復(fù)雜地質(zhì)構(gòu)造空間分布評(píng)價(jià)的多源信息融合方法及應(yīng)用

李培鋒，李斯?jié)?，?春，嚴(yán) 松，袁從華

(1.云南玉臨高速公路建設(shè)有限責(zé)任公司， 云南 臨滄 677000；2.中國(guó)科學(xué)院 武漢巖土力學(xué)研究所 巖土力學(xué)與工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 湖北 武漢 430071；3.中國(guó)科學(xué)院大學(xué)， 北京 100000)

近年來，計(jì)算機(jī)技術(shù)迅速發(fā)展，新信息技術(shù)在巖土工程中逐漸得到應(yīng)用，圖像技術(shù)、數(shù)據(jù)庫(kù)及GIS等新技術(shù)的研發(fā)推動(dòng)著巖土工程的數(shù)字化及信息化進(jìn)程。巖土工程與地理、空間位置信息緊密相關(guān)，并且地質(zhì)信息通常具有多變性、復(fù)雜性，而信息技術(shù)能將采集到的信息進(jìn)行關(guān)聯(lián)及整合，因此在工程地質(zhì)調(diào)查領(lǐng)域的應(yīng)用前景十分廣闊[1]。在巖土工程地質(zhì)勘察中，測(cè)繪、踏勘、鉆探及地球物理勘探等方法提供了不同尺度、不同層面的信息[2-6]，綜合全面地處理這些信息是復(fù)雜地質(zhì)構(gòu)造勘查的關(guān)鍵，因此研究信息融合方法有利于獲取更準(zhǔn)確地地質(zhì)構(gòu)造信息。

在地質(zhì)勘查領(lǐng)域，數(shù)據(jù)分析及圖像融合等信息融合方法都已得到應(yīng)用。2006年吳慶鳴等[7]提出了應(yīng)用于超前地質(zhì)預(yù)報(bào)的信息融合系統(tǒng)，可對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析從而得出前方掌子面的圍巖類別。在遙測(cè)領(lǐng)域，圖像融合方法的應(yīng)用已十分廣泛，由于地質(zhì)調(diào)查最后也需得到圖像信息，因此可以借此提高勘查結(jié)果圖像的精度。2007年，趙珍梅等[8]將多光譜圖像與雷達(dá)圖像進(jìn)行融合，對(duì)比分析后發(fā)現(xiàn)的圖像融合后色域信息完整，同時(shí)兼有雷達(dá)圖構(gòu)造信息豐富的特性。2008年，印興耀等[9]分析了傳統(tǒng)的線型變換主成分分析法的劣勢(shì)，提出了基于核主成分的PCA方法，并應(yīng)用于對(duì)彈性波屬性的降維處理中，提高了該方法的提取特征能力。2015年郭彪等[10]將小波變換應(yīng)用于地震波多特性信息融合，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行小波分解及重構(gòu)，充分利用了各屬性的主要特征信息，從而為地質(zhì)勘查提供準(zhǔn)確可信的資料。2017年，余洋等[11]針對(duì)探地雷達(dá)法，研究了信息融合算法，將不同頻率探地雷達(dá)的信息進(jìn)行融合，綜合分析了不同頻率探地雷達(dá)采集的信息，提高了結(jié)果的準(zhǔn)確性并提升了圖像的分辨率。

本文將信息融合技術(shù)應(yīng)用于復(fù)雜地質(zhì)構(gòu)造勘探中，提出了應(yīng)用于復(fù)雜地質(zhì)勘探的數(shù)據(jù)相關(guān)性分析及圖像融合方法，以某采空區(qū)為對(duì)象，采用三維激光掃描技術(shù)及高密度電法等手段對(duì)地下采空區(qū)進(jìn)行綜合勘測(cè)，并將數(shù)據(jù)結(jié)果進(jìn)行融合，評(píng)價(jià)采空區(qū)的空間分布狀態(tài)。

1 工程勘探中的信息融合方法

信息融合作為一種數(shù)據(jù)綜合和處理技術(shù)，實(shí)際上是許多學(xué)科和新技術(shù)的集成和應(yīng)用[12]，其基本原理是充分利用多物理量的信息，把多渠道、多尺度所獲得的不完整的信息加以綜合，消除多物理量數(shù)據(jù)間在空間大小及位置上可能存在的矛盾或多余，將各自的優(yōu)點(diǎn)互補(bǔ)，降低不確定性，以形成對(duì)勘探目標(biāo)的相對(duì)完整的一致性描述[13]。

本文針對(duì)采空區(qū)地下洞室調(diào)查的信息融合，提出了形態(tài)包絡(luò)的概念，并采用了統(tǒng)計(jì)學(xué)分析方法進(jìn)行數(shù)據(jù)相關(guān)性分析，采用累計(jì)標(biāo)記法進(jìn)行信息收斂從而實(shí)現(xiàn)圖像融合。

(1) 形態(tài)包絡(luò)。地下空間的地質(zhì)體常常成群體分布，例如礦脈可長(zhǎng)達(dá)幾千米，厚度從不足一毫米以及到幾米，形狀可以比較簡(jiǎn)單成單脈出現(xiàn)，也可能成平行的、交錯(cuò)的脈群出現(xiàn)，礦脈包含很多分支，但總體上是沿著主礦脈延伸的。溶洞通常也是成群分布的，溶洞的發(fā)展經(jīng)歷了溶溝、孤立洞穴、洞室群、連通洞室到大型溶洞等一系列演化過程[14]。實(shí)際工程勘探的結(jié)果通常以剖面展示，在探測(cè)到成群分布的地質(zhì)體時(shí)，剖面上會(huì)出現(xiàn)多個(gè)離散的異常體，因此需對(duì)其進(jìn)行包絡(luò)處理。

平面中包絡(luò)線方程的求解如下所示：包絡(luò)線與一族曲線系中的每一條都相切，如圖1所示。假設(shè)某曲線族的每條曲線Cs可表示為t：x(s,t),y(s,t)其中s是曲線族的參數(shù)，t是特定曲線的參數(shù)。若包絡(luò)線存在，則由s:[x(s,h(s)),y(s,h(s))] 得出，其中h(s)以下的方程求得[15]：

(1)

若曲線族以隱函數(shù)形式F(x,y,s)=0表示，其包絡(luò)線的隱方程由下式消去參數(shù)s得出：

(2)

圖1 形態(tài)包絡(luò)

在地質(zhì)勘探中常用到的高密度電法，其反演結(jié)果為等值線分布，因此結(jié)果與勘探目標(biāo)實(shí)際形態(tài)不匹配，將同位置包絡(luò)后的形態(tài)疊加到高密度電法剖面結(jié)果上，采用臨界值原則，如圖2所示，將臨界值ρc的等值線包絡(luò)的范圍判定為勘探目標(biāo)，并以等高線包絡(luò)的形態(tài)作為推測(cè)的真實(shí)形態(tài)。

(2) 統(tǒng)計(jì)學(xué)分析方法。在進(jìn)行數(shù)據(jù)分析時(shí)，通常需對(duì)多個(gè)信息源的數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)性分析，其最基本的方法主要是統(tǒng)計(jì)學(xué)分析方法。常見的有數(shù)據(jù)分布直方圖，回歸分析，協(xié)方差矩陣及主成分分析等，本文采用了分布直方圖分析高密度電法臨界值的取值范圍。

圖2 高密度電法臨界值

(3) 累計(jì)標(biāo)記法。對(duì)于x×y×z的離散數(shù)據(jù)點(diǎn)陣，累計(jì)標(biāo)記法能快速準(zhǔn)確地確定三維數(shù)據(jù)點(diǎn)陣中的聚集簇， 該方法沿三軸向依次對(duì)數(shù)據(jù)點(diǎn)進(jìn)行掃描，在訪問每一個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)時(shí)，通過前鄰點(diǎn)的標(biāo)記狀態(tài)確定當(dāng)前數(shù)據(jù)點(diǎn)的標(biāo)記，并根據(jù)數(shù)據(jù)點(diǎn)的標(biāo)記狀態(tài)進(jìn)行依次分組，從而完成聚集簇中孤立數(shù)據(jù)點(diǎn)的識(shí)別。

對(duì)于數(shù)據(jù)點(diǎn)(x,y,z)，其與相鄰6個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)的位置關(guān)系如圖3所示，根據(jù)掃描次序，將當(dāng)前數(shù)據(jù)點(diǎn)的6個(gè)鄰點(diǎn)，分為3個(gè)前鄰和3個(gè)后鄰，當(dāng)前數(shù)據(jù)點(diǎn)和三個(gè)前鄰點(diǎn)的值D(x,y,z)、D(x-1,y,z)、D(x,y-1,z)和D(x,y,z-1)分別記為Ds、D1、D2和D3。

圖3 鄰點(diǎn)示意圖

采用依次沿x、y、z正方向的掃描方式對(duì)數(shù)據(jù)點(diǎn)陣進(jìn)行順序標(biāo)記，若首先以D(x,y,z)=1的數(shù)據(jù)點(diǎn)為需要標(biāo)記的目標(biāo)，則D(x,y,z)=0 的數(shù)據(jù)點(diǎn)暫無需標(biāo)記。綜合所有聚集簇?cái)?shù)據(jù)點(diǎn)整合情況，當(dāng)前數(shù)據(jù)點(diǎn)為目標(biāo)點(diǎn)時(shí)，當(dāng)前元素的8種前鄰狀態(tài)及聚集簇整合情況列于表1中。其中m1、m2、m3分別為三個(gè)前鄰點(diǎn)D1、D2和D3所在原聚集簇中數(shù)據(jù)點(diǎn)數(shù)目。

完成上述累計(jì)標(biāo)記掃描后，以D(x,y,z)=0的數(shù)據(jù)點(diǎn)為需要標(biāo)記的目標(biāo)，再次進(jìn)行掃描。所有數(shù)據(jù)點(diǎn)根據(jù)其前鄰狀態(tài)被分配至不同的聚集簇，將數(shù)據(jù)點(diǎn)數(shù)m小于一定值的聚集簇定義為孤立點(diǎn)簇，即完成孤立點(diǎn)簇過濾。

表1 8種前鄰狀態(tài)及聚集簇整合情況

2 工程背景及數(shù)據(jù)采集

本文采用GPS定位、三維激光掃描及高密度電法進(jìn)行綜合勘測(cè)，用形態(tài)包絡(luò)及主成分分析的信息融合方法應(yīng)用于某地下采空區(qū)的空間分布調(diào)查。

2.1 工程背景

項(xiàng)目區(qū)域基巖裂隙發(fā)育，水系也較發(fā)育，地下水豐富。河谷和盆地地區(qū)地形平坦，容易引起降水匯集，形成地表溪流、孔隙水及地下裂隙水。地表沿線水系較發(fā)育，河流呈樹枝狀，主要為山間溪流，呈西北-東南走向，河流形態(tài)多呈V字型，且河曲發(fā)育。地表水流量受降雨量影響，水位受季節(jié)影響大，在雨季水位暴漲，旱季地表水水位較低，工作期間應(yīng)考慮到洪水的影響。降雨是該地區(qū)地下水供應(yīng)的主要來源，地下水水位受降雨的影響大。

已發(fā)現(xiàn)一處較大采空區(qū)地下洞室，由于采空區(qū)洞室內(nèi)狀況、延伸與走向等不詳，加之山坡上到處都有洞口露出，直接施工存在很大安全隱患，因此需要通過各種勘探手段把握內(nèi)部狀況、分布。測(cè)區(qū)位于華南活動(dòng)帶之東南沿海中生代火山斷陷帶中段，閩東火山斷拗帶之北段，中生代以來，區(qū)內(nèi)巖漿活動(dòng)頻繁、強(qiáng)烈，其中火山活動(dòng)尤為突出，形成了分布廣泛、厚度巨大的一套陸相沉積-火山巖系，洞室內(nèi)巖體狀態(tài)如圖4所示。

圖4 測(cè)區(qū)地形地貌及洞內(nèi)狀態(tài)

洞室空間窄小，洞內(nèi)蜿蜒曲折，可進(jìn)入洞長(zhǎng)約74.6 m，洞室高度約2 m～3 m，均布與山頂相通，寬度約40 cm～60 cm。與主洞室平行在洞室南部存在另外一條洞室。洞室周邊火山巖體完整，節(jié)理裂隙不發(fā)育。洞內(nèi)濕潤(rùn)，下部存在大量積水，水流不斷，局部存在大面積積水。

2.2 現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集

針對(duì)采空區(qū)這類空間形態(tài)復(fù)雜的構(gòu)造，本文提出了一種信息融合技術(shù)。采用GPS定位，三維激光掃描及高密度電法進(jìn)行勘測(cè)，用形態(tài)包絡(luò)及統(tǒng)計(jì)學(xué)方法進(jìn)行數(shù)據(jù)相關(guān)性分析，最終通過圖像融合得出采空區(qū)的空間分布，其勘探流程如圖5所示。

圖5 采空區(qū)勘探流程

(1) GPS定位。采用GPS定位確定采空區(qū)所有露頭洞口的位置信息A (x,y,z)，得出其在地形圖上的分布，如圖6所示，標(biāo)注出所有露頭洞口的位置，共12個(gè)，形態(tài)及尺寸如表2所示。另外在電法測(cè)線布設(shè)時(shí)，利用GPS對(duì)測(cè)線首尾及地形突變點(diǎn)定位，獲取其大地坐標(biāo)及高程，可將電法結(jié)果準(zhǔn)確地與地形圖信息結(jié)合。

圖6 露頭洞口位置

GPS設(shè)備型號(hào)為靈銳S82 GPS RTK，測(cè)量系統(tǒng)包括基準(zhǔn)站和移動(dòng)站，基準(zhǔn)站由主機(jī)、數(shù)傳電臺(tái)、發(fā)射天線與電瓶組成。水平精度為±1 cm+1 ppm，垂直精度為±2 cm+1 ppm。

表2 露頭洞口形態(tài)及尺寸

(2) 三維激光掃描。對(duì)已知的可進(jìn)入?yún)^(qū)域可采用三維激光掃描技術(shù)進(jìn)行精確的掃描，獲取其詳細(xì)的空間形態(tài)，為信息融合提供準(zhǔn)確的信息，同時(shí)還可為之后本項(xiàng)目開發(fā)的設(shè)計(jì)和施工提供依據(jù)。

設(shè)備采用瑞士徠卡三維脈沖式激光掃描儀ScanStation C10，具有高達(dá)50 000點(diǎn)/秒的掃描速度，可以進(jìn)行360°×270°全視場(chǎng)角掃描，獲取目標(biāo)頂部，水平方向以及垂直方向的數(shù)據(jù)。測(cè)量距離精度為2 mm，角度精度為12″。測(cè)量時(shí)首先在洞內(nèi)初步勘探地形，根據(jù)需要確定掃描站數(shù)、中轉(zhuǎn)基站的位置和控制標(biāo)靶(用來匹配每站掃描的點(diǎn))的個(gè)數(shù)和位置。然后安置三維激光掃描儀，調(diào)整好方向和水平。掃描儀預(yù)熱后，設(shè)置好掃描參數(shù)(分辨率、曝光度和全景掃描等)，掃描儀自動(dòng)進(jìn)行掃描。

由于洞內(nèi)曲折，需設(shè)置多個(gè)中轉(zhuǎn)站，三維激光掃描在主洞共測(cè)量10站，左支洞共測(cè)量6站。大部分分支洞室尺寸較小，錯(cuò)綜復(fù)雜，總體呈洞室群分布。

(3) 高密度電法。采空區(qū)往往存在頂板塌陷導(dǎo)致內(nèi)部通路堵塞等情況，因此可能存在很多難以進(jìn)入或未知的地下空洞。由于洞室沿礦脈分布并富含水，可期望利用洞室與周圍巖體的電阻率差異推測(cè)出洞室分布范圍，因此決定采用高密度電法進(jìn)行勘探。根據(jù)前期高密度電法勘探的結(jié)果，表層電阻率在100 Ω·m以下，山坡的地表電阻率隨含水程度在10 Ω·m～數(shù)100 Ω·m范圍內(nèi)變化?；鹕剿樾紟r的電阻率隨風(fēng)化程度而變化，中—強(qiáng)風(fēng)化火山碎屑巖電阻率約在1 000 Ω·m以下，弱風(fēng)化—未風(fēng)化火山碎屑巖的電阻率約數(shù)1 000 Ω·m；因此采用高密度電法對(duì)大范圍內(nèi)采空區(qū)進(jìn)行勘測(cè)，總體上把握洞室的分布范圍及走向。

高密度電法數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)由主機(jī)、升壓器、電極系三部分組成，野外工作一般由外接計(jì)算機(jī)、主機(jī)、電池組、主電纜等組成，如圖7所示。主機(jī)包括發(fā)送控制命令、電流和電壓測(cè)量、接收信號(hào)等部分，主電纜由多芯電線組成，主要作用是信號(hào)傳輸。

圖7 高密度電法儀器

洞室主要分布在地表以下30 m以內(nèi)，綜合考慮勘探深度以及地表?xiàng)l件，高密度電法勘探采用2極法(Pole-Pole法)，遠(yuǎn)電位電極布設(shè)在測(cè)線2 km之外，每條測(cè)線布設(shè)60個(gè)電極，間距2 m，總長(zhǎng)118 m，供電電壓360 V。在采空區(qū)上方共布設(shè)54條測(cè)線，測(cè)線間距5 m，測(cè)線布設(shè)如圖8所示，定義水平面上沿測(cè)線為x方向，垂直測(cè)線為y方向，豎直為z方向。

圖8 高密度電法測(cè)線布設(shè)圖

根據(jù)當(dāng)?shù)氐牡匦?、地質(zhì)與地球物理?xiàng)l件，結(jié)合以往工作經(jīng)驗(yàn)，勘探時(shí)采取了以下應(yīng)對(duì)措施：在遇到松散土層或植被較發(fā)育地表，挖坑埋置電極，使電極與大地耦合良好，測(cè)區(qū)內(nèi)大部分為山坡地貌，地形起伏大且坡度陡，為保證成果的解釋精度，根據(jù)地形條件每隔15 m～30 m采用GPS放樁，并記錄地形的突變的情況，以用作地形校正。高密度電法測(cè)試中采用360 V電壓供電以加大電流密度，數(shù)據(jù)采集過程中加強(qiáng)監(jiān)控，一旦發(fā)現(xiàn)儀器出現(xiàn)非正常反應(yīng)或者數(shù)據(jù)出現(xiàn)非正常變化現(xiàn)象，立即停止觀測(cè)，直到排除故障后再重新開始觀測(cè)。通過采取以上若干措施，保證了物探現(xiàn)場(chǎng)采集數(shù)據(jù)的質(zhì)量。同時(shí)前期詳細(xì)記錄了地形、地貌、地質(zhì)變化，特別是斷層露頭、基巖出露等關(guān)鍵部位，為后期勘探結(jié)果的解釋提供輔助和驗(yàn)證依據(jù)。

3 數(shù)據(jù)處理與融合

3.1 數(shù)據(jù)處理

(1) 三維激光掃描數(shù)據(jù)處理。三維激光掃描數(shù)據(jù)處理是通過Cyclone提供的坐標(biāo)匹配功能，將各站的點(diǎn)云數(shù)據(jù)拼合成一個(gè)完整的測(cè)量目標(biāo)點(diǎn)云模型。刪除干擾的云點(diǎn)，通過分布框選點(diǎn)云，最終完成了對(duì)洞室的建模，并可對(duì)模型進(jìn)行加工，生成剖面圖，計(jì)算高程等，根據(jù)應(yīng)用需求以AutoCAD和GIS的格式輸出數(shù)據(jù)。原始點(diǎn)云包括了部分誤差、錯(cuò)誤和無關(guān)信息。這些誤差信息的刪減也是掃描數(shù)據(jù)處理的一個(gè)關(guān)鍵。影響三維激光掃描儀精度的要素較多，主要包括環(huán)境因素、激光信號(hào)的信噪比、激光信號(hào)的反射率、激光脈沖接受器的靈敏度、儀器和被測(cè)點(diǎn)間的距離、儀器和被測(cè)目標(biāo)間的角度等。這些因素直接導(dǎo)致了誤差的產(chǎn)生。通常情況下，三維激光掃描儀數(shù)據(jù)的模型精度顯著高于單點(diǎn)的精度，可通過設(shè)立球靶、球狀目標(biāo)的坐標(biāo)來改正點(diǎn)云的坐標(biāo)，提高掃描儀模型的精度。

洞內(nèi)寬窄不一，長(zhǎng)52.7 m，最窄處約50 cm，最矮處約2 m，前段較水平，后半段坡度較大，有一長(zhǎng)度約為40 m的上坡，洞內(nèi)潮濕。將掃描數(shù)據(jù)整合后，可得到這一部分洞室的三維掃描圖像，如圖9(a)所示，將掃描圖像的坐標(biāo)進(jìn)行降低精度的數(shù)據(jù)提取，得到了洞室的三維坐標(biāo)，如圖9(b)所示。

圖9 三維激光掃描結(jié)果

(2) 高密度電法數(shù)據(jù)處理。高密度電法數(shù)據(jù)分析采用美國(guó)GEOTOMO公司的商用反演分析軟件Res2dinv進(jìn)行處理，對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行格式轉(zhuǎn)換、噪音剔除、平滑與插值等預(yù)處理后，通過格式轉(zhuǎn)換把數(shù)據(jù)重排成該軟件處理格式，然后進(jìn)行反演。高密度電法結(jié)果剖面共54個(gè)，前四條測(cè)線剖面結(jié)果如圖10所示。將54個(gè)切面整合到同一空間坐標(biāo)中，如圖11所示，得到電法三維效果圖。

圖10 高密度電法剖面圖

圖11 電法結(jié)果三維效果圖

3.2 數(shù)據(jù)分析

本次信息融合數(shù)據(jù)有3個(gè)來源，分別是GPS定位、三維激光掃描及高密度電法。區(qū)域GPS定位采集到地表的地形點(diǎn)的高程信息以及12個(gè)洞口的坐標(biāo)信息。三維激光掃描對(duì)可進(jìn)入?yún)^(qū)域洞室的輪廓進(jìn)行高精度的掃描，得到洞室內(nèi)壁上大量點(diǎn)的坐標(biāo)，數(shù)據(jù)量龐大，可根據(jù)需要對(duì)其進(jìn)一步處理。由GPS定位的露頭洞口位置信息及三維激光掃描定義出的可進(jìn)入?yún)^(qū)域洞室位置信息的可靠性及精度較高，可作為采空區(qū)勘探的邊界條件。高密度電法能獲取大范圍內(nèi)地下空間巖土體電阻率，其結(jié)果展示了觀測(cè)剖面的地下電阻率分布，下一步需要根據(jù)電阻率信息解釋出洞室在剖面上分布的位置信息。在觀測(cè)區(qū)域總共布設(shè)了54條測(cè)線，因此共得出電阻率剖面圖54張。信息評(píng)估如圖12及表3所示。

表3 信息評(píng)估

圖12 信息評(píng)估示意圖

三維激光掃描能對(duì)儀器可進(jìn)入?yún)^(qū)域進(jìn)行精準(zhǔn)的掃描，獲取這部分區(qū)域地下洞室的空間分布與形態(tài)，數(shù)據(jù)形式以洞室輪廓上所有點(diǎn)的空間坐標(biāo)展現(xiàn)。截取結(jié)果中的豎直方向截面，可以發(fā)現(xiàn)截面上包含多個(gè)局部的小洞室，但這些洞室呈群分布。采用形態(tài)包絡(luò)的原則，描繪出洞室群的包絡(luò)線，以此作為洞室群的位置，如圖13所示。

圖13 洞室群形態(tài)包絡(luò)

電法勘探區(qū)域覆蓋了可進(jìn)入?yún)^(qū)域，可將此范圍內(nèi)電法剖面結(jié)果與三維激光掃描結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，取同一位置處的剖面，將二者結(jié)果疊加，如圖14所示。由圖可見，可進(jìn)入的洞室與高密度電法結(jié)果在主洞室的位置對(duì)應(yīng)性良好，洞室位置對(duì)應(yīng)于電法結(jié)果中的高阻區(qū)域，因此可以將三維激光掃描結(jié)果融合到電法剖面結(jié)果中。對(duì)圖中二者結(jié)果重合的部分，取此范圍內(nèi)電阻率最小值ρc作為臨界值，將電阻率大于ρc的區(qū)域推定為洞室。

采空區(qū)的可進(jìn)入?yún)^(qū)域上共布設(shè)了電法測(cè)線20條，將每個(gè)剖面上的電法結(jié)果與激光掃描的剖面結(jié)果進(jìn)行對(duì)照，取得所有剖面上的電阻率臨界值，繪制電阻率臨界值分布直方圖，如圖15所示。可以發(fā)現(xiàn)臨界值處于12 000 ohm·m～17 000 ohm·m，期望值約為14 500 ohm·m，因此以14 500 ohm·m作為臨界值對(duì)所有電法剖面結(jié)果進(jìn)行解釋，即推定剖面上電阻率ρ>ρc的區(qū)域?yàn)槎词摇?/p>

圖14 剖面洞室分布

圖15 電阻率臨界值分布

3.3 圖像融合

根據(jù)數(shù)據(jù)分析得到的臨界值，可以對(duì)高密度電法的結(jié)果進(jìn)行解釋，得到電法結(jié)果解釋空間圖，如圖16所示。可以發(fā)現(xiàn)解釋后的結(jié)果信息繁多，且由于電法測(cè)量時(shí)存在一定誤差，導(dǎo)致結(jié)果中包含離散的孤立點(diǎn)。采用累計(jì)標(biāo)記法對(duì)孤立點(diǎn)進(jìn)行過濾剔除，得到洞室的空間展布，如圖17所示。

可以考慮以洞室區(qū)域的中心點(diǎn)確定其位置，并忽略其形態(tài)大小。結(jié)合地形圖與GPS定位，可得出各電法剖面中洞室中心點(diǎn)在地下空間中的坐標(biāo)信息C(x,y,z)。最終在地下空間中，根據(jù)礦脈的連續(xù)性，結(jié)合洞口的定位信息及地下剖面的洞室中心點(diǎn)的坐標(biāo)信息進(jìn)行連接，就可得出整個(gè)采空區(qū)地下洞室的分布圖，如圖18所示。

根據(jù)結(jié)果可發(fā)現(xiàn)勘探區(qū)域內(nèi)除可進(jìn)入?yún)^(qū)域洞室外，還存在多條主要貫通性洞室，與可進(jìn)入洞室相連，區(qū)域北側(cè)形成錯(cuò)綜復(fù)雜的多條相連通道。項(xiàng)目結(jié)束后在區(qū)域北側(cè)的路面開口和洞口進(jìn)行了詳細(xì)踏勘，現(xiàn)場(chǎng)情況與信息融合后的結(jié)果進(jìn)行比對(duì)驗(yàn)證，發(fā)現(xiàn)二者在空間位置上基本吻合。另外，此結(jié)果表明南北兩端洞室是不連通的，在中間的不連通區(qū)域進(jìn)行了多次鉆探，同樣未能探測(cè)出空洞。

圖16 電法解釋結(jié)果

圖17 洞室空間展布

圖18 采空區(qū)洞室空間分布

4 結(jié) 論

本文提出了一種信息融合方法，解決了用單一地質(zhì)勘探手段無法獲得準(zhǔn)確的地質(zhì)構(gòu)造分析的問題。將其應(yīng)用于復(fù)雜地質(zhì)構(gòu)造勘探，獲得了具有較高準(zhǔn)確性的結(jié)果。

(1) 將信息融合技術(shù)應(yīng)用于復(fù)雜地質(zhì)勘探，采用GPS定位，三維激光掃描及高密度電法進(jìn)行勘測(cè)，用形態(tài)包絡(luò)及統(tǒng)計(jì)學(xué)方法進(jìn)行數(shù)據(jù)相關(guān)性分析，采用累計(jì)標(biāo)記法進(jìn)行孤立點(diǎn)剔除，最終得出采空區(qū)的空間分布。

(2) 采用GPS定位標(biāo)定露頭洞口以及地形分布，三維激光掃描精確地描述可進(jìn)入洞室空間分布狀態(tài)，廣域的2D高密度電法評(píng)價(jià)地下電阻率分布，通過信息融合獲得了地下采空區(qū)的空間分布。 結(jié)果表明除可進(jìn)入洞室外，調(diào)查區(qū)域存在多條錯(cuò)綜復(fù)雜的洞室，總長(zhǎng)度約1 100 m。