地質(zhì)病害三維幾何參數(shù)估計(jì)與可視化平臺(tái)開發(fā)

周麗軍

（山西省交通科技研發(fā)有限公司，山西 太原 030032）

地質(zhì)病害通常具有隱蔽性、不可見性，檢測(cè)難度大，若不及時(shí)檢測(cè)與修復(fù)，產(chǎn)生的破壞性極大，會(huì)造成巨大的損失。目前對(duì)于道路地質(zhì)病害的檢測(cè)，地質(zhì)雷達(dá)具有較好的檢測(cè)效果，但是地質(zhì)雷達(dá)因其電磁檢測(cè)機(jī)理使得其目標(biāo)檢測(cè)結(jié)果以剖面圖的雙曲線反射波形與強(qiáng)度為特征，數(shù)據(jù)解析專業(yè)性強(qiáng)，解析難度大，不如視覺圖像直觀。傳統(tǒng)的地質(zhì)雷達(dá)采集數(shù)據(jù)以單剖面為基礎(chǔ)進(jìn)行解析，獲取的信息量少，不利于地質(zhì)雷達(dá)數(shù)據(jù)解析[1]?？梢钥紤]地質(zhì)雷達(dá)三維數(shù)據(jù)采集，不僅能獲取豐富的數(shù)據(jù)信息，還能通過相鄰?fù)ǖ啦杉瘮?shù)據(jù)之間的相關(guān)性，探索地下病害之間的關(guān)聯(lián)信息，能從不同維度進(jìn)行綜合推理分析，有助于地質(zhì)雷達(dá)的數(shù)據(jù)解析[2-4]。

由于地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)的數(shù)據(jù)展現(xiàn)形式專業(yè)性強(qiáng)，對(duì)于非相關(guān)專業(yè)用戶很難解讀采集的病害信息，導(dǎo)致對(duì)地質(zhì)雷達(dá)數(shù)據(jù)的挖掘力度不夠。而地質(zhì)病害的可視化開發(fā)則能極大地提高非相關(guān)專業(yè)用戶對(duì)道路地質(zhì)狀況的了解與認(rèn)知，能以便于理解的方式表達(dá)信息[5]。因此，本文從道路內(nèi)部病害的三維檢測(cè)方法與幾何參數(shù)估計(jì)、道路地質(zhì)信息建模、道路地質(zhì)病害三維可視化開發(fā)3個(gè)方面，將地質(zhì)病害可視化地展現(xiàn)出來，即使非相關(guān)專業(yè)用戶也能直觀理解地質(zhì)情況、病害情況以及病害的發(fā)展趨勢(shì)與安全評(píng)估情況。

1 地質(zhì)病害三維檢測(cè)與解析方法

1.1 三維檢測(cè)布局

首先確定測(cè)量范圍，以2.2 m寬、2 m長(zhǎng)道路為例，寬度方向?yàn)閄測(cè)線方向，長(zhǎng)度方向?yàn)閅測(cè)線方向，地質(zhì)雷達(dá)沿Y測(cè)線方向檢測(cè)到終點(diǎn)后沿X測(cè)線方向位移一個(gè)單元開始掉頭，沿-Y測(cè)線方向檢測(cè)，即檢測(cè)過程為“S”型，如圖1所示。

圖1 地質(zhì)病害三維檢測(cè)布局

通過三維檢測(cè)布局方法，使用地質(zhì)雷達(dá)能獲取地質(zhì)結(jié)構(gòu)的多個(gè)剖面聯(lián)合解釋，并且能使相鄰單元或通道之間的數(shù)據(jù)相互驗(yàn)證，綜合比對(duì)分析多個(gè)相鄰單元或通道地質(zhì)雷達(dá)剖面之間差異和相關(guān)性，減少解釋的多解性，從而能提高道路地下病害解釋的準(zhǔn)確性和效率[6]。

1.2 基于相關(guān)性融合的三維幾何參數(shù)估計(jì)算法

由于道路內(nèi)部地質(zhì)病害的地質(zhì)雷達(dá)采集數(shù)據(jù)在相鄰單元或通道上具有很高的相似性，但是噪聲與干擾對(duì)目標(biāo)信號(hào)而言又是不相干的，因此可以考慮使用互相關(guān)函數(shù)濾波來放大相關(guān)信號(hào)，抑制不相關(guān)的噪聲與干擾，提高信噪比，不僅能降低多解性，還能顯著提高解釋的正確性。

對(duì)于采集到的兩個(gè)通道數(shù)據(jù)x（t）和y（t），得到互相關(guān)函數(shù)為：

按照上述三維檢測(cè)布局方法，這里的數(shù)據(jù)融合處理需要對(duì)Y測(cè)線方向與-Y測(cè)線方向的數(shù)據(jù)進(jìn)行一致化校準(zhǔn)，如對(duì)于Y通道數(shù)據(jù)y（t），可以得到校準(zhǔn)后的數(shù)據(jù)-y(t)'，于是式（1）可以寫成：

圖2中通過相鄰?fù)ǖ赖牡刭|(zhì)雷達(dá)采集數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)融合得到的病害信息，比較圖2c與圖2a、圖2b，病害信息更加突出，并且病害的底部信息也能體現(xiàn)出來，而圖2a與圖2b中幾乎沒有病害的底部信息。此外，通過相關(guān)融合后，獲得的病害頂部與底部信息對(duì)于病害三維估計(jì)具有重要的支撐作用。

圖2 相鄰?fù)ǖ罊z測(cè)結(jié)果的相關(guān)性融合

根據(jù)地質(zhì)雷達(dá)回波響應(yīng)特征，下面從波動(dòng)力學(xué)的角度從反射回波中估計(jì)脫空量參數(shù)。首先載入采集的B-scan圖像，將圖像轉(zhuǎn)化成列顯示，通過算法提取每列的極值點(diǎn)信息，并標(biāo)注第1極值點(diǎn)與第2極值點(diǎn)。根據(jù)電磁反射回波的波動(dòng)力學(xué)原理，第1極值點(diǎn)幅值和第2極值點(diǎn)幅值的比與脫空量呈以下規(guī)律：當(dāng)脫空量小于1/3波長(zhǎng)時(shí)，比值隨脫空量遞增而遞增；當(dāng)脫空量大于1/3波長(zhǎng)時(shí)，比值隨脫空量的遞增而遞減[7]。分別對(duì)上述曲線進(jìn)行線性和指數(shù)曲線擬合：

a）當(dāng)脫空量小于1/3波長(zhǎng)時(shí)，進(jìn)行線性擬合，擬合函數(shù)為：

式中：x為脫空量；y為極值幅度比值。

b）當(dāng)脫空量大于1/3波長(zhǎng)時(shí)，進(jìn)行指數(shù)擬合，擬合函數(shù)為：

對(duì)一幅B-scan掃描圖像做上述擬合與估計(jì)，得到的結(jié)果如圖3與圖4所示。圖中根據(jù)電磁波頻率、第1極值點(diǎn)幅值、第2極值點(diǎn)幅值，獲得了病害脫空量擬合結(jié)果，并且通過與實(shí)際病害脫空量相對(duì)比，誤差均在厘米級(jí)。

圖3 采集圖像與某一列極點(diǎn)提取

圖4 脫空量估計(jì)

2 地質(zhì)病害三維模型建立

本文構(gòu)建了一段城市道路的主體三維模型，其中涉及到地形數(shù)據(jù)、地質(zhì)數(shù)據(jù)、遙感影像數(shù)據(jù)、鉆孔數(shù)據(jù)、勘探線剖面數(shù)據(jù)等。其中鉆孔數(shù)據(jù)是最主要的建模數(shù)據(jù)源之一。通過對(duì)鉆孔數(shù)據(jù)進(jìn)行整理，形成鉆孔位置表、鉆孔測(cè)斜表、鉆孔巖性表、鉆孔曲線表4個(gè)excel表格，再將excel表格轉(zhuǎn)換成文本文件，按照表格順序?qū)氲杰浖?。需要注意的是鉆孔測(cè)斜表中的傾角為鉆孔與z軸所交的銳角，測(cè)斜數(shù)據(jù)需要從開孔位置處開始算起[8]。

構(gòu)建的主體模型還涉及到點(diǎn)、線、面、體等不同數(shù)據(jù)類型，需要統(tǒng)一多源數(shù)據(jù)的坐標(biāo)系和比例尺，進(jìn)行多源數(shù)據(jù)處理，特別要進(jìn)行異構(gòu)多源數(shù)據(jù)的融合。本文構(gòu)建的城市道路三維模型要進(jìn)行多方面的數(shù)據(jù)融合，首先是地形數(shù)據(jù)、地質(zhì)圖、遙感影像圖等地表數(shù)據(jù)的融合；然后是地質(zhì)深度數(shù)據(jù)的融合，包括地表采集數(shù)據(jù)與地下鉆孔、勘探線剖面圖數(shù)據(jù)等；最后是主體模型數(shù)據(jù)與加入的病害數(shù)據(jù)的融合，將病害數(shù)據(jù)以excel表格方式導(dǎo)入模型中，匹配病害尺寸位置與主體模型位置。

圖5 一段城市道路三維模型建模

3 地質(zhì)病害三維可視化分析平臺(tái)

地質(zhì)病害三維可視化平臺(tái)集成了現(xiàn)場(chǎng)采集數(shù)據(jù)，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和物探數(shù)據(jù)等各種數(shù)據(jù)，把這些數(shù)據(jù)匯整到統(tǒng)一的設(shè)計(jì)平臺(tái)中。平臺(tái)中設(shè)計(jì)了多種編輯數(shù)據(jù)的方法，將數(shù)據(jù)與地質(zhì)模型關(guān)聯(lián)，修改數(shù)據(jù)模型更新?？紤]到地質(zhì)層之間的關(guān)系復(fù)雜，存在尖滅、透鏡體等特殊情況，因此，平臺(tái)提供了地層自動(dòng)化構(gòu)建功能，使大量復(fù)雜的地層構(gòu)建工作由系統(tǒng)完成。另外，平臺(tái)提供了地質(zhì)柱狀圖、剖面圖，以及各種勘察成果統(tǒng)計(jì)等功能，方便將成果圖形化展示及勘察數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)。

針對(duì)檢測(cè)到的地質(zhì)病害情況，提供了便捷的病害模型建模，能夠把病害數(shù)據(jù)以excel格式導(dǎo)入平臺(tái)直接生成三維病害模型。病害模型在地層模型作運(yùn)算，能夠進(jìn)行地質(zhì)厚度查詢、病害位置查詢、病害體積查詢等數(shù)據(jù)分析功能，同時(shí)嵌入病害態(tài)勢(shì)估計(jì)模塊，能夠進(jìn)行數(shù)據(jù)對(duì)比、發(fā)展趨勢(shì)評(píng)估、安全評(píng)定等級(jí)等決策預(yù)警功能。

4 結(jié)論

地質(zhì)病害的隱蔽性與不可見性使其檢測(cè)難度增大，而通過地質(zhì)雷達(dá)檢測(cè)的隱藏病害因其解析困難，使得數(shù)據(jù)無法為工作提供指導(dǎo)作用。本文通過采用三維檢測(cè)布局方式獲取多維度數(shù)據(jù)信息，利用相關(guān)性融合算法增強(qiáng)病害信息而抑制噪聲干擾，開發(fā)三維可視化分析平臺(tái)實(shí)現(xiàn)了對(duì)地質(zhì)病害的幾何信息、地理位置顯示以及對(duì)發(fā)展趨勢(shì)與安全態(tài)勢(shì)估計(jì)，此平臺(tái)對(duì)于非相關(guān)專業(yè)用戶具有很好的可讀性，為決策層提供了很好的支撐平臺(tái)。