地质病害三维几何参数估计与可视化平台开发

周丽军

（山西省交通科技研发有限公司，山西 太原 030032）

地质病害通常具有隐蔽性、不可见性，检测难度大，若不及时检测与修复，产生的破坏性极大，会造成巨大的损失。目前对于道路地质病害的检测，地质雷达具有较好的检测效果，但是地质雷达因其电磁检测机理使得其目标检测结果以剖面图的双曲线反射波形与强度为特征，数据解析专业性强，解析难度大，不如视觉图像直观。传统的地质雷达采集数据以单剖面为基础进行解析，获取的信息量少，不利于地质雷达数据解析[1]。可以考虑地质雷达三维数据采集，不仅能获取丰富的数据信息，还能通过相邻通道采集数据之间的相关性，探索地下病害之间的关联信息，能从不同维度进行综合推理分析，有助于地质雷达的数据解析[2-4]。

由于地质雷达探测的数据展现形式专业性强，对于非相关专业用户很难解读采集的病害信息，导致对地质雷达数据的挖掘力度不够。而地质病害的可视化开发则能极大地提高非相关专业用户对道路地质状况的了解与认知，能以便于理解的方式表达信息[5]。因此，本文从道路内部病害的三维检测方法与几何参数估计、道路地质信息建模、道路地质病害三维可视化开发3个方面，将地质病害可视化地展现出来，即使非相关专业用户也能直观理解地质情况、病害情况以及病害的发展趋势与安全评估情况。

1 地质病害三维检测与解析方法

1.1 三维检测布局

首先确定测量范围，以2.2 m宽、2 m长道路为例，宽度方向为X测线方向，长度方向为Y测线方向，地质雷达沿Y测线方向检测到终点后沿X测线方向位移一个单元开始掉头，沿-Y测线方向检测，即检测过程为“S”型，如图1所示。

图1 地质病害三维检测布局

通过三维检测布局方法，使用地质雷达能获取地质结构的多个剖面联合解释，并且能使相邻单元或通道之间的数据相互验证，综合比对分析多个相邻单元或通道地质雷达剖面之间差异和相关性，减少解释的多解性，从而能提高道路地下病害解释的准确性和效率[6]。

1.2 基于相关性融合的三维几何参数估计算法

由于道路内部地质病害的地质雷达采集数据在相邻单元或通道上具有很高的相似性，但是噪声与干扰对目标信号而言又是不相干的，因此可以考虑使用互相关函数滤波来放大相关信号，抑制不相关的噪声与干扰，提高信噪比，不仅能降低多解性，还能显著提高解释的正确性。

对于采集到的两个通道数据x（t）和y（t），得到互相关函数为：

按照上述三维检测布局方法，这里的数据融合处理需要对Y测线方向与-Y测线方向的数据进行一致化校准，如对于Y通道数据y（t），可以得到校准后的数据-y(t)'，于是式（1）可以写成：

图2中通过相邻通道的地质雷达采集数据进行相关融合得到的病害信息，比较图2c与图2a、图2b，病害信息更加突出，并且病害的底部信息也能体现出来，而图2a与图2b中几乎没有病害的底部信息。此外，通过相关融合后，获得的病害顶部与底部信息对于病害三维估计具有重要的支撑作用。

图2 相邻通道检测结果的相关性融合

根据地质雷达回波响应特征，下面从波动力学的角度从反射回波中估计脱空量参数。首先载入采集的B-scan图像，将图像转化成列显示，通过算法提取每列的极值点信息，并标注第1极值点与第2极值点。根据电磁反射回波的波动力学原理，第1极值点幅值和第2极值点幅值的比与脱空量呈以下规律：当脱空量小于1/3波长时，比值随脱空量递增而递增；当脱空量大于1/3波长时，比值随脱空量的递增而递减[7]。分别对上述曲线进行线性和指数曲线拟合：

a）当脱空量小于1/3波长时，进行线性拟合，拟合函数为：

式中：x为脱空量；y为极值幅度比值。

b）当脱空量大于1/3波长时，进行指数拟合，拟合函数为：

对一幅B-scan扫描图像做上述拟合与估计，得到的结果如图3与图4所示。图中根据电磁波频率、第1极值点幅值、第2极值点幅值，获得了病害脱空量拟合结果，并且通过与实际病害脱空量相对比，误差均在厘米级。

图3 采集图像与某一列极点提取

图4 脱空量估计

2 地质病害三维模型建立

本文构建了一段城市道路的主体三维模型，其中涉及到地形数据、地质数据、遥感影像数据、钻孔数据、勘探线剖面数据等。其中钻孔数据是最主要的建模数据源之一。通过对钻孔数据进行整理，形成钻孔位置表、钻孔测斜表、钻孔岩性表、钻孔曲线表4个excel表格，再将excel表格转换成文本文件，按照表格顺序导入到软件中。需要注意的是钻孔测斜表中的倾角为钻孔与z轴所交的锐角，测斜数据需要从开孔位置处开始算起[8]。

构建的主体模型还涉及到点、线、面、体等不同数据类型，需要统一多源数据的坐标系和比例尺，进行多源数据处理，特别要进行异构多源数据的融合。本文构建的城市道路三维模型要进行多方面的数据融合，首先是地形数据、地质图、遥感影像图等地表数据的融合；然后是地质深度数据的融合，包括地表采集数据与地下钻孔、勘探线剖面图数据等；最后是主体模型数据与加入的病害数据的融合，将病害数据以excel表格方式导入模型中，匹配病害尺寸位置与主体模型位置。

图5 一段城市道路三维模型建模

3 地质病害三维可视化分析平台

地质病害三维可视化平台集成了现场采集数据，实验数据和物探数据等各种数据，把这些数据汇整到统一的设计平台中。平台中设计了多种编辑数据的方法，将数据与地质模型关联，修改数据模型更新。考虑到地质层之间的关系复杂，存在尖灭、透镜体等特殊情况，因此，平台提供了地层自动化构建功能，使大量复杂的地层构建工作由系统完成。另外，平台提供了地质柱状图、剖面图，以及各种勘察成果统计等功能，方便将成果图形化展示及勘察数据统计。

针对检测到的地质病害情况，提供了便捷的病害模型建模，能够把病害数据以excel格式导入平台直接生成三维病害模型。病害模型在地层模型作运算，能够进行地质厚度查询、病害位置查询、病害体积查询等数据分析功能，同时嵌入病害态势估计模块，能够进行数据对比、发展趋势评估、安全评定等级等决策预警功能。

4 结论

地质病害的隐蔽性与不可见性使其检测难度增大，而通过地质雷达检测的隐藏病害因其解析困难，使得数据无法为工作提供指导作用。本文通过采用三维检测布局方式获取多维度数据信息，利用相关性融合算法增强病害信息而抑制噪声干扰，开发三维可视化分析平台实现了对地质病害的几何信息、地理位置显示以及对发展趋势与安全态势估计，此平台对于非相关专业用户具有很好的可读性，为决策层提供了很好的支撑平台。