电磁波CT剖面异常快速平面投影方法与应用

马 圣 敏,夏 峰2，张 建 清

(1.长江勘测规划设计研究有限责任公司，湖北 武汉 430010； 2.黔南州水利水电勘测设计研究院，贵州 黔南 588000)

在城市轨道交通岩溶探测时，通常会在预开挖的隧道两侧布置多条地质钻孔测线，每条测线按一定间隔布置钻孔，每对钻孔之间采用电磁波CT技术对隧道区间岩溶发育情况进行探测(见图1)。由于钻孔相对较密，形成的电磁波CT剖面较多，所以在制作相关图件时耗费时间较长，以剖面图中的视吸收系数异常投影到平面图最为典型。

图1 轨道交通电磁波CT剖面布置示意Fig.1 Schematic diagram of electromagnetic wave CT profile layout for subway

目前主要采用人工的方式将纵剖面图中视吸收系数异常投影到平面图的测线上。具体过程是:① 将电磁波CT纵剖面图视吸收系数异常复制到平面图中(以钻孔孔口位置为复制基点)；② 沿平面图中视吸收系数异常区域左、右两侧分别绘制铅垂线，并任意绘制一条水平线与两条铅垂线相交；③ 从水平线中点引出一条垂线与平面图上的测线相交，交点为A；④ 计算中点与两条铅锤线的距离D1(左)，D2(右);⑤ 以交点A为中心，沿平面图中测线左侧方向移动距离D1并绘制一个点P1，沿平面图中测线右侧方向移动距离D2并绘制一个点P2，连接点P1、A、P2，形成一条多段线，如图2所示。

图2 电磁波CT剖面图视吸收系数异常平面投影常规方法Fig.2 The usual method of projecting profile abnormal apparent absorption coefficient curve to plane diagram of electromagnetic wave CT

由此可见，人工方式较为繁琐，效率低，而且人工投影容易犯错，一旦发生错漏，很难找到问题所在，影响到数据处理成果的质量控制。因此，急需一种新的电磁波CT剖面图中视吸收系数异常快速平面投影的方法。

查阅国内外相关文献，尚无与轨道交通CT探测剖面布置特点相适应，且能将剖面图中视吸收系数异常投影到平面图的简单易行的计算机实现方法。如庞林军[1]提到了将电磁波剖面CT图像基岩界面及以下主要视衰减系数异常进行水平面投影，但未提及具体方法。狄卫民等[2-7]只提及平剖面图计算机辅助绘图方法，可有效提高生产效率。刘柏根等[8-10]提出了将剖面图中二维曲线转换为三维曲线的方法，为剖面图平面投影提供了一种途径。江龙剑[11]提出了矿山地质图的平剖面图自动转换系统，先切割矿条段(三维)，然后通过自动连图的方式形成平剖面图，这与电磁波CT的剖面图“切割”地下不良地质体类似，不同点在于通过CT剖面图中视吸收异常形成平面图异常时事先并不清楚不良地质体的三维形态。杨丽[12]采用空间坐标变换实现地质平/剖面图自动成图，但在轨道交通CT探测剖面梅花形布置条件下，将剖面中视吸收系数异常区域坐标转换成三维坐标再进行投影，算法相对比较复杂。文献[13]为实现在CAD中自动投影提供了思路。

本文结合轨道交通电磁波CT剖面布置特征，以钻孔位置为参照，形成剖面视吸收系数异常的准确、唯一编码，并制定相应的解码规则，从而实现大数据量电磁波CT剖面视吸收系数异常的快速平面投影。

1 问题分析

1.1 电磁波CT剖面布置与剖面图形特征

如图1所示，武汉轨道交通7号线北延线工程共布置电磁波CT测线5条，即L1-L1′、M1-M1′、R1-R1′、L1-M1、R1-M1测线，每条测线形成的剖面图如图3所示。在剖面图中，上下两条白色的平行多段线围成的区域为CT探测范围，紧邻探测范围顶部的多段线为覆盖层与基岩的分界线。基岩界线以下的虚线为较完整基岩分界线。闭合圆圈为视吸收系数异常，分别位于MK165孔与MK167孔下。

1.2 实现思路

由于剖面图是垂直向下的，视吸收系数异常投影到平面图上的表现形式为覆盖在探测线上的一段折线。可以以钻孔为位置参照，为每个剖面视吸收系数异常制定唯一的位置编码，如MK165孔下的视吸收系数异常可表达为“MK165孔左xm至MK165孔左ym”；MK167孔下的视吸收系数异常可表达为“MK167孔左xm至MK167孔左ym”，表1为示例数据。

在进行平面投影时，以平面图中钻孔的平面坐标为基点，沿视吸收系数异常所在剖面对应的测线方向分别移动一定的距离，形成视吸收系数异常平面投影折线的两个端点，也就是位置解码。如表1中2001号视吸收系数异常，沿LK048～LK049剖面测线大桩号方向，分别移动0.5 m和4.5 m，形成视吸收系数异常平面投影折线的两个端点，将两个端点连接起来，便完成了剖面视吸收系数异常的平面投影。

图3 某轨道交通电磁波CT剖面示意Fig.3 Schematic diagram of electromagnetic wave CT profile of a subway

异常号存在剖面高程范围/m水平范围/m2001LK048～LK049-1.5～2.5LK048孔右0.5～4.5m2002LK048～LK049-12.5～-9.0LK048孔右0.3～4.6m2003LK048～LK049～LK050-14.9～-9.2LK049孔左5.8m至LK049孔右2.6m2004LK051～LK052～LK0534.0～7.4LK052孔左4.7m至LK052孔右1.1m2005LK052～LK053～LK0540.1～4.9LK053孔左5.9m至LK053孔右4.3m

该示例是单个视吸收系数异常位于2个钻孔之间的情况。对于视吸收系数异常与1个或多个钻孔相交、与钻孔不相交的情况，也可以制定相应的编码、解码规则。基于该思路，便可实现剖面视吸收系数异常投影到平面图的计算机方法。

2 具体方案

具体而言，基于计算机方法实现大数据量电磁波CT剖面图中视吸收系数异常在平面图中的投影分为以下几个步骤。

2.1 位置编码

选择剖面图中任一视吸收系数异常，以与该视吸收系数异常最为邻近的钻孔为参照，根据钻孔与视吸收系数异常的位置关系，遵照一定的编码规则，形成每个视吸收系数异常投影为折线的唯一位置编码。

(1) 如图4(a)所示，对于视吸收系数异常区域位于两个钻孔m、n之间的情况，通过视吸收系数异常与钻孔n的空间位置关系，获取视吸收系数异常最左端、最右端与钻孔n的水平距离参数a、b，形成位置编码为“n孔左am至n孔左bm”。

(2) 如图4(b)所示，对于视吸收系数异常与一个钻孔m相交的情况，通过视吸收系数异常和穿过该视吸收系数异常的钻孔m的空间位置关系，获取视吸收系数异常最左端、最右端与钻孔m的水平距离参数a、b，形成位置编码为“m孔左am至m孔右bm”。

(3) 如图4(c)所示，对于视吸收系数异常与两个钻孔m，n相交的情况，通过视吸收系数异常和穿过该视吸收系数异常的两个钻孔m、n的空间位置关系，获取视吸收系数异常最左端与钻孔m、最右端与钻孔n的水平距离参数a、b，形成位置编码为“m孔左am至n孔右bm”。

图4 电磁波CT剖面图钻孔与视吸收系数异常位置关系示意Fig.4 Schematic diagram of relationship between borehole and apparent absorption coefficient abnormal in electromagnetic wave CT profile

2.2 解译与投影

在进行电磁波CT剖面视吸收系数异常平面图投影时，逐一取出视吸收系数异常与钻孔位置关系的编码记录，根据记录中视吸收系数异常与钻孔的关系类型，选择相应的计算机解码规则进行解译，并完成平面图投影。

(1) 对于视吸收系数异常位于2个钻孔之间的情况，解译编码记录，获取钻孔孔号n，空间关系“孔左”，以及距离参数a、b。从钻孔平面坐标记录中检索钻孔孔号n所对应的平面坐标。计算平面图中沿测线方向距钻孔孔号n左边a、bm的2个点的平面坐标。将其与钻孔n的平面坐标连成折线，完成投影过程。

(2) 对于视吸收系数异常与一个钻孔相交的情况，解译编码记录，获取钻孔孔号m，空间关系“孔左、孔右”，以及参数a、b。从钻孔平面坐标记录中检索钻孔孔号m所对应的平面坐标。计算平面图中沿测线方向距钻孔孔号m左边a、右边bm的两个点的平面坐标。将其与钻孔m、n孔的平面坐标一周绘制成点并连成折线，完成投影过程；

(3) 对于视吸收系数异常与2个钻孔相交的情况，解译编码记录，获取钻孔孔号m、n，空间关系“孔左、孔右”，以及参数a、b；从钻孔平面坐标记录中检索钻孔孔号m、n所对应的平面坐标。计算图中沿测线方向距钻孔孔号m孔左边am、钻孔孔号n孔右边bm的两个点的平面坐标。将其与钻孔m、n孔的平面坐标连成折线，完成投影过程。

完成投影过程后，可依据测线的空间位置关系，将平面图中多条具有相关关系的视吸收系数异常投影线的两端端点逆时针或顺时针连接起来，形成视吸收系数异常平面图，如图5所示。

图5 平面图中视吸收系数异常投影线合成示意Fig.5 Sketch diagram of apparent absorption coefficient abnormal synthesis on plan map

3 工程应用

该方法在武汉轨道交通7号线北延线工程中应用效果良好，以下以该工程为例进行说明。

武汉轨道交通7号线北延线工程起于黄陂前川，先后经过黄陂前川新城区、武汉临空经济区、黄陂盘龙城区、东西湖区，止于7号线一期工程园博园北站(不含)。工程全长36.47 km，其中高架段长约22.60 km，U型槽段1.08 km，地下段约12.79 km。

电磁波CT探测范围包括横临高架区段及临空北路站、巨龙大道站-马池站和马池站-园博园北站区段，共完成电磁波CT剖面1 256对。

通过数据分析与整理，形成如表2所示电磁波CT剖面视吸收系数异常表，表中水平范围列为视吸收系数异常的水平位置编码。采用文中所述方法，在平面图中形成投影线段如图6所示。为了区分不同的视吸收系数异常，图中视吸收系数异常投影的线段采用了不同的颜色与线宽。投影线段正确反映了L1-L1′、R1-R1′、L1-M1、R1-M1测线上如图4(a)～(b)所示类型的异常。

表2 前川线巨汤区段电磁波CT剖面视吸收系数异常结果(部分数据)Tab.2 Apparent absorption coefficient abnormal of electromagnetic wave CT profile of Qianchuan Subway Project

图6 前川线平面图中视吸收系数异常投影线示意Fig.6 Sketch diagram of apparent absorption coefficient abnormal synthesis on plan map of Qianchuan subway project

4 结 论

(1) 本文提出了一种新的电磁波CT剖面图中视吸收系数异常区域平面投影方法，可为大数据量电磁波CT剖面图视吸收系数异常快速投影到平面图提供基础。

该方法以视吸收系数异常邻近钻孔为参照，按照钻孔与视吸收系数异常的各种空间位置关系，遵照一定的编码规则，形成视吸收系数异常投影为折线的唯一位置编码。在平面投影时，按剖面视吸收系数异常与钻孔的位置关系解码位置编码记录，沿着剖面所对应的平面测线方向，投影形成多个平面坐标点，连接各坐标点形成折线，实现视吸收系数异常的平面投影。

(2) 剖面图视吸收系数异常的快速平面投影只是第一步，如何在平面图中将具有关联性的平面投影视吸收系数异常(折线)组合起来，形成闭合的区域，是下一步需要解决的问题。不良地质体形态错综复杂，视吸收系数异常平面投影线的合成需要制定相应的准则，才能为快速电磁波CT视吸收系数异常平面图制作打下基础。