅水区和深水区的地质数据进行预处理，去除数据中的突变值；
根据水体淤泥层模型中的物理参数和预采样的电阻率物性参数分布建立初始模型；
采用层状介质进行正演计算；
建立低空区、浅水区、深水区的目标函数，并采用拟牛顿法进行反演。
2.根据权利要求1所述的基于电磁法的低空、浅水、深水一体化地质测量方法，其特征在于，所述初始模型建立包括以下步骤：
根据水体淤泥层模型中的物理参数，建立电阻率空间结构；
利用预采样的样本确定测区的电阻率物性参数分布；
结合电阻率空间结构和电阻率物性参数分布，建立初始模型。
3.根据权利要求1或2所述的基于电磁法的低空、浅水、深水一体化地质测量方法，其特征在于，采用层状介质进行正演计算，包括以下步骤：
采用磁偶极子进行发射和接收，且任一层位的电场和磁场满足以下表达式：
Figure 911953DEST_PATH_IMAGE001
(1)
其中，E m 和H m 分别表示任一层的电场矢量与磁场矢量，F表示磁矢量；
Figure 297935DEST_PATH_IMAGE002
(2)
其中，
Figure 77672DEST_PATH_IMAGE003
表示当前层位的电导率，
Figure 472882DEST_PATH_IMAGE004
表示介电常数，
Figure 487586DEST_PATH_IMAGE005
表示圆频率，
Figure 310049DEST_PATH_IMAGE006
表示磁导率；
求得任一层的三轴方向的电场和磁场分量，并通过余弦变换获取时域信号；
对时域信号进行时频转化，获取时间域的衰减曲线。
4.根据权利要求3所述的基于电磁法的低空、浅水、深水一体化地质测量方法，其特征在于，对时域信号进行时频转化，包括以下步骤：
所述时域信号为阶跃波，其表达式为：
Figure 780345DEST_PATH_IMAGE007
(3)
时域与频域的垂直磁场的表达式为：
Figure 979245DEST_PATH_IMAGE008
(4)
其中，Hz为频率计算后的磁场，Re代表取磁场实部；
垂直磁场的冲激响应表达式为：
Figure 648123DEST_PATH_IMAGE009
(5)
其中，
Figure 110329DEST_PATH_IMAGE010
表示圆频率。
5.根据权利要求4所述的基于电磁法的低空、浅水、深水一体化地质测量方法，其特征在于，建立低空区、浅水区、深水区的目标函数，包括以下步骤：
所述低空区的目标函数的表达式为：
Figure 864658DEST_PATH_IMAGE011
(6)
其中，
Figure 601670DEST_PATH_IMAGE012
表示低空测量的数据，
Figure 328318DEST_PATH_IMAGE013
表示低空测量的正演算子，m表示待求的模型向量，
Figure 758162DEST_PATH_IMAGE014
表示平衡目标函数两部分的权重因子；
Figure 999787DEST_PATH_IMAGE015
表示权重矩阵；T表示矩阵的转置；
所述浅水区的目标函数的表达式为：
Figure 743752DEST_PATH_IMAGE016
(7)
其中，d浅水表示浅水水面测量的数据， d浅水正演表示浅水测量的正演算子；
所述深水区的目标函数的表达式为：
Figure 387223DEST_PATH_IMAGE017
(8)
其中，
Figure 925652DEST_PATH_IMAGE018
表示深水水下测量的数据，
Figure 654574DEST_PATH_IMAGE019
表示深水水下测量的正演算子，所述权重矩阵的表达式为：
Figure 733388DEST_PATH_IMAGE020
(9)
其中，
Figure 700207DEST_PATH_IMAGE021
表示数据个数；
所述
Figure 471854DEST_PATH_IMAGE022
的表达式为：
Figure 422493DEST_PATH_IMAGE023
(10)
或
Figure 508260DEST_PATH_IMAGE024
(11)
其中，
Figure 860744DEST_PATH_IMAGE025
表示可约束模型的矩阵，
Figure 803292DEST_PATH_IMAGE026
表示钻探、标本获取的已知结构；
所述可约束模型的矩阵的表达式为：
Figure 444489DEST_PATH_IMAGE027
(12)
其中，
Figure 865106DEST_PATH_IMAGE028
表示模型参数个数。
6.根据权利要求5所述的基于电磁法的低空、浅水、深水一体化地质测量方法，其特征在于，对公式（6）~（8）的梯度计算进行统一化，其表达式为：
Figure 337676DEST_PATH_IMAGE029
(13)
其中，
Figure 919967DEST_PATH_IMAGE030
表示雅克比矩阵，
Figure 845198DEST_PATH_IMAGE031
表示实测数据与正演响应的残差向量。
7.根据权利要求6所述的基于电磁法的低空、浅水、深水一体化地质测量方法，其特征在于，对雅克比矩阵的元素进行计算，其包括以下步骤：
预设真实反演参数为以10为底的对数参数v，其与电阻率参数m的表达式为：
Figure 272768DEST_PATH_IMAGE032
(14)
以差分形式近似微分，则雅克比矩阵的任一元素的表达式为：
Figure 334265DEST_PATH_IMAGE033
(15)
其中，
Figure 618616DEST_PATH_IMAGE034
表示第j个数据，
Figure 499984DEST_PATH_IMAGE035
表示第j个模型参数；所述
Figure 527983DEST_PATH_IMAGE036
的取值范围为0.99~0.9999；
对公式（13）引入标记矩阵，其表达为：
Figure 709566DEST_PATH_IMAGE037
(16)
其中，标记矩阵的表达式为：
Figure 99571DEST_PATH_IMAGE038
(17)
其中，
Figure 999394DEST_PATH_IMAGE039
表示模型参数个数。
8.根据权利要求7所述的基于电磁法的低空、浅水、深水一体化地质测量方法，其特征在于，采用拟牛顿法进行反演，包括以下步骤：
步骤S1，选取对数化处理后的反演初始模型
Figure 565505DEST_PATH_IMAGE040
，并预设迭代次数及拟合差阀值；
步骤S2，求得模型更新方向：
Figure 336014DEST_PATH_IMAGE041
(18)
其中，
Figure 696589DEST_PATH_IMAGE042
表示拟海森矩阵，
Figure 83708DEST_PATH_IMAGE043
表示梯度向量，
Figure 656771DEST_PATH_IMAGE044
表示模型参数向量；
步骤S3，搜索步长，并计算更新向量，其表达式为：
Figure 547367DEST_PATH_IMAGE045
(19)
判断是否到达预设的迭代次数及拟合差阀值，若是，则进入步骤S4，否则，进入步骤S2，继续更新；
步骤S4，恢复真实电阻率，并输出真实的电阻率，其表达式为：
Figure 813263DEST_PATH_IMAGE046
(20)
其中，m为电阻率参数。
9.一种基于电磁法的低空、浅水、深水一体化地质测量装置，其特征在于，包括：
无人机，搭载有电磁探头，并进行库区的岸坡的地质数据采集；
船只，搭载有电磁探头，并进行库区内的浅水区和深水区的地质数据采集；
水体淤泥层模型建立模块，采用水上地震或水上雷达法确定库区的水深及淤泥层厚度，并建立水体淤泥层模型；
数据预处理模块，对岸坡的地质数据和浅水区和深水区的地质数据进行预处理，去除数据中的突变值；
初始模型建立模块，根据水体淤泥层模型中的物理参数和预采样的电阻率物性参数分布建立初始模型；
正演模块，采用层状介质进行正演计算；
反演模块，建立低空区、浅水区、深水区的目标函数，并采用拟牛顿法进行反演。
10.一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在所述存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述计算机程序时实现权要求1至8任一项项所述的一种基于电磁法的低空、浅水、深水一体化地质测量方法。
CN202210321589.XA 2022-03-30 2022-03-30 一种基于电磁法的低空、浅水、深水一体化地质测量方法 Active CN114518605B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202210321589.XA CN114518605B (zh) 2022-03-30 2022-03-30 一种基于电磁法的低空、浅水、深水一体化地质测量方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202210321589.XA CN114518605B (zh) 2022-03-30 2022-03-30 一种基于电磁法的低空、浅水、深水一体化地质测量方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN114518605A true CN114518605A (zh) 2022-05-20
CN114518605B CN114518605B (zh) 2022-09-20

Family

ID=81600186

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202210321589.XA Active CN114518605B (zh) 2022-03-30 2022-03-30 一种基于电磁法的低空、浅水、深水一体化地质测量方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN114518605B (zh)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN117111178A (zh) * 2023-10-18 2023-11-24 中国电建集团贵阳勘测设计研究院有限公司 一种堤坝隐患和险情空地水协同探测系统及方法

Citations (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN104019803A (zh) * 2014-05-16 2014-09-03 东华理工大学 基于双船模式的水域、滩涂及岸坡地理空间信息测量平台
CN104237956A (zh) * 2014-03-06 2014-12-24 长安大学 电性源瞬变电磁地空探测方法
CN105158808A (zh) * 2015-07-01 2015-12-16 长安大学 一种浅海瞬变电磁海空探测及其解释方法
CN106338774A (zh) * 2016-08-24 2017-01-18 成都理工大学 一种基于电导率‑深度成像的时间域航空电磁数据反演方法
US20180364390A1 (en) * 2017-06-16 2018-12-20 Pgs Geophysical As Electromagnetic Data Inversion
CN109398624A (zh) * 2018-12-07 2019-03-01 长江水利委员会水文局长江中游水文水资源勘测局 一种应用于河道岸坡监测的模块化多波束测深移动平台
CN109597132A (zh) * 2018-12-26 2019-04-09 中国科学院声学研究所 一种浅海磁性源瞬变电磁探测装置及探测方法
CN110703335A (zh) * 2019-10-22 2020-01-17 安徽理工大学 一种拖曳式的水底地质电法探测系统和方法
CN112068212A (zh) * 2020-07-30 2020-12-11 成都理工大学 一种无人机半航空时间域电磁探测数据分析解释方法
CN113156527A (zh) * 2021-01-08 2021-07-23 北京桔灯地球物理勘探股份有限公司 应用于浅层水域船载硬链接的高精度铯光泵动态磁测系统

Patent Citations (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN104237956A (zh) * 2014-03-06 2014-12-24 长安大学 电性源瞬变电磁地空探测方法
CN104019803A (zh) * 2014-05-16 2014-09-03 东华理工大学 基于双船模式的水域、滩涂及岸坡地理空间信息测量平台
CN105158808A (zh) * 2015-07-01 2015-12-16 长安大学 一种浅海瞬变电磁海空探测及其解释方法
CN106338774A (zh) * 2016-08-24 2017-01-18 成都理工大学 一种基于电导率‑深度成像的时间域航空电磁数据反演方法
US20180364390A1 (en) * 2017-06-16 2018-12-20 Pgs Geophysical As Electromagnetic Data Inversion
CN109398624A (zh) * 2018-12-07 2019-03-01 长江水利委员会水文局长江中游水文水资源勘测局 一种应用于河道岸坡监测的模块化多波束测深移动平台
CN109597132A (zh) * 2018-12-26 2019-04-09 中国科学院声学研究所 一种浅海磁性源瞬变电磁探测装置及探测方法
CN110703335A (zh) * 2019-10-22 2020-01-17 安徽理工大学 一种拖曳式的水底地质电法探测系统和方法
CN112068212A (zh) * 2020-07-30 2020-12-11 成都理工大学 一种无人机半航空时间域电磁探测数据分析解释方法
CN113156527A (zh) * 2021-01-08 2021-07-23 北京桔灯地球物理勘探股份有限公司 应用于浅层水域船载硬链接的高精度铯光泵动态磁测系统

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
王堃鹏等: "无人机频率域半航空电磁法三维反演", 《地球物理学报》 *

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN117111178A (zh) * 2023-10-18 2023-11-24 中国电建集团贵阳勘测设计研究院有限公司 一种堤坝隐患和险情空地水协同探测系统及方法
CN117111178B (zh) * 2023-10-18 2024-02-06 中国电建集团贵阳勘测设计研究院有限公司 一种堤坝隐患和险情空地水协同探测系统及方法

Also Published As

Publication number Publication date
CN114518605B (zh) 2022-09-20

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Watlet et al. Imaging groundwater infiltration dynamics in the karst vadose zone with long-term ERT monitoring
Jeannin et al. Multiconfiguration GPR measurements for geometric fracture characterization in limestone cliffs (Alps)
CN100429529C (zh) 利用全波列、偶极横波测井资料确定气层的方法
CN102759745A (zh) 一种基于数字地质露头模型正演的碳酸盐岩储层预测方法
Finn et al. Three-dimensional geophysical mapping of shallow water saturated altered rocks at Mount Baker, Washington: Implications for slope stability
CN110244352A (zh) 一种基于变密度的地壳厚度重力反演方法
CN105116453A (zh) 一种冻土带天然气水合物的瞬变电磁勘探方法及装置
Imposa et al. 3D subsoil model of the San Biagio ‘Salinelle’mud volcanoes (Belpasso, SICILY) derived from geophysical surveys
CN110018528B (zh) 幔源油气综合地质分析方法
CN104268848A (zh) 一种海洋内波波速监测的方法
CN103091718A (zh) 一种利用极低频海洋电磁法进行海洋油气资源勘探的方法
CN114518605B (zh) 一种基于电磁法的低空、浅水、深水一体化地质测量方法
CN108169802A (zh) 一种粗糙介质模型的时域电磁数据慢扩散成像方法
Jia et al. A multidisciplinary approach in cover-collapse sinkhole analyses in the mantle karst from Guangzhou City (SE China)
Winship et al. Flow and transport in the unsaturated Sherwood Sandstone: characterization using cross-borehole geophysical methods
Baltassat et al. Magnetic resonance sounding (MRS) and resistivity characterisation of a mountain hard rock aquifer: the Ringelbach Catchment, Vosges Massif, France
CN105044782A (zh) 一种海洋地下介质总有机碳含量的获取方法
Acworth The electrical image method compared with resistivity sounding and electromagnetic profiling for investigation in areas of complex geology: A case study from groundwater investigation in a weathered crystalline rock environment
AU2020101106A4 (en) A controlled-source audio-frequency magnetotellurics method for prospecting deeply buried resources
Sakindi Three-Dimensional Inversion of Magnetotelluric Data: Geological/Geothermal Interpretation of Asal Geothermal Field, Djibouti.
Perez-Flores et al. Three-dimensional inverse modeling of EM-LIN data for the exploration of coastal sinkholes in Quintana Roo, Mexico
Sailhac et al. Characterizing the vadose zone and a perched aquifer near the Vosges ridge at the La Soutte experimental site, Obernai, France
CN114814967B (zh) 局部海域扰动重力数据反演高分辨率海底地形非线性方法
Vanhala et al. Integrated geophysical study of acid sulphate soil area near Seinäjoki, Southern Finland
Gong et al. Application of electrical resistivity tomography method in archaeological excavation

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant