基于小波變換模極大值法識別OCTEM異常邊界

蔡少峰

基于小波變換模極大值法識別OCTEM異常邊界

蔡少峰

(中鐵一院集團(tuán) 甘肅鐵道綜合工程勘察院，甘肅 蘭州 730000)

針對OCTEM資料解釋中地質(zhì)災(zāi)害中異常體的識別問題，提出采用多尺度小波變換的模極大值法定量提取地質(zhì)體異常邊界。介紹多尺度小波變換模極大值的方法原理，算法實(shí)現(xiàn)要點(diǎn)，算法實(shí)現(xiàn)流程以及地質(zhì)異常體的識別標(biāo)準(zhǔn)；將該方法應(yīng)用到蘭渝鐵路胡麻嶺隧道冒頂搶險(xiǎn)中。通過該方法有效提取塌陷區(qū)的邊界，為后續(xù)施工設(shè)計(jì)提供了可靠的數(shù)據(jù)支撐，同時(shí)該方法能夠減少資料解釋過程中人為因素干擾，為解譯人員提供了一種新的參考依據(jù)。為類似隧道塌陷等施工突發(fā)事件的應(yīng)急勘探提供了一種新解譯的思路。

小波變換模極大值法；隧道施工；突發(fā)事故；應(yīng)急搶險(xiǎn)

鐵路隧道施工或運(yùn)營期間，由于地質(zhì)情況的復(fù)雜性，坍塌冒頂、涌水突泥等事故偶有發(fā)生，往往造成施工、運(yùn)營中斷和人員生命財(cái)產(chǎn)的損失，同時(shí)產(chǎn)生極大的社會影響。在這種情況下，急需物探高效、準(zhǔn)確地提供基礎(chǔ)資料。為確定病害原因及進(jìn)一步工程整治提供可靠依據(jù)[1]。北方冬季，地表封凍，造成接地電阻高、地表高速層屏蔽和炮孔施工困難，不利于接地類電法和地震工作，極大地限制了物探方法的應(yīng)用。地震類方法除了施工困難和不滿足技術(shù)和地質(zhì)要求外，更主要的是炸藥申辦困難，不滿足應(yīng)急工程時(shí)間上的要求；傳統(tǒng)的中心回線瞬變電磁法雖然不接地，但在山區(qū)效率低，分辨率有限，無法滿足應(yīng)急搶險(xiǎn)工程的需要。因此，OCTEM成為首選[2]。如何根據(jù)OCTEM的數(shù)據(jù)圈定地質(zhì)異常體的邊界和影響范圍，這點(diǎn)在資料的解譯中至關(guān)重要。通常地質(zhì)異常體的邊界主要根據(jù)電阻率的相對值、等值線形態(tài)等結(jié)合鉆孔資料、地質(zhì)資料等進(jìn)行推斷與解釋，受地形起伏影響較大，推斷的異常地質(zhì)體位置比較概略，邊界難以界定，這時(shí)需要一種定量計(jì)算的異常邊界檢測算法來圈定異常地質(zhì)體邊界[3]。異常地質(zhì)體邊界對應(yīng)電阻率等值線圖上是電阻率擾動、梯度變化較大之處，檢測異常邊界點(diǎn)實(shí)質(zhì)上就是檢測視電阻率數(shù)據(jù)中的擾動和梯度變化劇烈部分。Cordell等[4]提出的用水平導(dǎo)數(shù)極大值確定異常體邊界位置。Verduzco等[5]提出解析信號幅值法，解析信號模的極大值對應(yīng)異常體邊界。肖紅等[6]將小波模極大值應(yīng)用于地震圖像邊緣檢測中。朱保建[7]進(jìn)行多尺度小波模極大值法在位場邊界檢測中的應(yīng)用研究。本文采用多尺度小波變換的模極大值法來實(shí)現(xiàn)地質(zhì)異常體邊界的快速檢測。

1 方法原理

異常地質(zhì)體邊界是物探提供基礎(chǔ)資料的重要部分，也是作為圖像的最主要特征。其判斷依據(jù)主要是電阻率數(shù)據(jù)擾動和梯度變化劇烈之處，這就需要有一種工具能夠快速、準(zhǔn)確地檢測這種變化。小波變換具有檢測信號局域突變的能力，且可以結(jié)合多尺度信息進(jìn)行檢測，因此可以應(yīng)用于異常地質(zhì)體邊界的快速檢測。

1.1 小波多尺度變換模極大值法方法原理

離散小波變換的模定義如下：

圖像的邊緣對應(yīng)的就是小波多變換的模極大值點(diǎn)。

1.2 算法實(shí)現(xiàn)要點(diǎn)

1.2.1 小波的多尺度變換

選取高斯函數(shù)：

電阻率數(shù)據(jù)二維圖像的多尺度小波變換即為圖像分別與高斯函數(shù)的方向偏導(dǎo)數(shù)和方向偏導(dǎo)數(shù)的卷積。

1.2.2 小波變換模極大值提取

地質(zhì)異常體的邊界對應(yīng)于小波變換后的模極大值點(diǎn)。從二維數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)上看，每個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)周圍有4個(gè)緊鄰的數(shù)據(jù)點(diǎn)，分別落在和2個(gè)方向，即分別確定這2個(gè)方向的模極大值。最后將這些模極大值點(diǎn)的位置投影到電阻率平面等值線圖上，這些模極大值點(diǎn)的位置對應(yīng)地質(zhì)異常體的邊界。

1.3 算法實(shí)現(xiàn)流程

這里的物探方法采用的是等值反磁通瞬變電磁法(OCTEM)，針對等值反磁通瞬變電磁數(shù) 據(jù)[2, 8?9]，采用5DEM數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)對大地電磁法資料進(jìn)行反演計(jì)算[10?12]，得到電阻率數(shù)據(jù)，然后對電阻率數(shù)據(jù)進(jìn)行多尺度小波變換，對小波多尺度變換后的系數(shù)提取方向和方向上的模極大值。將這些模極大值點(diǎn)的位置投影到電阻率等值線圖上，進(jìn)而確定地質(zhì)異常體的邊界。經(jīng)過對比發(fā)現(xiàn)，當(dāng)小波多尺度變換的階數(shù)為4時(shí)，小波變換模極大值點(diǎn)和已知地質(zhì)異常體邊界對應(yīng)較好，具體步驟如圖1 所示。

圖1 地質(zhì)異常邊界提取流程

為了更好地說明多尺度小波變換模極大值法在地球物理異常邊界提取方面的效果，這里采用Fed Sugeng和Art Raiche的瞬變電磁2.5維正演程序Arjuna模擬計(jì)算地下低阻異常的瞬變電磁響應(yīng)。模型的背景電阻率1=100 Ω?m，低阻異常電阻率2=10 Ω?m，異常距地表100 m，在剖面上是一個(gè)50 m×50 m的正方形，具體位置見圖2所示。

采用式(8)晚期視電阻率公式[8]計(jì)算該電磁響應(yīng)的電阻率并生成等值線圖，見圖2，從圖2可以看出，電阻率低值區(qū)與低阻模型的對應(yīng)關(guān)系較好，但是沒有明顯的邊界，不能反映低阻模型的形態(tài)。

式中：為回線邊長，m；為測道的時(shí)間，ms；()/為觀測值，以uVA為單位。

接下來依據(jù)式(7)和式(6)對計(jì)算獲得的電阻率數(shù)據(jù)進(jìn)行尺度為4的多尺度小波變換，并對小波變換的系數(shù)在和2個(gè)方向求取模極大值點(diǎn)，將這些模極大值點(diǎn)投影到電阻率等值線圖上，見圖2，圖中圈定的區(qū)域?yàn)槟Ｐ椭械妥璁惓^(qū)，電阻率等值線為模型響應(yīng)的晚期視電阻率，三角為小波變換模極大值的投影。這些模極大值點(diǎn)共同構(gòu)成了低阻異常體的邊界，這些邊界基本上反映了低阻模型的形態(tài)，可見小波變換模極大值法能夠有效地提取異常邊界。

圖2 小波變換模極大值投影圖

2 異常地質(zhì)體邊界識別

小波變換模極大值點(diǎn)投影到電阻率等值線圖，如圖3所示。異常分界點(diǎn)在電阻率等值線圖上規(guī)律十分清晰。將位置相近的異常分界點(diǎn)串連起來，形成一些不同的結(jié)構(gòu)，具體分為3類：線性結(jié)構(gòu)，環(huán)狀結(jié)構(gòu)和雜亂結(jié)構(gòu)。

圖3 模極大值投影圖

線性結(jié)構(gòu)主要反映地層界限、斷層、斷裂帶等；環(huán)狀結(jié)構(gòu)為封閉區(qū)域，主要反映局部電阻率突變位置，如巖溶，坍陷空洞等，這里圈出了隧道坍陷區(qū)大致界限；雜亂結(jié)構(gòu)則主要反映了電阻率變化劇烈，沒有特定的規(guī)律，主要為地質(zhì)結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜區(qū)。

3 應(yīng)用

3.1 胡麻嶺隧道地質(zhì)背景

胡麻嶺隧道位于甘肅省榆中縣與定西縣，進(jìn)口位于榆中縣龍泉鄉(xiāng)下郭家莊，出口位于定西縣苦河左岸，穿行于黃土高原梁、峁區(qū)。胡麻嶺隧道1號斜井DK72+470~+730段隧道埋深180~240 m，地表為黃土覆蓋，多為耕地，地層巖性主要為白堊系礫巖(KCg)，礫石成分主要砂巖、石英巖等，磨圓度差，分選差，顆粒多呈棱角狀，多泥質(zhì)膠結(jié)。

工區(qū)水文地質(zhì)富水性分區(qū)屬弱富水，地貌上處于黃土梁峁地貌中的梁頂及沖溝，埋深較大，補(bǔ)給來源為大氣降水，地下水分布不均勻。但由于礫巖成巖作用差，為地下水的儲水創(chuàng)造了有利條件，在不同巖性的接觸帶，水量較大，隧道通過時(shí)，有出現(xiàn)集中涌水的可能。

圖4 隧道上方地表陷坑

2011年8月19日，胡麻嶺隧道坡上斜井(1號斜井)重慶方向開挖至DK72+489時(shí)掌子面為砂巖，成巖性差，泥質(zhì)弱膠結(jié)，拱部大面積發(fā)生坍塌。DK72+510掌子面在處理中上臺階欠挖過程中，線路左側(cè)拱腰部位多次發(fā)生涌水涌砂，其中較大的有4次，拱頂形成較大空腔。2015年10月29日再次發(fā)生涌塌。2015年12月22日9時(shí)50分胡麻嶺隧道DK72+ 528~+548地表發(fā)生塌陷，形成橢圓形塌陷坑(軸長16~20 m)，實(shí)測深度為17 m(圖4)，勘探過程中處于穩(wěn)定狀態(tài)。

3.2 資料解釋

按照上述原則，將電阻率等值線圖中環(huán)狀結(jié)構(gòu)的異常分界點(diǎn)標(biāo)示出來，同時(shí)結(jié)合電阻率異常和已知坍陷區(qū)在地表的坍陷位置圈定了隧道坍陷區(qū)，從隧道標(biāo)高到地表的具體位置，如圖5所示。

塌陷腔的發(fā)育情況如下：地表塌陷范圍主要發(fā)育在隧道中線右側(cè)，近似圓形。高程2 300~2 200 m段，塌陷通道發(fā)育在距隧道中線右側(cè)5~15 m范圍內(nèi)，向下逐漸變窄；高程2 200~2 150 m段，塌陷通道發(fā)育在隧道中線右側(cè)0~20 m范圍內(nèi)，向下逐漸變大，呈現(xiàn)為喇叭口朝下的空腔；高程2 150 m，塌陷通道發(fā)育在隧道中線左右兩側(cè)分別10 m范 圍內(nèi)。

圖5 隧道塌陷區(qū)OCTEM電阻率切片圖

電阻率梯度趨勢在淺部等值線高梯度帶分布在隧道中線的右側(cè)，深部分布在隧道中線的左側(cè)。推測大氣降水將沿著此梯度帶從右往左滲流，匯集在線路左側(cè)，造成線路左側(cè)巖性較為軟弱。隧道中線處于電阻率等值線高梯度帶位置，推測為地表水下滲的梯度帶通道，水壓力較大，在隧道開挖有凌空面存在時(shí)，砂巖透水軟化，造成涌水涌砂工程病害的發(fā)生，最終形成地表重力塌陷。

4 結(jié)論

1) OCTEM可探測地下純二次場響應(yīng)，提高早期信號質(zhì)量，從而提高中淺部勘探精度，適合于鐵路施工過程中突發(fā)事故的應(yīng)急勘探。

2) 對反演后的電阻率數(shù)據(jù)采用小波變換模極大值點(diǎn)提取異常分界點(diǎn)位置，同時(shí)結(jié)合地質(zhì)資料，可判釋隧道塌陷區(qū)坍塌冒頂范圍，隧道開挖和鉆孔驗(yàn)證結(jié)果與物探成果資料吻合較好，證明了小波變換模極大值法在隧道塌陷區(qū)邊界提取的有效性。

3)小波變換模極大值法定量提取地質(zhì)異常體的邊界，能夠減少資料解釋過程中人為因素干擾，為解譯人員提供了一種新的參考依據(jù)，為類似隧道塌陷等施工突發(fā)事件的應(yīng)急勘探提供了一種新的思路。

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Identification of OCTEM abnormal boundary based on wavelet transform modulus maxima method

CAI Shaofeng

(China Railway First Survey and Design Institute Group Co., Ltd, Lanzhou 730000, China)

The identification of anomalous bodies in geological disasters was explained in the interpretation of OCTEM data, a multiscale wavelet transform model maximum method was proposed to extract the abnormal boundary of the geological body. First, the principle of multiscale wavelet transform modulus maxima was introduced, the main points of the algorithm were realized. Secondly, the identification standard of the geological anomaly body was introduced. Finally, the method was applied to the collapse accident emergency rescue of the in Lan-Yu railway Humaling tunnel. The method could effectively extract the boundary of the collapse area, and provide reliable data support for the subsequent construction design. At the same time, this method could reduce the interference of human factors in the process of data interpretation, and provides a new reference for the interpreters. It provided a new interpretation for emergency exploration such as tunnel collapse and other construction emergencies.

wavelet transform modulus maximum; tunnel construction; sudden accident; emergency rescue

U45

A

1672 ? 7029(2019)06? 1513 ? 06

10.19713/j.cnki.43?1423/u.2019.06.022

2018?08?06

蔡少峰(1974?)，男，寧夏青銅峽人，高級工程師，從事工程地球物理研究與應(yīng)用；E?mail：450359457@qq.com

(編輯 陽麗霞)