李 星 ，亢會明 ，吳有亮 ，王 俊 ，趙倩倩，雷 宛

（1.成都理工大學(xué) 地球物理學(xué)院，成都 610059；2.中國石油工程設(shè)計院有限公司 西南分公司，成都 610010）

0 前言

工程物探是工程勘察中的一種重要的手段。在工程勘察過程中，對鉆孔以外盲區(qū)的地層，通常進行簡單連線、推測，無法掌握中間一些地層變化情況，尤其是一些不良地質(zhì)情況。通過工程物探可以針對這些鉆孔無法探測到的地區(qū)進行探測，反演出較好的底層形態(tài)，以供勘查人員對工作區(qū)進行正確的地下地質(zhì)解釋。

由于社會的發(fā)展與科技水平的提高，工程勘察場地的地形條件越來越復(fù)雜，要求的勘探精度也越來越高。簡單的一維鉆探解釋與二維物探剖面，已經(jīng)無法滿足目前的工程勘察需求。在工程勘察深度、廣度不斷拓展的今天，為了更有效、更直觀地表現(xiàn)地下地質(zhì)體的各類特征，迫切需要三維成像技術(shù)的應(yīng)用。三維成像技術(shù)，其數(shù)據(jù)的連續(xù)性、直觀性，對于解決特殊地質(zhì)情況下工程勘察的作用是無法替代且十分必要的［12］。

因此作者針對工程實際，利用autocad輔助二次開發(fā)與access存儲數(shù)據(jù)庫技術(shù)［14］，開發(fā)出一套適用于多種工程物探方法綜合成像的工程物探綜合成像系統(tǒng)。該系統(tǒng)可對多種物探方法進行三維可視化全方位成像，并將數(shù)據(jù)保存至所建立的工區(qū)數(shù)據(jù)庫中以方便查看與修改。

1 物探方法、開發(fā)工具簡介

1.1 物探方法簡介［2、19］

1.1.1 高密度電法

電阻率法（簡稱電法）是以巖土介質(zhì)的電性差異為基礎(chǔ)，通過觀測和研究人工建立的地中穩(wěn)定電流場的分布規(guī)律，從而達到解決某些地質(zhì)問題的目的。

由于地殼中巖石和土層導(dǎo)電性差異的普遍存在，因此電阻率法在工程、環(huán)境地質(zhì)調(diào)查及考古等領(lǐng)域，獲得了廣泛地應(yīng)用。

高密度電法是將電阻率測深法與電阻率剖面法相結(jié)合的一種改進裝置，由于其自動化采集與陣列式的一次性布極方式，可同時提供地下剖面縱向與橫向電阻率的變化特征，大大減少了電法采集的工作量，提高了野外的工作效率。同時高密度電法有多種裝置類型可供選擇，從而可以適應(yīng)各種地電條件下的電法勘探工作。

高密度電法的觀測系統(tǒng)，包括數(shù)據(jù)采集和資料處理兩部份。在現(xiàn)場測量時，只需要將全部電極設(shè)置在一定間隔的測點上，觀測密度遠比常規(guī)的電阻率法大，測點間隔一般為1m～10m。采用多芯電纜連接到程控式多路電極開關(guān)上，電極開關(guān)是一種由單片機控制的電極自動轉(zhuǎn)換裝置，可以根據(jù)需要自動進行電極裝置形式、極距及測點的轉(zhuǎn)換。

1.1.2 淺層地震反射波法［1、11、18］

在不同的彈性介質(zhì)的分界面上，當(dāng)有地震波經(jīng)過時，所經(jīng)過的地震波即會按照一定規(guī)律在界面上發(fā)生反射。地震勘探的反射波法就是利用這種規(guī)律，以人工激發(fā)向下傳播的地震波，接受反射回來的反射回波來進行地下地質(zhì)構(gòu)造解釋的一種物探方法。

不同彈性介質(zhì)分界面間的反射系數(shù)Rn為：

式中ρn、ρn－1分別表示在第n層、第n－1層中介質(zhì)的密度；Vn、Vn－1則分別表示彈性波在相應(yīng)介質(zhì)中的傳播速度。

由于反射系數(shù)的存在，因此，不同界面的反射波形態(tài)與振幅不盡相同。地震反射波法就是通過分析處理在地面布置的檢波器接受的反射波，來確定地下構(gòu)造與地下介質(zhì)的各種物性參數(shù)，從而達到工程勘察的目的。

1.1.3 地質(zhì)雷達探測

探 地 雷 達（Ground Penetrating Radar 簡 稱GPR）又稱地質(zhì)雷達，透地雷達，是用頻率介于106Hz～109Hz的無線電波來確定地下介質(zhì)分布的一種方法。探地雷達利用高頻電磁波（主頻為數(shù)十兆赫至數(shù)百兆赫以至千兆赫）以寬頻帶短脈沖形式，由地面通過天線T 送入地下，經(jīng)地下地層或目的體反射后返回地面，為另一天線R 所接收（見圖1）。脈沖波行程需時：

圖1 探地雷達記錄示意圖Fig.1 GPR record records diagram

探地雷達通過發(fā)射天線向地下發(fā)射高頻電磁波，通過接收天線接收反射回地面的電磁波。電磁波在地下介質(zhì)中傳播時，遇到存在電性差異的界面時發(fā)生反射，根據(jù)接收到電磁波的波形、振幅強度和時間的變化特征，推斷出地下介質(zhì)的空間位置、結(jié)構(gòu)、形態(tài)和埋藏深度。探地雷達可用于檢測各種材料，如巖石、泥土、礫石，以及人造材料如混凝土、磚、瀝青等的組成。雷達可確定金屬或非金屬管道、下水道、纜線、纜線管道、孔洞、基礎(chǔ)層、混凝土中的鋼筋及其它地下埋件的位置，還可檢測不同巖層的深度和厚度，所以它常用于地面作業(yè)開工前對地面作一個廣泛的調(diào)查。

1.2 軟件開發(fā)工具簡介［1］

1.2.1 Visual Basic［8］

Visual Basic是Microsoft公司于1991年在BASIC 語言的基礎(chǔ)上，研發(fā)出的一套新一代的程序設(shè)計語言，其特點是可以快速建立一個功能較為成熟全面的應(yīng)用程序。相較于老的BASIC 語言Visual Basic是面向?qū)ο蟮?、可視化的，并且以事件?qū)動為運行機制的。它可以輕松地通過DAO、RDO、ADO 與數(shù)據(jù)庫連接。

1.2.2 Visual C＋＋［7］

Microsoft Visual C＋＋（簡稱Visual C＋＋、MSVC、VC＋＋或VC），是微軟公司的C＋＋開發(fā)工具，具有集成開發(fā)環(huán)境，可提供編輯C 語言，C＋＋以及C＋＋／CLI等編程語言。VC＋＋整合了便利的除錯工具，特別是整合了微軟視窗程式設(shè)計（Windows API）、三維動畫DirectX API、Microsoft.NET 框架。

1.2.3 AUTOCAD 二次開發(fā)［3］

AutoCAD 的二次開發(fā)工具主要有：Visual－Lisp、VBA、ObjectARX 和.NET API等。其中，VisualLisp與VBA 較為簡單，特別是VBA 使用方便且開發(fā)速度較快；VBA 即Mcrosoft office中的Visual Basic for Applications，它被集成到AutoCAD 2000中。VBA 為開發(fā)者提供了一種新的選擇，也為用戶訪問AutoCAD 2000中豐富的技術(shù)框架打開一條新的通道。VBA 和AutoCAD 2000中強大的ActiveX 自動化對象模型的結(jié)合，代表了一種新型的定制AutoCAD 的模式構(gòu)架。通過VBA，我們可以操作AutoCAD，控制ActiveX 和其它一些應(yīng)用程序，使之相互之間發(fā)生互易活動。特別是利用VBA，可以和Microsoft office access數(shù)據(jù)庫進行良好的互動，非常利于勘察測繪中大量數(shù)據(jù)與成像系統(tǒng)之間的連接。

2 關(guān)鍵技術(shù)

2.1 Access數(shù)據(jù)庫技術(shù)［6、9、13、14］

需要將各種數(shù)據(jù)資料數(shù)字化存入數(shù)據(jù)庫，數(shù)據(jù)庫內(nèi)容選擇的原因有很多，概括起來主要有以下幾點。

（1）存儲空間的原因。每個工區(qū)物探數(shù)據(jù)與地質(zhì)資料數(shù)據(jù)一般都相當(dāng)龐大，而大家都知道各個數(shù)據(jù)資料是存放在磁盤陣列上的，磁盤陣列由服務(wù)器來管理，磁盤空間是有限的，服務(wù)器的能力也是有限的，不可能無限量地存入數(shù)字資源，這就需要我們對各種地質(zhì)資料數(shù)字化內(nèi)容進行存儲與管理。

（2）數(shù)字資源管理的需要。由于技術(shù)的快速發(fā)展，使數(shù)字化項目所生成的數(shù)字資源的生命周期越來越短，所以投入資金進行數(shù)字遷移，是延長數(shù)字資源生命的一個重要途徑。

物探綜合成像系統(tǒng)需要不同類型的、大量的數(shù)據(jù)的支持，為了實現(xiàn)數(shù)據(jù)的統(tǒng)一管理，需要選取一個適合本系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫。作者根據(jù)前期對目前常用數(shù)據(jù)庫的調(diào)查研究，根據(jù)本項目的實際需要，確定了Access數(shù)據(jù)庫。

2.2 數(shù)據(jù)插值技術(shù)［4］

由于采集到的物探數(shù)據(jù)與鉆孔數(shù)據(jù)特點為：以二維采集為主，測線間無數(shù)據(jù)，采集的數(shù)據(jù)呈非網(wǎng)格化分布，對其三維成像有一定的困難。因此需要利用數(shù)據(jù)插值方法將離散數(shù)據(jù)網(wǎng)格化，并在網(wǎng)格節(jié)點附上插值結(jié)果。

空間數(shù)據(jù)插值方法，就是由已知坐標(biāo)點的數(shù)據(jù)zi（xi，yi）來計算未知坐標(biāo)點zj（xj，yj）的過程。由于在實際工作中，為方便數(shù)據(jù)成像與處理，一般需要獲取規(guī)則格網(wǎng)數(shù)據(jù)。因此，需要利用空間數(shù)據(jù)插值方法，將數(shù)據(jù)插值并使其規(guī)則網(wǎng)格化分布。

2.2.1 克里金（Kriging）插值法［15、20］

克里金（Kriging）插值法是一種地質(zhì)統(tǒng)計插值方法，其在許多領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用。與其它插值方法不同，克里金插值方法首先考慮節(jié)點的空間屬性在空間位置上的變異分布；然后確定一個節(jié)點的影響半徑，利用半徑內(nèi)的采樣點來估計插值節(jié)點的值。在數(shù)學(xué)上，這種方法可以對原始數(shù)據(jù)提供一種最佳線性無偏估計（針對某點處的確定值）。它最大的優(yōu)點是有良好的趨勢預(yù)估性，對地形等起伏數(shù)據(jù)有較高的還原度。

相對于其它方法，克里金插值法具有兩個方面的優(yōu)越性：能運用隨機性和不確定性的概念，使所插值數(shù)據(jù)具有預(yù)測性；在數(shù)據(jù)插值時，能綜合運用各種數(shù)據(jù)和信息。

算法實現(xiàn)過程：

（1）在該方法中，衡量各點之間空間相關(guān)程度的測度是半方差，其計算公式為式（3）。

式中h為各點之間距離；n是由h分開的成對樣本點的數(shù)量；z是點的屬性值。

（2）在不同距離的半方差值都計算出來后，繪制半方差圖，橫軸代表距離，縱軸代表半方差。在半方差圖中有三個參數(shù)：①nugget（表示距離為零時的半方差）；②sill（表示基本達到恒定的半方差值）；③range（表示一個值域范圍，在該范圍內(nèi)半方差隨距離增加，超過該范圍，半方差值趨于恒定）。利用做出的半方差圖，找出與之?dāng)M合得最好的理論變異函數(shù)模型［5］（這是關(guān)鍵所在），可用于擬合的模型包括高斯模型、線性模型、球狀模型、指數(shù)模型、圓形模型。

對于球狀模型，球面模型空間相關(guān)隨距離的增長逐漸衰減，當(dāng)距離大于球面半徑后，空間相關(guān)消失。

（3）用擬合的模型計算出三個參數(shù)。例如球狀模型中的nugget為c0；range為a；sill為c。

（4）利用擬合的模型估算未知點的屬性值，方程見式（5）。

式中Z0為估計值；Zx是已知點的值；Wx為權(quán)重；S是用來估算未知點的已知點數(shù)目的。

假如用三個點來估算，則有式（6）。

這樣權(quán)重就可以求出，然后可根據(jù)各權(quán)重估算出未知點屬性值。

2.2.2 謝別德（Sharde）插值法［16、17］

謝別德（Sharde）插值方法是一種改進的距離倒數(shù)加權(quán)方法，因此，它的結(jié)構(gòu)與距離倒數(shù)加權(quán)方法的插值器相似。距離倒數(shù)加權(quán)方法的一個最大缺點，就是會產(chǎn)生等值線的牛眼狀圈閉，而謝別德利用了局部最小二乘方，來消除或減少距離加權(quán)方法所生成的等值線牛眼狀圈閉。在謝別德法中可以通過改變圓滑系數(shù)，來使插值結(jié)果更加準(zhǔn)確或圓滑，增大圓滑參數(shù)插值出來的效果更加圓滑。

距離倒數(shù)加權(quán)方法的算法如下：

（1）首先建立模型參數(shù)，每一個模型節(jié)點的值是由所有節(jié)點的值附上一個權(quán)系數(shù)λ累加得到的。

一般權(quán)系數(shù)λ滿足式（8）。

謝別德方法是由南非地質(zhì)學(xué)家Shepard提出的方法，該方法將距離倒數(shù)加權(quán)法中權(quán)系數(shù)的定義進行了改進。其權(quán)函數(shù)為式（9）。

（2）另外一種改進的Shepard方法，是根據(jù)節(jié)點的最遠點距離與指定的搜索半徑R的位置，來定其權(quán)函數(shù)如式（10）。

上述兩種方法公式（9）與公式（10）均為平面坐標(biāo)形式，其同樣適用于橢球坐標(biāo)系，在橢球坐標(biāo)系中公式（9）與公式（10）的距離dij按橢球坐標(biāo)計算。

3 綜合成像系統(tǒng)模塊劃分、開發(fā)與操作流程

3.1 功能模塊劃分與實現(xiàn)

物探綜合成像系統(tǒng)用于讀入地震、電法、探地雷達、地理地形信息與鉆孔數(shù)據(jù)，并對其進行三維成像、鉆孔校正等解釋，同時進行構(gòu)造追蹤和插值成像的綜合成像系統(tǒng)。

本系統(tǒng)由四大模塊組成，分別是①負責(zé)讀入數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)讀入模塊；②對數(shù)據(jù)插值的數(shù)據(jù)插值模塊；③解釋數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)解釋模塊；④三維二維顯示的數(shù)據(jù)顯示模塊。

系統(tǒng)模塊拓撲圖見下頁圖2。

作者在本成像系統(tǒng)開發(fā)語言中，主要利用visual basic可視化開發(fā)工具進行系統(tǒng)界面與框架設(shè)計，visual C＋＋開發(fā)工具進行底層插值算法的設(shè)計與實現(xiàn)。并利用Microsoft access數(shù)據(jù)庫作為數(shù)據(jù)庫存儲對象，結(jié)合autocad VBA 成像自動化編程技術(shù)進行物探、鉆孔、地理地形信息的管理與成像。

3.2 系統(tǒng)操作流程

本系統(tǒng)由四大模塊組成，可對物探數(shù)據(jù)、鉆孔數(shù)據(jù)與地表地形數(shù)據(jù)存儲管理，解釋校正并對各數(shù)據(jù)三維插值成像。本系統(tǒng)操作流程圖見下頁圖3。

4 成像系統(tǒng)功能模塊介紹［2、10、12］

本成像系統(tǒng)共有①數(shù)據(jù)存儲功能模塊；②數(shù)據(jù)插值功能模塊；③數(shù)據(jù)解釋功能模塊；④數(shù)據(jù)成像功能模塊四種模塊組成。

4.1 數(shù)據(jù)存儲功能模塊

本模塊利用Microsoft acess數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)存儲功能，將物探數(shù)據(jù)、鉆孔數(shù)據(jù)與地表及解釋數(shù)據(jù)自動整理分類，存儲于不同的數(shù)據(jù)庫文件及數(shù)據(jù)表中，以便于工區(qū)各數(shù)據(jù)的管理與查看。

4.2 數(shù)據(jù)插值功能模塊

本模塊共有四種插值算法，即：線性一維插值算法、克里金插值算法、反距離加權(quán)算法、謝別德插值算法與改進謝別德插值算法。

本模塊利用各插值算法，對鉆孔數(shù)據(jù)、地表數(shù)據(jù)與各物探數(shù)據(jù)進行一維規(guī)則網(wǎng)格插值，二維規(guī)則網(wǎng)格插值與三維規(guī)則網(wǎng)格插值，為各個數(shù)據(jù)的二維三維成像提供充分的數(shù)據(jù)支持。

4.3 數(shù)據(jù)解釋功能模塊

本模塊可對數(shù)據(jù)進行高程校正，利用插值算法對數(shù)據(jù)進行重插值，并利用各個物探數(shù)據(jù)與鉆孔數(shù)據(jù)標(biāo)定構(gòu)造層，進行插值為autocad三維成像提供數(shù)據(jù)支持。數(shù)據(jù)校正功能可將各物探數(shù)據(jù)與鉆孔數(shù)據(jù)比較，并校正其高程；數(shù)據(jù)重插值功能可將高密度電法數(shù)據(jù)與地震速度數(shù)據(jù)進行重新調(diào)整插值；數(shù)據(jù)解釋功能可以利用各個剖面的各種數(shù)據(jù)，進行構(gòu)造面追蹤解釋，并對追蹤后的構(gòu)造面進行插值，為autocad構(gòu)造面成像提供數(shù)據(jù)支持。

4.4 數(shù)據(jù)成像功能模塊

本模塊可以對鉆孔、物探和地表數(shù)據(jù)進行二維及三維成像。

4.4.1 二維成像

二維成像共有四種：物探數(shù)據(jù)二維成像、物探數(shù)據(jù)切片二維成像、鉆孔數(shù)據(jù)二維成像、鉆孔數(shù)據(jù)切片插值二維成像。

4.4.2 三維成像

本模塊利用autocad 進行輔助三維成像，在autocad中共有十九種數(shù)據(jù)成像模塊，分別是：地表數(shù)據(jù)三維成像、鉆孔數(shù)據(jù)三維成像、鉆孔數(shù)據(jù)插值成像、電法原始數(shù)據(jù)剖面三維成像、電法高程校正數(shù)據(jù)剖面三維成像、電法重插值數(shù)據(jù)剖面三維成像、電法切片數(shù)據(jù)剖面三維成像、地震速度原始數(shù)據(jù)剖面三維成像、地震速度高程校正數(shù)據(jù)剖面三維成像、地震速度重插值數(shù)據(jù)剖面三維成像、地震速度切片數(shù)據(jù)剖面三維成像、地震時間剖面波列圖三維成像、地震時間剖面顏色三維成像、地質(zhì)雷達剖面波列圖三維成像、地質(zhì)雷達剖面顏色三維成像、電法全三維成像、地震速度全三維成像、構(gòu)造解釋面三維成像、構(gòu)造解釋面切片成像。

5 綜合成像系統(tǒng)應(yīng)用

作者利用某地區(qū)工程物探中的數(shù)據(jù)，對成像系統(tǒng)進行實踐應(yīng)用。

5.1 數(shù)據(jù)讀入

成像系統(tǒng)可讀入多種物探數(shù)據(jù)與高程數(shù)據(jù)，其中包括高密度電法數(shù)據(jù)、地震反射波法數(shù)據(jù)、地質(zhì)雷達數(shù)據(jù)、測線高程數(shù)據(jù)、地表高程數(shù)據(jù)，以及鉆孔數(shù)據(jù)。將讀入后的數(shù)據(jù)分別存入相應(yīng)數(shù)據(jù)庫中便于管理及調(diào)用。讀入數(shù)據(jù)界面如下頁圖4、圖5及圖6所示。

5.2 鉆孔進行層位校正

作者利用測線經(jīng)過的鉆孔資料，對物探成果剖面進行校正，提高物探精度。校正對比效果如圖7、圖8所示。

由圖7、圖8可知，物探剖面經(jīng)過鉆孔校正后，更能準(zhǔn)確地反映地下地質(zhì)體與地質(zhì)層位在地表下的實際分布，與真實地質(zhì)剖面更加吻合，解決了部份物探數(shù)據(jù)深度顯示誤差較大的問題。

5.3 三維插值成像

作者通過對離散點、線進行插值，對目標(biāo)地質(zhì)體進行三維模擬成像。三維插值模擬效果如圖9、圖10（見下頁）所示。

由圖9、圖10 可知，插值后的物探剖面從單點、單線反映地下情況，轉(zhuǎn)變?yōu)槿^(qū)顯示地下剖面分布，彌補了物探測線數(shù)量少，部份區(qū)域無物探方法覆蓋，無物探解釋剖面的問題。

5.4 構(gòu)造解釋成像

作者通過人機交互對構(gòu)造面（層位）進行追蹤（如下頁圖11所示）解釋，并插值生成全方位三維構(gòu)造面數(shù)據(jù)，以供系統(tǒng)三維成像。

圖11（見下頁）為構(gòu)造面與地表三維插值成像圖。由圖11可知，插值后可直觀地顯示工區(qū)地表起伏，工區(qū)地下界面分布，可使解釋人員對工區(qū)地質(zhì)情況有全面的直觀的了解。

5.5 切片成像

在對目標(biāo)地質(zhì)體完成三維模擬成像后，可以對任意截面進行切片成像觀測。如后面的圖12所示（圖12為平面圖青色截面的切片成像）。

6 結(jié)論與建議

三維可視化成像技術(shù)，是今后工程勘察物探成像技術(shù)的主要發(fā)展方向。本系統(tǒng)利用autocad輔助三維成像，可以①對各種地形、地質(zhì)體進行插值模擬成像；②利用鉆孔對物探剖面進行深度校正，完成綜合成像；③進行任意剖面切片成像；進行初步構(gòu)造解釋。

本系統(tǒng)不僅適用于工程物探，由于visual basic的可擴展性，今后還可添加重力、磁法等各種物探方法的存儲與顯示。并可利用autocad的工程制圖標(biāo)準(zhǔn)直接生成cad成果圖件，與實際工作結(jié)合的更加緊密。

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