中低山區(qū)直升機(jī)重磁緩起伏測量方法研究

耿圣博，閆紅雨，安戰(zhàn)鋒，關(guān)海靜，王志博，金久強(qiáng)，徐明，王鑫，李冰，郭琦

(1.中國自然資源航空物探遙感中心，北京 100083； 2.中國郵政儲(chǔ)蓄銀行股份有限公司，北京 100166)

0 引言

直升機(jī)航空物探測量因其飛行方式靈活，特別適合小區(qū)域大比例尺高精度測量[1]的特點(diǎn)，已經(jīng)成為地質(zhì)調(diào)查及地質(zhì)找礦的重要手段。近年來逐漸興起以直升機(jī)為航空物探測量平臺進(jìn)行的航磁、航重、重磁[2-3]、磁放、磁電等多種測量方法。從已完成的直升機(jī)測量項(xiàng)目來看，中國自然資源航空物探遙感中心采用緩起伏方式在地勢相對平坦的平原地區(qū)開展重磁測量[4]；采用沿地形起伏的方式在地勢相對平坦的盆地地區(qū)開展重磁測量；采用沿地形起伏方式在云貴高原開展航磁測量[5]；北秦嶺中低山區(qū)開展了磁放測量；大冶鐵礦開展航磁測量[6]。中國地質(zhì)大學(xué)(北京)的許蘇鵬在青藏高原中開展航磁測量[7]。中國地質(zhì)科學(xué)院地球物理地球化學(xué)勘察研究院所承擔(dān)的項(xiàng)目“南盤江—右江地區(qū)航空物探(磁、放)調(diào)查”在山地丘陵地區(qū)開展了磁放綜合測量；“山東省淄博市金嶺礦集區(qū)富鐵礦資源深部及外圍調(diào)查評價(jià)高精度航磁工程”在丘陵平原地區(qū)開展了航磁測量。核工業(yè)航測遙感中心所承擔(dān)的項(xiàng)目“遼寧省丹東地區(qū)青城子礦集礦區(qū)和五龍礦集區(qū)航空電磁探測”在山地丘陵地區(qū)開展了磁電放測量。受制于設(shè)備要求，對于成礦條件比較有利的山區(qū)，以往主要以固定翼航磁測量為主，或采用固定翼以平飛方式開展重磁測量，或采用直升機(jī)航磁、磁放測量，鮮有中低山區(qū)直升機(jī)重磁測量。固定翼有測量效率高，有效載荷大，飛行姿態(tài)穩(wěn)定等特點(diǎn)[8]，但是在地形切割劇烈的中低山區(qū)測區(qū)，雖可開展沿地形起伏飛行的航磁測量，但由于顛簸劇烈，并不適合搭載航重設(shè)備，不適用高精度航空物探重磁測量。因此開發(fā)一套應(yīng)用于中低山區(qū)的具有較高測量精度的直升機(jī)重磁測量方法，對中低山區(qū)的地質(zhì)找礦及重磁測量方法更大范圍的應(yīng)用意義重大。北秦嶺華陽川地區(qū)屬于典型的中低山區(qū)[9]，近年來硬巖型鈾礦找礦取得重大突破，現(xiàn)需要對鈾礦成礦地質(zhì)背景、控礦因素、成礦規(guī)律等進(jìn)行系統(tǒng)研究。由于自然地理、氣候條件的限制和歷史特定因素，測區(qū)內(nèi)覆蓋的航磁資料多為20世紀(jì)50～60年代的低精度航磁調(diào)查所得，且重力測量工作程度總體很低，以1∶50萬重力資料為主，1∶20萬重力測量工作區(qū)內(nèi)無覆蓋，直到2016年才在該區(qū)局地開展了1∶1萬高精度磁放調(diào)查。因此計(jì)劃在該區(qū)開展航空物探重磁調(diào)查工作，借以研究推廣適用于中低山地區(qū)的航空重磁測量方法。北秦嶺構(gòu)造帶位于秦嶺商丹斷裂帶與欒川斷裂帶之間，主要巖石地層單元自北而南依次為寬坪巖群、二郎坪群、秦嶺巖群和丹鳳混雜巖，它們之間均以斷裂帶為界，沿NWW向平行展布，構(gòu)成北秦嶺構(gòu)造帶的主體構(gòu)造線(圖1)。此外，有少量超鎂鐵質(zhì)巖和花崗巖分布[10-11]。區(qū)域巖漿活動(dòng)極為發(fā)育，侵入巖、火山巖及脈巖均有產(chǎn)出，工作區(qū)侵入巖屬于秦嶺東西向構(gòu)造帶的組成部分，具有EW向成帶分布、多次侵入的活動(dòng)特點(diǎn)[12]。

圖1 測區(qū)地質(zhì)Fig.1 Geological map of survey area

項(xiàng)目測區(qū)范圍為50 km×50 km，區(qū)內(nèi)山脈河流發(fā)達(dá)，測區(qū)及周邊地區(qū)均為中低山區(qū)。山脈大致成EW走向，區(qū)內(nèi)最高峰海拔2 645 m，最低海拔660 m，山高林密，河谷縱橫，高差2 000 m，飛行難度較大。

本文對如何將直升機(jī)重磁測量方法應(yīng)用于中低山地區(qū)進(jìn)行了研究，改裝了適用于中低山地區(qū)重磁測量的飛機(jī)，設(shè)計(jì)了三維測網(wǎng)，提出了沿地形緩起伏飛行的方法。使用該方法圓滿地完成了北秦嶺華陽川地區(qū)重磁測量任務(wù)，取得了重力場異常形態(tài)特征明顯的重力數(shù)據(jù)，同時(shí)兼顧了航磁測量，證實(shí)了該方法的有效性。

1 飛機(jī)選型及改裝

對比表1中各類飛機(jī)的性能可知，直升機(jī)因其靈活的飛行方式以及相對寬松的起降條件，在小測區(qū)的中低山區(qū)進(jìn)行作業(yè)，具有較大優(yōu)勢。綜合飛機(jī)性能及項(xiàng)目特點(diǎn)，項(xiàng)目組選取直升機(jī)作為航空測量平臺。

表1 主要航空物探平臺機(jī)型參數(shù)

目前采用最廣泛的機(jī)型是歐洲直升機(jī)航空公司生產(chǎn)的AS350-B3型直升機(jī)。該機(jī)型自重1 241 kg，可用載重1 009 kg，最大起飛重量(海平面)2 250 kg。單飛行員操作時(shí)，空載瞬時(shí)極限爬升率10 m/s，極限工作高度7 800 m。最大供電電流28V150A，客艙高度1.3 m。該機(jī)型曾經(jīng)完成過航磁、航重、重磁、磁放多項(xiàng)任務(wù)，性能優(yōu)異，能夠滿足本項(xiàng)目航空重磁綜合測量的飛行要求。

飛機(jī)改裝應(yīng)考慮飛機(jī)磁干擾場分布，飛機(jī)配重，外掛設(shè)備對飛機(jī)空氣動(dòng)力學(xué)影響，設(shè)備裝卸，設(shè)備操作等幾個(gè)方面。

如圖2所示，在機(jī)頭方向9 m處，干擾場的影響非常弱，故定制長度9 m的無磁探竿，將探頭設(shè)置于探竿前端，并將此探竿固定在機(jī)腹位置。為防如此長的探竿在飛行時(shí)震動(dòng)過大，在機(jī)腹位置設(shè)置3個(gè)固定點(diǎn)。

圖2 探頭遠(yuǎn)離飛機(jī)和螺旋槳時(shí)磁干擾的變化Fig.2 Variation of magnetic interference field

設(shè)備安裝時(shí)必須考慮配重問題。設(shè)備質(zhì)量如表2。項(xiàng)目組選定飛機(jī)在機(jī)腹左側(cè)有3個(gè)外掛點(diǎn)，可用來固定探桿，因此，較輕的探竿和機(jī)柜等組成的航磁系統(tǒng)放置在飛機(jī)左側(cè)，較重的航重系統(tǒng)放置在飛機(jī)右側(cè)。同時(shí)，因飛機(jī)尾槳在飛機(jī)右側(cè)，考慮到操作安全問題，操作窗口設(shè)置在飛機(jī)左側(cè)，避免尾槳誤傷工作人員。安裝示意如圖3所示。

圖3 航空重磁測量系統(tǒng)設(shè)備安裝示意Fig.3 Aero gravity and magnetic measuring system installation diagram

表2 航空重磁測量系統(tǒng)設(shè)備質(zhì)量

飛機(jī)改裝實(shí)物如圖4所示，根據(jù)規(guī)范要求[13]，對測量設(shè)備進(jìn)行靜態(tài)和動(dòng)態(tài)測試。靜態(tài)測試對于航磁設(shè)備主要觀測航磁設(shè)備穩(wěn)定性及定位精度，根據(jù)現(xiàn)場條件，測試時(shí)間選在凌晨0：00～5:00間進(jìn)行，以減少人文干擾；航重設(shè)備靜態(tài)測試則是模擬飛行狀態(tài)，對重力設(shè)備進(jìn)行靜態(tài)精度及定位精度測試。結(jié)果如表3，滿足規(guī)范要求。

圖4 航空重磁測量系統(tǒng)Fig.4 Aero gravity and magnetic measurement system

表3 重磁測量系統(tǒng)靜態(tài)測試結(jié)果

動(dòng)態(tài)測試對于航磁系統(tǒng)主要進(jìn)行補(bǔ)償測試，補(bǔ)償方式為在測區(qū)內(nèi)10 km×10 km地磁平穩(wěn)區(qū)域內(nèi)，在海拔3 000 m高度按規(guī)定動(dòng)作做閉環(huán)飛行；航重系統(tǒng)主要考察儀器動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性和重復(fù)性，選取一條長度約48 km的SN走向測線，反復(fù)飛行5次。測試結(jié)果如表4，滿足規(guī)范要求。

表4 重磁測量系統(tǒng)動(dòng)態(tài)測試結(jié)果

2 測網(wǎng)設(shè)計(jì)

在以往測量中，航磁測量一般采取沿地形起伏飛行，而航重測量一般采取平飛方式[14-15]，測網(wǎng)均為一張平面網(wǎng)。本項(xiàng)目是在中低山區(qū)進(jìn)行重磁測量，按以往航磁飛行方式沿地形起伏飛行時(shí)，起伏較大，重力測量設(shè)備承受的加速度太大，設(shè)備自保護(hù)會(huì)導(dǎo)致設(shè)備死機(jī)；若增加離地高度，采取航重測量方式，可以減小起伏，但會(huì)導(dǎo)致航磁測量效果不好。此外，飛機(jī)沿地形起伏飛行時(shí)，對于測線切割線交點(diǎn)，兩線是否在同一高度相交，完全依靠飛行員個(gè)人能力。實(shí)際飛行效果是大多數(shù)測線、切割線因高度不一致未能相交，兩者間存在較大高差。為兼顧兩種測量方式，降低測線切割線交點(diǎn)高度差，本次測量飛行方式采用沿地形且起伏坡度小于3°的緩起伏測量方法[16-18]。飛機(jī)沿設(shè)計(jì)好的測線飛行，除了控制左右偏航外，還需控制上下偏航。使航跡保持在設(shè)計(jì)測線周向50 m以內(nèi)，測線切割線交叉點(diǎn)高度差控制在±40 m以內(nèi)，過山頭高度為真高100 m。為此，制定了三維測網(wǎng)。

在傳統(tǒng)的航空物探測量中，測網(wǎng)是測線切割線組成的平面網(wǎng)，測線和切割線并沒有設(shè)定海拔高度和坡度信息，只設(shè)定長度和航線信息。飛機(jī)飛行時(shí)按測線保持航向和偏航距，雖然導(dǎo)航系統(tǒng)除了提供航向，水平方向偏航距等信息，也提供高度信息，但是測網(wǎng)并不設(shè)定高度信息，如圖5。最下標(biāo)尺紅三角表示當(dāng)前飛機(jī)位置與測線重合。

圖5 平面測網(wǎng)導(dǎo)航Fig.5 2 D plane survey grid navigation diagram

本項(xiàng)目采用的三維測網(wǎng)，除了設(shè)定了每條測線的航向和長度外信息，還要求設(shè)定測線的海拔高度和坡度信息，如圖6所示。十字中心的圓點(diǎn)表示飛機(jī)位置，飛機(jī)在飛行時(shí)水平方向和垂直方向與測線的偏離均能實(shí)時(shí)反映出來。

圖6 三維測網(wǎng)導(dǎo)航Fig.6 3 D plane survey grid navigation diagram

以數(shù)字地形高程數(shù)據(jù)(DEM)為依據(jù)，編制三維測網(wǎng)。DEM數(shù)據(jù)(SRTM數(shù)據(jù))是美國太空總署(NASA)和國防部國家測繪局(NIMA)以及德國與意大利航天機(jī)構(gòu)共同合作完成聯(lián)合測量，SRTM地形數(shù)據(jù)按精度可以分為SRTM1和SRTM3，分別對應(yīng)的分辨率精度為30 m和90 m數(shù)據(jù)，目前公開數(shù)據(jù)為90 m分辨率的數(shù)據(jù)。因此，利用DEM數(shù)據(jù)可以獲得一張最小方格為90 m×90 m的地形數(shù)據(jù)網(wǎng)。

設(shè)計(jì)三維測線需首先確定測網(wǎng)中各條測線海拔最高的點(diǎn)，從最高點(diǎn)向測線兩端設(shè)計(jì)三維測線。如圖7中a點(diǎn)為某條測線海拔最高點(diǎn)上空100 m處，從a點(diǎn)沿3°坡度向兩側(cè)延伸，每隔90 m會(huì)與一條DEM數(shù)據(jù)相交。如圖所示，假設(shè)紫色為某條測線地形，a點(diǎn)沿3°坡度向右延伸至測線終點(diǎn)e是理想狀態(tài)。當(dāng)向左以3°坡度延伸時(shí)，起初按虛線ab延伸，雖然也滿足坡度小于3°，但當(dāng)由b延伸至c時(shí)，坡度超標(biāo)。因此只能由a點(diǎn)沿小于3°的坡度直接延伸至c點(diǎn)，再由c點(diǎn)沿3°坡度繼續(xù)向測線終點(diǎn)f點(diǎn)延伸。在地形變化劇烈的地區(qū)， f點(diǎn)高度可能遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于d點(diǎn)。最終三維測線形態(tài)為f—c—a—e。這樣的測線，不但設(shè)定了測線的航向和長度，還規(guī)定了測線的海拔高度以及坡度。故所有測線和切割線組成的測網(wǎng)稱為三維測網(wǎng)。

圖7 三維測網(wǎng)設(shè)計(jì)示意(“——” 為DEM數(shù)據(jù))Fig.7 3D plane survey grid diagram(“——” is DEM data)

若是從測線端點(diǎn)d開始沿3°坡度向e點(diǎn)設(shè)計(jì)三維測線，假設(shè)dc段坡段遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于3°，設(shè)計(jì)滿足要求的測線需要首先確定f點(diǎn)的高度，如此會(huì)增加設(shè)計(jì)難度，增大工作量。圖8是一條設(shè)計(jì)好的三維測線，可以發(fā)現(xiàn)測線端點(diǎn)和地形之間存在較大高度差。

此外，為了便于飛行，在坡度不變的地方10 km設(shè)置一個(gè)控制點(diǎn)；在坡度發(fā)生變化的地方，根據(jù)實(shí)際地形適當(dāng)設(shè)置控制點(diǎn)。從飛行安全的角度講，整條測線控制點(diǎn)不宜太多。飛行員在操作飛機(jī)時(shí)只需對準(zhǔn)控制點(diǎn)飛行即可。當(dāng)然，實(shí)際飛行時(shí)需要圖6所示的更加先進(jìn)的三維導(dǎo)航系統(tǒng)，該系統(tǒng)在上下左右4個(gè)方向上控制飛機(jī)位置，使飛機(jī)總能保持在三維測線周向50 m以內(nèi)。這樣可以更好地控制測線質(zhì)量。

切割線設(shè)置方法相同。需要注意的切割線與測線必須相交，從而形成一個(gè)完整的網(wǎng)。實(shí)際三維測線如圖8所示。圖9是實(shí)際飛行航跡曲面與地形對比圖，可以發(fā)現(xiàn)三維航跡沿地形起伏，很好的覆蓋在地形曲面之上。

圖8 設(shè)計(jì)測線效果Fig.8 Design survey line diagram

圖9 地形(上)與飛行航跡曲面(下)Fig.9 Terrain(up)and flight path(down)

3 測量效果

通過對比實(shí)際地形圖和飛行航跡，可以發(fā)現(xiàn)實(shí)際航跡形成一個(gè)曲面很好地覆蓋在測區(qū)上。

飛機(jī)按三維測網(wǎng)在中低山區(qū)緩起伏飛行，偏航是否滿足設(shè)計(jì)要求，直接影響測量效果。此處的偏航，指的是上下左右4個(gè)方向的偏航。通過數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，測區(qū)內(nèi)航跡水平偏航全部合格；航跡與設(shè)計(jì)測線的飛行高度差(即上下偏航)按測點(diǎn)統(tǒng)計(jì)，平均飛行高度差為4.935m，小于20 m的占總測線數(shù)的 99.22%，小于40m的占99.94%，統(tǒng)計(jì)結(jié)果見圖10。

圖10 航跡與設(shè)計(jì)測線高度差統(tǒng)計(jì)Fig.10 Height difference statistics of flight path and design survey line

全區(qū)緩起伏測線切割線共516個(gè)交叉點(diǎn)，交叉點(diǎn)高度差在28 m以內(nèi)占99.62%。通過使用三維導(dǎo)航系統(tǒng)，絕大部分交叉點(diǎn)高度差很好的控制在30m以內(nèi)，統(tǒng)計(jì)結(jié)果見圖11。交叉點(diǎn)高度差越小，測線切割線場值差越小，對后期調(diào)平、數(shù)據(jù)處理、成圖具有重要意義。

圖11 測線切割線交叉點(diǎn)高度差統(tǒng)計(jì)Fig.11 The height difference statistics between the intersection points of the survey line and the cross line

為驗(yàn)證緩起伏飛行效果，在重點(diǎn)區(qū)域安排海拔2 600 m平飛測線與緩起伏測線進(jìn)行對比。圖12為同一地區(qū)平飛測線與緩起伏測線航磁ΔT陰影圖，通過對比發(fā)現(xiàn)，該區(qū)緩起伏飛行的磁場面貌特征比平飛的磁場面貌更加豐富，中北部地區(qū)疊加的圓狀、橢圓狀局部異常形態(tài)特征更加明顯，異常細(xì)節(jié)比較多；中部NWW向條帶狀異常帶，在緩起伏飛行航磁異常場中更加清晰。由此說明，緩起伏飛行航磁異常圖可對該區(qū)的礦致異常特征的研究及航磁異常找礦研究提供詳細(xì)的航磁基礎(chǔ)資料。

圖12 平飛航磁ΔT陰影(左)與緩起伏飛行航磁ΔT陰影(右)Fig.12 Horizontal flight aero magnetic ΔT shadow diagram(left) and slow rise and fall flight aero magnetic ΔT shadow diagram (rigth)

圖13為同一地區(qū)平飛測線與緩起伏測線航空空間重力陰影圖。通過對比航空空間重力異常場發(fā)現(xiàn)，該區(qū)緩起伏飛行的重力場面貌特征比平飛的重力場異常形態(tài)特征更加明顯，疊加的局部異常邊界更加清晰，緩起伏飛行航空重力異常圖，可為研究區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造、推斷斷裂帶及巖性地質(zhì)體、編制航空物探推斷巖性構(gòu)造圖等提供更重要的航空重力基礎(chǔ)圖件。

圖13 平飛航空空間重力陰影(左)與緩起伏飛行航空空間重力陰影(右)Fig.13 Horizontal flight aero space gravity shadow diagram (left) and slow rise and fall flight aero space gravity shadow diagram (rigth)

4 結(jié)論

使用AS350-B3為航空重磁測量平臺，集成了可用于中低山區(qū)的直升機(jī)航空重磁測量系統(tǒng)。通過設(shè)計(jì)全新的三維測網(wǎng)，在中低山地區(qū)沿地形做緩起伏重磁測量，可以同時(shí)兼顧重、磁兩種測量，提高了測量效率。在緩起伏全覆蓋的情況下，選取測區(qū)內(nèi)重點(diǎn)成礦區(qū)域采用傳統(tǒng)平飛方式二次測量。通過對比不同工作方式下的測量效果，驗(yàn)證了飛機(jī)、儀器設(shè)備在中低山區(qū)，在緩起伏模式下可正常工作。而緩起伏測量因?yàn)楦N近地面，取得的資料質(zhì)量佳，細(xì)節(jié)豐富，可信度高，對后期數(shù)據(jù)處理，地質(zhì)成圖效果更好。同時(shí)，本方法的順利實(shí)施為推廣中低山區(qū)緩起伏測量積累了寶貴經(jīng)驗(yàn)。