一种基于探地雷达获取动态裂缝多期地下三维形态的方法

技术领域

本发明涉及采煤沉陷地土地复垦领域，具体涉及一种基于探地雷达获取动态裂缝多期地下三维形态的方法。

背景技术

在我国西部地区，尤其是西部风积沙区和黄土区，地裂缝是煤炭开采引发的地质环境问题之一，造成了建筑物变形、地下管道破坏、耕地损毁、土壤水分蒸发加速、植被破坏、水土流失等问题，对矿区管理工作者带来了极大的困难，同时也是矿区土地复垦的重要环节。为了研究地裂缝对于生态环境的影响，获取地裂缝的地下形态对于评估其风险性和研究地裂缝的发育规律是必不可少的。目前有学者通过向裂缝内注入石膏浆，石膏凝固后通过探地雷达技术来获取裂缝的地下形态，但这种方法会破坏地裂缝结构，影响地裂缝的后续发育过程，且石膏浆灌注不均匀会导致裂缝内部充填不充分，无法用来进行动态裂缝的地下形态研究。同时也有学者通过在地裂缝的一侧挖掘一工作剖面，然后通过探地雷达技术横向扫描仪获取裂缝的地下形态，这种方法对裂缝虽然无损，但在裂缝深度较大时所需工程量极大且耗时耗力，在裂缝宽度较小时探地雷达的结果会产生较大的误差，同时也会对周围的地表环境产生较大的破坏。

发明内容

为解决上述问题，本发明提供一种基于探地雷达获取动态裂缝多期地下三维形态的方法，所述方法具有流程简单、易于实现、不影响地表环境，所需工程量极小且省时省力的特点，同时不影响裂缝的形态及其后续发育过程，可以无损的获取动态裂缝发育过程中的多期地下三维形态，对研究动态裂缝地下形态随时间变化的发育过程及规律具有重要意义。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

本发明提出的一种基于探地雷达获取动态裂缝多期地下三维形态的方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1)在裂缝所在区域表面铺设一薄膜，并保证裂缝表面被该薄膜完全覆盖；向裂缝内的薄膜上浇筑液体，使所述液体充满整个裂缝内薄膜围合形成的区域A，通过所述薄膜使液体与裂缝之间隔离；在所述区域A的近地表处，将探地雷达对准裂缝，沿列缝走向的垂直方向从一端至另一端进行间隔扫描，得到当期裂缝地下形态多个剖面的电磁波数据；将区域A内的液体抽出存储并撤去薄膜；

步骤2)对步骤1)获取的当期所有电磁波数据进行数据处理，并通过目视解译的方法描绘，得到当期各剖面处裂缝的轮廓；

步骤3)将步骤2)得到的当期各剖面处裂缝的轮廓在三维图像处理软件中进行绘制，通过插值的方式构建出裂缝当期地下形态的三维模型，以此得到裂缝当期地下三维形态及其相关数据；

步骤4)按照设定频率不断重复步骤1)～步骤3)，得到裂缝发育动态变化过程中的多期地下三维形态及其相关数据。

进一步地，步骤1)中所述液体选择避免对雷达波能量产生干扰的液体。

进一步地，步骤1)中，所述探地雷达与液体不接触。可选地，通过在所述薄膜上铺设薄板使所述探地雷达与液体不接触。

进一步地，所述薄板选择避免对雷达波能量产生干扰的薄板。

进一步地，步骤1)中，沿列缝走向从一端至另一端进行间隔扫描时，在裂缝走向的垂直方向每间隔10cm做一条标记线，用所述探地雷达沿着标记线从裂缝一侧30cm位置扫描至另一侧30cm位置。

进一步地，步骤2)中，所述数据处理包括背景去燥、一维滤波处理、小波变换和增益操作。

进一步地，步骤3)中，所述相关数据包括所述裂缝的平均宽度、平均深度、表面积和体积。

本发明的特点及有益效果：

本发明提供的一种基于探地雷达获取动态裂缝多期地下三维形态的方法，解决了通过向裂缝内注入石膏浆来获取裂缝地下形态会对地裂缝结构产生破坏的缺点，同时也避免了在地裂缝的一侧挖掘一工作剖面采用探地雷达技术时所需工程量极大且耗时耗力的缺点，通过向裂缝内注入可抽取且不会破坏裂缝地下形态的液体，并用薄膜保证裂缝不会渗入土壤，同时保证探地雷达不与液体接触使得探地雷达可以进行扫描，具有流程简单、易于实现、不影响地表环境，所需工程量极小且省时省力的特点，同时不影响裂缝的形态及其后续发育过程，可以无损的对动态裂缝的地下形态进建模，获取裂缝的平均宽度、平均深度、表面积和体积等形态参数，对研究动态裂缝地下三维形态随时间变化的发育过程及规律具有重要意义。

附图说明

图1的(a)～(d)分别为本发明方法实施例的步骤1)中在地裂缝上铺设薄膜并注满液体的三维图、正视图、侧视图和俯视图；

图2的(a)～(d)分别为本发明方法实施例的步骤2)中探地雷达扫描方式的三维图、正视图、侧视图和俯视图；

图3为本发明实施例中探地雷达扫描的电磁波图像；

图4为本发明实施例中利用目视解译描绘的裂缝地下形态的剖面图；

图5为本发明实施例中获取的不同扫描剖面的裂缝地下形态的剖面图；

图6为本发明实施例构建的动态裂缝发育过程中多期三维立体模型的示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步的详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施方式仅仅用以解释本发明，并不限定本发明的保护范围。

为了更好地理解本发明，以下详细阐述一个本发明一种基于探地雷达获取动态裂缝多期地下三维形态的方法的应用实例。

本发明实施例的一种基于探地雷达获取动态裂缝多期地下三维形态的方法，具体包括以下步骤：

步骤1)利用探地雷达扫描获取裂缝所在区域的电磁波数据

参见图1，在裂缝所在区域表面铺设一足够大的薄膜，并保证裂缝表面被该薄膜完全覆盖；向裂缝内的薄膜上浇筑液体，使该液体充满整个裂缝内薄膜围合形成的区域A，通过薄膜使液体与裂缝之间隔离；其中，液体应选择对雷达波能量干扰程度小的液体，如水、油、碳水化合物等，薄膜选用耐溶剂、耐摩擦、耐撕裂且对液体密封的薄膜，在该区域A的近地表处，将探地雷达对准裂缝，沿列缝走向从一端至另一端进行间隔扫描，以裂缝走向的垂直方向作为扫描路径，得到当期裂缝地下形态多个剖面的电磁波数据；然后，将区域A内的液体抽出存储并撤去薄膜。

本实施例中，具体扫描过程如下：

参见图2，为了保证裂缝中的液体不与探地雷达接触，以免损坏探地雷达，在扫描范围内的塑料薄膜上铺设一块薄板(除利用薄板隔离液体和探地雷达外，还可利用其他隔离液体和探地雷达的方式)，该薄板可以为塑料板或其他不干扰探地雷达扫描结果的聚合薄板，在裂缝走向的垂直方向每间隔10cm做一条标记线，用高频探地雷达沿着标记线从裂缝一侧30cm位置扫描至另一侧30cm位置，获取当期裂缝地下形态倾向多个剖面的电磁波数据。

本实施例中，探地雷达采用中国矿业大学(北京)煤炭资源与安全开采国家重点实验室的1.6GHz高频探地雷达。

步骤2)对步骤1)获取的当期所有电磁波数据进行数据处理，并通过目视解译的方法描绘，得到当期各剖面处裂缝的轮廓

利用数据处理软件对步骤1)获取的裂缝所在区域的影像数据进行数据处理。本实施例中数据处理软件采用中国矿业大学(北京)开发的GR雷达处理分析系统。将步骤1)获取每个影像数据分别进行常规的背景去燥、一维滤波处理、小波变换、增益等操作，得到如图3所示具有干扰区域的电磁波图像。

参见图4，根据电磁波图像中的干扰区域判断该剖面裂缝的轮廓，并通过目视解译的方法描绘当期各剖面处裂缝的轮廓。

步骤3)基于SolidWorks三维形态建模

参见图5，将步骤2)得到的当期各剖面处裂缝的轮廓按照1:1的比例在三维图像处理软件SolidWorks软件中进行绘制，通过插值的方式构建出裂缝当期地下形态三维模型，，以此得到裂缝当期地下三维形态及其相关数据。

步骤4)按照设定频率不断重复步骤1)～步骤3)，得到裂缝发育动态变化过程中的多期地下三维形态及其相关数据。

参见图6，本实施例获取了三期地下三维形态，其形态参数如表1所示，体积准确率为裂缝体积与注入裂缝内的液体体积。

表1裂缝形态参数

从表1中可以看到本发明方法可以无损的获得裂缝三维形态建模的体积，其误差在20％左右，造成这种误差的主要原因有探地雷达扫描影像的误差以及三维立体建模过程中的误差，如果需要更精确的深度信息，可通过加密扫描层数或者使用更加精确地探地雷达设备和影像处理软件。

以上示意性地对本发明及其实施方式进行了描述，该描述没有限制性，附图中所示的也只是本发明的实施方式之一，实际并不局限于此。所以，如果本领域的普通技术人员受其启示，在不脱离本发明创造宗旨的情况下，不经创造性地设计出与该技术方案相似的方式及实施例，均应属于本发明的保护范围。