基于Surfer的瞬变电磁法扇形超前探测白化文件的精确快速生成方法_李好.pdf

Vol．51No．4 Apr． 2020 Safety in Coal Mines 第 51 卷第 4 期 2020 年 4 月 近年来， 瞬变电磁法 （TEM） 在煤矿井下、 隧道等 地下全空间探测条件下的超前地质探测中得到了广 泛的应用[1-4]， 并取得了良好的探测效果。最初采用 跟地面使用时一样的方式布置短点距的直测 线， 但是由于煤矿巷道掘进工作面 （隧道掘进面） 宽 度有限，布置的直测线长度均非常短，煤矿井下巷 道掘进工作面宽度一般为 2～4 m，铁路或公路等隧 道掌子面宽度一般为 8～16 m，测线横向探测范围 基金项目 国家科技重大专项资助项目 （2016ZX05045004- 007） 基于 Surfer 的瞬变电磁法扇形超前探测 白化文件的精确快速生成方法 李好 （中煤科工集团重庆研究院有限公司， 重庆 400039） 摘要为了解决基于 Surfer 软件自带数字化功能生成的瞬变电磁法扇形超前探测白化文件的 弊端， 提出了一种精确快速生成 Surfer 白化文件的新方法， 并分析了 Surfer 白化文件数据结构， 定义了标准白化文件概念， 研究了精确快速生成 Surfer 白化文件的数学原理及算法， 编写了相应 的 Matlab 程序。通过与基于 Surfer 软件自带数字化功能生成白化文件方法对比实验表明 当白 化处理 1 个扇形剖面时，该方法生成白化文件用时是传统方法的 1/247 且白化采样点定位高度 精确， 而传统方法白化采样点定位偏差极大； 当有多个扇形超前探测剖面需要白化处理时， 更能 体现提出的 Surfer 白化文件精确快速生成方法的优越性、 高效性。 关键词 瞬变电磁法； 扇形超前探测； surfer； 白化文件生成； Matlab； 编程实现 中图分类号 TD177文献标志码 B文章编号 1003－496X （2020） 04-0113-05 Accurate and Rapid of Producing Blanking File for TEM Sector Advanced Detection Based on Surfer LI Hao （ Chongqing Research Institute of China Coal Technology when blanking processes multiple sector-shaped sections, it can also reflect the advantages and efficiency of the accurate and fast generation of surfer blanking file． Key words transient electromagnetic （TEM） ; sector advance detection; surfer; production blanking file; Matlab; program－ ming realization DOI10．13347/j．cnki．mkaq．2020．04．024 李好．基于 Surfer 的瞬变电磁法扇形超前探测白化文件的精确快速生成方法 ［J］ ．煤矿安全， 2020， 51 （4 ） 113-117． LI Hao． Accurate and Rapid of Producing Blanking File for TEM Sector Advanced Detection Based on Surfer ［J］ ． Safety in Coal Mines, 2020, 51 （4） 113-117．移动扫码阅读 113 ChaoXing 第 51 卷第 4 期 2020 年 4 月 Safety in Coal Mines Vol.51No.4 Apr. 2020 小。为了提高超前探测测线的横向探测范围，所以 后来该方法发展为扇形超前探测模式[5-6]， 并得到了 广泛深入的应用[7-9]。 但在采用 Surfer 绘图软件进行视电阻率等值线 图绘制时， 一般都是选择克里格法 （Kriging） 插值方 法进行绘制[10]， 所以还需要进行白化处理去掉各测 点控制范围之外的区域，最终形成视电阻率等值线 扇形剖面，目前均是采用基于 Surfer 软件的数字化 Digitize 功能， 使用鼠标在未白化的视电阻率等值线 图上人为的、粗略地点击生成 1 个误差较大的白化 文件，然后还需要采用 Windows 系统中的记事本或 写字板打开进行相应修改后才能生成最终的白化文 件[11-13]。这样的生成白化文件存在速度慢、 精度低、 偏差大、 易出错、 耗体力等缺点及问题。 针对 TEM 扇形超前探测数据处理时， 传统生成 Surfer 白化文件存在的缺点，根据扇形化超前探测 成果图形的几何特征和 Surfer 白化文件数据结构特 征， 研究了精确、 快速、 标准化生成 Surfer 白化文件 的数学原理及实现算法、 并用 Matlab 平台编程实现。 1Surfer 白化文件生成方法 1.1传统白化文件生成过程及存在问题 在传统生成白化文件时，首先还是需要网格化 相应的 TEM 扇形超前探测的视电阻率计算、 时深转 换后的数据，绘制出矩形的视电阻率等值线图； 其 次利用 Surfer 软件 map 下拉菜单中的 Digitize 功能， 并用鼠标点击相应的白化边界点，实际操作中一般 需要先画一些辅助线，当相应的白化边界点点击完 后， 还需要回到 Digitize 窗口把第 1 行数据复制到其 最后 1 行后面， 使之形成闭合数据， 不然就是白化 1 条由这些白化边界点连接起来的曲线了，并保存该 bln 文件； 最后就是用记事本等软件打开该文件， 把 第 1 行的第 2 个数据修改为 0 保存（因为 surfer 软 件默然为 1 ） 。 于是就可以得到白化文件 （图 1 ） ， 图 1 中第 1 行第 1 列的 9 表示鼠标点击了 9 个点的白化 数据， 尤其值得注意的是第 2 行和 10 行是同 1 个点 的白化数据， 故只能算 1 个点的白化数据。 传统的白化文件生成方法存在几点突出的问 题①虽然有辅助线帮助白化边界定位，但是鼠标 点击定位偏差始终存在，尤其是靠矩形图形边界地 方尤为突出；②若鼠标点击数字化点距过大的话， 生成白化边界线又凸显不了圆弧特征，但若鼠标点 击数据化点距过小的话，鼠标点击工作量又非常 大，耗时费力；③采用这样传统的白化文件生成方 法得到的白化文件始终是一个非标准化的白化文 件；④最后画出扇形剖面图多多少少存在一些瑕 疵、 且不美观精致； ⑤如果需要连续绘制多个 TEM 扇形超前探测成果图时，白化处理工作就显得非常 耗时费力， 其工作效率极其低下。 1.2Surfer 软件的白化文件数据结构分析 以 1.1 节图 1 为例分析可知， bln 文件是个文本 文件， 能用记事本等打开； 第 1 行的第 1 个数字表示 其白化点数， 第 1 行的第 2 个数字为白化标识符， 当 其为 1 时白化内部区域， 当其为 0 时白化外部区域； 第 2 行至最后 1 行表示各白化点的 x 坐标值、 y 坐 标值、（x， y） 点的具体物理量值， 每 1 行代表 1 个白 化点； 各白化点每行的第 3 个具体的物理量值是可缺 失的， 不影响后续白化处理， 其有时表示该白化点的 视电阻率值； 各白化点每行位置不可互换， 有次序性。 2白化文件精确快速生成方法 2.1标准白化文件的定义 在 TEM 扇形超前探测时， 一般天线装置是围绕 的 1 个点从左至右或从上至下等角度旋转探测， 且 其扇形圆心角一般有 100、 120、 150， 甚至 180等情 况。故从理论上讲，最后获得物探成果图也应是 1 个标准的扇形，同时因为瞬变电磁法存在 1 个关 断时间和早期二次场和一次场相互叠加干扰的问 题， 故存在一个探测盲区， 其相应数据也无法用于 地质解释。所以标准的白化边界就是一个同心扇环 的边界。 于是易得，标准白化文件的严格定义的充分必 要条件 ①bln 白化文件的白化点坐标 x、 y 值与图 2 的标准白化边界点精确一一对应；②相邻 2 个白化 点的白化路径距离必须小于前期的网格步距。 2.2算法的数学原理 为了满足 2.1 节提出的标准白化文件的严格定 义，依靠 Surfer 软件自带的数字化功能人为手工鼠 图 1白化文件 Fig.1Blanking file 114 ChaoXing Vol．51No．4 Apr． 2020 Safety in Coal Mines 第 51 卷第 4 期 2020 年 4 月 标点击获取白化点坐标值是肯定不能满足其要求 的， 只有采用几何计算精确计算的方法才能实现。 TEM 扇形超前探测时， 每条测线的测点数为 n， 且 n 必须为奇数， （n1） /2 个测点正对巷道掘进工 作面或隧道掘进面正前方，测点间夹角度数为 10 或 15等[5]。依据目前 TEM 扇形超前探测惯例 横向 扇形探测时，一般是从左至右逐点采集数据，成果 图刻度值记为左正右负；上下扇形探测时，一般是 从上至下逐点采集数据，成果图刻度值记为上正下 负；超前探测方向的成果图刻度值记为负值。于是 建立以 2 扇形圆心为原心的直角坐标系（图 2 ） ， 并 假设超前探测长度为 r1， 即大扇形的半径， 探测盲区 小扇形半径为 r2， 即小扇形的半径， 便可得包含大扇 形圆弧的圆方程为式 （1） 、 包含小扇形圆弧的圆方 程为式 （2） 。 x2y2r 2 1 （1） x2y2r 2 2 （2） 进一步假设大扇形和小扇形的圆弧上白化点 坐标分别为 （x1b， x1b） 、 （x2b， y2b） ， 于是通过式 （1） 、 式 （2） 可分别得 x1b、 x1b、 x2b、 y2b的计算式 xibri cos （θi）（3） yibr 2 i-x 2 ib■ （4） 式中 θi为白化点 （xib， yib） 到圆心 O 的直线与坐 标 x 轴的夹角； i1 表示大圆弧， i2 表示大圆弧。 另外，图 2 的扇环两侧的直线段由于有 2 扇形 端点控制，故其中间可不添加任何白化点，其白化 效果不受任何影响。 3基于 Matlab 编程平台的编程实现 依据前期网格化各点数据处理的参数设置情 况，这里需要设置 TEM 扇形超前探测地质解释长 度、 探测盲区长度、 扇形圆心角大小、 圆弧 AB 白化 采样间隔大小、 圆弧 CD 白化采样间隔大小、 白化标 识符等主要参数， 然后通过 Matlab 编程实现。 Matlab 编程的白化处理关键程序段见下所列。 for i1 sumcyd 第 1 行 If i1 行号 xxsumcyd-1； 白化物理点数 yyblankcs； 白化模式标识符 fprintf （fid1， ′d，d＼n′， xx， yy） ； 第 2 行开始 （大圆弧白化采样开始） elseif i＜ （cydbigy1） xxr1*cos （ （i-2） *cyjgbig1agf） ； yy-sqrt （r1＾2-xx＾2） ； fprintf （fid1， ′f，f＼n′， xx， yy） ； 第 cydbigycydsamlly1 行开始 （小圆弧白化 采样开始） elseif i＜ （cydbigycydsamlly1） xx-r2*cos （ （i- （2cydbigy） ） *cyjgsamll1bda） ； yy-sqrt （r2＾2-xx＾2） ； fprintf （fid1， ＇f，f＼n＇， xx， yy） ； else 最后 1 行 重复第 1 个白化采样点 xxr1*cos （agf） ； yy-sqrt （r1＾2-xx＾2） ； fprintf （fid1， ′f，f＼n′， xx， yy） ； end 在 Matlab 编程过程中，以上述的 1 个 for 循环 程序段即可实现 2．2 节的核心白化文件生成算法。 同时还运用 Matlab 的图形用户界面（Graphical user interface， GUI ） 功能， 使该程序更具有推广使用价值。 白化文件精确快速生成程序的图形用户界面如图 3。 图 2建立直角坐标系 Fig．2Building of rectangular coordinate system 图 3精确快速生成白化文件软件的图形用户界面 Fig．3GUI of software for accurate and fast production blanking file 115 ChaoXing 第 51 卷第 4 期 2020 年 4 月 Safety in Coal Mines Vol.51No.4 Apr. 2020 图 7基于 surfer 软件数字化功能生成白化文件方法绘制 的 TEM 扇形超前探测成果图 Fig.7Result map of sector advance detection of TEM based on digitize function of producing blanking file of surfer software 4实验与结果分析 4.1实验 以 2012 年在霍州煤电集团下属的文明煤矿运 输下山口前 650 m 处巷道掘进工作面的瞬变电磁 法超前探测纵向扇形数据为例进行实验，扇形扫描 上下各 50范围， 每 10 1 个测点， 共 11 个测点， 其 测点布置如图 4，当时使用的仪器为中煤科工集团 重庆研究院研发的 YCS40 矿用本安型瞬变电磁仪。 4.2对比与分析 该实验数据采用提出的 Surfer 白化文件精确快 速生成方法。白化处理时，设置大圆弧白化采样间 隔为圆心角 2对应的弧长 3.49 m， 小圆弧白化采样 间隔为圆心角 1对应的弧长 0.26 m， 两圆弧共生成 153 个白化边界点，且生成的标准白化文件该程序 仅用了 1.5 s， 精确快速生成的白化文件如图 5。 为了对比分析，同时还采用了基于 Surfer 软件 自带的数字化功能 （Digitize） 用鼠标手工点击生成白 化文件， 为了白化边界相对较准确， 还采用了直线、 圆等辅助线，以最快的速度鼠标点击共生成了 22 个白化边界点， 用了近 7 min 得到白化文件 （图 6） 。 然后通过图 5 和图 6 的白化文件，再采用 Surfer 软件可分别绘制得到的 TEM 扇形超前探测视 电阻率等值线图如图 7、 图 8。 通过与传统的白化文件生成方法对比实验可 知， 提出的精确快速白化处理方法处理速度快、 精度 极高， 同时数据处理人员的工作强度也大大降低， 其 显示出了极强的优越性。 最终该对比实验结见表 1。 5结语 1） 阐述传统的 TEM 扇形超前探测白化处理过 程，并归纳使用 Surfer 数字化功能进行白化处理存 在的缺点及问题。 2） 分析了 Surfer 白化文件的数据结构， 同时定 图 4TEM 扇形超前探测测点布置示意图 Fig.4Diagram of measuring point position about sector advance detection of TEM 图 5精确快速生成的白化文件 Fig.5Blanking file of accurate and fast production 图 6基于 Surfer 软件数字化功能生成的白化文件 Fig.6Blanking file of producing based on digitize function of Surfer software 116 ChaoXing Vol.51No.4 Apr. 2020 Safety in Coal Mines 第 51 卷第 4 期 2020 年 4 月 表 1实验结果对照表 Table 1Comparison table of experimental results 实验 方法 白化 方法 用时 /s 大圆弧白 化间隔/m 小圆弧白 化间隔/m 白化效果综合评价 Ⅰ surfer 自 带的传统 方法 1.73.50.26 白化边界定位不准且偏 差大、 白化点间隔大且不 均匀， 耗时费力 Ⅱ 提出的新 方法 420.09.62.30 白化边界定位精确无误 差， 且高效、 图形美观 义标准白化文件的概念。 3） 基于扇形超前探测剖面的几何特征， 建立相 应的便于编程实现的直角坐标系， 并利用大圆弧、 小圆弧的数学方程， 构造精确快速生成白化文件的 算法。 4） 基于 Matlab 平台编写精确快速生成标准白 化文件的程序， 并基于 Matlab 的 GUI 功能进一步开 发精确快速生成 TEM 扇形超前探测白化文件软件 系统。 5 ） 通过对比实验， 验证了提出的精确快速生成 白化文件方法的可行性、 优越性。 参考文献 ［1］ 程久龙， 李飞， 彭苏萍， 等．矿井巷道地球物理方法超 前探测研究进展与展望 ［J］ .煤炭学报， 2014， 39 （8） 1742－1750． ［2］ 薛国强， 李貅．瞬变电磁隧道超前预报成像技术 ［J］ ．地 球物理学报， 2008， 51 （3） 894－900． ［3］ Jiang Z H, Yue J H, YU J C. 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