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）

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。

1 Surfer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。

图1 白化文件Fig.1 Blanking file

1.2 Surfer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，（n+1）/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）。

图2 建立直角坐标系Fig.2 Building of rectangular coordinate system

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：

式中：θi为白化点（xib，yib）到圆心 O 的直线与坐标x 轴的夹角；i=1 表示大圆弧，i=2 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。

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3 精确快速生成白化文件软件的图形用户界面Fig.3 GUI of software for accurate and fast production blanking file

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。

图4 TEM 扇形超前探测测点布置示意图Fig.4 Diagram of measuring point position about sector advance detection of TEM

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。

图5 精确快速生成的白化文件Fig.5 Blanking file of accurate and fast production

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。

图6 基于Surfer 软件数字化功能生成的白化文件Fig.6 Blanking file of producing based on digitize function of Surfer software

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.7 Result map of sector advance detection of TEM based on digitize function of producing blanking file of surfer software

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，同时定义标准白化文件的概念。

图8 基于提出的白化文件精确快速生成方法绘制的TEM扇形超前探测成果图Fig.8 Result map of sector advance detection of TEM based on producing blanking file of providing a new method in this paper

表1 实验结果对照表Table 1 Comparison table of experimental results

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。