多源物化探技術(shù)在地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測中的應(yīng)用研究

關(guān)鍵詞：多源物化探技術(shù)；地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測；數(shù)據(jù)融合；干擾抑制；監(jiān)測布局中圖分類號：P694 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1008-9500（2025）04-0063-03DOI： 10.3969/j.issn.1008-9500.2025.04.017

Research on the Application of Multi-Source Physical and Chemical Exploration Technology in Geological Hazard Monitoring

DONG Xiang （Zhejiang Geotechnical Survey and Design Institute Co.，Ltd.，Shaoxing 312Ooo，China）

Abstract：Withtheintensificationofglobalclimatechangeandhumanactivities，geologicdisastersoccurfrequentlyposing aserious threattothesafetyofhuman lifeand property.Asanefectivemeans ofgeological hazard monitoring，multisourcephysicalandchemical exploration technologycanproviderich geological informationand providescientificbasis fordisasterearly warningand prevention.However，multi-source physicaland chemical exploration technology faces many challenges inpracticalapplicatio，suchascomplexdatafusion，umerous interferencefactors，porquipmentadaptability andunreasonable monitoring layout.Basedon this，the strategies of establishingdata matching mechanism，optimizing interference suppression，improving equipmentadaptabilityand perfecting monitoring layout are proposed inorder to provide more scientific and efficient solutions for geological hazard monitoring.

Keywords： multi-source physical and chemical exploration technology; geological hazard monitoring;data fusion; interference suppression; monitoring layout

地質(zhì)災(zāi)害的時空分布規(guī)律既受制于自然環(huán)境，又與人類活動有關(guān)，往往是人類與自然界相互作用的結(jié)果。傳統(tǒng)的單一物化探技術(shù)在面對復(fù)雜的地質(zhì)環(huán)境時存在局限性，難以提供全面準(zhǔn)確的信息支持。多源物化探技術(shù)通過集成電法、磁法、重力、地震及地球化學(xué)勘探等手段，能獲取更為詳細(xì)的地下結(jié)構(gòu)信息，有利于提高地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警的精度和可靠性。然而，該技術(shù)的應(yīng)用面臨著數(shù)據(jù)融合復(fù)雜、信號解析難度大等挑戰(zhàn)。因此，深入研究多源物化探技術(shù)在地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測中的應(yīng)用，具有重要的意義。

1多源物化探技術(shù)的原理

多源物化探技術(shù)基于地球物理和地球化學(xué)的理論，通過探測地殼中物理場和化學(xué)成分的變化來推斷地下結(jié)構(gòu)和物質(zhì)分布[1]。該技術(shù)利用不同方法測量地質(zhì)體的電性、磁性、密度、彈性波速等物理屬性以及化學(xué)元素含量，進(jìn)而構(gòu)建地質(zhì)模型。多源物化探技術(shù)可分為電法勘探、磁法勘探、重力勘探、地震勘探及地球化學(xué)勘探，如表1所示。其中，電法勘探依賴于電阻率或極化率差異；磁法勘探關(guān)注磁場強(qiáng)度變化;重力勘探關(guān)注重力加速度異常；地震勘探關(guān)注地震波傳播特性；地球化學(xué)勘探關(guān)注土壤和巖石的化學(xué)組成。這些方法單獨(dú)使用時各有局限，但綜合應(yīng)用可以彌補(bǔ)單一技術(shù)的缺陷，提供更為全面的地質(zhì)信息。

2多源物化探技術(shù)在地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測中的應(yīng)用難題

在地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測中，多源物化探技術(shù)的應(yīng)用展現(xiàn)了其獨(dú)特的優(yōu)越性，但在實際應(yīng)用中面臨諸多難題，涉及數(shù)據(jù)處理、信號提取、設(shè)備操作以及監(jiān)測布局等方面，影響了該技術(shù)在地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測中的有效性和準(zhǔn)確性，對數(shù)據(jù)解讀和災(zāi)害預(yù)警提出了更高要求。

2.1數(shù)據(jù)融合復(fù)雜，多源信息協(xié)同困難

多源物化探數(shù)據(jù)源于不同探測手段，融合存在困難。一方面，數(shù)據(jù)特性差異大。不同物化探方法得到的數(shù)據(jù)在量綱、尺度、時空范圍等方面有很大不同。例如，電法勘探數(shù)據(jù)以電位、電阻率等電學(xué)量為特征，而地球化學(xué)勘探數(shù)據(jù)側(cè)重于元素含量等化學(xué)量，使構(gòu)建統(tǒng)一的數(shù)據(jù)模型融合數(shù)據(jù)存在挑戰(zhàn)。另一方面，數(shù)據(jù)語義理解不同。多源數(shù)據(jù)所代表的地質(zhì)意義不同，各數(shù)據(jù)之間的關(guān)聯(lián)難以直接確定。比如，物理探測數(shù)據(jù)反映地質(zhì)體的物理結(jié)構(gòu)和狀態(tài)，化學(xué)數(shù)據(jù)反映物質(zhì)組成，將兩者基于地質(zhì)災(zāi)害特征協(xié)同起來，需要深入理解地質(zhì)過程，但目前的知識體系尚不完善，難以實現(xiàn)多源信息協(xié)同。

2.2干擾因素多，信號精準(zhǔn)提取不易

在地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測中，多源物化探信號易受多種因素干擾。從自然環(huán)境方面看，地質(zhì)條件復(fù)雜是一大干擾源。不同地質(zhì)體的物理性質(zhì)、化學(xué)性質(zhì)存在差異，使物化探信號產(chǎn)生不規(guī)則波動，干擾了與地質(zhì)災(zāi)害相關(guān)信號的識別。地球物理場的自然變化也會帶來干擾，會增加從背景信號中準(zhǔn)確提取與地質(zhì)災(zāi)害相關(guān)信號的難度。從人為因素來看，人類活動的干擾日益增強(qiáng)。城市化進(jìn)程中的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)、工業(yè)生產(chǎn)中的電磁干擾等都會對物化探信號產(chǎn)生影響，使精準(zhǔn)提取有用信號變得更加復(fù)雜。

2.3設(shè)備適配性差，聯(lián)合監(jiān)測操作受阻

多源物化探設(shè)備在聯(lián)合監(jiān)測時存在適配性問題。第一，設(shè)備原理與功能的差異導(dǎo)致聯(lián)合困難。不同的物化探設(shè)備在測量范圍、精度、靈敏度等功能指標(biāo)上存在差異，造成聯(lián)合監(jiān)測時難以協(xié)調(diào)各設(shè)備的工作參數(shù)，無法形成高效的聯(lián)合監(jiān)測體系。第二，設(shè)備的操作與維護(hù)體系不同。不同廠家生產(chǎn)的設(shè)備在操作流程、數(shù)據(jù)輸出格式等方面存在差異，在設(shè)備維護(hù)方面所需的技術(shù)和配件也不一樣，在聯(lián)合監(jiān)測時增加操作的復(fù)雜性和出錯的概率，從而阻礙聯(lián)合監(jiān)測的順利進(jìn)行。

2.4監(jiān)測布局不合理，動態(tài)跟蹤時效差

一方面，監(jiān)測布局缺乏全面性考慮。在規(guī)劃監(jiān)測布局時，往往未能充分考慮地質(zhì)災(zāi)害的多種類型及其潛在分布規(guī)律。例如，山體滑坡和地面塌陷的影響因素和發(fā)展模式不同，但在監(jiān)測布局時沒有針對差異進(jìn)行優(yōu)化，導(dǎo)致某些關(guān)鍵區(qū)域未被有效監(jiān)測，無法全面反映地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)展態(tài)勢。另一方面，監(jiān)測布局缺乏靈活性。地質(zhì)災(zāi)害是動態(tài)發(fā)展的過程，隨著時間的推移，災(zāi)害的范圍、強(qiáng)度等會發(fā)生變化。但現(xiàn)有的監(jiān)測布局一旦確定，很難根據(jù)災(zāi)害發(fā)展的實際情況及時調(diào)整，導(dǎo)致監(jiān)測數(shù)據(jù)不能及時反映災(zāi)害的最新動態(tài)，從而影響動態(tài)跟蹤的時效性。

3多源物化探技術(shù)在地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測中的應(yīng)用對策

多源物化探技術(shù)在地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測中的應(yīng)用面臨諸多難題，為了克服問題，需要針對性地提出一系列有效的應(yīng)用對策。

3.1建立多源數(shù)據(jù)匹配機(jī)制，增強(qiáng)融合效果

針對多源物化探數(shù)據(jù)融合難題，應(yīng)建立完善的數(shù)據(jù)匹配機(jī)制。

首先，統(tǒng)一數(shù)據(jù)采集標(biāo)準(zhǔn)，確保不同方法獲取的數(shù)據(jù)在時空尺度上具備可比性[2。例如，規(guī)定重力測量精度達(dá)到微伽級，電法勘探的采樣間隔為 1 0 m 使各類數(shù)據(jù)在同一基準(zhǔn)下采集。

其次，基于小波變換、主成分分析等理論，設(shè)計多元數(shù)據(jù)融合算法。小波變換能將數(shù)據(jù)分解為不同頻率成分，凸顯局部特征，便于識別地質(zhì)異常細(xì)節(jié)；主成分分析則能對高維數(shù)據(jù)降維處理，提取主要信息，減少數(shù)據(jù)冗余。以某滑坡監(jiān)測為例，將重力、電法、地震波數(shù)據(jù)經(jīng)小波變換后，依據(jù)頻率特征進(jìn)行分層融合，再利用主成分分析提取反映滑坡體穩(wěn)定性的關(guān)鍵指標(biāo)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)優(yōu)勢互補(bǔ)，增強(qiáng)對地質(zhì)災(zāi)害隱患的識別能力。

最后，構(gòu)建地質(zhì)災(zāi)害特征數(shù)據(jù)庫，存儲各類災(zāi)害典型物化探數(shù)據(jù)特征及對應(yīng)的地質(zhì)模型。在數(shù)據(jù)融合過程中，通過與數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)進(jìn)行比對，快速匹配相似案例，為災(zāi)害解譯提供參考依據(jù)。

3.2優(yōu)化干擾抑制技術(shù)，提高信號提取精度

為應(yīng)對地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測現(xiàn)場的復(fù)雜干擾，需要從多方面優(yōu)化干擾抑制技術(shù)。在硬件層面，研發(fā)具備強(qiáng)抗干擾能力的物化探儀器。例如，新型電磁傳感器可采用多層屏蔽結(jié)構(gòu)，內(nèi)屏蔽層阻擋儀器內(nèi)部電磁泄漏，外屏蔽層抵御外界電磁干擾，中間填充吸波材料，衰減特定頻段的干擾波[3]；優(yōu)化傳感器的接地設(shè)計，采用深埋式、多點(diǎn)接地方式，降低接地電阻，減少地電位波動對信號的影響。在軟件算法層面，運(yùn)用自適應(yīng)濾波技術(shù)。以監(jiān)測地震活動為例，根據(jù)地震波信號與環(huán)境噪聲的差異，設(shè)計自適應(yīng)濾波器，實時跟蹤噪聲變化，動態(tài)調(diào)整濾波參數(shù)，精準(zhǔn)濾除工業(yè)振動、交通噪聲等干擾，提取微弱地震信號；針對山區(qū)地形起伏引發(fā)的重力、磁力假異常，采用地形校正算法，基于高精度數(shù)字高程模型（DigitalElevation Model，DEM）數(shù)據(jù)，模擬地形對物理場的影響，從測量數(shù)據(jù)中剔除地形干擾成分，還原真實地質(zhì)體信號，提升信號提取精度[4]。

3.3提升設(shè)備適配性能，優(yōu)化聯(lián)合監(jiān)測效能

第一，開展設(shè)備的模塊化、集成化設(shè)計。集成重力、磁力、電法等功能模塊于一體，各模塊具備獨(dú)立的數(shù)據(jù)采集、處理單元，可依據(jù)監(jiān)測任務(wù)需求靈活組合。例如，在地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜的山區(qū)，組裝重力－磁力聯(lián)合探測模塊，利用重力探測深部地質(zhì)結(jié)構(gòu)，磁力勘查淺層磁性地質(zhì)體分布，實現(xiàn)一次測量獲取多源信息；優(yōu)化設(shè)備接口，統(tǒng)一數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議，便于聯(lián)合監(jiān)測作業(yè)。第二，研發(fā)智能調(diào)控系統(tǒng)，依據(jù)地質(zhì)環(huán)境參數(shù)自動調(diào)整設(shè)備工作參數(shù)。在地下水位淺埋區(qū)進(jìn)行電法勘探時，系統(tǒng)實時監(jiān)測土壤濕度，自動調(diào)節(jié)供電電流、電壓，避免因含水量過高導(dǎo)致短路或信號衰減；針對不同地形坡度，智能調(diào)整傳感器的姿態(tài)，保證測量方向的準(zhǔn)確性[5]，提升設(shè)備在復(fù)雜地質(zhì)條件下的適應(yīng)性與監(jiān)測效能，降低人工操作的復(fù)雜性與誤差。

3.4完善監(jiān)測布局規(guī)劃，增強(qiáng)動態(tài)跟蹤時效

完善監(jiān)測布局規(guī)劃，需要綜合考量地質(zhì)災(zāi)害類型、地質(zhì)環(huán)境特征及災(zāi)害演化規(guī)律。針對滑坡災(zāi)害，采用分區(qū)、分層、分階段布局策略。在滑坡體前緣、后緣、中部關(guān)鍵部位，在不同深度布置傳感器，構(gòu)建三維監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)。依據(jù)滑坡發(fā)展階段，在初始變形期加密監(jiān)測點(diǎn)，獲取高分辨率變形數(shù)據(jù)，快速捕捉變形趨勢；在穩(wěn)定期適當(dāng)稀疏監(jiān)測點(diǎn)，優(yōu)化資源配置，實現(xiàn)對滑坡全過程動態(tài)精準(zhǔn)跟蹤。

運(yùn)用數(shù)值模擬技術(shù)輔助布局優(yōu)化?；诘刭|(zhì)勘查數(shù)據(jù)建立災(zāi)害體力學(xué)模型，模擬不同工況下的地質(zhì)體變形、應(yīng)力分布，依據(jù)模擬結(jié)果確定監(jiān)測重點(diǎn)區(qū)域與薄弱環(huán)節(jié)，針對性布設(shè)監(jiān)測點(diǎn)；結(jié)合衛(wèi)星遙感、無人機(jī)低空測繪等手段，定期更新地質(zhì)災(zāi)害體的地形地貌、植被覆蓋等信息，實時調(diào)整監(jiān)測布局，確保監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)始終覆蓋災(zāi)害關(guān)鍵部位，提升監(jiān)測系統(tǒng)對地質(zhì)災(zāi)害動態(tài)變化的響應(yīng)時效，為災(zāi)害預(yù)警提供有力支撐。

4結(jié)論

針對傳統(tǒng)單一物化探技術(shù)存在的不足，探討了多源物化探技術(shù)在地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測中的應(yīng)用。然而，研究仍存在一些有待完善之處。例如，沒有深人分析該技術(shù)在極端地質(zhì)條件下的適用性。未來，將進(jìn)一步拓展研究范圍，深化技術(shù)細(xì)節(jié)，開展更多實際應(yīng)用案例的分析，不斷優(yōu)化技術(shù)方案，以提升多源物化探技術(shù)在地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測中的應(yīng)用效果。

參考文獻(xiàn)

1李成香，劉磊，周世昌，等.物探技術(shù)在巖溶塌陷災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警中的應(yīng)用研究[J].資源環(huán)境與工程，2021（6）：887-894.

2 付明林，王學(xué)究，張寶華.多源異構(gòu)數(shù)據(jù)融合在富水軟巖地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測的策略研究[J].河南水利與南水北調(diào)，2024（10）：90-91.

3 劉劍剛.基于北斗GNSS的高原鐵路地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測技術(shù)研究[J].浙江水利水電學(xué)院學(xué)報，2024（5）：48-53.

4 王雅平，楊明龍，吳學(xué)群，等.InSAR技術(shù)在滇中紅層公路地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測中的應(yīng)用[J].中國水運(yùn)，2024（16）：127-129.

5張曉飛，呂中虎，孟慶佳，等.基于物聯(lián)網(wǎng)和弱反射光柵陣列的地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計與應(yīng)用[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2025（1）：144-150.