一种基于探地雷达获取地裂缝形态的方法技术

本发明专利技术公开了一种基于探地雷达获取地裂缝形态的方法。所述方法包括如下步骤：在地裂缝的一侧挖掘工作剖面；于工作剖面内近地表处，将探地雷达对准地裂缝，沿地裂缝的长度从一端至另一端进行扫描，扫描路径平行于地裂缝；然后依次间隔距离，沿工作剖面的深度方向自上而下重复扫描步骤；根据土壤的介电常数，采用探地雷达数据处理软件处理扫描得到的每层电磁波图像，根据每层电磁波图像中的干扰区域判断每层裂缝的两条边界，进而得到每层裂缝的边界位置坐标；然后采用三维图像处理软件生成地裂缝的三维图像，即能获取地裂缝形态的相关数据。本发明专利技术方法可无损的获取包括地裂缝的深度、宽度、体积、表面积等形态信息，对开展裂缝的相关研究工作具有重要意义。

A Ground-Penetrating Radar-Based Method for Obtaining Ground Fissure Morphology

【技术实现步骤摘要】
一种基于探地雷达获取地裂缝形态的方法
本专利技术涉及一种获取地裂缝形态的方法，具体涉及一种基于探地雷达获取地裂缝形态的方法，属于采煤沉陷地土地复垦领域。
技术介绍
由于采煤塌陷所造成的地表土壤和植被破坏问题越来越受到国内外重视，特别是在浅埋煤层等采矿条件下诱发地表裂缝，会直接使地表土壤开裂，加速土壤水分散失，对周围植物根系也可能造成机械损伤。为了研究地裂缝对生态环境的影响，往往需要在室内运用地裂缝模拟装置，研究地裂缝的影响作用。和野外地裂缝相似，模拟地裂缝同样存在深度大，宽度窄的形态特征，导致研究人员获取地裂缝形态信息困难。而目前常用的钢尺丈量方法也仅仅只能粗略测量某处裂缝的深度和宽度信息。对于裂缝的体积、表面积、以及裂缝内部的形态数据难以获取。除此之外，有学者通过向裂缝中灌注石膏浆，等石膏凝固后，开挖出石膏体，然后通过钢尺间接测量裂缝内部的形态。但这种方法会破坏裂缝结构，使得后续无法开展裂缝相关研究。且石膏浆灌注不均匀，无法保证裂缝内部充分填充，特别在灌注细小裂缝时，入渗困难是一项技术难题。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种基于探地雷达获取地裂缝形态的方法，所述方法可以无损的获取包括地裂缝的深度、宽度、体积、表面积等形态信息，对开展裂缝的相关研究工作具有重要意义。本专利技术所提供的基于探地雷达获取地裂缝形态的方法，包括如下步骤：(1)在地裂缝的一侧挖掘一工作剖面，所述工作剖面平行于所述地裂缝；(2)于所述工作剖面内近地表处，将探地雷达对准所述地裂缝，沿所述地裂缝的长度方向从一端至另一端进行扫描，扫描路径平行于所述地裂缝；然后依次间隔距离，沿所述工作剖面的深度方向自上而下重复所述扫描步骤；(3)在所述工作剖面的另一侧竖直插入一根探测参照物，将所述探地雷达扫描对准所述探测参照物，进行水平扫描；(4)采用探地雷达数据处理软件分析步骤(3)中所述扫描得到的数据，得到电磁波至所述探测参照物的反射时间，进而得到电磁波在土壤中的传播速度，根据式(1)得到土壤的介电常数；式(1)中，v表示电磁波在土壤中的传播速度，c表示电磁波在真空中的传播速度，λ表示土壤的介电常数；(5)根据所述土壤的介电常数，采用探地雷达数据处理软件处理步骤(2)中所述扫描得到的每层电磁波图像，根据每层所述电磁波图像中的干扰区域判断每层裂缝的两条边界，进而得到每层裂缝的边界位置坐标；然后采用三维图像处理软件生成所述地裂缝的三维图像，通过所述三维图像即能获取所述地裂缝形态的相关数据。所述的方法中，步骤(1)中，所述工作剖面与所述地裂缝之间的间距大于300mm，在该间距下所述工作剖面不会破坏裂缝，且尽可能地靠近地裂缝；所述工作剖面的深度大于所述地裂缝最深处的值；所述工作剖面的宽度以方便扫描作业为准；所述工作剖面的长度可根据待扫描的地裂缝长度确定，大于待扫描裂缝段的长度即可。所述的方法中，步骤(2)中，每次扫描形成的所述扫描路径之间的间距大于10mm，该间距可根据研究需求增加或者减小，间距越小，工作量越大，但精度越高。所述的方法中，步骤(3)中，所述探测参照物的材质为金属，如为铁(可为铁棍)；所述探测参照物与所述工作剖面之间的间距为300～1000mm；所述探测参照物的长度大于200mm。所述的方法中，步骤(5)中，可采用常规方法对每层电磁波图像进行去燥、增益、滤波操作。所述的方法中，步骤(5)中，所述地裂缝形态的相关数据包括所述地裂缝的宽度、深度、体积和表面积。所述的方法中，步骤(5)中，所述三维图像处理软件可为AutoCAD或Geomagic。所述的方法中，所述探地雷达数据处理软件可采用GR雷达处理分析系统。由于电磁波在匀质介质中传播速度相同，均值土壤下，电磁波反射图像波动较小，土壤中裂缝位置会引起电磁波图变化。因此，在雷达信号处理软件中，采用常规方法将每层图像进行去燥、增益、滤波操作，根据电磁波图像中的干扰区域判断该层裂缝的两条边界，进而得到每一层裂缝的边界位置坐标；然后借助AutoCAD和Geomagic等三维图像处理软件，即可生成地裂缝的三维图像，并能通过三维图像获取地裂缝形态相关的数据。本专利技术方法，在地裂缝周围开挖工作剖面(工作剖面)，在无需直接接触地裂缝的条件下，在工作剖面上利用高频探地雷达扫描裂缝土层，获取电磁波的反射信息；然后通过对电磁波信息处理，间接获取该深度地裂缝的位置信息。构建裂缝的三维空间形态。本专利技术方法可以无损的获取包括地裂缝的深度、宽度、体积、表面积等形态信息，对开展裂缝的相关研究工作具有重要意义。附图说明图1为制作的工作剖面的示意图。图2为探地雷达的扫描线路图。图3为高频探地雷达的实物图。图4为雷达图像中标注的裂缝边界。图5为绘制的裂缝形态线框图。图6为绘制的裂缝形态的俯视图。图7为绘制的裂缝形态的侧视图。图8为绘制的裂缝形态线框图转换成的三维实体图。图9为量取裂缝的宽度、深度、体积和裂缝表面积的示意图。具体实施方式下述实施例中所使用的实验方法如无特殊说明，均为常规方法。下述实施例中所用的材料、试剂等，如无特殊说明，均可从商业途径得到。裂缝所在土壤容重为1.5g/cm3，最大持水量为21.6％。采用钢尺丈量的方法测量的裂缝宽度为72mm，平均深度为169mm。1、雷达扫描按照图1所示开挖工作剖面：工作剖面距离裂缝距离a为400mm，剖面高度b为800mm，剖面长度f为650mm，剖面宽度c为1000mm。如图2所示，靠近地表，用高频探地雷达对准裂缝方向，自一端开始，平行于裂缝走向扫描第一层数据。然后深度i增加50mm，重复扫描操作。如此自上而下，对每一层进行扫描。深度间隔i可根据研究需求增加或者减小(i越小，工作量越大，但精度越高)。本实施例分别在70mm、140mm、210mm、280mm、350mm土层深度进行扫描。首先在70mm深度(贴近地表)，从左到右匀速扫描一层数据，然后采用同样操作分别在140mm、210mm、280mm、350mm分别扫描各一层数据，共五层。在箱体另一端距离边界500mm处插入一根长500mm，直径为20mm的铁棍，同样，用雷达在70mm深度面朝铁棍方向，从左到右扫描一层数据。根据推算得出介电常数λ＝3。扫描时土壤体积含水量为8％。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，该雷达系统主要由雷达主机、雷达天线和连接线三部分组成，如图3所示。2、数据处理本实施例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。将每层图像分别进行常规的去燥、增益、滤波操作，根据电磁波图像的变化判断该层裂缝的两条边界，如图4所示。本次实验发现在280mm深度以后，未监测到裂缝扰动，因此判断裂缝深度小于280mm。将70mm、140mm、210mm三层边界坐标数据导出，在AutoCAD2019中绘制裂缝三维形态，裂缝形态线框图如图5所示，俯视图如图6所示，侧视图如图7所示。将线框转换为实体，导出为stl格式，用Geomagicstudio2015软件可以看到三维实体，如图8所示。如图9所示，可以量取裂缝的宽度，深度，体积，裂缝表面积，裂缝为楔子形裂缝，其形态参数如表1所示。表1裂缝形态参数从表1中可知，该方法获取的裂缝形态参数具有较好的精度。其中本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于探地雷达获取地裂缝形态的方法，包括如下步骤：(1)在地裂缝的一侧挖掘一工作剖面，所述工作剖面平行于所述地裂缝；(2)于所述工作剖面内近地表处，将探地雷达对准所述地裂缝，沿所述地裂缝的长度方向从一端至另一端进行扫描，扫描路径平行于所述地裂缝；然后依次间隔距离，沿所述工作剖面的深度方向自上而下重复所述扫描步骤；(3)在所述工作剖面的另一侧竖直插入一根探测参照物，将所述探地雷达扫描对准所述探测参照物，进行水平扫描；(4)采用探地雷达数据处理软件分析步骤(3)中所述扫描得到的数据，得到电磁波至所述探测参照物的反射时间，进而得到电磁波在土壤中的传播速度，根据式(1)得到土壤的介电常数；

【技术特征摘要】
1.一种基于探地雷达获取地裂缝形态的方法，包括如下步骤：(1)在地裂缝的一侧挖掘一工作剖面，所述工作剖面平行于所述地裂缝；(2)于所述工作剖面内近地表处，将探地雷达对准所述地裂缝，沿所述地裂缝的长度方向从一端至另一端进行扫描，扫描路径平行于所述地裂缝；然后依次间隔距离，沿所述工作剖面的深度方向自上而下重复所述扫描步骤；(3)在所述工作剖面的另一侧竖直插入一根探测参照物，将所述探地雷达扫描对准所述探测参照物，进行水平扫描；(4)采用探地雷达数据处理软件分析步骤(3)中所述扫描得到的数据，得到电磁波至所述探测参照物的反射时间，进而得到电磁波在土壤中的传播速度，根据式(1)得到土壤的介电常数；式(1)中，v表示电磁波在土壤中的传播速度，c表示电磁波在真空中的传播速度，λ表示土壤的介电常数；(5)根据所述土壤的介电常数，采用探地雷达数据处理软件处理步骤(2)中所述扫描得到的每层电磁...

【专利技术属性】
技术研发人员：毕银丽，张健，彭苏萍，伍越，
申请(专利权)人：中国矿业大学北京，
类型：发明
国别省市：北京,11