基于地震属性体的三维探地雷达快速解译技术

王秀荣，冷 丹，李世念

(1.中国煤炭地质总局勘查研究总院，北京 100039； 2.北方自动控制技术研究所，太原 030006)

0 引言

2015年中国煤炭地质总局为加快转型发展，促进城市地下空间探测技术的提高，引进了六套三维探地雷达，其中瑞典MALA公司4套，意大利IDS公司2套，发射频率分别为200Hz和400Hz，进行城市地下管缆探测、城市道路病害体探测等工程检测，取得了很好的效果。在项目实施过程中，对采集的三维探地雷达数据解译采用拟三维方法，即通过逐段平面分析，然后结合8个或16个通道的二维剖面分析，技术人员凭经验圈定异常。这种解译方法依赖于技术人员的技术水平，且工作量大，容易漏判。

地震属性技术始于20世纪70年代的亮点技术，而最初的属性提取则是应用希尔伯特变换提取瞬时振幅、瞬时相位和瞬时频率。多维属性技术分析的兴起，使地震属性分析技术逐步走向成熟。1997年，Young等人第一次把地震属性应用到探地雷达数据[1]。2000年，Senecha et al用地震处理和解释软件进行探地雷达属性的分析和提取，雷达属性技术有了一定的发展[2]。2012年，赵文柯等人用探地雷达三维属性技术用于考古调查[3]，他采用多条规则的二维雷达剖面拼成了三维数据体，然后进行探测目标的属性提取和优化组合，从而精确刻画探测目标。

本文拟采用三维地震资料处理的方法，对探地雷达数据进行三维数据处理，得到一个网格均匀的三维数据体，然后利用地震属性提取的方法对数据体进行多属性的提取和优化分析，找出对城市地下探测目标体敏感的属性，在相应的属性体上快速圈定异常区。由于三维探地雷达采集的数据是三维的，经过真三维(非拟三维)处理，对三维数据体进行属性提取和分析，因此对地下目标体的空间形态刻画的更精确。

1 三维探地雷达异常特征

城市病害体是指存在于地面以下的空洞、脱空、疏松体、富水体等威胁城市安全的不良地质体。城市地下管线、病害体等三维探地雷达的探测目标往往埋藏较浅，一般都在5 m以内。为了研究这些探测目标体的三维探地雷达数据特征，在分析了以往的二维、三维试验及验证资料的基础上[4-11]，进行了三维探地雷达城市道路病害体三维数值模拟，把前期施工中验证的城市病害体的典型探地雷达平面、剖面提取出来，制作成图谱。图1为三维探地雷达数据体典型剖面与水平切片，其中图(a)为空洞图谱，地面完好，顶部埋深0.4m，空间范围2.0m×1.5m×1.0m。图(b)为脱空图谱，地面完好，顶部埋深0.9m，空间范围2.2m×1.8m×1.2m。图(c)为以往施工验证的管线。图(d)为以往施工验证的富水区域。分析图谱、试验验证资料和数值模拟结果，可以看出在三维探地雷达数据上，城市道路病害体和管线的特征如下。

①管线。典型的管线反射信号为抛物线形(或称为单支双曲线)，如果管径较小或者埋藏较深，可能看不到抛物线形状，但一般仍有较明显的异常存在。

②空洞和脱空。顶界面反射信号强，表现为较平，两侧伴有绕射且有多次发育的特征。平面上为近椭圆或圆型。探地雷达剖面上一般不容易分清空洞和脱空。

③高含水。 富水区域在探地雷达剖面上表现为强振幅的低频多次震荡，但绕射波不明显。

2 基于地震属性的三维探地雷达解译技术

进行三维探地雷达属性解译前，首先要对现场采集的数据进行降噪处理，使得地下目标体的特征更明显。然后对三维探地雷达数据进行属性的提取、分析和优化，选取最能表现目标体特征的属性进行解译[12]。

图1 三维探地雷达数据体典型剖面与水平切片Figure 1 Typical section and horizontal slice of 3D ground penetrating radar data volume

2.1 三维数据体的获得

野外采集的三维探地雷达数据， 首先利用仪器自带软件和通用处理软件，进行地面校正、去除DC直流、背景消除等有特色且无需三维处理的模块，进行基础处理，然后经过坐标定位与数据转换，调入地震数据处理系统进行三维处理，得到全区统一编号，网格均匀的三维数据体，网格的网度为(通道上各道之间的距离)×(各通道之间的距离)。图2为厦门市环岛路道路空洞探测项目的三维处理结果。采集仪器是瑞典MALA公司产MALA MIRA-200MHz(16通道)三维探地雷达系统。经过三维处理得到一个网格均匀(14cm×10cm×88ns)的三维数据体。

2.2 三维探地雷达的属性提取

利用三维地震数据多属性提取方法，从经过三维处理后得到三维探地雷达数据体中提取出的有关电磁波的几何形态、运动学特征、动力学特征和统计学特征的特殊属性值，形成新的三维数据体—属性体。从前面的验证资料和正演结果可以看出，不管是地下管线，还是城市道路病害体，它们在三维探地雷达剖面图上的显示都不是层状的，均有较强的反射，但振幅连续性不好。因此提取属性时只提取三维数据体的体积属性，不提取层位属性和剖面属性。

2.3 三维探地雷达属性的优化分析

从探地雷达三维数据体中提取的属性中许多是相关的，从而造成信息的重复和浪费。有的属性与物理和地质含义不挂钩，无法解释与目的层无关的属性只能起干扰作用。因此要对提取的属性进行优化。

首先对提取的三维探地雷达属性进行优化预处理，使不同的属性具有相同的变化范围；然后结合验证资料和正演数值模拟资料，对属性进行标定，对不同的属性特征进行分析对比，寻找出对要探测的地质体最敏感、最有效或最有代表性的属性。最后结合多个不同属性特征进行联合分析，相互验证，对探测目标进行刻画。

针对城市道路探测的目标体，不管是管线还是空洞、脱空等，其特点均有振幅的突变，因此原始振幅体属性是基础，可选择进行均方根振幅、平均振幅、最大绝对振幅等分析。另外城市地下探测的目标体是否含水也非常重要，这时可进行频率相关的属性分析。另外，管线是线性不均匀体，空洞和脱空与地下介质的塌陷、下沉、裂缝等不连续变化有关，可进行方差体、相干体、构造体等分析。

①振幅属性体。振幅属性体为数据最基本的属性，与剖面上的振幅直接对应，振幅的能量变化反应各种异常的大小、范围、深度等特征。图3的左上为振幅体属性切片，从图中可以看出管线的反映较清楚。

②方差属性体。方差体技术是相邻数据空间差异性的反映。数据横向连续性越差，方差值越大，可反映出地下地质异常体而引起的突变异常点。方差体技术的核心就是求取整个三维数据体所有样点的方差值，测量在指定的窗口中某一给定点时间上的平均差异性。方差体属性重点表现三维数据体中的非连续性地层特征。是识别地下管线和城市道路病害体的有效方法。图3的右上为方差体属性切片，从图中可以看出管线的反映非常明显。

③构造属性体。通过计算振幅的二阶导数，来反映地层变化特征，对塌陷、管道等引起的倾角突变反映灵敏,因此对大尺度的构造反应清晰。图3的左下为构造体属性切片，从图中可以看出管线的反映较清楚。

图2 三维探地雷达的三维数据体Figure 2 3D ground penetrating radar 3D data volume

图3 三维探地雷达的属性体切片Figure 3 3D ground penetrating radar attribute volume slices

图3的右下为三维数据体切片，可以看出6条管线的特征非常明显，与其他三种种属性切片对比，可以看出管线在方差体切片上反映的更为清楚，方差体属性对地下管线更为敏感，因此这个工区我们选择方差属性体进行三维探地雷达数据的快速解译。

2.4 三维探地雷达快速解译

综上所诉，针对野外施工的三维探地雷达数据，首先经过数据处理，得到当天施工的所有数据形成的网格均匀的三维数据体。然后把这个三维数据体加载到地震数据解释系统中，对这个数据体提取属性体，然后进行多种属性体分析，选定对探测目标最敏感的属性，从这个属性体上快速圈定异常区。然后由经验丰富技术人员对圈定的异常进行复判排查，锁定异常，然后再辅助其他方法进行验证。对验证的目标体典型探地雷达特征进行分析，形成三维探地雷达城市道路病害体图谱，为后续施工的探地雷达异常分析提供基础资料。随着基础资料的积累，技术人员的解译水平也逐步提高。由此可见基于属性体的三维探地雷达解译技术将大大提高了技术人员解译的速度和精度。

3 结论

综上所述，基于属性体的三维探地雷达快速解译技术，首先把野外采集的三维探地雷达数据，经过三维处理，得到网格均匀的三维数据体，采用地震多属性技术，对三维探地雷达数据体进行属性的提取，选取对城市道路病害体敏感的属性体，借助地震解释软件三维可视化技术，可以快速圈定异常。多属性分析技术给三维探地雷达探测地下地质异常体的解译带来全新的概念，适合于现阶段地下管线、城市道路病害体的识别，而且速度快，尤其是对人工难于识别的微弱异常具有放大、雕刻的优点。但是，这项技术的应用现在仍处于探索阶段，还有好多的问题需要研究，下一步，要研究如何更快地提高解译效率，研究如何利用人工智能进行城市道路病害体的自动识别，逐步提高三维探地雷达进行城市道路病害体检测的速度和准确率，从而提高三维探地雷达的探测精度，更好地发挥三维探地雷达的作用，为国民经济的快速发展做出贡献。