Автоматизированный анализ BSEF

При работе с георадиолокационными данными специалисты могут сталкиваются с ситуацией, когда качество результата выполненного ими георадиолокационного профилирования хуже, чем в рекламных материалах производителей геофизического оборудования. На рекламных радарограммах легко прослеживаются границы между слоями и хорошо видны дифрагированные отражения от локальных объектов, по которым несложно определить скорость распространения волн в подповерхностной среде и диэлектрическую проницаемость в слоях. Однако это не означает, что производители георадаров пытаются ввести в заблуждение потенциальных клиентов. Просто эти образцовые радарограммы получены в ходе георадиолокационного профилирования сред с малыми потерями и контрастными слоями, которые лучше всего отражают качество работы георадара.

На рисунке ниже показан пример георадиолокационного профиля, записанного на высококонтрастной среде с малыми потерями. Эта полевая запись не требует обработки, поскольку в ней уже содержится достаточно информации о строении исследуемой среды.

Но наряду с такими благоприятными для георадиолокации средами, приходится исследовать и малоконтрастные толщи, обладающими высоким уровнем поглощения электромагнитной энергии, не имеющих резких переходов между слоями, в условиях действия помех различной природы. Нередко бывают и такие полевые записи:

Данный георадиолокационный профиль записан георадаром 200 МГц на морском пляже. В процессе профилирования георадар удаляется от береговой линии в перпендикулярном ей направлении. Особенность данного исследования состоит в том, что зондируется прибрежный засоленный грунт, который обладает высокой проводимостью. По этой причине импульсы георадара быстро затухают, и уже на небольшой глубине интенсивность отражений от границ слоёв становится сопоставимой с уровнем шумов на георадиолокационном профиле. Шумы и помехи маскируют полезные отражения, поэтому визуальный анализ данного профиля не даёт положительного результата. Применение различного типа фильтраций для удаления помех, также не приводит к успеху. После удаления помех границы слоёв по-прежнему не видны:

То, что после подавления помех на георадиолокационном профиле отражения от границ слоёв не становятся заметными, не означает их отсутствие. Когда полезные отражения близки по своим характеристикам к помехам, в процессе фильтрации происходит удаление этих отражений совместно с помехами. Алгоритм автоматизированного анализа поля обратного рассеяния BSEF работает более избирательно, и способен отделить полезные сигналы от близких к ним помех.

На рисунке ниже показан разрез атрибута Resistivity (удельное электрическое сопротивление), созданный по результатам автоматизированного анализа BSEF рассматриваемого георадиолокационного профиля. В отличие от визуально неинформативного профиля, разрез атрибута хорошо отображает строение подповерхностной среды. В пределах исследуемой толщи выделяются два основных слоя. Верхний слой характеризуется пониженными значениями удельного сопротивления, этот слой на разрезе отображается преимущественно синими цветами. Нижний слой обладает более высокими значениями удельного сопротивления и представлен жёлто-красными оттенками. По разрезу можно проследить, как по мере удаления от береговой линии, меняется мощность слоёв прибрежного грунта и удельное электрическое сопротивление внутри этих слоёв.

Наглядное представление изменчивости атрибута разреза можно получить с помощью статистического модуля программного комплекса ГЕОРАДАР-ЭКСПЕРТ, который даёт информацию в форме графиков и таблиц по 12 статистическим показателям. Показатели могут быть рассчитаны для каждого слоя, для указанных пользователем слоёв, для каждой границы слоя или для всего разреза в целом. В качестве примера, на рисунке ниже показан результат использования статистического модуля в виде графика изменения средних значений удельного электрического сопротивления в верхнем слое разреза атрибута Resistivity. Область графика, превышающая заданный пользователем порог, выделена красным цветом. Справа внизу располагается миниатюра разреза, на которой показаны границы слоёв. Заливкой выделен слой, данные которого представляет график.

Если на статистическом графике пользователь установил порог, который визуализируется в виде горизонтальной красной линии, то при сохранении изображения этого графика формируется таблица в формате MS EXEL, которая содержит информацию или по областям превышения порога, или по областям, не превышающих порог – в зависимости от выбора пользователя. Это удобно использовать в исследованиях, где индикатором нарушения является повышенные или пониженные значения атрибута разреза – например, для мониторинга дорожного покрытия.

Очевидно, что переход от представления данных о подповерхностной среде в виде совокупности амплитуд отражённых сигналов (радарограмма) к характеристикам этой среды, полученным в результате применения метода автоматизированного анализа BSEF (разрез атрибута), заметно повышает информативность георадиолокационного исследования. Результат, представленный в виде разреза атрибута, более понятен заказчику этого исследования. Перечень атрибутов, используемых в программном комплексе ГЕОРАДАР-ЭКСПЕРТ, достаточно широк. Весь список, как и описание атрибутов, можно посмотреть в разделе Перечень атрибутов разреза руководства пользователя, которое доступно для загрузки по СЛЕДУЮЩЕЙ ССЫЛКЕ>>.

Одним из преимуществ метода автоматизированного анализа поля обратного рассеяния BSEF перед другими способами обработки георадиолокационных данных, является возможность исследовать этим методом подповерхностные среды, электрофизические характеристики которых изменяются по вертикали плавно, без резких скачков. Резкие изменения свойств среды в вертикальном направлении создают условия для отражения зондирующих импульсов и регистрации их георадаром. Среды, обладающие плавным характером изменения электрофизических свойств, отражений давать не могут. В подобных местах на радарограмме присутствует только высокочастотный шум и различного рода помехи, при условии, что исследуемая среда в этих местах не содержит локальных объектов.

Локальные объекты – это объекты в подповерхностной среде, линейные размеры которых сопоставимы с длиной волны зондирующего импульса георадара, а их электрофизические характеристики отличаются от электрофизических характеристик вмещающей среды. Например, в качестве таких объектов могут выступать камни в грунте. Локальные объекты обладают важной особенностью. Она состоит в том, что при взаимодействии зондирующего импульса георадара с локальными объектами, эти объекты становятся источником дифрагированных волн, кинематические и динамические характеристики которых несут информацию о свойствах вмещающей среды.

Из-за низкой интенсивности дифрагированных волн, которая часто сопоставима с уровнем помех, визуальным анализом можно обнаружить лишь малую часть этих волн на георадиолокационном профиле. Как правило, этого количества недостаточно для того, чтобы на основе измеренных характеристик этих волн получить детальную картину строения подповерхностной среды.

На рисунке ниже слева показан результат георадарного профилирования грунта с плавным изменением электрофизических характеристик. Георадиолокационный профиль записан георадаром 250 МГц. Профиль пересекает сухое русло сезонного ручья, тальвег которого находится отметке 25 м от начала профиля. Электрофизические характеристики грунтов по данному профилю изменяются с глубиной плавно, без резких скачков, формирующих отражения на георадиолокационном профиле. По этой причине, профиль не содержит характерных протяжённых осей синфазности сигналов, которые интерпретируются как отражения от границ слоёв. В этих условиях получить информацию о строении исследуемой среды можно с помощью автоматизированного анализа поля обратного рассеяния.

На рисунке ниже справа представлен разрез атрибута Resistivity (удельное электрическое сопротивление). Разрез атрибута Resistivity показывает положение и форму отложений русловых потоков, а также распределение удельных сопротивлений внутри этих отложений. Разрез показывает, что граница между плотным грунтом и рыхлыми отложениями имеет вогнутую форму и достигает максимальной глубины 5.5 метров в области тальвега ручья. Пониженные значения атрибута разреза свидетельствуют о том, что ручей пересох не полностью, и наименьшее удельное сопротивление, указывающее на наибольшую влажность, находится в области тальвега ручья, на глубинах ниже 1 метра.

Время обработки, затраченное на выполнение автоматизированного анализ BSEF и расчёта разреза сравнительно невелико. Обработка рассматриваемого георадарного профиля длилась чуть менее минуты на компьютере с четырёх ядерным процессором 2.4 МГц и операционной системой Windows 10. Значительная экономия времени происходит в случае обработки большого объёма георадарных данных в пакетном режиме.

Особенно актуальна экономия времени для обработки результатов георадиолокационного профилирования протяжённых многокилометровых объектов, таких как автомобильные и железные дороги, или нитки магистральных трубопроводов. Пользователь, настроив параметры и запустив процесс автоматизированной обработки, может переключиться на другие задачи, а программный комплекс будет самостоятельно загружать георадарные профили и сохранять результаты обработки на жёсткий диск компьютера.

В ГЕОРАДАР-ЭКСПЕРТ предусмотрен экспорт результатов обработки в графические форматы, в форматы электронных таблиц MS EXCEL, в таблицы универсального текстового формат ASCII, а также в сеточный формат данных GRD программы Surfer. Экспорт данных в эти форматы позволяет более широко использовать результаты обработки с помощью стороннего программного обеспечения. Например, для дополнительного анализа или интеграции в различные геоинформационные системы. Изображения разрезов атрибута или сечений 3D сборки, сохранённые в графическом формате, можно использовать в качестве подложки на чертеже геоподосновы в AutoCAD или для вставки в отчёт о георадиолокационном исследовании.

Суммирование разрезов

Программный комплекс ГЕОРАДАР-ЭКСПЕРТ обладает достаточно широким набором атрибутов для решения целого спектра задач георадиолокации. Бывает так, что разрез одного атрибута не даёт полной информации об исследуемом объекте, но различные фрагменты этой инофрмации распределены по нескольким разрезам ряда атрибутов. В этом случае суммирование разрезов позволяет объединить разрозненную информацию об объекте исследования в один суммарный разрез. Также, суммирование устраняет артефакты, вызванные накоплением ошибок в процессе сбора и обработки георадиолокационной информации.

На рисунке ниже слева показан георадиолокационный профиль, записанный в ходе исследования погребённой долины георадаром 100 МГц. В центре показан набор разрезов ряда атрибутов для суммирования, созданных по результатам автоматизированного анализа BSEF этого профиля. Справа показан результат суммирования этих разрезов.

Визуальный анализ георадиолокационного профиля показывает, что его волновая картина малоинформативна с глубины 2 метра. Подошва долины, по априорной информации, находится ниже этого значения. На разрезах атрибутов просматриваются некоторые детали погребённого рельефа, однако каждый из разрезов в отдельности не даёт полной информации о строении изучаемой толщи.

Операция суммирования объединила эту разрозненную информацию в одно целое. Рельеф подошвы погребённой долины на суммарном разрезе хорошо прослеживается по всей его длине. На рисунке рельеф долины обозначен пунктирной линией. Данный пример иллюстрирует, как использование модуля суммирования позволило решить проблему недостаточной информативности георадиолокационного профиля и отдельных разрезов атрибутов по этому профилю.

Преимущества автоматизированного анализа BSEF

Использование метода автоматизированного анализа BSEF имеет следующие преимущества перед другими методами обработки георадиолокационных данных:

Увеличивается глубинность георадиолокационного исследования. Алгоритм автоматизированного анализа BSEF имеет высокую избирательность и хорошо обнаруживает полезные отражения среди помех даже в условиях сильного зашумления данных на больших глубинах;
Повышается информативность георадиолокационного исследования. Разрез атрибута, рассчитанный по результатам автоматизированного анализа BSEF, позволяет получить информацию о строении подповерхностной среды даже в условиях плавного изменения её электрофизических характеристик, когда на георадиолокационном профиле отсутствуют отражения от границ слоёв. Если же эти границы на профиле присутствуют, то информация об изменении электрофизических характеристик внутри каждого слоя также представляет интерес для исследователя;
Возрастает скорость обработки полевого материала, что немаловажно при постоянно увеличивающихся объёмах георадарных работ, особенно в дорожной и железнодорожной отраслях;
Расширяются области применения георадара и список решаемых задач;
Сводится к минимуму влияние так называемого человеческого фактора на процесс обработки и интерпретации георадарных данных;
Предоставляются более широкие, по сравнению с другими методами обработки георадиолокационных данных, возможности для исследования сложно построенных сред.

В 2010 году в журнале ГЕОФИЗИКА была опубликована статья ОБРАБОТКА ГЕОРАДАРНЫХ ДАННЫХ В АВТОМАТИЧЕСКОМ РЕЖИМЕ, в которой представлено описание алгоритма автоматизированного анализа поля обратного рассеяния.