CN114779352A - 一种基于空-地-井多维电磁法的地质体勘测系统 - Google Patents

一种基于空-地-井多维电磁法的地质体勘测系统 Download PDF

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Abstract

本申请公开了一种基于空‑地‑井多维电磁法的地质体勘测系统，包括：空中电磁测量模块、地面电磁测量模块、井‑地电磁测量模块、井‑空电磁测量模块、数据处理及快速电阻率成像模块和空‑地‑井孔联合反演计算模块。本申请综合研究将空中、地面、井孔电磁进行联合勘测，实现空间立体勘测，提高勘测精度，达到量化计算的目的。本申请在全面考虑地质体空间三维结构基础上，实现对地质灾害和生态环境问题的高精度、量化勘测。

Description

一种基于空-地-井多维电磁法的地质体勘测系统
技术领域
本申请涉及地质勘测领域，具体涉及一种基于空-地-井多维电磁法的地质体勘测系统。
背景技术
我国地质灾害频发，生态环境破坏严重，在勘测相关技术领域已经有诸多方法对此进行研究及勘测，但目前的研究更多的是依靠遥感技术和地表传感器对其表象进行监测，无法实现对地质体深部的勘测。同时，目前的地球物理手段更多是进行地面勘测，综合研究并没有考虑将空中、地面、井孔电磁进行联合勘测，实现空间立体勘测，提高勘测精度，达到量化计算的目的。本申请可全面考虑地质体空间三维结构，实现对地质灾害和生态环境问题的高精度、量化勘测。
发明内容
本申请提出了一种基于空-地-井多维电磁法的地质体勘测系统，在全面考虑地质体空间三维结构的基础上，实现对地质灾害和生态环境问题的高精度、量化勘测。
为实现上述目的，本申请提供了一种基于空-地-井多维电磁法的地质体勘测系统，包括：空中电磁测量模块、地面电磁测量模块、井-地电磁测量模块、井-空电磁测量模块、数据处理及快速电阻率成像模块和空-地-井孔联合反演计算模块。
所述空中电磁测量模块用于开展空域电磁法勘测，得到第一数据；
所述地面电磁测量模块用于开展地面电磁法勘测，得到第二数据；
所述井-地电磁测量模块用于井-地联合电磁探测，得到第三数据；
所述井-空电磁测量模块用于井-空联合电磁探测，得到第四数据；
所述数据处理及快速电阻率成像模块用于对所述第一数据、所述第二数据、所述第三数据和所述第四数据进行预处理，所述数据处理及快速电阻率成像模块还用于进行整个空间区域成像；
所述空-地-井孔联合反演计算模块用于对预处理后的所述第一数据、所述第二数据、所述第三数据和所述第四数据实施联合反演，实现精准量化勘测。
可选的，所述空域电磁法勘测方法包括：利用半航空或全航空电磁探测法，进行浅表异常体测量，得到第一数据。
可选的，所述地面电磁法勘测方法包括：采用地面大地电磁、可控源频域和时域电磁法，得到第二数据。
可选的，所述井-地联合电磁探测方法包括：在井孔中发射频域或时域信号，在地面观测五分量信号，进行井-地联合电磁探测，得到第三数据。
可选的，所述井-空联合电测探测方法包括：在井孔中发射频域或时域信号，在空中开展三分量磁场信号探测，进行井-空联合电磁探测，得到第四数据。
可选的，所述数据处理及快速电阻率成像模块对数据进行预处理的方法包括：采用叠加和滤波手段对所述第一数据、所述第二数据、所述第三数据和所述第四数据分别进行去噪，得到处理后的数据；
优选的，根据所述处理后的数据实施基于一维线性搜索算法的电阻率快速成像。其中，所述第一数据依据趋肤深度的一半设定为浅表成像；所述第二数据依据低频信号的趋肤深度的一半，设定为中深部成像；所述第三数据和所述第四数据成像结果则根据发射源的所在位置，将成像结果投射在前两步结果中进行。最终进行整个空间区域成像。
可选的，所述空-地-井孔联合反演计算模块实施联合反演的具体方法包括：数据联合、同步联合或异步联合。
可选的，所述数据联合为将所述第一数据、所述第二数据、所述第三数据和所述第四数据集成在一个反演目标函数中。
可选的，所述同步联合为将所述第一数据、所述第二数据、所述第三数据和所述第四数据实施单独反演，但在反演过程中同步交换电阻率信息，以实现结构互补。
可选的，所述异步联合为将所述第一数据、所述第二数据、所述第三数据和所述第四数据实施分步反演，先开展空中电磁反演，将其结果作为地面电磁的初始模型进一步反演，最后将此结果作为井-地、井-空电磁的初始模型实施最后一步反演。
与现有技术相比，本申请的有益效果如下：
本申请公开了一种基于空-地-井多维电磁法的地质体勘测系统，
通过空中、地面、井孔勘测的配合，实现电磁法在空域、地面、井孔的一体化测量，对地质体实现全域分析，获取滑坡、泥石流、渗漏污染等灾害体的高精度、量化勘测，为我国地质灾害的精准预报和环境污染等问题的监测提供量化计算的勘测系统。
附图说明
为了更清楚地说明本申请的技术方案，下面对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本实施例中空-地-井多维电磁勘测系统结构示意图；
图2为本实施例中提供的无人机飞行路径示意图；
图3为本实施例中提供的地质体井-地电磁测量方式示意图；
图4为本实施例中提供的地质体井-空电磁测量方式示意图；
图5为本实施例中提供的勘测系统工作流程示意图。
具体实施方式
下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。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。
为使本申请的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本申请作进一步详细的说明。
如图1所示，为本申请实施例的空-地-井多维电磁勘测系统结构示意图主要包括空中电磁测量模块、地面电磁测量模块、井-地电磁测量模块、井-空电磁测量模块、数据处理及快速电阻率成像模块和空-地-井孔联合反演计算模块。
其中，空中电磁测量模块用于开展空域电磁法勘测，得到第一数据。地面电磁测量模块用于开展地面电磁法勘测，得到第二数据。井-地电磁测量模块用于井-地联合电磁探测，得到第三数据。井-空电磁测量模块用于井-空联合电磁探测，得到第四数据。数据处理及快速电阻率成像模块用于对第一数据、第二数据、第三数据和第四数据进行预处理和进行整个空间区域成像。空-地-井孔联合反演计算模块用于对预处理后的第一数据、第二数据、第三数据和第四数据实施联合反演，实现精准量化勘测
下面，结合本实施例，具体介绍各个系统部分的结构组成和功能实现。
在本实施例中，空中电磁测量模块用于得到第一数据。可以根据实际情况设计使用半航空或全航空频域、时域电磁，发射源可以由多个线源组成。若发射信号为频域信号，则要求无人机在空中需要悬停，悬停时间根据采样率和叠加次数设计；如果发射信号为时域信号，则要求无人机在慢速下飞行，获取二次场信号。此外，如图2所示，可以根据地形设计为固定飞行高度或按地形实施变换飞行高度。若地形相对较好，且环境噪音不大，可按照固定飞行高度实施测量；若地形崎岖，且环境噪音较大，则设计为根据地形起伏实施变换高度飞行。最后，空中飞行的测量数据设定为三分量磁场，三分量磁场为两个正交的水平磁场分量以及一个垂直磁场分量。
地面电磁测量模块用于得到第二数据。根据实际情况，进一步布置地面观测台站，选用大地电磁、可控源电磁法或瞬变电磁法。布置地面观测站台的目的是增加整个系统的测量深度，无人机所能携带的探头重量有限，现阶段测量深度还不能太大。因此，面对巨型滑坡体的探测，有必要增加地面观测系统。
地面观测实施五分量电磁场测量，五分量电磁场包含两个正交的水平电场，以及三分量磁场。若滑坡体上布置有钻孔，还可以在井孔中进一步布置探头，测量垂直磁场分量或垂直电场分量，并且可以在钻井过程中调整探头深度，达到更精准的探测。
然而在实际情况下，地面数据可能无法对底部结构有更精准的识别，因此井-地电磁测量模块和井-空电磁测量模块可以更有效地对滑坡体及基岩进行更精准的测量。如图3所示，发射源在井中，当地形较好时，利用井-地电磁测量模块，可在表层测量信息更丰富的五分量电磁场来得到第三数据，五分量电磁场包含两个正交的水平电场，以及三分量磁场；当地形较差时，如图4所示，则利用井-空电磁测量模块，使用无人机在空中测量，采集三分量磁场来得到第四数据。
本申请实施的空-地-井多维电磁测量，均可实施频域或时域测量，由于飞行抖动及其它不确定干扰，所以首先要利用数据处理及快速电阻率成像模块对第一数据、第二数据、第三数据和第四数据实施叠加处理，再进一步开展滤波处理。
数据处理及快速电阻率成像模块还运用在快速电阻率成像方面。首先对于空中测量成像，以一维均匀半空间解析解作为基础，实施基于一维线性搜索的最佳电阻率寻优，线性搜索方案可以为二分法等，深度可基于趋肤深度的一半作为当前频率或时间点的深度。
对于地面测量成像而言，可采用大地电磁、可控源电磁法或瞬变电磁方法，大地电磁法可以使用经典的卡尼亚视电阻率计算电阻率值，可控源电磁法与瞬变电磁法可同样采用基于一维线性搜索的最佳电阻率寻优，当前频率或时间点的对应深度继续以趋肤深度的一半作为计算依据。
对于井中测量成像而言，由于对应的位置与滑坡体相隔较近，且电磁场受场源附近的地层影响极大，因此关于井中发射装置，在井-地或井-空下，都将计算出的电阻率赋予源周围的电阻率，电阻率计算依据同样以一维均匀半空间解析解作为基础，实施基于一维线性搜索的最佳电阻率寻优。
最终数据处理及快速电阻率成像模块将空-地-井电阻率成像结果，按浅、中深部及井周围以此进行电阻率成像拼接，获得最终整体的电阻率成像结果。
空-地-井孔联合反演计算模块用于将第一数据、第二数据、第三数据和第四数据实施联合反演，可选用数据联合、同步或异步联合。数据联合以以下函数为反演目标函数：
Figure BDA0003671496010000071
其中，d空代表半航空或全航空无人机测量的频域或时域数据，d空正演代表无人机相应方法的正演算子，d地代表地面电磁法测量的频域或时域数据，d地正演代表地面电磁法相应方法的正演算子，d井代表井-地、井-空测量的频域或时域数据，d井正演代表井空或井地电磁法方法的正演算子。λ为模型项的权重因子，m为参数向量。
式中，W空d为半航空或全航空无人机测量的数据权重矩阵，其具体形式为：
Figure BDA0003671496010000081
W地d为地面电磁法测量的频域或时域数据权重矩阵，其具体形式为：
Figure BDA0003671496010000082
W#d为井空或井地电磁法测量的频域或时域数据权重矩阵，其具体形式为：
Figure BDA0003671496010000083
式(1)展示的为数据联合形式下的空-地-井孔联合反演，若开展同步或异步联合反演则可以将式(1)所示的各方法数据项拆分，逐一计算。本申请在式(1)所示的目标函数下，可进一步选用拟牛顿法、非线性共轭梯度法或高斯牛顿法实施反演进程。
本实施例系统的工作流程可参考图5。
以上所述的实施例仅是对本申请优选方式进行的描述，并非对本申请的范围进行限定，在不脱离本申请设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本申请的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本申请权利要求书确定的保护范围内。

Claims (10)

1.一种基于空-地-井多维电磁法的地质体勘测系统,其特征如下，具体包括：空中电磁测量模块、地面电磁测量模块、井-地电磁测量模块、井-空电磁测量模块、数据处理及快速电阻率成像模块和空-地-井孔联合反演计算模块；
所述空中电磁测量模块用于开展空域电磁法勘测，得到第一数据；
所述地面电磁测量模块用于开展地面电磁法勘测，得到第二数据；
所述井-地电磁测量模块用于井-地联合电磁探测，得到第三数据；
所述井-空电磁测量模块用于井-空联合电磁探测，得到第四数据；
所述数据处理及快速电阻率成像模块用于对所述第一数据、所述第二数据、所述第三数据和所述第四数据进行预处理，所述数据处理及快速电阻率成像模块还用于进行整个空间区域成像；
所述空-地-井孔联合反演计算模块用于对预处理后的所述第一数据、所述第二数据、所述第三数据和所述第四数据实施联合反演，实现精准量化勘测。
2.根据权利要求1所述的一种基于空-地-井多维电磁法的地质体勘测系统,其特征如下，所述空域电磁法勘测方法包括：利用半航空或全航空电磁探测法，进行浅表异常体测量，得到第一数据。
3.根据权利要求1所述的一种基于空-地-井多维电磁法的地质体勘测系统,其特征如下，所述地面电磁法勘测方法包括：采用地面大地电磁、可控源频域和时域电磁法，得到第二数据。
4.根据权利要求1所述的一种基于空-地-井多维电磁法的地质体勘测系统,其特征如下，所述井-地联合电磁探测方法包括：在井孔中发射频域或时域信号，在地面观测五分量信号，进行井-地联合电磁探测，得到第三数据。
5.根据权利要求1所述的一种基于空-地-井多维电磁法的地质体勘测系统,其特征如下，所述井-空联合电测探测方法包括：在井孔中发射频域或时域信号，在空中开展三分量磁场信号探测，进行井-空联合电磁探测，得到第四数据。
6.根据权利要求1所述的一种基于空-地-井多维电磁法的地质体勘测系统,其特征如下，
所述数据处理及快速电阻率成像模块对数据进行预处理的方法包括：采用叠加和滤波手段对所述第一数据、所述第二数据、所述第三数据和所述第四数据分别进行去噪，得到处理后的数据；
所述数据处理及快速电阻率成像模块用于进行整个空间区域成像方法包括：根据所述处理后的数据实施基于一维线性搜索算法的电阻率快速成像；其中，所述第一数据依据趋肤深度的一半设定为浅表成像；所述第二数据依据低频信号的趋肤深度的一半，设定为中深部成像；所述第三数据和所述第四数据成像结果则根据发射源的所在位置，将成像结果投射在前两步结果中进行；最终进行整个空间区域成像。
7.根据权利要求1所述的一种基于空-地-井多维电磁法的地质体勘测系统,其特征如下，所述空-地-井孔联合反演计算模块实施联合反演的方法包括：数据联合、同步联合或异步联合。
8.根据权利要求7所述的一种基于空-地-井多维电磁法的地质体勘测系统,其特征如下，所述数据联合为将所述第一数据、所述第二数据、所述第三数据和所述第四数据集成在一个反演目标函数中。
9.根据权利要求7所述的一种基于空-地-井多维电磁法的地质体勘测系统,其特征如下，所述同步联合为将所述第一数据、所述第二数据、所述第三数据和所述第四数据实施单独反演，但在反演过程中同步交换电阻率信息，以实现结构互补。
10.根据权利要求7所述的一种基于空-地-井多维电磁法的地质体勘测系统,其特征如下，所述异步联合为将所述第一数据、所述第二数据、所述第三数据和所述第四数据实施分步反演，先开展空中电磁反演，将其结果作为地面电磁的初始模型进一步反演，最后将此结果作为井-地、井-空电磁的初始模型实施最后一步反演。
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