專(zhuān)利名稱：地下工程施工期突水地質(zhì)災(zāi)害電阻率實(shí)時(shí)成像監(jiān)測(cè)方法與系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種地下工程施工期突水地質(zhì)災(zāi)害電阻率實(shí)時(shí)成像監(jiān)測(cè)方法與系統(tǒng)。
技術(shù)背景
近年來(lái)，隨著我國(guó)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)進(jìn)程的加快和能源戰(zhàn)略的實(shí)施，西部大開(kāi)發(fā)進(jìn)程的迅速發(fā)展，我國(guó)修建了一大批鐵路、公路、水電及跨流域調(diào)水等工程，在這些領(lǐng)域會(huì)遇到相當(dāng)多的長(zhǎng)大隧道、隧洞等地下工程。
這些地下工程普遍具有埋深大、洞線長(zhǎng)、地質(zhì)條件復(fù)雜、含水構(gòu)造發(fā)育等特點(diǎn)。由于前期的勘查工作難以全部查清水文地質(zhì)條件，導(dǎo)致掘進(jìn)中遭遇突(涌)水災(zāi)害的機(jī)率大大增加。在這些地下工程開(kāi)挖和礦床采掘過(guò)程中，大量水流突然涌入地下洞室和礦山井巷， 不僅淹沒(méi)隧道和井巷，還極易導(dǎo)致塌方和圍巖失穩(wěn)，甚至造成人身傷亡、工程報(bào)廢的災(zāi)難性結(jié)果。在如此嚴(yán)峻的形勢(shì)下，開(kāi)展地質(zhì)災(zāi)害實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)工作迫在眉睫，以便施工技術(shù)人員制定出相應(yīng)的施工方案和治理措施，避免或減少突發(fā)性的地質(zhì)災(zāi)害造成的人員傷亡和工程損失。
目前，地下工程中的突涌水災(zāi)害的監(jiān)測(cè)主要是通過(guò)應(yīng)力傳感器、應(yīng)變傳感器、溫度傳感器等對(duì)應(yīng)力、應(yīng)變、位移、溫度、水壓等表象參數(shù)的監(jiān)測(cè)與分析來(lái)捕捉災(zāi)害前兆信息，無(wú)法獲得關(guān)于突水災(zāi)變過(guò)程中裂隙擴(kuò)展、巖層破斷等本質(zhì)信息，這類(lèi)方法需要埋設(shè)大量的傳感器，操作復(fù)雜，而且只是得到埋設(shè)元件附近局部的數(shù)據(jù)信息。而且上述監(jiān)測(cè)方法儀器采集的數(shù)據(jù)需要進(jìn)行后處理才能推斷出突水災(zāi)害演化狀態(tài)，滯后性強(qiáng)，易錯(cuò)過(guò)及時(shí)應(yīng)對(duì)災(zāi)害的最佳時(shí)機(jī)。
直流電阻率監(jiān)測(cè)方法以其對(duì)水體響應(yīng)敏感的特點(diǎn)在突水等地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)中具有明顯優(yōu)勢(shì)。但是目前研究工作中均采用了單一極距的對(duì)稱四極裝置形式，從視電阻率時(shí)程曲線中直觀的獲得信息，該方法主要有以下缺點(diǎn)①受電極距測(cè)深的影響，對(duì)深部巖體電性變化響應(yīng)不敏感，無(wú)法獲得巖體破壞初期的信息，導(dǎo)致預(yù)警發(fā)布的延遲；②僅是對(duì)局部某幾個(gè)點(diǎn)的導(dǎo)電性變化的監(jiān)測(cè)，無(wú)法獲得較大范圍內(nèi)巖體導(dǎo)電性變化的詳細(xì)信息，無(wú)法對(duì)巖體破壞等過(guò)程進(jìn)行實(shí)時(shí)成像監(jiān)測(cè)，可能會(huì)導(dǎo)致重要前兆信息的遺漏；③現(xiàn)有的直流電阻率監(jiān)測(cè)方法未實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)反演，滯后性強(qiáng)，無(wú)法得到災(zāi)害形成的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)圖像。
綜上所述，現(xiàn)有的地下工程施工期突水災(zāi)害監(jiān)測(cè)存在以下問(wèn)題
(1)目前已有的應(yīng)力、位移、溫度、水壓等監(jiān)測(cè)方法只能獲得埋設(shè)元件點(diǎn)附近的局部相關(guān)信息，無(wú)法全面監(jiān)測(cè)大范圍特別是深部的突水信息，無(wú)法獲得裂隙擴(kuò)展、突水通道孕育發(fā)展、巖層破裂等突水災(zāi)害演化的本質(zhì)信息，其直觀性差、時(shí)效性差，極易造成重要信息的遺漏，造成誤判、錯(cuò)判。
(2)已有的直流電阻率監(jiān)測(cè)方法僅依靠視電阻率圖像進(jìn)行監(jiān)測(cè)和判斷，未突破實(shí)時(shí)反演方法，無(wú)法真實(shí)的呈現(xiàn)突水災(zāi)變過(guò)程中裂隙擴(kuò)展、巖層破斷、突水通道形成等重要過(guò)程，監(jiān)測(cè)效果往往能夠不理想。
因此，解決實(shí)時(shí)反演成像難題，研發(fā)電阻率實(shí)時(shí)反演成像監(jiān)測(cè)方法與系統(tǒng)對(duì)于實(shí)現(xiàn)地下工程施工期突水災(zāi)害的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與及時(shí)準(zhǔn)確預(yù)警具有重要意義和價(jià)值。發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是為克服上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種地下工程施工期突水地質(zhì)災(zāi)害電阻率實(shí)時(shí)反演成像監(jiān)測(cè)方法與系統(tǒng)。本發(fā)明實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集與傳輸，實(shí)時(shí)反演， 實(shí)時(shí)成像以及實(shí)時(shí)捕捉突水災(zāi)變前兆信息，可以有效地得到裂隙產(chǎn)生、擴(kuò)展直至貫通的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)圖像，得到主要裂隙和突涌水滲流通道的產(chǎn)生位置、形成過(guò)程等信息，成功地捕捉到一系列前兆信息，為地質(zhì)災(zāi)害的預(yù)報(bào)提供及時(shí)預(yù)警。為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用下述技術(shù)方案
一種地下工程施工期突水地質(zhì)災(zāi)害電阻率實(shí)時(shí)成像監(jiān)測(cè)方法，包括如下步驟
(1)數(shù)據(jù)采集實(shí)時(shí)采集視電阻率數(shù)據(jù)；
(2)數(shù)據(jù)傳輸將實(shí)時(shí)采集到的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸給后臺(tái)處理；
(3)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)反演與成像采用基于光滑約束的最小二乘線性反演方法作為電阻率層析成像實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)中的快速反演方法，實(shí)現(xiàn)對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)反演，得到實(shí)施反演圖像；
(4)災(zāi)變前兆識(shí)別與預(yù)警基于實(shí)時(shí)反演的動(dòng)態(tài)圖像熵值，當(dāng)實(shí)時(shí)反演的動(dòng)態(tài)圖像熵值發(fā)生突變時(shí)，發(fā)出警報(bào)。
在實(shí)時(shí)反演的同時(shí)，還通過(guò)原始視電阻率監(jiān)測(cè)對(duì)比不同時(shí)刻的原始視電阻率數(shù)據(jù)，定性的分析監(jiān)測(cè)層的電阻率變化情況并推斷滲流發(fā)展情況與涌水情況。
還通過(guò)關(guān)鍵點(diǎn)電阻率數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)來(lái)實(shí)現(xiàn)觀察關(guān)鍵點(diǎn)數(shù)據(jù)隨時(shí)間的變化情況，以直觀的判斷與分析涌水災(zāi)害發(fā)生過(guò)程的相關(guān)信息。
所述數(shù)據(jù)采集方法用于采集視電阻率。本方法為實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集，該數(shù)據(jù)采集軟件可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的自動(dòng)采集和存儲(chǔ)，掃描完一組數(shù)據(jù)之后無(wú)須人工干預(yù)自動(dòng)進(jìn)行下一組數(shù)據(jù)的測(cè)量，可按照設(shè)定的時(shí)長(zhǎng)與模式實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的自動(dòng)化采集。
所述數(shù)據(jù)傳輸方法基于藍(lán)牙無(wú)線通信傳輸。該方法實(shí)現(xiàn)即時(shí)通訊，控制數(shù)據(jù)采集間隔、數(shù)據(jù)采集方式等參數(shù)的設(shè)置以及采集的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸給后臺(tái)處理。
所述數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)反演與成像方法是本發(fā)明最重要的創(chuàng)新之處，實(shí)現(xiàn)對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)反演，得到實(shí)施反演圖像，并綜合視電阻率圖像、關(guān)鍵點(diǎn)視電阻率時(shí)程曲線等多種形式實(shí)時(shí)呈現(xiàn)地質(zhì)災(zāi)害中巖層破斷、突水通道形成等重要過(guò)程，成功捕捉突水災(zāi)害前兆信息， 即以反演成像數(shù)據(jù)為主的“三結(jié)合”(原始視電阻率數(shù)據(jù)、反演成像數(shù)據(jù)和關(guān)鍵點(diǎn)數(shù)據(jù)時(shí)程曲線數(shù)據(jù)相結(jié)合)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析方法。
根據(jù)電阻率層析成像實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)方法中快速反演成像的要求，本發(fā)明采用基于光滑約束的最小二乘線性反演方法作為電阻率層析成像實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)中的快速反演方法。
本發(fā)明的反演方法是建立在有限元數(shù)值正演的基礎(chǔ)之上，采用具有光滑約束的最小二乘三維電阻率反演方法，將電阻率反演問(wèn)題線性化，并引入光滑約束，經(jīng)過(guò)正則化處理得到反演成像方程，即
(ΑΤΑ+ λ CtC) Δ m = At Δ d(1)
式中A為敏感度矩陣，又稱為偏導(dǎo)數(shù)矩陣，表示數(shù)值正演得到的理論觀測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)模型參數(shù)的偏導(dǎo)數(shù)矩陣；Δπι為每次反演迭代中模型參數(shù)增量向量；Δ d為觀測(cè)數(shù)據(jù)d。bs與正演理論值dm的殘差向量，dm是根據(jù)給定的模型參數(shù)由數(shù)值正演得到的理論觀測(cè)數(shù)據(jù)；入為拉格朗日常數(shù)，代表著反演方程中光滑約束的權(quán)重；C為光滑度矩陣。
其中，將電阻率反演問(wèn)題線性化，得到反演方程(式G))及其對(duì)應(yīng)的目標(biāo)函數(shù) (式⑶)
AtA Δ m = At Δ d(4)
Φ = ( Δ d-A Δ m)τ ( Δ d-A Δ m)(5)
式中，Ad為實(shí)際觀測(cè)數(shù)據(jù)與正演理論觀測(cè)數(shù)據(jù)的差向量，Am為模型參數(shù)的增量向量，A為nXm階矩陣，稱為偏導(dǎo)數(shù)矩陣，表示模型的理論觀測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)模型參數(shù)的偏導(dǎo)數(shù)。
施加光滑約束后，三維電阻率反演的目標(biāo)函數(shù)表示如下
Φ = ( Δ d-A Δ m)τ ( Δ d-A Δ m) + λ (C Δ m)τ (C Δ m)(6)
式中，λ為拉格朗日常數(shù)，C為光滑度矩陣。
目標(biāo)函數(shù)(6)對(duì)應(yīng)的反演成像方程式(1)
利用方程(1)可得到每次反演迭代中的模型參數(shù)增量，從而求得下一次迭代中的模型參數(shù)m(k+1)。
m(k+1) = m(k)+Am(2)
式中，m(k)為第k次迭代中的模型參數(shù)向量，m(k+1)為下一次反演迭代中的模型參數(shù)向量。
本發(fā)明所采用的光滑約束最小二乘法三維電阻率反演的流程如附圖6。首先設(shè)定網(wǎng)格電阻率的初值，通過(guò)數(shù)值正演得到理論觀測(cè)數(shù)據(jù)^，若理論觀測(cè)數(shù)據(jù)與實(shí)際觀測(cè)數(shù)據(jù)相差較大，則求解反演方程得到新的模型參數(shù)，直到理論觀測(cè)數(shù)據(jù)與實(shí)際觀測(cè)數(shù)據(jù)之間的誤差滿足收斂判據(jù)，將此時(shí)得到的模型參數(shù)作為反演的結(jié)果輸出。反演收斂的判據(jù)為rus < ￡inv，其中rus為觀測(cè)數(shù)據(jù)d與正演理論值《之間的均方誤差(如式(3))，￡inv為反演收斂的容許值。
rus = -I^dfIdUV(3)
其中，N為數(shù)據(jù)點(diǎn)數(shù)。
在整個(gè)反演流程中，最為耗時(shí)的是敏感度矩陣A的計(jì)算和反演方程的求解，提高二者的求解速度對(duì)于優(yōu)化三維反演的計(jì)算效率至關(guān)重要。為此設(shè)計(jì)了 Cholesky分解法與 PCG算法相結(jié)合的計(jì)算效率優(yōu)化方案
①敏感度矩陣的求解利用互換定律法求解敏感度矩陣，互換定律法要求每計(jì)算一次敏感度矩陣需要進(jìn)行多次正演，故采用Cholesky分解法求解A。針對(duì)多次正演， Cholesky分解法只需對(duì)有限元系數(shù)矩陣進(jìn)行一次分解，然后對(duì)不同的電源點(diǎn)只需進(jìn)行回代即可，其計(jì)算效率相對(duì)于迭代法或高斯LU分解法具有明顯優(yōu)勢(shì)。
②反演成像方程的求解利用預(yù)條件共軛梯度算法求解反演方程，避免了矩陣乘 AtA和fC的直接計(jì)算，且將雅可比迭代的塊對(duì)角矩陣(即系數(shù)矩陣的對(duì)角線矩陣)作為預(yù)條件矩陣，其計(jì)算速度明顯高于高斯類(lèi)方法和其他預(yù)條件共軛梯度法。
③模型參數(shù)初值的選取對(duì)于線性反演方法而言，模型參數(shù)初值的選取對(duì)反演收斂速度的影響較大。因?yàn)橥凰疄?zāi)害過(guò)程是一個(gè)連續(xù)的過(guò)程，所以將本次的反演結(jié)果作為下一組原始數(shù)據(jù)反演的模型參數(shù)初值，有效地減少了反演迭代的次數(shù)，提高了反演速度。
本發(fā)明在實(shí)時(shí)反演的同時(shí)，還通過(guò)原始視電阻率監(jiān)測(cè)對(duì)比不同時(shí)刻的原始視電阻率數(shù)據(jù)，定性的分析監(jiān)測(cè)層的電阻率變化情況并推斷滲流發(fā)展情況與涌水情況。例如，對(duì)于施倫貝謝爾裝置形式，視電阻率數(shù)據(jù)的結(jié)構(gòu)如附圖1。對(duì)監(jiān)測(cè)過(guò)程中的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行遴選， 選擇其中具有代表性的數(shù)據(jù)按照附圖1所示的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)繪制成斷面圖并作插值處理，如附圖2。
此外，本發(fā)明還通過(guò)關(guān)鍵點(diǎn)電阻率數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)來(lái)實(shí)現(xiàn)觀察關(guān)鍵點(diǎn)數(shù)據(jù)隨時(shí)間的變化情況，以直觀的判斷與分析涌水災(zāi)害發(fā)生過(guò)程的相關(guān)信息。例如對(duì)于上述施倫貝謝爾裝置設(shè)置了關(guān)鍵點(diǎn)(見(jiàn)附圖1)，其中關(guān)鍵點(diǎn)1(行號(hào)為1，列號(hào)為20)和2(行號(hào)為1，列號(hào)為8) 是為了監(jiān)測(cè)淺部導(dǎo)電性變化，關(guān)鍵點(diǎn)3(行號(hào)為5，列號(hào)為5)和4(行號(hào)為5，列號(hào)為23)是用于監(jiān)測(cè)較深部?jī)蓚?cè)的導(dǎo)電性變化，而關(guān)鍵點(diǎn)5(行號(hào)為10，列號(hào)為14)是為了監(jiān)測(cè)深部的電阻率變化。
所述災(zāi)變前兆識(shí)別與預(yù)警方法基于實(shí)時(shí)反演的動(dòng)態(tài)圖像熵值，當(dāng)實(shí)時(shí)反演的動(dòng)態(tài)圖像熵值發(fā)生突變時(shí)，發(fā)出警報(bào)。
本發(fā)明利用圖像熵值對(duì)地下工程施工期突水地質(zhì)災(zāi)害電阻率實(shí)時(shí)成像監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)反演圖像進(jìn)行了量化評(píng)價(jià)，實(shí)現(xiàn)基于圖像熵值法的動(dòng)態(tài)圖像量化評(píng)價(jià)方法，通過(guò)對(duì)動(dòng)態(tài)圖像的量化評(píng)價(jià)，可直觀評(píng)價(jià)突水狀態(tài)，識(shí)別突水前兆信息，發(fā)出預(yù)警信息。
圖像的熵值的表達(dá)式如式⑷255
W=-YjPiXo^2P1ο(4)
式中，Pi為圖像中灰色度值為i的像素點(diǎn)所占所有像素點(diǎn)的比值，圖像熵值是無(wú)量綱的。
圖像的熵的物理含義可理解為如果圖像中各像素點(diǎn)之值的分布是完全隨機(jī)而無(wú)序的(即呈白噪聲和零信息狀態(tài))，那么圖像的熵最大，而熵值的下降，則意味著在某種因素的作用下圖像的有序性出現(xiàn)了增強(qiáng)。圖像分析上的著眼點(diǎn)并不在于各象素的具體數(shù)值和特定圖樣，而是它們?cè)趫D像分布上的彼此關(guān)系(如相關(guān)性等)。
基于圖像熵值的上述特點(diǎn)，本發(fā)明利用圖像熵值對(duì)地下工程施工期突水地質(zhì)災(zāi)害電阻率實(shí)時(shí)成像監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)反演圖像進(jìn)行量化評(píng)價(jià)，實(shí)現(xiàn)基于圖像熵值法的動(dòng)態(tài)圖像量化評(píng)價(jià)方法。根據(jù)對(duì)實(shí)時(shí)圖像熵值的分析，結(jié)合對(duì)實(shí)時(shí)反演圖像、原始視電阻率圖像以及關(guān)鍵點(diǎn)時(shí)程曲線的直觀分析，判斷突水災(zāi)變狀態(tài)，捕捉突水災(zāi)害前兆信息，如果出現(xiàn)險(xiǎn)情則通知預(yù)警子系統(tǒng)通過(guò)聲音、圖像、文字等多種形式報(bào)警。
本發(fā)明還提供了一種地下工程施工期突水地質(zhì)災(zāi)害電阻率實(shí)時(shí)成像監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，其特征在于，其包括依次相連的數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)傳輸子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理子系統(tǒng)及預(yù)警子系統(tǒng)；
所述數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)用于采集視電阻率，由主機(jī)、多路電極轉(zhuǎn)換器、測(cè)量電纜以及若干電極組成。其中，電極根數(shù)根據(jù)測(cè)線情況確定。主機(jī)是整個(gè)系統(tǒng)的主控設(shè)備，電極轉(zhuǎn)換器與測(cè)量電纜的組合實(shí)現(xiàn)了電極自動(dòng)切換和數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集。
所述數(shù)據(jù)傳輸子系統(tǒng)是基于藍(lán)牙無(wú)線通信的傳輸系統(tǒng)，主要實(shí)現(xiàn)即時(shí)通訊，將數(shù)據(jù)采集間隔、數(shù)據(jù)采集方式等設(shè)置參數(shù)下載到數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)，同時(shí)將數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸給數(shù)據(jù)處理(數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)反演與成像)子系統(tǒng)。
所述數(shù)據(jù)處理(數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)反演與成像)子系統(tǒng)是在計(jì)算機(jī)上完成的，主要是通過(guò)反演軟件對(duì)數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)反演，得到實(shí)施反演圖像，并綜合視電阻率圖像、關(guān)鍵點(diǎn)視電阻率時(shí)程曲線等多種形式實(shí)時(shí)呈現(xiàn)了地質(zhì)災(zāi)害中巖層破斷、突水通道形成等重要過(guò)程。
所述預(yù)警子系統(tǒng)也是在計(jì)算機(jī)上完成的，該子系統(tǒng)由數(shù)據(jù)處理(數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)反演與成像)子系統(tǒng)直接控制。數(shù)據(jù)處理(數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)反演與成像)子系統(tǒng)根據(jù)對(duì)實(shí)時(shí)圖像熵值的分析，結(jié)合對(duì)實(shí)時(shí)反演圖像、原始視電阻率圖像以及關(guān)鍵點(diǎn)時(shí)程曲線的直觀分析，判斷突水災(zāi)變狀態(tài)，捕捉突水災(zāi)害前兆信息，如果出現(xiàn)險(xiǎn)情則通知預(yù)警子系統(tǒng)通過(guò)聲音、圖像、文字等多種形式報(bào)警。
地質(zhì)災(zāi)害實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的控制方法包括下列步驟
(1)將儀器打開(kāi)，電極按照測(cè)線布置，檢查儀器之間通信，設(shè)置數(shù)據(jù)采集間隔、數(shù)據(jù)采集方式等參數(shù)；
(2)數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)依照設(shè)置的參數(shù)實(shí)時(shí)測(cè)量視電阻率；
(3)數(shù)據(jù)傳輸子系統(tǒng)把數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)傳送至數(shù)據(jù)處理(數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)反演與成像)子系統(tǒng)；
(4)數(shù)據(jù)處理(數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)反演與成像)子系統(tǒng)調(diào)用反演程序?qū)?shù)據(jù)傳輸子系統(tǒng)傳輸來(lái)的采集數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)快速反演，實(shí)時(shí)成像，同時(shí)根據(jù)原始視電阻率數(shù)據(jù)繪制視電阻率斷面圖以及關(guān)鍵點(diǎn)視電阻率時(shí)程曲線。
(5)根據(jù)對(duì)實(shí)時(shí)圖像熵值的分析，結(jié)合對(duì)實(shí)時(shí)反演圖像、原始視電阻率圖像以及關(guān)鍵點(diǎn)時(shí)程曲線的直觀分析，判斷突水災(zāi)變狀態(tài)，捕捉突水災(zāi)害前兆信息，如果出現(xiàn)險(xiǎn)情則通知預(yù)警子系統(tǒng)通過(guò)聲音、圖像、文字等多種形式報(bào)警。
(6)重復(fù)⑵、(3)、(4)直至實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)結(jié)束。
本發(fā)明的具體實(shí)施流程如下
(1)根據(jù)已知資料和信息判斷含水體的位置，從而確定監(jiān)測(cè)測(cè)線的布置位置，在隧道測(cè)線上鉆孔，將電極安裝在鉆孔內(nèi)，并與多路電極轉(zhuǎn)換器、測(cè)量電纜連接好，將主機(jī)與電極轉(zhuǎn)換器連接、開(kāi)機(jī)，將計(jì)算打開(kāi)，并與主機(jī)建立無(wú)線藍(lán)牙通信，打開(kāi)控制以及處理軟件。其中，電極、多路電極轉(zhuǎn)換器、測(cè)量電纜、主機(jī)組成數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)，計(jì)算機(jī)及其相應(yīng)軟件組成數(shù)據(jù)處理(數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)反演與成像)子系統(tǒng)，數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)與數(shù)據(jù)處理(數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)反演與成像)子系統(tǒng)通過(guò)藍(lán)牙所在的數(shù)據(jù)傳輸子系統(tǒng)進(jìn)行聯(lián)系。
(2)通過(guò)數(shù)據(jù)處理(數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)反演與成像)子系統(tǒng)設(shè)置將數(shù)據(jù)采集間隔等參數(shù)，并將相應(yīng)的參數(shù)下載到數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)會(huì)根據(jù)設(shè)置的相應(yīng)參數(shù)采集，完成一次采集。
(3)數(shù)據(jù)通過(guò)數(shù)據(jù)傳輸子系統(tǒng)傳送給數(shù)據(jù)處理(數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)反演與成像)子系統(tǒng)，數(shù)據(jù)處理(數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)反演與成像)子系統(tǒng)調(diào)用相應(yīng)的軟件對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)反演，實(shí)時(shí)成像，同時(shí)根據(jù)原始視電阻率數(shù)據(jù)繪制電阻率數(shù)據(jù)斷面圖和關(guān)鍵點(diǎn)數(shù)據(jù)時(shí)程曲線。
(4)當(dāng)數(shù)據(jù)處理(數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)反演與成像)子系統(tǒng)實(shí)時(shí)反演的動(dòng)態(tài)圖像熵值發(fā)生突變時(shí)，數(shù)據(jù)處理(數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)反演與成像)子系統(tǒng)控制預(yù)警系統(tǒng)發(fā)出警報(bào)。
本發(fā)明的有益效果是
本發(fā)明提出了一種地質(zhì)災(zāi)害實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)與方法。本發(fā)明數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集與傳輸，實(shí)時(shí)反演，實(shí)時(shí)成像，可以有效地得到裂隙產(chǎn)生、擴(kuò)展直至貫通的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)圖像，得到主要裂隙和突涌水滲流通道的產(chǎn)生位置、形成過(guò)程等信息，成功地捕捉到一系列前兆信息，為地質(zhì)災(zāi)害的預(yù)報(bào)提供及時(shí)預(yù)警。具有以下特色
1>本發(fā)明提出了電阻率監(jiān)測(cè)實(shí)時(shí)反演方法，在較短的時(shí)間內(nèi)可獲得較大范圍內(nèi)的電阻率分布及實(shí)時(shí)變化情況，可直觀的判斷分析突水災(zāi)害的孕育、萌生、發(fā)展過(guò)程，解決以往監(jiān)測(cè)方法監(jiān)測(cè)范圍小，無(wú)法獲得本質(zhì)信息的問(wèn)題；
2>本發(fā)明提出了基于圖像熵值法的動(dòng)態(tài)圖像量化評(píng)價(jià)與突水災(zāi)害預(yù)警方法，通過(guò)對(duì)動(dòng)態(tài)圖像的量化評(píng)價(jià)，可直觀評(píng)價(jià)突水狀態(tài)，識(shí)別突水前兆信息，發(fā)出預(yù)警信息；
3>本發(fā)明提出了以反演成像數(shù)據(jù)為主的“三結(jié)合”(原始視電阻率數(shù)據(jù)、反演成像數(shù)據(jù)和關(guān)鍵點(diǎn)數(shù)據(jù)時(shí)程曲線數(shù)據(jù)相結(jié)合)的分析結(jié)果，有效地反映巖層斷裂及滲流通道等的形成過(guò)程，成功地捕捉到一系列前兆信息，為地質(zhì)災(zāi)害的及時(shí)預(yù)警預(yù)報(bào)提供重要參考。
4>本發(fā)明系統(tǒng)對(duì)數(shù)據(jù)采集軟件進(jìn)行了改進(jìn)，掃描完一組數(shù)據(jù)之后無(wú)須人工干預(yù)自動(dòng)進(jìn)行下一組數(shù)據(jù)的測(cè)量，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)自動(dòng)采集；借助藍(lán)牙設(shè)備實(shí)現(xiàn)了主機(jī)與計(jì)算機(jī)之間的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸，為快速反演和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)輸出奠定了基礎(chǔ)。
5>本發(fā)明成果除可應(yīng)用于地下工程施工期突水地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)，還可應(yīng)用于包括崩塌、滑坡、地面塌陷、地裂縫等地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)中。


圖1是本發(fā)明系統(tǒng)組成原理圖。
圖2是本發(fā)明視電阻率數(shù)據(jù)的結(jié)構(gòu)陣列示意圖。
圖3是本發(fā)明關(guān)鍵點(diǎn)視電阻率值時(shí)程曲線圖。
圖4是本發(fā)明現(xiàn)場(chǎng)工作示意圖。
圖5是本發(fā)明反演流程圖。
圖6是原始視電阻率實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)圖(不同時(shí)刻視電阻率數(shù)據(jù)斷面圖)。
圖7是實(shí)時(shí)反演成像的結(jié)果圖。
圖8是圖像熵值變化曲線圖。
圖9是本發(fā)明的方法流程圖。
具體實(shí)施方式
下面通過(guò)具體實(shí)例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步的闡述，應(yīng)該說(shuō)明的是，下述說(shuō)明僅是為了解釋本發(fā)明，并不對(duì)其內(nèi)容進(jìn)行限定。
如圖9所示，一種地下工程施工期突水地質(zhì)災(zāi)害電阻率實(shí)時(shí)成像監(jiān)測(cè)方法，包括如下步驟
(1)數(shù)據(jù)采集實(shí)時(shí)采集視電阻率數(shù)據(jù)；
(2)數(shù)據(jù)傳輸將實(shí)時(shí)采集到的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸給后臺(tái)處理；
(3)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)反演與成像采用基于光滑約束的最小二乘線性反演方法作為電阻率層析成像實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)中的快速反演方法，實(shí)現(xiàn)對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)反演，得到實(shí)時(shí)反演圖像；
(4)災(zāi)變前兆識(shí)別與預(yù)警基于實(shí)時(shí)反演的動(dòng)態(tài)圖像熵值，當(dāng)實(shí)時(shí)反演的動(dòng)態(tài)圖像熵值發(fā)生突變時(shí)，發(fā)出警報(bào)。
在實(shí)時(shí)反演的同時(shí)，還通過(guò)原始視電阻率監(jiān)測(cè)對(duì)比不同時(shí)刻的原始視電阻率數(shù)據(jù)，定性的分析監(jiān)測(cè)層的電阻率變化情況并推斷滲流發(fā)展情況與涌水情況。
還通過(guò)關(guān)鍵點(diǎn)電阻率數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)來(lái)實(shí)現(xiàn)觀察關(guān)鍵點(diǎn)數(shù)據(jù)隨時(shí)間的變化情況，以直觀的判斷與分析涌水災(zāi)害發(fā)生過(guò)程的相關(guān)信息。
所述數(shù)據(jù)采集方法用于采集視電阻率。本方法為實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集，該數(shù)據(jù)采集軟件可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的自動(dòng)采集和存儲(chǔ)，掃描完一組數(shù)據(jù)之后無(wú)須人工干預(yù)自動(dòng)進(jìn)行下一組數(shù)據(jù)的測(cè)量，可按照設(shè)定的時(shí)長(zhǎng)與模式實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的自動(dòng)化采集。
所述數(shù)據(jù)傳輸方法基于藍(lán)牙無(wú)線通信傳輸。該方法實(shí)現(xiàn)即時(shí)通訊，控制數(shù)據(jù)采集間隔、數(shù)據(jù)采集方式等參數(shù)的設(shè)置以及采集的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸給后臺(tái)處理。
所述數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)反演與成像方法是本發(fā)明最重要的創(chuàng)新之處，實(shí)現(xiàn)對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)反演，得到實(shí)施反演圖像，并綜合視電阻率圖像、關(guān)鍵點(diǎn)視電阻率時(shí)程曲線等多種形式實(shí)時(shí)呈現(xiàn)地質(zhì)災(zāi)害中巖層破斷、突水通道形成等重要過(guò)程，成功捕捉突水災(zāi)害前兆信息， 即以反演成像數(shù)據(jù)為主的“三結(jié)合”(原始視電阻率數(shù)據(jù)、反演成像數(shù)據(jù)和關(guān)鍵點(diǎn)數(shù)據(jù)時(shí)程曲線數(shù)據(jù)相結(jié)合)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析方法。
根據(jù)電阻率層析成像實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)方法中快速反演成像的要求，本發(fā)明采用基于光滑約束的最小二乘線性反演方法作為電阻率層析成像實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)中的快速反演方法。
本發(fā)明的反演方法是建立在有限元數(shù)值正演的基礎(chǔ)之上，采用具有光滑約束的最小二乘三維電阻率反演方法，將電阻率反演問(wèn)題線性化，并引入光滑約束，經(jīng)過(guò)正則化處理得到反演成像方程，即
(ΑΤΑ+ λ CtC) Δ m = At Δ d(1)
式中A為敏感度矩陣，又稱為偏導(dǎo)數(shù)矩陣，表示數(shù)值正演得到的理論觀測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)模型參數(shù)的偏導(dǎo)數(shù)矩陣；Δπι為每次反演迭代中模型參數(shù)增量向量；Δ d為觀測(cè)數(shù)據(jù)d。bs與正演理論值dm的殘差向量，dm是根據(jù)給定的模型參數(shù)由數(shù)值正演得到的理論觀測(cè)數(shù)據(jù)；入為拉格朗日常數(shù)，代表著反演方程中光滑約束的權(quán)重；C為光滑度矩陣。
其中，將電阻率反演問(wèn)題線性化，得到反演方程(式G))及其對(duì)應(yīng)的目標(biāo)函數(shù) (式⑶)
AtA Δ m = At Δ d(4)
Φ = ( Δ d-A Δ m)τ ( Δ d-A Δ m)(5)
式中，Ad為實(shí)際觀測(cè)數(shù)據(jù)與正演理論觀測(cè)數(shù)據(jù)的差向量，Am為模型參數(shù)的增量向量，A為nXm階矩陣，稱為偏導(dǎo)數(shù)矩陣，表示模型的理論觀測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)模型參數(shù)的偏導(dǎo)數(shù)。
施加光滑約束后，三維電阻率反演的目標(biāo)函數(shù)表示如下
Φ = ( Δ d-A Δ m)τ ( Δ d-A Δ m) + λ (C Δ m)τ (C Δ m)(6)
式中，λ為拉格朗日常數(shù)，C為光滑度矩陣。
目標(biāo)函數(shù)(6)對(duì)應(yīng)的反演成像方程式⑴
利用方程(1)可得到每次反演迭代中的模型參數(shù)增量，從而求得下一次迭代中的模型參數(shù)m(k+1)。
m(k+1) = m(k)+Am(2)
式中，m(k)為第k次迭代中的模型參數(shù)向量，m(k+1)為下一次反演迭代中的模型參數(shù)向量。
本發(fā)明所采用的光滑約束最小二乘法三維電阻率反演的流程如附圖6。首先設(shè)定網(wǎng)格電阻率的初值，通過(guò)數(shù)值正演得到理論觀測(cè)數(shù)據(jù)^，若理論觀測(cè)數(shù)據(jù)與實(shí)際觀測(cè)數(shù)據(jù)相差較大，則求解反演方程得到新的模型參數(shù)，直到理論觀測(cè)數(shù)據(jù)與實(shí)際觀測(cè)數(shù)據(jù)之間的誤差滿足收斂判據(jù)，將此時(shí)得到的模型參數(shù)作為反演的結(jié)果輸出。反演收斂的判據(jù)為rus < ￡inv，其中rus為觀測(cè)數(shù)據(jù)d與正演理論值《之間的均方誤差(如式(3))，￡inv為反演收斂的容許值。
rus = ^AdrAdZJV(3)
其中，N為數(shù)據(jù)點(diǎn)數(shù)。
在整個(gè)反演流程中，最為耗時(shí)的是敏感度矩陣A的計(jì)算和反演方程的求解，提高二者的求解速度對(duì)于優(yōu)化三維反演的計(jì)算效率至關(guān)重要。為此設(shè)計(jì)了 Cholesky分解法與 PCG算法相結(jié)合的計(jì)算效率優(yōu)化方案
①敏感度矩陣的求解利用互換定律法求解敏感度矩陣，互換定律法要求每計(jì)算一次敏感度矩陣需要進(jìn)行多次正演，故采用Cholesky分解法求解A。針對(duì)多次正演， Cholesky分解法只需對(duì)有限元系數(shù)矩陣進(jìn)行一次分解，然后對(duì)不同的電源點(diǎn)只需進(jìn)行回代即可，其計(jì)算效率相對(duì)于迭代法或高斯LU分解法具有明顯優(yōu)勢(shì)。
②反演成像方程的求解利用預(yù)條件共軛梯度算法求解反演方程，避免了矩陣乘 ATA和CTC的直接計(jì)算，且將雅可比迭代的塊對(duì)角矩陣(即系數(shù)矩陣的對(duì)角線矩陣)作為預(yù)條件矩陣，其計(jì)算速度明顯高于高斯類(lèi)方法和其他預(yù)條件共軛梯度法。
③模型參數(shù)初值的選取對(duì)于線性反演方法而言，模型參數(shù)初值的選取對(duì)反演收斂速度的影響較大。因?yàn)橥凰疄?zāi)害過(guò)程是一個(gè)連續(xù)的過(guò)程，所以將本次的反演結(jié)果作為下一組原始數(shù)據(jù)反演的模型參數(shù)初值，有效地減少了反演迭代的次數(shù)，提高了反演速度。
本發(fā)明在實(shí)時(shí)反演的同時(shí)，還通過(guò)原始視電阻率監(jiān)測(cè)對(duì)比不同時(shí)刻的原始視電阻率數(shù)據(jù)，定性的分析監(jiān)測(cè)層的電阻率變化情況并推斷滲流發(fā)展情況與涌水情況。例如，對(duì)于施倫貝謝爾裝置形式，視電阻率數(shù)據(jù)的結(jié)構(gòu)如附圖1。對(duì)監(jiān)測(cè)過(guò)程中的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行遴選， 選擇其中具有代表性的數(shù)據(jù)按照附圖1所示的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)繪制成斷面圖并作插值處理，如附圖2。
此外，本發(fā)明還通過(guò)關(guān)鍵點(diǎn)電阻率數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)來(lái)實(shí)現(xiàn)觀察關(guān)鍵點(diǎn)數(shù)據(jù)隨時(shí)間的變化情況，以直觀的判斷與分析涌水災(zāi)害發(fā)生過(guò)程的相關(guān)信息。例如對(duì)于上述施倫貝謝爾裝置設(shè)置了關(guān)鍵點(diǎn)(見(jiàn)附圖1)，其中關(guān)鍵點(diǎn)1(行號(hào)為1，列號(hào)為20)和2(行號(hào)為1，列號(hào)為8) 是為了監(jiān)測(cè)淺部導(dǎo)電性變化，關(guān)鍵點(diǎn)3(行號(hào)為5，列號(hào)為5)和4(行號(hào)為5，列號(hào)為23)是用于監(jiān)測(cè)較深部?jī)蓚?cè)的導(dǎo)電性變化，而關(guān)鍵點(diǎn)5(行號(hào)為10，列號(hào)為14)是為了監(jiān)測(cè)深部的電阻率變化。
所述災(zāi)變前兆識(shí)別與預(yù)警方法基于實(shí)時(shí)反演的動(dòng)態(tài)圖像熵值，當(dāng)實(shí)時(shí)反演的動(dòng)態(tài)圖像熵值發(fā)生突變時(shí)，發(fā)出警報(bào)。
本發(fā)明利用圖像熵值對(duì)地下工程施工期突水地質(zhì)災(zāi)害電阻率實(shí)時(shí)成像監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)反演圖像進(jìn)行了量化評(píng)價(jià)，實(shí)現(xiàn)基于圖像熵值法的動(dòng)態(tài)圖像量化評(píng)價(jià)方法，通過(guò)對(duì)動(dòng)態(tài)圖像的量化評(píng)價(jià)，可直觀評(píng)價(jià)突水狀態(tài)，識(shí)別突水前兆信息，發(fā)出預(yù)警信息。
圖像的熵值的表達(dá)式如式⑷
W=-YjPiXog2P1ο(4)
式中，Pi為圖像中灰色度值為i的像素點(diǎn)所占所有像素點(diǎn)的比值，圖像熵值是無(wú)量綱的。
圖像的熵的物理含義可理解為如果圖像中各像素點(diǎn)之值的分布是完全隨機(jī)而無(wú)序的(即呈白噪聲和零信息狀態(tài))，那么圖像的熵最大，而熵值的下降，則意味著在某種因素的作用下圖像的有序性出現(xiàn)了增強(qiáng)。圖像分析上的著眼點(diǎn)并不在于各象素的具體數(shù)值和特定圖樣，而是它們?cè)趫D像分布上的彼此關(guān)系(如相關(guān)性等)。
基于圖像熵值的上述特點(diǎn)，本發(fā)明利用圖像熵值對(duì)地下工程施工期突水地質(zhì)災(zāi)害電阻率實(shí)時(shí)成像監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)反演圖像進(jìn)行量化評(píng)價(jià)，實(shí)現(xiàn)基于圖像熵值法的動(dòng)態(tài)圖像量化評(píng)價(jià)方法。根據(jù)對(duì)實(shí)時(shí)圖像熵值的分析，結(jié)合對(duì)實(shí)時(shí)反演圖像、原始視電阻率圖像以及關(guān)鍵點(diǎn)時(shí)程曲線的直觀分析，判斷突水災(zāi)變狀態(tài)，捕捉突水災(zāi)害前兆信息，如果出現(xiàn)險(xiǎn)情則通知預(yù)警子系統(tǒng)通過(guò)聲音、圖像、文字等多種形式報(bào)警。
如圖1所示，本發(fā)明還提供了一種地下工程施工期突水地質(zhì)災(zāi)害電阻率實(shí)時(shí)成像監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，其包括依次相連的數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)傳輸子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理子系統(tǒng)及預(yù)警子系統(tǒng)；
所述數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)用于采集視電阻率，由主機(jī)、多路電極轉(zhuǎn)換器、測(cè)量電纜以及若干電極組成。其中，電極根數(shù)根據(jù)測(cè)線情況確定。主機(jī)是整個(gè)系統(tǒng)的主控設(shè)備，電極轉(zhuǎn)換器與測(cè)量電纜的組合實(shí)現(xiàn)了電極自動(dòng)切換和數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集。
所述數(shù)據(jù)傳輸子系統(tǒng)是基于藍(lán)牙無(wú)線通信的傳輸系統(tǒng)，主要實(shí)現(xiàn)即時(shí)通訊，將數(shù)據(jù)采集間隔、數(shù)據(jù)采集方式等設(shè)置參數(shù)下載到數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)，同時(shí)將數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸給數(shù)據(jù)處理(數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)反演與成像)子系統(tǒng)。
所述數(shù)據(jù)處理(數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)反演與成像)子系統(tǒng)是在計(jì)算機(jī)上完成的，主要是通過(guò)反演軟件對(duì)數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)反演，得到實(shí)施反演圖像，并綜合視電阻率圖像、關(guān)鍵點(diǎn)視電阻率時(shí)程曲線等多種形式實(shí)時(shí)呈現(xiàn)了地質(zhì)災(zāi)害中巖層破斷、突水通道形成等重要過(guò)程。
所述預(yù)警子系統(tǒng)也是在計(jì)算機(jī)上完成的，該子系統(tǒng)由數(shù)據(jù)處理(數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)反演與成像)子系統(tǒng)直接控制。數(shù)據(jù)處理(數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)反演與成像)子系統(tǒng)根據(jù)對(duì)實(shí)時(shí)圖像熵值的分析，結(jié)合對(duì)實(shí)時(shí)反演圖像、原始視電阻率圖像以及關(guān)鍵點(diǎn)時(shí)程曲線的直觀分析，判斷突水災(zāi)變狀態(tài)，捕捉突水災(zāi)害前兆信息，如果出現(xiàn)險(xiǎn)情則通知預(yù)警子系統(tǒng)通過(guò)聲音、圖像、文字等多種形式報(bào)警。
具體安裝與監(jiān)測(cè)實(shí)例
(1)根據(jù)已知資料和信息判斷含水體的位置，從而確定監(jiān)測(cè)測(cè)線的布置位置，在測(cè)線上按照一定距離(Im)鉆孔，將電極安裝在鉆孔內(nèi)，并與多路電極轉(zhuǎn)換器、測(cè)量電纜連接好，將主機(jī)與電極轉(zhuǎn)換器連接、開(kāi)機(jī)，將計(jì)算打開(kāi)，并與主機(jī)建立無(wú)線藍(lán)牙通信，打開(kāi)控制以及處理軟件。其中電極布置采用施倫貝謝爾裝置形式，電極總數(shù)為30根。
(2)通過(guò)數(shù)據(jù)處理(數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)反演與成像)子系統(tǒng)設(shè)置將數(shù)據(jù)采集間隔設(shè)置為3 分鐘，并將相應(yīng)的參數(shù)下載到數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)中，開(kāi)始工作，數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)根據(jù)設(shè)置的相應(yīng)參數(shù)采集，完成一次采集。12
(3)采集數(shù)據(jù)通過(guò)數(shù)據(jù)傳輸子系統(tǒng)傳送給數(shù)據(jù)處理(數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)反演與成像)子系統(tǒng)，經(jīng)過(guò)實(shí)時(shí)反演處理后，實(shí)時(shí)得到原始視電阻率實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)圖(圖6)、實(shí)時(shí)反演圖像(圖 7)、關(guān)鍵點(diǎn)數(shù)據(jù)時(shí)程曲線(圖3)。
圖4是本發(fā)明現(xiàn)場(chǎng)工作示意圖。圖5是本發(fā)明反演流程圖。在本實(shí)施實(shí)例中，采用的是施倫貝謝爾裝置形式，，對(duì)于原始視電阻率監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，視電阻率數(shù)據(jù)的結(jié)構(gòu)如圖2，該數(shù)據(jù)陣列共有14行，27列。對(duì)監(jiān)測(cè)過(guò)程中的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行遴選，選擇其中具有代表性的數(shù)據(jù)按照?qǐng)D2所示的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)繪制成斷面圖并作插值處理，如圖6，其中豎軸和橫軸的數(shù)字分別表示數(shù)據(jù)點(diǎn)在數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中的行編號(hào)和列編號(hào)，其中每個(gè)斷面圖的小標(biāo)題為數(shù)據(jù)的采集時(shí)刻。
對(duì)于數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)反演，其流程如圖6所示，在本實(shí)施實(shí)例中，模型參數(shù)初值中電阻率設(shè)置為300 Ω m，利用Cholesky分解法進(jìn)行數(shù)值正演，得到敏感矩陣A和理論觀測(cè)數(shù)據(jù)，若理論觀測(cè)數(shù)據(jù)與實(shí)際觀測(cè)數(shù)據(jù)相差較大，則求解反演方程得到新的模型參數(shù)，直到理論觀測(cè)數(shù)據(jù)與實(shí)際觀測(cè)數(shù)據(jù)之間的誤差滿足收斂判據(jù)，將此時(shí)得到的模型參數(shù)作為反演的結(jié)果輸出。反演收斂的判據(jù)為rus< ￡inv(einv= Ι.ΟΩπι)。反演結(jié)果如圖7。
在本實(shí)施實(shí)例中，對(duì)于關(guān)鍵點(diǎn)，共設(shè)置了 5個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)，關(guān)鍵點(diǎn)的位置如圖2，其中關(guān)鍵點(diǎn)1(行號(hào)為1，列號(hào)為20)和2(行號(hào)為1，列號(hào)為8)是為了監(jiān)測(cè)淺部導(dǎo)電性變化，關(guān)鍵點(diǎn)3 (行號(hào)為5，列號(hào)為5)和4(行號(hào)為5，列號(hào)為23)是用于監(jiān)測(cè)較深部?jī)蓚?cè)的導(dǎo)電性變化， 而關(guān)鍵點(diǎn)5(行號(hào)為10，列號(hào)為14)是為了監(jiān)測(cè)深部的電阻率變化。其時(shí)程曲線如圖3.
在本實(shí)施實(shí)例中，根據(jù)圖像熵值計(jì)算公式，計(jì)算各個(gè)時(shí)刻電阻率圖像的圖像熵值，繪制圖像熵值變化曲線如圖8.可以看出02:28:50時(shí)刻的圖像熵值發(fā)生突變，增幅達(dá) 12.4%，此時(shí)圖像熵值的突變，同時(shí)，5個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)的電阻率值突然增加1000 Ωπι左右，并結(jié)合原始視電阻率圖與實(shí)時(shí)反演圖像，判斷此時(shí)預(yù)警系統(tǒng)識(shí)別到突水前兆信息，發(fā)出預(yù)警信息。
權(quán)利要求
1.一種地下工程施工期突水地質(zhì)災(zāi)害電阻率實(shí)時(shí)成像監(jiān)測(cè)方法，其特征在于，包括如下步驟(1)數(shù)據(jù)采集實(shí)時(shí)采集視電阻率數(shù)據(jù)；(2)數(shù)據(jù)傳輸將實(shí)時(shí)采集到的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸給后臺(tái)處理；(3)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)反演與成像采用基于光滑約束的最小二乘線性反演方法作為電阻率層析成像實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)中的快速反演方法，實(shí)現(xiàn)對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)反演，得到實(shí)施反演圖像；(4)災(zāi)變前兆識(shí)別與預(yù)警基于實(shí)時(shí)反演的動(dòng)態(tài)圖像熵值，當(dāng)實(shí)時(shí)反演的動(dòng)態(tài)圖像熵值發(fā)生突變時(shí)，發(fā)出警報(bào)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的地下工程施工期突水地質(zhì)災(zāi)害電阻率實(shí)時(shí)成像監(jiān)測(cè)方法，其特征在于，在實(shí)時(shí)反演的同時(shí)，還通過(guò)原始視電阻率監(jiān)測(cè)對(duì)比不同時(shí)刻的原始視電阻率數(shù)據(jù)，定性的分析監(jiān)測(cè)層的電阻率變化情況并推斷滲流發(fā)展情況與涌水情況。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的地下工程施工期突水地質(zhì)災(zāi)害電阻率實(shí)時(shí)成像監(jiān)測(cè)方法，其特征在于，還通過(guò)關(guān)鍵點(diǎn)電阻率數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)來(lái)實(shí)現(xiàn)觀察關(guān)鍵點(diǎn)數(shù)據(jù)隨時(shí)間的變化情況，以直觀的判斷與分析涌水災(zāi)害發(fā)生過(guò)程的相關(guān)信息。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的地下工程施工期突水地質(zhì)災(zāi)害電阻率實(shí)時(shí)成像監(jiān)測(cè)方法，其特征在于，所述數(shù)據(jù)采集方法為實(shí)現(xiàn)視電阻率數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集，其數(shù)據(jù)采集軟件實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的自動(dòng)采集和存儲(chǔ)，掃描完一組數(shù)據(jù)之后無(wú)須人工干預(yù)自動(dòng)進(jìn)行下一組數(shù)據(jù)的測(cè)量，并按照設(shè)定的時(shí)長(zhǎng)與模式實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的自動(dòng)化采集。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的地下工程施工期突水地質(zhì)災(zāi)害電阻率實(shí)時(shí)成像監(jiān)測(cè)方法，其特征在于，所述數(shù)據(jù)傳輸方法為基于藍(lán)牙無(wú)線通信傳輸，該方法實(shí)現(xiàn)即時(shí)通訊，控制數(shù)據(jù)采集間隔、數(shù)據(jù)采集方式的設(shè)置以及采集的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸給后臺(tái)處理。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的地下工程施工期突水地質(zhì)災(zāi)害電阻率實(shí)時(shí)成像監(jiān)測(cè)方法，其特征在于，所述數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)反演與成像方法，具體步驟為(1)采用具有光滑約束的最小二乘三維電阻率反演方法，將電阻率反演問(wèn)題線性化，并引入光滑約束，經(jīng)過(guò)正則化處理得到反演成像方程，即(ΑΤΑ+ λ CtC) Δ m = At Δ d(1)式中A為nXm階矩陣，稱為偏導(dǎo)數(shù)矩陣，表示數(shù)值正演得到的理論觀測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)模型參數(shù)的偏導(dǎo)數(shù)矩陣；AT指的是A的轉(zhuǎn)置矩陣；Am為每次反演迭代中模型參數(shù)增量向量；Ad 為實(shí)際觀測(cè)數(shù)據(jù)與正演理論觀測(cè)數(shù)據(jù)的差向量；λ為拉格朗日常數(shù)，代表著反演方程中光滑約束的權(quán)重；C為光滑度矩陣；CT指的是C的轉(zhuǎn)置矩陣；(2)利用方程(1)可得到每次反演迭代中的模型參數(shù)增量，從而求得下一次迭代中的模型參數(shù)m(k+1)m(k+1) =m(k)+Am(2)式中，m(k)為第k次迭代中的模型參數(shù)向量，最初的m(l)根據(jù)前期的勘查信息以及經(jīng)驗(yàn)確定，m(k+1)為下一次反演迭代中的模型參數(shù)向量；(3)根據(jù)前期的勘查信息以及經(jīng)驗(yàn)設(shè)定網(wǎng)格的電阻率的初值，通過(guò)數(shù)值正演得到理論觀測(cè)數(shù)據(jù)，若理論觀測(cè)數(shù)據(jù)與實(shí)際觀測(cè)數(shù)據(jù)相差較大，則求解反演方程得到新的模型參數(shù)， 直到理論觀測(cè)數(shù)據(jù)與實(shí)際觀測(cè)數(shù)據(jù)之間的誤差滿足收斂判據(jù)，將此時(shí)得到的模型參數(shù)作為反演的結(jié)果輸出；反演收斂的判據(jù)為rus < ε inv，其中rus為觀測(cè)數(shù)據(jù)d與正演理論值dm 之間的均方誤差，ε inv為反演收斂的容許值；rus = y] Adr Ad/JV(3)其中，N為數(shù)據(jù)點(diǎn)數(shù)，AdT為Ad的轉(zhuǎn)置矩陣。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的地下工程施工期突水地質(zhì)災(zāi)害電阻率實(shí)時(shí)成像監(jiān)測(cè)方法，其特征在于步驟⑴中，將電阻率反演問(wèn)題線性化，得到反演方程(式G))及其對(duì)應(yīng)的目標(biāo)函數(shù)(式(5))
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的地下工程施工期突水地質(zhì)災(zāi)害電阻率實(shí)時(shí)成像監(jiān)測(cè)方法，其特征在于，所述災(zāi)變前兆識(shí)別與預(yù)警方法中圖像的熵值的表達(dá)式如式(7)255W=-YjP1Xo^2P1ο(7)式中，Pi為圖像中灰色度值為i的像素點(diǎn)所占所有像素點(diǎn)的比值，圖像熵值是無(wú)量綱的。
9.一種地下工程施工期突水地質(zhì)災(zāi)害電阻率實(shí)時(shí)成像監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，其特征在于，其包括依次相連的數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)傳輸子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理子系統(tǒng)及預(yù)警子系統(tǒng)；所述數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)用于采集視電阻率； 所述數(shù)據(jù)傳輸子系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的即時(shí)通訊；所述數(shù)據(jù)處理子系統(tǒng)主要是通過(guò)反演軟件對(duì)數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)反演，得到實(shí)施反演圖像，并綜合視電阻率圖像、關(guān)鍵點(diǎn)視電阻率時(shí)程曲線實(shí)時(shí)呈現(xiàn)了地質(zhì)災(zāi)害中巖層破斷、突水通道形成等重要過(guò)程；所述預(yù)警子系統(tǒng)由數(shù)據(jù)處理子系統(tǒng)直接控制，數(shù)據(jù)處理子系統(tǒng)判斷突水災(zāi)變狀態(tài)，捕捉突水災(zāi)害前兆信息，如果出現(xiàn)險(xiǎn)情則通知預(yù)警子系統(tǒng)進(jìn)行報(bào)警。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的地下工程施工期突水地質(zhì)災(zāi)害電阻率實(shí)時(shí)成像監(jiān)測(cè)系統(tǒng)， 其特征在于，所述數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)由主機(jī)、多路電極轉(zhuǎn)換器、測(cè)量電纜以及若干電極組成； 所述電極按照測(cè)線布置，其根數(shù)根據(jù)測(cè)線情況確定；主機(jī)是整個(gè)系統(tǒng)的主控設(shè)備，位于測(cè)線后方，通過(guò)多路電極轉(zhuǎn)換器和測(cè)量電纜與電極連接；電極轉(zhuǎn)換器與測(cè)量電纜的組合實(shí)現(xiàn)了電極自動(dòng)切換和數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種地下工程施工期突水地質(zhì)災(zāi)害電阻率實(shí)時(shí)成像監(jiān)測(cè)方法與系統(tǒng)，其監(jiān)測(cè)方法包括數(shù)據(jù)采集方法、數(shù)據(jù)傳輸方法、數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)反演與成像方法及災(zāi)變前兆識(shí)別與預(yù)警方法。本發(fā)明還涉及一種地下工程施工期突水地質(zhì)災(zāi)害電阻率實(shí)時(shí)成像監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。其系統(tǒng)由數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)傳輸子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理(數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)反演與成像)子系統(tǒng)及預(yù)警子系統(tǒng)組成。本發(fā)明數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集與傳輸，實(shí)時(shí)反演，實(shí)時(shí)成像，可以有效地得到裂隙產(chǎn)生、擴(kuò)展直至貫通的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)圖像，得到主要裂隙和突涌水滲流通道的產(chǎn)生位置、形成過(guò)程等信息，成功地捕捉到一系列前兆信息，為地質(zhì)災(zāi)害的預(yù)報(bào)提供及時(shí)預(yù)警。
文檔編號(hào)G01V3/38GK102495428SQ201110413190
公開(kāi)日2012年6月13日 申請(qǐng)日期2011年12月12日 優(yōu)先權(quán)日2011年12月12日
發(fā)明者劉征宇, 劉斌, 宋杰, 李術(shù)才, 李樹(shù)忱, 林春金, 聶利超 申請(qǐng)人:山東大學(xué)