電磁波CT剖面異常快速平面投影方法與應用

馬 圣 敏,夏 峰2，張 建 清

(1.長江勘測規劃設計研究有限責任公司，湖北 武漢 430010； 2.黔南州水利水電勘測設計研究院，貴州 黔南 588000)

在城市軌道交通巖溶探測時，通常會在預開挖的隧道兩側布置多條地質鉆孔測線，每條測線按一定間隔布置鉆孔，每對鉆孔之間采用電磁波CT技術對隧道區間巖溶發育情況進行探測(見圖1)。由于鉆孔相對較密，形成的電磁波CT剖面較多，所以在制作相關圖件時耗費時間較長，以剖面圖中的視吸收系數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異常投影到平面圖的測線上。具體過程是:① 將電磁波CT縱剖面圖視吸收系數異常復制到平面圖中(以鉆孔孔口位置為復制基點)；② 沿平面圖中視吸收系數異常區域左、右兩側分別繪制鉛垂線，并任意繪制一條水平線與兩條鉛垂線相交；③ 從水平線中點引出一條垂線與平面圖上的測線相交，交點為A；④ 計算中點與兩條鉛錘線的距離D1(左)，D2(右);⑤ 以交點A為中心，沿平面圖中測線左側方向移動距離D1并繪制一個點P1，沿平面圖中測線右側方向移動距離D2并繪制一個點P2，連接點P1、A、P2，形成一條多段線，如圖2所示。

圖2 電磁波CT剖面圖視吸收系數異常平面投影常規方法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，一旦發生錯漏，很難找到問題所在，影響到數據處理成果的質量控制。因此，急需一種新的電磁波CT剖面圖中視吸收系數異常快速平面投影的方法。

查閱國內外相關文獻，尚無與軌道交通CT探測剖面布置特點相適應，且能將剖面圖中視吸收系數異常投影到平面圖的簡單易行的計算機實現方法。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異常進行水平面投影，但未提及具體方法。狄衛民等[2-7]只提及平剖面圖計算機輔助繪圖方法，可有效提高生產效率。劉柏根等[8-10]提出了將剖面圖中二維曲線轉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]提出了礦山地質圖的平剖面圖自動轉換系統，先切割礦條段(三維)，然后通過自動連圖的方式形成平剖面圖，這與電磁波CT的剖面圖“切割”地下不良地質體類似，不同點在于通過CT剖面圖中視吸收異常形成平面圖異常時事先并不清楚不良地質體的三維形態。楊麗[12]采用空間坐標變換實現地質平/剖面圖自動成圖，但在軌道交通CT探測剖面梅花形布置條件下，將剖面中視吸收系數異常區域坐標轉換成三維坐標再進行投影，算法相對比較復雜。文獻[13]為實現在CAD中自動投影提供了思路。

本文結合軌道交通電磁波CT剖面布置特征，以鉆孔位置為參照，形成剖面視吸收系數異常的準確、唯一編碼，并制定相應的解碼規則，從而實現大數據量電磁波CT剖面視吸收系數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號線北延線工程共布置電磁波CT測線5條，即L1-L1′、M1-M1′、R1-R1′、L1-M1、R1-M1測線，每條測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域為CT探測范圍，緊鄰探測范圍頂部的多段線為覆蓋層與基巖的分界線。基巖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異常，分別位于MK165孔與MK167孔下。

1.2 實現思路

由于剖面圖是垂直向下的，視吸收系數異常投影到平面圖上的表現形式為覆蓋在探測線上的一段折線。可以以鉆孔為位置參照，為每個剖面視吸收系數異常制定唯一的位置編碼，如MK165孔下的視吸收系數異常可表達為“MK165孔左xm至MK165孔左ym”；MK167孔下的視吸收系數異常可表達為“MK167孔左xm至MK167孔左ym”，表1為示例數據。

在進行平面投影時，以平面圖中鉆孔的平面坐標為基點，沿視吸收系數異常所在剖面對應的測線方向分別移動一定的距離，形成視吸收系數異常平面投影折線的兩個端點，也就是位置解碼。如表1中2001號視吸收系數異常，沿LK048～LK049剖面測線大樁號方向，分別移動0.5 m和4.5 m，形成視吸收系數異常平面投影折線的兩個端點，將兩個端點連接起來，便完成了剖面視吸收系數異常的平面投影。

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

該示例是單個視吸收系數異常位于2個鉆孔之間的情況。對于視吸收系數異常與1個或多個鉆孔相交、與鉆孔不相交的情況，也可以制定相應的編碼、解碼規則。基于該思路，便可實現剖面視吸收系數異常投影到平面圖的計算機方法。

2 具體方案

具體而言，基于計算機方法實現大數據量電磁波CT剖面圖中視吸收系數異常在平面圖中的投影分為以下幾個步驟。

2.1 位置編碼

選擇剖面圖中任一視吸收系數異常，以與該視吸收系數異常最為鄰近的鉆孔為參照，根據鉆孔與視吸收系數異常的位置關系，遵照一定的編碼規則，形成每個視吸收系數異常投影為折線的唯一位置編碼。

(1) 如圖4(a)所示，對于視吸收系數異常區域位于兩個鉆孔m、n之間的情況，通過視吸收系數異常與鉆孔n的空間位置關系，獲取視吸收系數異常最左端、最右端與鉆孔n的水平距離參數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，對于視吸收系數異常與一個鉆孔m相交的情況，通過視吸收系數異常和穿過該視吸收系數異常的鉆孔m的空間位置關系，獲取視吸收系數異常最左端、最右端與鉆孔m的水平距離參數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，對于視吸收系數異常與兩個鉆孔m，n相交的情況，通過視吸收系數異常和穿過該視吸收系數異常的兩個鉆孔m、n的空間位置關系，獲取視吸收系數異常最左端與鉆孔m、最右端與鉆孔n的水平距離參數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異常位置關系示意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

在進行電磁波CT剖面視吸收系數異常平面圖投影時，逐一取出視吸收系數異常與鉆孔位置關系的編碼記錄，根據記錄中視吸收系數異常與鉆孔的關系類型，選擇相應的計算機解碼規則進行解譯，并完成平面圖投影。

(1) 對于視吸收系數異常位于2個鉆孔之間的情況，解譯編碼記錄，獲取鉆孔孔號n，空間關系“孔左”，以及距離參數a、b。從鉆孔平面坐標記錄中檢索鉆孔孔號n所對應的平面坐標。計算平面圖中沿測線方向距鉆孔孔號n左邊a、bm的2個點的平面坐標。將其與鉆孔n的平面坐標連成折線，完成投影過程。

(2) 對于視吸收系數異常與一個鉆孔相交的情況，解譯編碼記錄，獲取鉆孔孔號m，空間關系“孔左、孔右”，以及參數a、b。從鉆孔平面坐標記錄中檢索鉆孔孔號m所對應的平面坐標。計算平面圖中沿測線方向距鉆孔孔號m左邊a、右邊bm的兩個點的平面坐標。將其與鉆孔m、n孔的平面坐標一周繪制成點并連成折線，完成投影過程；

(3) 對于視吸收系數異常與2個鉆孔相交的情況，解譯編碼記錄，獲取鉆孔孔號m、n，空間關系“孔左、孔右”，以及參數a、b；從鉆孔平面坐標記錄中檢索鉆孔孔號m、n所對應的平面坐標。計算圖中沿測線方向距鉆孔孔號m孔左邊am、鉆孔孔號n孔右邊bm的兩個點的平面坐標。將其與鉆孔m、n孔的平面坐標連成折線，完成投影過程。

完成投影過程后，可依據測線的空間位置關系，將平面圖中多條具有相關關系的視吸收系數異常投影線的兩端端點逆時針或順時針連接起來，形成視吸收系數異常平面圖，如圖5所示。

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

3 工程應用

該方法在武漢軌道交通7號線北延線工程中應用效果良好，以下以該工程為例進行說明。

武漢軌道交通7號線北延線工程起于黃陂前川，先后經過黃陂前川新城區、武漢臨空經濟區、黃陂盤龍城區、東西湖區，止于7號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探測范圍包括橫臨高架區段及臨空北路站、巨龍大道站-馬池站和馬池站-園博園北站區段，共完成電磁波CT剖面1 256對。

通過數據分析與整理，形成如表2所示電磁波CT剖面視吸收系數異常表，表中水平范圍列為視吸收系數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。為了區分不同的視吸收系數異常，圖中視吸收系數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測線上如圖4(a)～(b)所示類型的異常。

表2 前川線巨湯區段電磁波CT剖面視吸收系數異常結果(部分數據)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 論

(1) 本文提出了一種新的電磁波CT剖面圖中視吸收系數異常區域平面投影方法，可為大數據量電磁波CT剖面圖視吸收系數異常快速投影到平面圖提供基礎。

該方法以視吸收系數異常鄰近鉆孔為參照，按照鉆孔與視吸收系數異常的各種空間位置關系，遵照一定的編碼規則，形成視吸收系數異常投影為折線的唯一位置編碼。在平面投影時，按剖面視吸收系數異常與鉆孔的位置關系解碼位置編碼記錄，沿著剖面所對應的平面測線方向，投影形成多個平面坐標點，連接各坐標點形成折線，實現視吸收系數異常的平面投影。

(2) 剖面圖視吸收系數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聯性的平面投影視吸收系數異常(折線)組合起來，形成閉合的區域，是下一步需要解決的問題。不良地質體形態錯綜復雜，視吸收系數異常平面投影線的合成需要制定相應的準則，才能為快速電磁波CT視吸收系數異常平面圖制作打下基礎。