電磁波CT剖面異?？焖倨矫嫱队胺椒ㄅc應(yīng)用

馬 圣 敏,夏 峰2，張 建 清

(1.長江勘測(cè)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司，湖北 武漢 430010； 2.黔南州水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，貴州 黔南 588000)

在城市軌道交通巖溶探測(cè)時(shí)，通常會(huì)在預(yù)開挖的隧道兩側(cè)布置多條地質(zhì)鉆孔測(cè)線，每條測(cè)線按一定間隔布置鉆孔，每對(duì)鉆孔之間采用電磁波CT技術(shù)對(duì)隧道區(qū)間巖溶發(fā)育情況進(jìn)行探測(cè)(見圖1)。由于鉆孔相對(duì)較密，形成的電磁波CT剖面較多，所以在制作相關(guān)圖件時(shí)耗費(fèi)時(shí)間較長，以剖面圖中的視吸收系數(shù)異常投影到平面圖最為典型。

圖1 軌道交通電磁波CT剖面布置示意Fig.1 Schematic diagram of electromagnetic wave CT profile layout for subway

目前主要采用人工的方式將縱剖面圖中視吸收系數(shù)異常投影到平面圖的測(cè)線上。具體過程是:① 將電磁波CT縱剖面圖視吸收系數(shù)異常復(fù)制到平面圖中(以鉆孔孔口位置為復(fù)制基點(diǎn))；② 沿平面圖中視吸收系數(shù)異常區(qū)域左、右兩側(cè)分別繪制鉛垂線，并任意繪制一條水平線與兩條鉛垂線相交；③ 從水平線中點(diǎn)引出一條垂線與平面圖上的測(cè)線相交，交點(diǎn)為A；④ 計(jì)算中點(diǎn)與兩條鉛錘線的距離D1(左)，D2(右);⑤ 以交點(diǎn)A為中心，沿平面圖中測(cè)線左側(cè)方向移動(dòng)距離D1并繪制一個(gè)點(diǎn)P1，沿平面圖中測(cè)線右側(cè)方向移動(dòng)距離D2并繪制一個(gè)點(diǎn)P2，連接點(diǎn)P1、A、P2，形成一條多段線，如圖2所示。

圖2 電磁波CT剖面圖視吸收系數(shù)異常平面投影常規(guī)方法Fig.2 The usual method of projecting profile abnormal apparent absorption coefficient curve to plane diagram of electromagnetic wave CT

由此可見，人工方式較為繁瑣，效率低，而且人工投影容易犯錯(cuò)，一旦發(fā)生錯(cuò)漏，很難找到問題所在，影響到數(shù)據(jù)處理成果的質(zhì)量控制。因此，急需一種新的電磁波CT剖面圖中視吸收系數(shù)異常快速平面投影的方法。

查閱國內(nèi)外相關(guān)文獻(xiàn)，尚無與軌道交通CT探測(cè)剖面布置特點(diǎn)相適應(yīng)，且能將剖面圖中視吸收系數(shù)異常投影到平面圖的簡單易行的計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)方法。如龐林軍[1]提到了將電磁波剖面CT圖像基巖界面及以下主要視衰減系數(shù)異常進(jìn)行水平面投影，但未提及具體方法。狄衛(wèi)民等[2-7]只提及平剖面圖計(jì)算機(jī)輔助繪圖方法，可有效提高生產(chǎn)效率。劉柏根等[8-10]提出了將剖面圖中二維曲線轉(zhuǎn)換為三維曲線的方法，為剖面圖平面投影提供了一種途徑。江龍劍[11]提出了礦山地質(zhì)圖的平剖面圖自動(dòng)轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，先切割礦條段(三維)，然后通過自動(dòng)連圖的方式形成平剖面圖，這與電磁波CT的剖面圖“切割”地下不良地質(zhì)體類似，不同點(diǎn)在于通過CT剖面圖中視吸收異常形成平面圖異常時(shí)事先并不清楚不良地質(zhì)體的三維形態(tài)。楊麗[12]采用空間坐標(biāo)變換實(shí)現(xiàn)地質(zhì)平/剖面圖自動(dòng)成圖，但在軌道交通CT探測(cè)剖面梅花形布置條件下，將剖面中視吸收系數(shù)異常區(qū)域坐標(biāo)轉(zhuǎn)換成三維坐標(biāo)再進(jìn)行投影，算法相對(duì)比較復(fù)雜。文獻(xiàn)[13]為實(shí)現(xiàn)在CAD中自動(dòng)投影提供了思路。

本文結(jié)合軌道交通電磁波CT剖面布置特征，以鉆孔位置為參照，形成剖面視吸收系數(shù)異常的準(zhǔn)確、唯一編碼，并制定相應(yīng)的解碼規(guī)則，從而實(shí)現(xiàn)大數(shù)據(jù)量電磁波CT剖面視吸收系數(shù)異常的快速平面投影。

1 問題分析

1.1 電磁波CT剖面布置與剖面圖形特征

如圖1所示，武漢軌道交通7號(hào)線北延線工程共布置電磁波CT測(cè)線5條，即L1-L1′、M1-M1′、R1-R1′、L1-M1、R1-M1測(cè)線，每條測(cè)線形成的剖面圖如圖3所示。在剖面圖中，上下兩條白色的平行多段線圍成的區(qū)域?yàn)镃T探測(cè)范圍，緊鄰探測(cè)范圍頂部的多段線為覆蓋層與基巖的分界線?；鶐r界線以下的虛線為較完整基巖分界線。閉合圓圈為視吸收系數(shù)異常，分別位于MK165孔與MK167孔下。

1.2 實(shí)現(xiàn)思路

由于剖面圖是垂直向下的，視吸收系數(shù)異常投影到平面圖上的表現(xiàn)形式為覆蓋在探測(cè)線上的一段折線。可以以鉆孔為位置參照，為每個(gè)剖面視吸收系數(shù)異常制定唯一的位置編碼，如MK165孔下的視吸收系數(shù)異?？杀磉_(dá)為“MK165孔左xm至MK165孔左ym”；MK167孔下的視吸收系數(shù)異常可表達(dá)為“MK167孔左xm至MK167孔左ym”，表1為示例數(shù)據(jù)。

在進(jìn)行平面投影時(shí)，以平面圖中鉆孔的平面坐標(biāo)為基點(diǎn)，沿視吸收系數(shù)異常所在剖面對(duì)應(yīng)的測(cè)線方向分別移動(dòng)一定的距離，形成視吸收系數(shù)異常平面投影折線的兩個(gè)端點(diǎn)，也就是位置解碼。如表1中2001號(hào)視吸收系數(shù)異常，沿LK048～LK049剖面測(cè)線大樁號(hào)方向，分別移動(dòng)0.5 m和4.5 m，形成視吸收系數(shù)異常平面投影折線的兩個(gè)端點(diǎn)，將兩個(gè)端點(diǎn)連接起來，便完成了剖面視吸收系數(shù)異常的平面投影。

圖3 某軌道交通電磁波CT剖面示意Fig.3 Schematic diagram of electromagnetic wave CT profile of a subway

異常號(hào)存在剖面高程范圍/m水平范圍/m2001LK048～LK049-1.5～2.5LK048孔右0.5～4.5m2002LK048～LK049-12.5～-9.0LK048孔右0.3～4.6m2003LK048～LK049～LK050-14.9～-9.2LK049孔左5.8m至LK049孔右2.6m2004LK051～LK052～LK0534.0～7.4LK052孔左4.7m至LK052孔右1.1m2005LK052～LK053～LK0540.1～4.9LK053孔左5.9m至LK053孔右4.3m

該示例是單個(gè)視吸收系數(shù)異常位于2個(gè)鉆孔之間的情況。對(duì)于視吸收系數(shù)異常與1個(gè)或多個(gè)鉆孔相交、與鉆孔不相交的情況，也可以制定相應(yīng)的編碼、解碼規(guī)則?；谠撍悸罚憧蓪?shí)現(xiàn)剖面視吸收系數(shù)異常投影到平面圖的計(jì)算機(jī)方法。

2 具體方案

具體而言，基于計(jì)算機(jī)方法實(shí)現(xiàn)大數(shù)據(jù)量電磁波CT剖面圖中視吸收系數(shù)異常在平面圖中的投影分為以下幾個(gè)步驟。

2.1 位置編碼

選擇剖面圖中任一視吸收系數(shù)異常，以與該視吸收系數(shù)異常最為鄰近的鉆孔為參照，根據(jù)鉆孔與視吸收系數(shù)異常的位置關(guān)系，遵照一定的編碼規(guī)則，形成每個(gè)視吸收系數(shù)異常投影為折線的唯一位置編碼。

(1) 如圖4(a)所示，對(duì)于視吸收系數(shù)異常區(qū)域位于兩個(gè)鉆孔m、n之間的情況，通過視吸收系數(shù)異常與鉆孔n的空間位置關(guān)系，獲取視吸收系數(shù)異常最左端、最右端與鉆孔n的水平距離參數(shù)a、b，形成位置編碼為“n孔左am至n孔左bm”。

(2) 如圖4(b)所示，對(duì)于視吸收系數(shù)異常與一個(gè)鉆孔m相交的情況，通過視吸收系數(shù)異常和穿過該視吸收系數(shù)異常的鉆孔m的空間位置關(guān)系，獲取視吸收系數(shù)異常最左端、最右端與鉆孔m的水平距離參數(shù)a、b，形成位置編碼為“m孔左am至m孔右bm”。

(3) 如圖4(c)所示，對(duì)于視吸收系數(shù)異常與兩個(gè)鉆孔m，n相交的情況，通過視吸收系數(shù)異常和穿過該視吸收系數(shù)異常的兩個(gè)鉆孔m、n的空間位置關(guān)系，獲取視吸收系數(shù)異常最左端與鉆孔m、最右端與鉆孔n的水平距離參數(shù)a、b，形成位置編碼為“m孔左am至n孔右bm”。

圖4 電磁波CT剖面圖鉆孔與視吸收系數(shù)異常位置關(guān)系示意Fig.4 Schematic diagram of relationship between borehole and apparent absorption coefficient abnormal in electromagnetic wave CT profile

2.2 解譯與投影

在進(jìn)行電磁波CT剖面視吸收系數(shù)異常平面圖投影時(shí)，逐一取出視吸收系數(shù)異常與鉆孔位置關(guān)系的編碼記錄，根據(jù)記錄中視吸收系數(shù)異常與鉆孔的關(guān)系類型，選擇相應(yīng)的計(jì)算機(jī)解碼規(guī)則進(jìn)行解譯，并完成平面圖投影。

(1) 對(duì)于視吸收系數(shù)異常位于2個(gè)鉆孔之間的情況，解譯編碼記錄，獲取鉆孔孔號(hào)n，空間關(guān)系“孔左”，以及距離參數(shù)a、b。從鉆孔平面坐標(biāo)記錄中檢索鉆孔孔號(hào)n所對(duì)應(yīng)的平面坐標(biāo)。計(jì)算平面圖中沿測(cè)線方向距鉆孔孔號(hào)n左邊a、bm的2個(gè)點(diǎn)的平面坐標(biāo)。將其與鉆孔n的平面坐標(biāo)連成折線，完成投影過程。

(2) 對(duì)于視吸收系數(shù)異常與一個(gè)鉆孔相交的情況，解譯編碼記錄，獲取鉆孔孔號(hào)m，空間關(guān)系“孔左、孔右”，以及參數(shù)a、b。從鉆孔平面坐標(biāo)記錄中檢索鉆孔孔號(hào)m所對(duì)應(yīng)的平面坐標(biāo)。計(jì)算平面圖中沿測(cè)線方向距鉆孔孔號(hào)m左邊a、右邊bm的兩個(gè)點(diǎn)的平面坐標(biāo)。將其與鉆孔m、n孔的平面坐標(biāo)一周繪制成點(diǎn)并連成折線，完成投影過程；

(3) 對(duì)于視吸收系數(shù)異常與2個(gè)鉆孔相交的情況，解譯編碼記錄，獲取鉆孔孔號(hào)m、n，空間關(guān)系“孔左、孔右”，以及參數(shù)a、b；從鉆孔平面坐標(biāo)記錄中檢索鉆孔孔號(hào)m、n所對(duì)應(yīng)的平面坐標(biāo)。計(jì)算圖中沿測(cè)線方向距鉆孔孔號(hào)m孔左邊am、鉆孔孔號(hào)n孔右邊bm的兩個(gè)點(diǎn)的平面坐標(biāo)。將其與鉆孔m、n孔的平面坐標(biāo)連成折線，完成投影過程。

完成投影過程后，可依據(jù)測(cè)線的空間位置關(guān)系，將平面圖中多條具有相關(guān)關(guān)系的視吸收系數(shù)異常投影線的兩端端點(diǎn)逆時(shí)針或順時(shí)針連接起來，形成視吸收系數(shù)異常平面圖，如圖5所示。

圖5 平面圖中視吸收系數(shù)異常投影線合成示意Fig.5 Sketch diagram of apparent absorption coefficient abnormal synthesis on plan map

3 工程應(yīng)用

該方法在武漢軌道交通7號(hào)線北延線工程中應(yīng)用效果良好，以下以該工程為例進(jìn)行說明。

武漢軌道交通7號(hào)線北延線工程起于黃陂前川，先后經(jīng)過黃陂前川新城區(qū)、武漢臨空經(jīng)濟(jì)區(qū)、黃陂盤龍城區(qū)、東西湖區(qū)，止于7號(hào)線一期工程園博園北站(不含)。工程全長36.47 km，其中高架段長約22.60 km，U型槽段1.08 km，地下段約12.79 km。

電磁波CT探測(cè)范圍包括橫臨高架區(qū)段及臨空北路站、巨龍大道站-馬池站和馬池站-園博園北站區(qū)段，共完成電磁波CT剖面1 256對(duì)。

通過數(shù)據(jù)分析與整理，形成如表2所示電磁波CT剖面視吸收系數(shù)異常表，表中水平范圍列為視吸收系數(shù)異常的水平位置編碼。采用文中所述方法，在平面圖中形成投影線段如圖6所示。為了區(qū)分不同的視吸收系數(shù)異常，圖中視吸收系數(shù)異常投影的線段采用了不同的顏色與線寬。投影線段正確反映了L1-L1′、R1-R1′、L1-M1、R1-M1測(cè)線上如圖4(a)～(b)所示類型的異常。

表2 前川線巨湯區(qū)段電磁波CT剖面視吸收系數(shù)異常結(jié)果(部分?jǐn)?shù)據(jù))Tab.2 Apparent absorption coefficient abnormal of electromagnetic wave CT profile of Qianchuan Subway Project

圖6 前川線平面圖中視吸收系數(shù)異常投影線示意Fig.6 Sketch diagram of apparent absorption coefficient abnormal synthesis on plan map of Qianchuan subway project

4 結(jié) 論

(1) 本文提出了一種新的電磁波CT剖面圖中視吸收系數(shù)異常區(qū)域平面投影方法，可為大數(shù)據(jù)量電磁波CT剖面圖視吸收系數(shù)異?？焖偻队暗狡矫鎴D提供基礎(chǔ)。

該方法以視吸收系數(shù)異常鄰近鉆孔為參照，按照鉆孔與視吸收系數(shù)異常的各種空間位置關(guān)系，遵照一定的編碼規(guī)則，形成視吸收系數(shù)異常投影為折線的唯一位置編碼。在平面投影時(shí)，按剖面視吸收系數(shù)異常與鉆孔的位置關(guān)系解碼位置編碼記錄，沿著剖面所對(duì)應(yīng)的平面測(cè)線方向，投影形成多個(gè)平面坐標(biāo)點(diǎn)，連接各坐標(biāo)點(diǎn)形成折線，實(shí)現(xiàn)視吸收系數(shù)異常的平面投影。

(2) 剖面圖視吸收系數(shù)異常的快速平面投影只是第一步，如何在平面圖中將具有關(guān)聯(lián)性的平面投影視吸收系數(shù)異常(折線)組合起來，形成閉合的區(qū)域，是下一步需要解決的問題。不良地質(zhì)體形態(tài)錯(cuò)綜復(fù)雜，視吸收系數(shù)異常平面投影線的合成需要制定相應(yīng)的準(zhǔn)則，才能為快速電磁波CT視吸收系數(shù)異常平面圖制作打下基礎(chǔ)。