[发明专利]基于探地雷达多属性融合的岩溶洞穴三维成像方法

说明书

一种基于探地雷达多属性融合的岩溶洞穴三维成像方法，包括以下步骤：(1)对探地雷达数据进行预处理；(2)通过对步骤(1)处理得到的数据体计算其瞬时振幅、能量和最大振幅谱的探地雷达三维属性；(3)利用极差标准化方法将步骤(2)三个三维属性体归一化；(4)利用主成分分析法融合极差标准化处理后的三个属性体，得到融合属性体；(5)等间距提取步骤(4)中融合属性体时间切片中的异常反射区域数据,并利用各切片的空间坐标信息进行三维重构；(6)基于步骤(5)得到的重构数据和体可视化技术实现隧道溶洞目标体三维可视化。本发明能够有效地通过探地雷达对地下岩溶洞穴进行较为精确的三维建模，为施工过程中处理地下岩溶洞穴相关问题提供指导帮助。

技术领域

本发明涉及隧道地质探测领域，尤其是涉及一种基于探地雷达多属性融合的岩溶洞穴三维成像方法。

背景技术

在岩溶地区进行隧道工程建设时，往往会遇到岩溶洞穴、地下暗河等不良地质。岩溶的存在严重制约着隧道施工工期、造价，并给施工人员的安全和集体财产带来严重威胁。岩溶发育具有复杂多变、形态各异等特点，虽然宏观方面可以预见和推定，但在局部具有随机性和不可预见性。隧道施工过程中准确探测洞身及周边岩溶洞穴的空间位置和几何形态，对于评定灾害危险等级、制定详细施工方案具有极为重要指导作用。

近年来，隧道施工期间的地质超前预报技术得到快速发展。常用方法有洞内地质调查法、超前钻探和无损检测等。其中超前钻探具有定位准确、可直观揭示岩溶物质属性等优势，但其探测效率低、成本高，并且一孔之见难以准确描述复杂多变的岩溶空间形态。隧道内无损检测方法主要包括探地雷达、激发极化等，每种方法都有各自优势和适用条件。其中，探地雷达(GPR)具有分辨率高、结果直观、扫描速度快等其它地球物理方法无法比拟的优势，近年来已成为岩溶隧道不良地质探测的最主要无损检测手段。然而，探地雷达作为一种基于电磁波理论的无损探测方法，同样具有多解性的缺陷，加之隧道探测环境中的干扰、电磁衰减、散射以及岩溶地质的复杂性，导致该技术一直停留在简单应用阶段。隧道内岩溶洞穴空间位置和几何形态的预报精度还远未达到业界所期望的效果。

探地雷达成像技术作为一种可精确获取地下复杂介质结构分布的有效手段，一直是GPR 应用技术的研究热点。国内外大量学者围绕全波形反演、层析成像和偏移成像三种主要成像技术展开了大量研究，取得许多成果。然而，目前大部分研究还处于理论研究阶段，各种成像方法应用于实际工程案例时容易受介质频散、随机和各向异性等因素影响。计算精度和计算效率仍是制约探地雷达成像技术发展的瓶颈。因此，针对岩溶洞穴这种极为复杂的勘察对象，十分有必要探索新的快速准确成像技术。

发明内容

为了解决上述在实际工程中遇到的技术问题，降低施工风险。本发明提供了一种基于探地雷达多属性融合的岩溶洞穴三维成像方法，它能够从雷达原始三维网格数据中提取出基于不同属性的三维属性体，再将这些三维属性体融合，最终得到对岩溶洞穴整体轮廓的综合显示。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种基于探地雷达多属性融合的岩溶洞穴三维成像方法，包含以下步骤：

(1)对探地雷达数据进行预处理；

所述预处理包括道编辑、解震荡滤波、零时校正、背景去除、增益、带通滤波、偏移以及三维数据合成；

所述增益是选用球面扩散补偿增益函数；

(2)通过对步骤(1)处理得到的数据体计算其瞬时振幅、能量和最大振幅谱的探地雷达三维属性；

所述探地雷达三维属性是通过将二维属性数据插值合成三维属性体或是直接在插值后的三维雷达数据基础上计算三维属性体；

(3)利用极差标准化方法将步骤(2)三个探地雷达三维属性体归一化；

极差标准化具体规则公式如下：