蔡少峰

基于小波变换模极大值法识别OCTEM异常边界

蔡少峰

(中铁一院集团 甘肃铁道综合工程勘察院，甘肃 兰州 730000)

针对OCTEM资料解释中地质灾害中异常体的识别问题，提出采用多尺度小波变换的模极大值法定量提取地质体异常边界。介绍多尺度小波变换模极大值的方法原理，算法实现要点，算法实现流程以及地质异常体的识别标准；将该方法应用到兰渝铁路胡麻岭隧道冒顶抢险中。通过该方法有效提取塌陷区的边界，为后续施工设计提供了可靠的数据支撑，同时该方法能够减少资料解释过程中人为因素干扰，为解译人员提供了一种新的参考依据。为类似隧道塌陷等施工突发事件的应急勘探提供了一种新解译的思路。

小波变换模极大值法；隧道施工；突发事故；应急抢险

铁路隧道施工或运营期间，由于地质情况的复杂性，坍塌冒顶、涌水突泥等事故偶有发生，往往造成施工、运营中断和人员生命财产的损失，同时产生极大的社会影响。在这种情况下，急需物探高效、准确地提供基础资料。为确定病害原因及进一步工程整治提供可靠依据[1]。北方冬季，地表封冻，造成接地电阻高、地表高速层屏蔽和炮孔施工困难，不利于接地类电法和地震工作，极大地限制了物探方法的应用。地震类方法除了施工困难和不满足技术和地质要求外，更主要的是炸药申办困难，不满足应急工程时间上的要求；传统的中心回线瞬变电磁法虽然不接地，但在山区效率低，分辨率有限，无法满足应急抢险工程的需要。因此，OCTEM成为首选[2]。如何根据OCTEM的数据圈定地质异常体的边界和影响范围，这点在资料的解译中至关重要。通常地质异常体的边界主要根据电阻率的相对值、等值线形态等结合钻孔资料、地质资料等进行推断与解释，受地形起伏影响较大，推断的异常地质体位置比较概略，边界难以界定，这时需要一种定量计算的异常边界检测算法来圈定异常地质体边界[3]。异常地质体边界对应电阻率等值线图上是电阻率扰动、梯度变化较大之处，检测异常边界点实质上就是检测视电阻率数据中的扰动和梯度变化剧烈部分。Cordell等[4]提出的用水平导数极大值确定异常体边界位置。Verduzco等[5]提出解析信号幅值法，解析信号模的极大值对应异常体边界。肖红等[6]将小波模极大值应用于地震图像边缘检测中。朱保建[7]进行多尺度小波模极大值法在位场边界检测中的应用研究。本文采用多尺度小波变换的模极大值法来实现地质异常体边界的快速检测。

1 方法原理

异常地质体边界是物探提供基础资料的重要部分，也是作为图像的最主要特征。其判断依据主要是电阻率数据扰动和梯度变化剧烈之处，这就需要有一种工具能够快速、准确地检测这种变化。小波变换具有检测信号局域突变的能力，且可以结合多尺度信息进行检测，因此可以应用于异常地质体边界的快速检测。

1.1 小波多尺度变换模极大值法方法原理

离散小波变换的模定义如下：

图像的边缘对应的就是小波多变换的模极大值点。

1.2 算法实现要点

1.2.1 小波的多尺度变换

选取高斯函数：

电阻率数据二维图像的多尺度小波变换即为图像分别与高斯函数的方向偏导数和方向偏导数的卷积。

1.2.2 小波变换模极大值提取

地质异常体的边界对应于小波变换后的模极大值点。从二维数据结构上看，每个数据点周围有4个紧邻的数据点，分别落在和2个方向，即分别确定这2个方向的模极大值。最后将这些模极大值点的位置投影到电阻率平面等值线图上，这些模极大值点的位置对应地质异常体的边界。

1.3 算法实现流程

这里的物探方法采用的是等值反磁通瞬变电磁法(OCTEM)，针对等值反磁通瞬变电磁数 据[2, 8−9]，采用5DEM数据处理系统对大地电磁法资料进行反演计算[10−12]，得到电阻率数据，然后对电阻率数据进行多尺度小波变换，对小波多尺度变换后的系数提取方向和方向上的模极大值。将这些模极大值点的位置投影到电阻率等值线图上，进而确定地质异常体的边界。经过对比发现，当小波多尺度变换的阶数为4时，小波变换模极大值点和已知地质异常体边界对应较好，具体步骤如图1 所示。

图1 地质异常边界提取流程

为了更好地说明多尺度小波变换模极大值法在地球物理异常边界提取方面的效果，这里采用Fed Sugeng和Art Raiche的瞬变电磁2.5维正演程序Arjuna模拟计算地下低阻异常的瞬变电磁响应。模型的背景电阻率1=100 Ω∙m，低阻异常电阻率2=10 Ω∙m，异常距地表100 m，在剖面上是一个50 m×50 m的正方形，具体位置见图2所示。

采用式(8)晚期视电阻率公式[8]计算该电磁响应的电阻率并生成等值线图，见图2，从图2可以看出，电阻率低值区与低阻模型的对应关系较好，但是没有明显的边界，不能反映低阻模型的形态。

式中：为回线边长，m；为测道的时间，ms；()/为观测值，以uVA为单位。

接下来依据式(7)和式(6)对计算获得的电阻率数据进行尺度为4的多尺度小波变换，并对小波变换的系数在和2个方向求取模极大值点，将这些模极大值点投影到电阻率等值线图上，见图2，图中圈定的区域为模型中低阻异常区，电阻率等值线为模型响应的晚期视电阻率，三角为小波变换模极大值的投影。这些模极大值点共同构成了低阻异常体的边界，这些边界基本上反映了低阻模型的形态，可见小波变换模极大值法能够有效地提取异常边界。

图2 小波变换模极大值投影图

2 异常地质体边界识别

小波变换模极大值点投影到电阻率等值线图，如图3所示。异常分界点在电阻率等值线图上规律十分清晰。将位置相近的异常分界点串连起来，形成一些不同的结构，具体分为3类：线性结构，环状结构和杂乱结构。

图3 模极大值投影图

线性结构主要反映地层界限、断层、断裂带等；环状结构为封闭区域，主要反映局部电阻率突变位置，如岩溶，坍陷空洞等，这里圈出了隧道坍陷区大致界限；杂乱结构则主要反映了电阻率变化剧烈，没有特定的规律，主要为地质结构相对复杂区。

3 应用

3.1 胡麻岭隧道地质背景

胡麻岭隧道位于甘肃省榆中县与定西县，进口位于榆中县龙泉乡下郭家庄，出口位于定西县苦河左岸，穿行于黄土高原梁、峁区。胡麻岭隧道1号斜井DK72+470~+730段隧道埋深180~240 m，地表为黄土覆盖，多为耕地，地层岩性主要为白垩系砾岩(KCg)，砾石成分主要砂岩、石英岩等，磨圆度差，分选差，颗粒多呈棱角状，多泥质胶结。

工区水文地质富水性分区属弱富水，地貌上处于黄土梁峁地貌中的梁顶及冲沟，埋深较大，补给来源为大气降水，地下水分布不均匀。但由于砾岩成岩作用差，为地下水的储水创造了有利条件，在不同岩性的接触带，水量较大，隧道通过时，有出现集中涌水的可能。

图4 隧道上方地表陷坑

2011年8月19日，胡麻岭隧道坡上斜井(1号斜井)重庆方向开挖至DK72+489时掌子面为砂岩，成岩性差，泥质弱胶结，拱部大面积发生坍塌。DK72+510掌子面在处理中上台阶欠挖过程中，线路左侧拱腰部位多次发生涌水涌砂，其中较大的有4次，拱顶形成较大空腔。2015年10月29日再次发生涌塌。2015年12月22日9时50分胡麻岭隧道DK72+ 528~+548地表发生塌陷，形成椭圆形塌陷坑(轴长16~20 m)，实测深度为17 m(图4)，勘探过程中处于稳定状态。

3.2 资料解释

按照上述原则，将电阻率等值线图中环状结构的异常分界点标示出来，同时结合电阻率异常和已知坍陷区在地表的坍陷位置圈定了隧道坍陷区，从隧道标高到地表的具体位置，如图5所示。

塌陷腔的发育情况如下：地表塌陷范围主要发育在隧道中线右侧，近似圆形。高程2 300~2 200 m段，塌陷通道发育在距隧道中线右侧5~15 m范围内，向下逐渐变窄；高程2 200~2 150 m段，塌陷通道发育在隧道中线右侧0~20 m范围内，向下逐渐变大，呈现为喇叭口朝下的空腔；高程2 150 m，塌陷通道发育在隧道中线左右两侧分别10 m范 围内。

图5 隧道塌陷区OCTEM电阻率切片图

电阻率梯度趋势在浅部等值线高梯度带分布在隧道中线的右侧，深部分布在隧道中线的左侧。推测大气降水将沿着此梯度带从右往左渗流，汇集在线路左侧，造成线路左侧岩性较为软弱。隧道中线处于电阻率等值线高梯度带位置，推测为地表水下渗的梯度带通道，水压力较大，在隧道开挖有凌空面存在时，砂岩透水软化，造成涌水涌砂工程病害的发生，最终形成地表重力塌陷。

4 结论

1) OCTEM可探测地下纯二次场响应，提高早期信号质量，从而提高中浅部勘探精度，适合于铁路施工过程中突发事故的应急勘探。

2) 对反演后的电阻率数据采用小波变换模极大值点提取异常分界点位置，同时结合地质资料，可判释隧道塌陷区坍塌冒顶范围，隧道开挖和钻孔验证结果与物探成果资料吻合较好，证明了小波变换模极大值法在隧道塌陷区边界提取的有效性。

3)小波变换模极大值法定量提取地质异常体的边界，能够减少资料解释过程中人为因素干扰，为解译人员提供了一种新的参考依据，为类似隧道塌陷等施工突发事件的应急勘探提供了一种新的思路。

[1] 蔡少峰, 韩永琦, 朱光喜. TEM法在铁路深埋隧道工程勘察中的应用[J]. 工程地球物理学报, 2008. 5(2): 187−191. CAI Shaofeng, HAN Yongqi, ZHU Guangxi. Application of transient electromagnetic method in geological engineering exploration of railroad deep- buried tunnel[J].Chinese Journal of Engineering Geophysics, 2008, 5(2): 187−191.

[2] 席振铢, 龙霞, 周胜, 等. 基于等值反磁通原理的浅层瞬变电磁法[J]. 地球物理学报, 2016, 59(9): 3428−3435. XI Zhenzhu, LONG Xia, ZHOU Sheng, et al. Opposing coils transint electromagnetic method for shallow subsurface detection[J]. Chinese J Geophys, 2016, 59(9): 3428−3435.

[3] 张建清, 蔡永香, 刘挺, 等. 小波变换的异常地质体识别[J].测绘科学, 2017, 42(7): 65−69. ZHANG Jianqin,CAI Yongxiang, LIU Ting, et al. A combination method of wavelet transform and image processing to identify abnormal geological range[J].Science of Surveying and Mapping, 2017, 42(7): 65−69.

[4] Cordell L, Grauch V J S. Mapping basement magnetization zones from aeromagnetic data in the San Juan basin, New Mexico. In: The Utility Regional Gravity and Magnetic AnomGaly Maps[J]. Society of Exploration Geophysicists, 1985, 1(1): 181−197.

[5] Verduzco B, Fairhead J D, Green C M, et al. New insights into magnetic derivatives for structural mapping[J]. The Leading Edge, 2004, 23: 116−119.

[6] 肖红, 尚福华. 小波模极大值法在地震解释图像边缘检测中的应用[J]. 河北工业科技, 2009, 26(5): 353−354. XIAO Hong, SHANG Fuhua. Application of wavelet modulus maximum method in seismic interpretation images edge detection[J].Hebei Journal of Industrial Science and Technology, 2009, 26(5): 353−355.

[7] 朱保健.多尺度小波模极大值法在位场边界检测中的应用研究[D]. 长春: 吉林大学, 2013. ZHU Baojian. The study for the application of multi-scale wavelet transforms modulus maxima in boundary detection of potential fields[D]. Changchun: Jilin University, 2013.

[8] 牛之琏. 时间域电磁法原理[D]. 长沙: 中南工业大学出版社, 1992. NIU Zhilian. Time domain electromagnetic method thoery[D]. Changsha:Central South University of Technology Press, 1992.

[9] 朴华荣. 电磁测深法原理[M]. 北京: 地质出版社, 1999. PIAO Huarong. Electromagnetic sounding theory[M]. Beijing:Geological Press, 1999.

[10] 严良俊, 胡文宝. 长偏移距瞬变电磁测深的全区视电阻率求取及快速反演方法[J]. 石油地球物理勘探, 1999, 34(5): 532−538. YAN Liangjun, HU Wenbao.The estimation and fast inversion of all-time apparent resistivities in long-offset transient electromagnetic sounding[J]. OGP, 1999, 34(5): 532−538.

[11] 严良俊, 徐世浙, 胡文宝, 等. 中心回线瞬变电磁测深法快速电阻率成像方法及应用[J]. 煤田地质与勘探, 2002, 30(6): 58−61. YAN Liangjun, XU Shizhe, HU Wenbao, et al. A rapid resistivity imaging method for central loop transient electromagnetic sounding and its application[J]. Coal Geology & Exploration, 2002, 30(6): 58−61.

[12] 赵国泽, 陈小斌, 马霄. 中国地球电磁法新进展和发展趋势[J]. 地球物理学进展, 2007, 8(4): 1171−1180. ZHAO Guoze, CHEN Xiaobin, MA Xiao. Advanced geo-electromagnetic methods in China[J]. Progress in Geophysics, 2007, 8(4): 1171−1180.

Identification of OCTEM abnormal boundary based on wavelet transform modulus maxima method

CAI Shaofeng

(China Railway First Survey and Design Institute Group Co., Ltd, Lanzhou 730000, China)

The identification of anomalous bodies in geological disasters was explained in the interpretation of OCTEM data, a multiscale wavelet transform model maximum method was proposed to extract the abnormal boundary of the geological body. First, the principle of multiscale wavelet transform modulus maxima was introduced, the main points of the algorithm were realized. Secondly, the identification standard of the geological anomaly body was introduced. Finally, the method was applied to the collapse accident emergency rescue of the in Lan-Yu railway Humaling tunnel. The method could effectively extract the boundary of the collapse area, and provide reliable data support for the subsequent construction design. At the same time, this method could reduce the interference of human factors in the process of data interpretation, and provides a new reference for the interpreters. It provided a new interpretation for emergency exploration such as tunnel collapse and other construction emergencies.

wavelet transform modulus maximum; tunnel construction; sudden accident; emergency rescue

U45

A

1672 − 7029(2019)06− 1513 − 06

10.19713/j.cnki.43−1423/u.2019.06.022

2018−08−06

蔡少峰(1974−)，男，宁夏青铜峡人，高级工程师，从事工程地球物理研究与应用；E−mail：450359457@qq.com

(编辑 阳丽霞)