基于GeoStation的高密度電阻率色譜圖開發(fā)與實(shí)現(xiàn)

李成翔 王國(guó)光 卓勝豪 許平

摘要：高密度電阻率法是一種重要的地球物理勘探方法。由于它具有施工快捷、分辨率高，可靠性好、圖像直觀等優(yōu)點(diǎn)，已被廣泛應(yīng)用于尋找非金屬礦、地下水及各類工程地質(zhì)勘測(cè)等眾多領(lǐng)域。根據(jù)測(cè)得的電阻率數(shù)據(jù)繪制電阻率等值線色譜圖，進(jìn)一步對(duì)該圖進(jìn)行人工反演解釋得到專業(yè)成果圖。因此，等值線色譜圖在高密度電阻率法的應(yīng)用過(guò)程中的起至關(guān)重要的作用。本文研究了地質(zhì)三維系統(tǒng)GeoStation中高密度電阻率等值線色譜圖的繪制方法，該方法對(duì)其他行業(yè)的等值線色譜圖的繪制也具有借鑒意義。

關(guān)鍵詞：高密度電阻率；色譜圖；GeoStation

中圖分類號(hào)：TP39；TU201.4 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-3044（2018）12-0301-02

1 高密度電阻率法簡(jiǎn)介

高密度電阻率法是電剖面法和電測(cè)深法的綜合，是以巖土體的導(dǎo)電性差異為基礎(chǔ)的一類電探方法，研究在施加電場(chǎng)的作用下，地中傳導(dǎo)電流的分布規(guī)律，原理上屬于電阻率法的范疇，但與常規(guī)的電阻率法相比設(shè)置了較高的測(cè)點(diǎn)密度，在測(cè)量方法上采取了一些有效的設(shè)計(jì)，使得數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)有較高的精度和較強(qiáng)的抗干擾能力，并可獲得較為豐富的地電信息[1]。

地質(zhì)環(huán)境調(diào)查中運(yùn)用高密度電阻率法較普遍，在研究區(qū)勘探中對(duì)破碎帶的勘探效果較好，準(zhǔn)確圈定破碎含水帶的位置，確定坡積物的厚度、基巖面的埋深，并且利用不同位置的測(cè)線準(zhǔn)確控制破碎帶的走向；在地層劃分中，高密度電法較好地劃分了地表各沉積層位置（表土層、卵礫石層、基巖），得到了關(guān)于層位的各種參數(shù)。因此，高密度電阻率法在地質(zhì)環(huán)境調(diào)查中對(duì)電性異常體的勘探效果較好[2]。

2 高密度電法的作業(yè)流程（內(nèi)業(yè)）

2.1 建立高密度電法的測(cè)線

高密度電法測(cè)線是根據(jù)勘測(cè)任務(wù)書要求，在地表面大體沿直線布置的勘探測(cè)線。每條測(cè)線對(duì)應(yīng)一個(gè)測(cè)線編號(hào)，根據(jù)地形起伏反應(yīng)地表面以下一定深度范圍內(nèi)的電阻率差異變化情況。根據(jù)不同的電極選用方式快速完成多種電極裝置和多電極在觀測(cè)剖面上的電阻率法觀測(cè)。測(cè)線包括測(cè)線編號(hào)、起點(diǎn)坐標(biāo)、終點(diǎn)坐標(biāo)信息，格式如表1所示。

2.2 錄入成果數(shù)據(jù)

現(xiàn)場(chǎng)探測(cè)的數(shù)據(jù)傳輸?shù)接?jì)算機(jī)中，進(jìn)行格式轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)的預(yù)處理，消除壞點(diǎn)數(shù)據(jù)，進(jìn)行地形校正，得到各電性層的電阻率值，從而依據(jù)鉆孔資料及其它勘探資料進(jìn)行綜合解釋。數(shù)據(jù)文件內(nèi)容分為三列，第一列為測(cè)線剖面樁號(hào)，第二列為高程，第三列為電阻率值，如表2所示。

2.3 繪制等值線色譜圖

根據(jù)各電性層的電阻率數(shù)據(jù)，繪制電阻率等值線色譜圖，如圖4所示。圖中不同顏色區(qū)域代表不同的數(shù)據(jù)區(qū)間，數(shù)據(jù)區(qū)間的范圍和顏色都可以由用戶設(shè)置。

2.4 繪制解譯成果圖

根據(jù)電阻率等值線圖譜，結(jié)合不同土層、巖層和地下水的電性特征，分析出不同土層、巖層和地下水的范圍界線和走勢(shì)。

3 等值線圖譜的繪制

專業(yè)人員在進(jìn)行物探作業(yè)的流程中，根據(jù)高密度電法獲取到的離散數(shù)據(jù)繪制出形象直觀的等值線圖譜是最后解譯成果圖的前提，在整個(gè)作業(yè)流程中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

GeoStation是一款由中國(guó)電建集團(tuán)華東勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司基于MicroStation軟件二次開發(fā)的地質(zhì)三維勘測(cè)設(shè)計(jì)系統(tǒng)，功能涵蓋地質(zhì)、巖土、物探、監(jiān)測(cè)等專業(yè)領(lǐng)域。

本文介紹的方法利用MicroStation軟件的數(shù)字地形模型（Digital Terrain Model， DTM）輔助繪制等值線圖譜。DTM并不僅限于表達(dá)地形面，地形面一般是連續(xù)的，DTM也支持空洞，可以表示不連續(xù)的面模型。DTM的創(chuàng)建過(guò)程是把提供的特征點(diǎn)、特征線數(shù)據(jù)通過(guò)計(jì)算得到三維地形面。DTM支持多種特征類型，如隔斷線（Break Line/Soft Break Line）、特征點(diǎn)（Spot）、等值線（Contour）、洞（Hole）、邊界（Boundary）等。

繪制高密度電阻率等值線色譜圖可以分為以下幾個(gè)步驟：

（1）設(shè)置參數(shù)，包括每一個(gè)數(shù)據(jù)區(qū)間的起始值、終止值和填充顏色；

（2）讀取數(shù)據(jù)文件，因?yàn)樯V圖以樁號(hào)為橫坐標(biāo)，高程為縱坐標(biāo)，電阻率的值決定顏色，所以可根據(jù)表2所示的高密度電阻率數(shù)據(jù)格式，把每一行（樁號(hào)，高程，電阻率）理解為（x，y，z）坐標(biāo)點(diǎn)；

（3）把步驟2讀取的所有的坐標(biāo)點(diǎn)作為Spot構(gòu)建DTM，如果有數(shù)據(jù)邊界的數(shù)據(jù)，還可以設(shè)置DTM的邊界，得到一個(gè)帶邊界的DTM；

（4）根據(jù)步驟1設(shè)置的數(shù)據(jù)區(qū)間臨界值和步驟3得到的DTM，每次提取一條等值線，并依次存入元素?cái)?shù)組，得到等值線元素?cái)?shù)組IsolineArray和每條等值線對(duì)應(yīng)的值數(shù)組ValueArray，數(shù)組長(zhǎng)度記為ArrayLength；

（5）根據(jù)步驟4得到的等值線元素?cái)?shù)組IsolineArray和值數(shù)組ValueArray，以及DTM的邊界元素，為每個(gè)數(shù)據(jù)區(qū)間創(chuàng)建閉合區(qū)域，并設(shè)置對(duì)應(yīng)的顏色。這一步驟中，找到所有的閉合區(qū)域最為關(guān)鍵，其算法描述如下：

a）尋找最內(nèi)圈的閉合等值線（如圖1中所標(biāo)識(shí)的等值線A），并在其內(nèi)部填充顏色。該等值線內(nèi)部沒(méi)有其它等值線，可以通過(guò)判斷等值線之間的包含關(guān)系找出這些等值線。獲取該等值線的中心點(diǎn)，沿豎直方向投影到DTM，用投影點(diǎn)的高程值所在數(shù)據(jù)空間對(duì)應(yīng)的顏色，填充最內(nèi)圈的等值線區(qū)域；

b）從數(shù)組IsolineArray中第一個(gè)不為空的位置Index開始遍歷等值線數(shù)組，等值線元素IsolineArray[Index]、IsolineArray[Index+1]和邊界元素肯定可以通過(guò)泛填充操作得到IsolineArray[Index]與IsolineArray[Index+1]之間的閉合區(qū)域，關(guān)鍵是泛填充的起始點(diǎn)如何選取。如圖2中標(biāo)識(shí)的等值線A、B與邊界線之間圍合成一個(gè)填充區(qū)域，關(guān)鍵是找到從哪一個(gè)點(diǎn)開始做泛填充找到這個(gè)區(qū)域。方法是先計(jì)算等值線A和B對(duì)應(yīng)電阻率值的平均值，從DTM上提取平均值對(duì)應(yīng)的等值線C，取等值線C的中心位置點(diǎn)作為泛填充的起點(diǎn)，通過(guò)泛填充操作可以得到填充區(qū)域，并用平均值所在數(shù)據(jù)區(qū)間對(duì)應(yīng)的顏色進(jìn)行填充；

c）經(jīng)過(guò)以上兩個(gè)步驟，還剩下兩個(gè)端點(diǎn)落在邊界上，并且和邊界圍合區(qū)域內(nèi)沒(méi)有其它等值線的等值線，如圖2中標(biāo)識(shí)的等值線E和F；這種等值線的兩個(gè)端點(diǎn)一般相距較近，可以通過(guò)幾何特征識(shí)別出來(lái)，獲取其和邊界圍合的區(qū)域，采用5.1中的方法，通過(guò)區(qū)域中心點(diǎn)找到該區(qū)域需要填充的顏色。

4 應(yīng)用與效果

本文研究的基于GeoStation的物探高密度電阻率色譜繪制功能已在物探高密度電法作業(yè)中得到應(yīng)用。圖2是色譜圖繪制界面，用戶指定數(shù)據(jù)文件的位置，包括電阻率數(shù)據(jù)、邊界坐標(biāo)數(shù)據(jù)和測(cè)線坐標(biāo)數(shù)據(jù)，然后調(diào)整每個(gè)數(shù)據(jù)范圍對(duì)應(yīng)的顏色，便可繪制出電阻率等值線色譜圖，其效果如圖3所示。

參考文獻(xiàn)：

[1] 張彬， 牟義， 張永超， 李曉斌， 徐光杰. 三維高密度電阻率成像探測(cè)技術(shù)在煤礦采空區(qū)勘查中的應(yīng)用[J]. 煤礦安全， 2011， 42（6）.

[2] 楊超杰， 李瓊. 高密度電阻率法在地質(zhì)環(huán)境調(diào)查中的應(yīng)用研究[J]. 油氣地球物理， 2016， 14（3）.