基于地震屬性體的三維探地雷達(dá)快速解譯技術(shù)

王秀榮，冷 丹，李世念

(1.中國煤炭地質(zhì)總局勘查研究總院，北京 100039； 2.北方自動控制技術(shù)研究所，太原 030006)

0 引言

2015年中國煤炭地質(zhì)總局為加快轉(zhuǎn)型發(fā)展，促進(jìn)城市地下空間探測技術(shù)的提高，引進(jìn)了六套三維探地雷達(dá)，其中瑞典MALA公司4套，意大利IDS公司2套，發(fā)射頻率分別為200Hz和400Hz，進(jìn)行城市地下管纜探測、城市道路病害體探測等工程檢測，取得了很好的效果。在項目實(shí)施過程中，對采集的三維探地雷達(dá)數(shù)據(jù)解譯采用擬三維方法，即通過逐段平面分析，然后結(jié)合8個或16個通道的二維剖面分析，技術(shù)人員憑經(jīng)驗圈定異常。這種解譯方法依賴于技術(shù)人員的技術(shù)水平，且工作量大，容易漏判。

地震屬性技術(shù)始于20世紀(jì)70年代的亮點(diǎn)技術(shù)，而最初的屬性提取則是應(yīng)用希爾伯特變換提取瞬時振幅、瞬時相位和瞬時頻率。多維屬性技術(shù)分析的興起，使地震屬性分析技術(shù)逐步走向成熟。1997年，Young等人第一次把地震屬性應(yīng)用到探地雷達(dá)數(shù)據(jù)[1]。2000年，Senecha et al用地震處理和解釋軟件進(jìn)行探地雷達(dá)屬性的分析和提取，雷達(dá)屬性技術(shù)有了一定的發(fā)展[2]。2012年，趙文柯等人用探地雷達(dá)三維屬性技術(shù)用于考古調(diào)查[3]，他采用多條規(guī)則的二維雷達(dá)剖面拼成了三維數(shù)據(jù)體，然后進(jìn)行探測目標(biāo)的屬性提取和優(yōu)化組合，從而精確刻畫探測目標(biāo)。

本文擬采用三維地震資料處理的方法，對探地雷達(dá)數(shù)據(jù)進(jìn)行三維數(shù)據(jù)處理，得到一個網(wǎng)格均勻的三維數(shù)據(jù)體，然后利用地震屬性提取的方法對數(shù)據(jù)體進(jìn)行多屬性的提取和優(yōu)化分析，找出對城市地下探測目標(biāo)體敏感的屬性，在相應(yīng)的屬性體上快速圈定異常區(qū)。由于三維探地雷達(dá)采集的數(shù)據(jù)是三維的，經(jīng)過真三維(非擬三維)處理，對三維數(shù)據(jù)體進(jìn)行屬性提取和分析，因此對地下目標(biāo)體的空間形態(tài)刻畫的更精確。

1 三維探地雷達(dá)異常特征

城市病害體是指存在于地面以下的空洞、脫空、疏松體、富水體等威脅城市安全的不良地質(zhì)體。城市地下管線、病害體等三維探地雷達(dá)的探測目標(biāo)往往埋藏較淺，一般都在5 m以內(nèi)。為了研究這些探測目標(biāo)體的三維探地雷達(dá)數(shù)據(jù)特征，在分析了以往的二維、三維試驗及驗證資料的基礎(chǔ)上[4-11]，進(jìn)行了三維探地雷達(dá)城市道路病害體三維數(shù)值模擬，把前期施工中驗證的城市病害體的典型探地雷達(dá)平面、剖面提取出來，制作成圖譜。圖1為三維探地雷達(dá)數(shù)據(jù)體典型剖面與水平切片，其中圖(a)為空洞圖譜，地面完好，頂部埋深0.4m，空間范圍2.0m×1.5m×1.0m。圖(b)為脫空圖譜，地面完好，頂部埋深0.9m，空間范圍2.2m×1.8m×1.2m。圖(c)為以往施工驗證的管線。圖(d)為以往施工驗證的富水區(qū)域。分析圖譜、試驗驗證資料和數(shù)值模擬結(jié)果，可以看出在三維探地雷達(dá)數(shù)據(jù)上，城市道路病害體和管線的特征如下。

①管線。典型的管線反射信號為拋物線形(或稱為單支雙曲線)，如果管徑較小或者埋藏較深，可能看不到拋物線形狀，但一般仍有較明顯的異常存在。

②空洞和脫空。頂界面反射信號強(qiáng)，表現(xiàn)為較平，兩側(cè)伴有繞射且有多次發(fā)育的特征。平面上為近橢圓或圓型。探地雷達(dá)剖面上一般不容易分清空洞和脫空。

③高含水。 富水區(qū)域在探地雷達(dá)剖面上表現(xiàn)為強(qiáng)振幅的低頻多次震蕩，但繞射波不明顯。

2 基于地震屬性的三維探地雷達(dá)解譯技術(shù)

進(jìn)行三維探地雷達(dá)屬性解譯前，首先要對現(xiàn)場采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行降噪處理，使得地下目標(biāo)體的特征更明顯。然后對三維探地雷達(dá)數(shù)據(jù)進(jìn)行屬性的提取、分析和優(yōu)化，選取最能表現(xiàn)目標(biāo)體特征的屬性進(jìn)行解譯[12]。

圖1 三維探地雷達(dá)數(shù)據(jù)體典型剖面與水平切片F(xiàn)igure 1 Typical section and horizontal slice of 3D ground penetrating radar data volume

2.1 三維數(shù)據(jù)體的獲得

野外采集的三維探地雷達(dá)數(shù)據(jù)， 首先利用儀器自帶軟件和通用處理軟件，進(jìn)行地面校正、去除DC直流、背景消除等有特色且無需三維處理的模塊，進(jìn)行基礎(chǔ)處理，然后經(jīng)過坐標(biāo)定位與數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，調(diào)入地震數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)進(jìn)行三維處理，得到全區(qū)統(tǒng)一編號，網(wǎng)格均勻的三維數(shù)據(jù)體，網(wǎng)格的網(wǎng)度為(通道上各道之間的距離)×(各通道之間的距離)。圖2為廈門市環(huán)島路道路空洞探測項目的三維處理結(jié)果。采集儀器是瑞典MALA公司產(chǎn)MALA MIRA-200MHz(16通道)三維探地雷達(dá)系統(tǒng)。經(jīng)過三維處理得到一個網(wǎng)格均勻(14cm×10cm×88ns)的三維數(shù)據(jù)體。

2.2 三維探地雷達(dá)的屬性提取

利用三維地震數(shù)據(jù)多屬性提取方法，從經(jīng)過三維處理后得到三維探地雷達(dá)數(shù)據(jù)體中提取出的有關(guān)電磁波的幾何形態(tài)、運(yùn)動學(xué)特征、動力學(xué)特征和統(tǒng)計學(xué)特征的特殊屬性值，形成新的三維數(shù)據(jù)體—屬性體。從前面的驗證資料和正演結(jié)果可以看出，不管是地下管線，還是城市道路病害體，它們在三維探地雷達(dá)剖面圖上的顯示都不是層狀的，均有較強(qiáng)的反射，但振幅連續(xù)性不好。因此提取屬性時只提取三維數(shù)據(jù)體的體積屬性，不提取層位屬性和剖面屬性。

2.3 三維探地雷達(dá)屬性的優(yōu)化分析

從探地雷達(dá)三維數(shù)據(jù)體中提取的屬性中許多是相關(guān)的，從而造成信息的重復(fù)和浪費(fèi)。有的屬性與物理和地質(zhì)含義不掛鉤，無法解釋與目的層無關(guān)的屬性只能起干擾作用。因此要對提取的屬性進(jìn)行優(yōu)化。

首先對提取的三維探地雷達(dá)屬性進(jìn)行優(yōu)化預(yù)處理，使不同的屬性具有相同的變化范圍；然后結(jié)合驗證資料和正演數(shù)值模擬資料，對屬性進(jìn)行標(biāo)定，對不同的屬性特征進(jìn)行分析對比，尋找出對要探測的地質(zhì)體最敏感、最有效或最有代表性的屬性。最后結(jié)合多個不同屬性特征進(jìn)行聯(lián)合分析，相互驗證，對探測目標(biāo)進(jìn)行刻畫。

針對城市道路探測的目標(biāo)體，不管是管線還是空洞、脫空等，其特點(diǎn)均有振幅的突變，因此原始振幅體屬性是基礎(chǔ)，可選擇進(jìn)行均方根振幅、平均振幅、最大絕對振幅等分析。另外城市地下探測的目標(biāo)體是否含水也非常重要，這時可進(jìn)行頻率相關(guān)的屬性分析。另外，管線是線性不均勻體，空洞和脫空與地下介質(zhì)的塌陷、下沉、裂縫等不連續(xù)變化有關(guān)，可進(jìn)行方差體、相干體、構(gòu)造體等分析。

①振幅屬性體。振幅屬性體為數(shù)據(jù)最基本的屬性，與剖面上的振幅直接對應(yīng)，振幅的能量變化反應(yīng)各種異常的大小、范圍、深度等特征。圖3的左上為振幅體屬性切片，從圖中可以看出管線的反映較清楚。

②方差屬性體。方差體技術(shù)是相鄰數(shù)據(jù)空間差異性的反映。數(shù)據(jù)橫向連續(xù)性越差，方差值越大，可反映出地下地質(zhì)異常體而引起的突變異常點(diǎn)。方差體技術(shù)的核心就是求取整個三維數(shù)據(jù)體所有樣點(diǎn)的方差值，測量在指定的窗口中某一給定點(diǎn)時間上的平均差異性。方差體屬性重點(diǎn)表現(xiàn)三維數(shù)據(jù)體中的非連續(xù)性地層特征。是識別地下管線和城市道路病害體的有效方法。圖3的右上為方差體屬性切片，從圖中可以看出管線的反映非常明顯。

③構(gòu)造屬性體。通過計算振幅的二階導(dǎo)數(shù)，來反映地層變化特征，對塌陷、管道等引起的傾角突變反映靈敏,因此對大尺度的構(gòu)造反應(yīng)清晰。圖3的左下為構(gòu)造體屬性切片，從圖中可以看出管線的反映較清楚。

圖2 三維探地雷達(dá)的三維數(shù)據(jù)體Figure 2 3D ground penetrating radar 3D data volume

圖3 三維探地雷達(dá)的屬性體切片F(xiàn)igure 3 3D ground penetrating radar attribute volume slices

圖3的右下為三維數(shù)據(jù)體切片，可以看出6條管線的特征非常明顯，與其他三種種屬性切片對比，可以看出管線在方差體切片上反映的更為清楚，方差體屬性對地下管線更為敏感，因此這個工區(qū)我們選擇方差屬性體進(jìn)行三維探地雷達(dá)數(shù)據(jù)的快速解譯。

2.4 三維探地雷達(dá)快速解譯

綜上所訴，針對野外施工的三維探地雷達(dá)數(shù)據(jù)，首先經(jīng)過數(shù)據(jù)處理，得到當(dāng)天施工的所有數(shù)據(jù)形成的網(wǎng)格均勻的三維數(shù)據(jù)體。然后把這個三維數(shù)據(jù)體加載到地震數(shù)據(jù)解釋系統(tǒng)中，對這個數(shù)據(jù)體提取屬性體，然后進(jìn)行多種屬性體分析，選定對探測目標(biāo)最敏感的屬性，從這個屬性體上快速圈定異常區(qū)。然后由經(jīng)驗豐富技術(shù)人員對圈定的異常進(jìn)行復(fù)判排查，鎖定異常，然后再輔助其他方法進(jìn)行驗證。對驗證的目標(biāo)體典型探地雷達(dá)特征進(jìn)行分析，形成三維探地雷達(dá)城市道路病害體圖譜，為后續(xù)施工的探地雷達(dá)異常分析提供基礎(chǔ)資料。隨著基礎(chǔ)資料的積累，技術(shù)人員的解譯水平也逐步提高。由此可見基于屬性體的三維探地雷達(dá)解譯技術(shù)將大大提高了技術(shù)人員解譯的速度和精度。

3 結(jié)論

綜上所述，基于屬性體的三維探地雷達(dá)快速解譯技術(shù)，首先把野外采集的三維探地雷達(dá)數(shù)據(jù)，經(jīng)過三維處理，得到網(wǎng)格均勻的三維數(shù)據(jù)體，采用地震多屬性技術(shù)，對三維探地雷達(dá)數(shù)據(jù)體進(jìn)行屬性的提取，選取對城市道路病害體敏感的屬性體，借助地震解釋軟件三維可視化技術(shù)，可以快速圈定異常。多屬性分析技術(shù)給三維探地雷達(dá)探測地下地質(zhì)異常體的解譯帶來全新的概念，適合于現(xiàn)階段地下管線、城市道路病害體的識別，而且速度快，尤其是對人工難于識別的微弱異常具有放大、雕刻的優(yōu)點(diǎn)。但是，這項技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)在仍處于探索階段，還有好多的問題需要研究，下一步，要研究如何更快地提高解譯效率，研究如何利用人工智能進(jìn)行城市道路病害體的自動識別，逐步提高三維探地雷達(dá)進(jìn)行城市道路病害體檢測的速度和準(zhǔn)確率，從而提高三維探地雷達(dá)的探測精度，更好地發(fā)揮三維探地雷達(dá)的作用，為國民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展做出貢獻(xiàn)。