Введение к работе
Актуальность темы исследований. Неразрушающие исследования грунтов, естественная структура которых изменена в результате антропогенного или техногенного воздействия, актуальны при решении экологических, археологических и инженерно-технических задач. Эффективным методом изучения структуры приповерхностных слоев грунта и локализации объектов искусственного происхождения является малоглубинное электропрофилирование.
Исследования больших территорий методом площадного электропрофилирования проводятся в течение нескольких полевых сезонов, в том числе в разные времена года. Измерения производятся последовательно, в соответствии с границами планшетов (координатно-увязанных участков априорно заданной формы и размера). Дальнейшей задачей системы контроля локальных аномалий грунта (ЛАГ) является корректное объединение полученных массивов данных. При формировании сводной карты распределения кажущегося удельного электрического сопротивления грунта (apparent soil resistivity) наблюдаются скачкообразные изменения среднего уровня значений сопротивления на границах смежных планшетов, которые вызваны отличиями условий проведения измерений (площадные скачкообразные искажения). Следовательно, для корректного выявления объектов поиска, соответствующих аномалиям кажущегося сопротивления, анализа их формы и геометрических параметров, необходимо специализированное методическое, алгоритмическое и программно-техническое обеспечение системы контроля ЛАГ, которое обеспечивает эквализацию данных малоглубинного электропрофилирования - приведение всех массивов данных к единому уровню информативного сигнала.
Скачкообразные искажения сводных карт распределения кажущегося удельного сопротивления грунта связаны с воздействием внешних факторов на результаты измерений: изменение фоновой влажности грунта, температуры, выпадение атмосферных осадков в процессе съёмки и пр. Воздействие внешних факторов приводит к неравномерному изменению величины удельного сопротивления приповерхностных слоев грунта, а, следовательно, к изменению взаимной контрастности аномалий кажущегося удельного сопротивления и возникновению скачкообразных искажений на границе смежных планшетов.
В целом, актуальность диссертационной работы обусловлена необходимостью получения достоверной информации о форме и геометрических параметрах объектов поиска в приповерхностных слоях грунта на основе данных малоглубинного электропрофилирования. Разработка методического, алгоритмического и программно-технического обеспечения системы контроля локальных аномалий грунта позволяет существенно повысить качество неразрушающих исследований структуры грунта и является актуальной научно-технической задачей.
Степень разработанности темы. Традиционно, формирование сводных карт распределения кажущегося удельного сопротивления грунта производится при помощи специализированного программно-технического обеспечения системы контроля ЛАГ после проведения всех измерений на исследуемой территории. При корректировке скачкообразных искажений сводных карт предполага-
ется, что погрешность носит аддитивный или мультипликативный характер (HaighJ.G.B. 1991; Eder-Hinterleitner A., Neubauer W., 1996; Дудкин В.П., 1997; GEOPLOT, 2012; ERTLab Solver, 2012). В связи с нелинейным характером искажений, преобразования, ориентированные на устранение аддитивной или мультипликативной погрешности не эффективны: необходимо учитывать не только амплитуду, но и изменение взаимной контрастности аномалий кажущегося сопротивления.
Целью работы является разработка методического, алгоритмического и программно-технического обеспечения системы контроля локальных аномалий грунта при площадных скачкообразных искажениях данных малоглубинного электропрофилирования.
Для достижения цели должны быть решены следующие задачи:
разработка метода адаптивной эквализации площадных скачкообразных искажений, который обеспечивает возможность корректного анализа структуры приповерхностных слоев грунта при малоглубинном электропрофилировании;
оценка эффективности разработанного метода эквализации по данным модельных и натурных экспериментов;
разработка алгоритма формирования сводных карт распределения кажущегося удельного сопротивления грунта при площадных скачкообразных искажениях, связанных с влиянием внешних факторов;
разработка структуры системы контроля локальных аномалий грунта методом малоглубинного электропрофилирования, обеспечивающей эквализацию скачкообразных искажений данных;
экспериментальные исследования разработанного методического, алгоритмического и программно-технического обеспечения при неразрушающем контроле грунта на территориях, расположенных в различных ландшафтных зонах.
Объект исследований - система контроля локальных аномалий грунта методом электропрофилирования.
Предмет исследований - методическое, алгоритмическое и программно-техническое обеспечение системы.
Научная новизна. Разработан и обоснован метод адаптивной эквализации площадных скачкообразных искажений данных контроля локальных аномалий грунта. В отличие от традиционных методов, основанных на применении заданной функции коррекции ко всему массиву данных искаженного планшета, предложенный метод основан на том, что функция коррекции различна в пределах каждой из выделенных аномалий кажущегося удельного сопротивления. Это позволяет корректировать скачкообразные искажения данных на границе планшетов при сохранении исходной формы аномалий сопротивления.
Разработан алгоритм формирования сводной карты распределения кажущегося удельного сопротивления при контроле грунта методом площадного электропрофилирования. Отличительной особенностью алгоритма является оценка изменения среднего уровня значений кажущегося сопротивления при определении последовательности объединения смежных планшетов, что позволяет повысить эффективность метода эквализации данных площадного электропрофилирования.
Разработана новая структура системы контроля локальных аномалий грунта методом малоглубинного электропрофилирования, включающая методическое, алгоритмическое и программно-техническое обеспечение экспресс-обработки и адаптивной эквализации данных. Введение дополнительных модулей и управляющих сигналов определяет адаптивность системы при выявлении площадных скачкообразных искажений и обеспечивает возможность корректировки искажений в процессе полевых исследований, что является принципиальным отличием от известных систем, основанных на апостериорной обработке экспериментальных данных.
Теоретическая значимость. Разработка методического обеспечения эквализации данных системы контроля ЛАГ развивает научные основы методов аналитического и неразрушающего контроля природной среды. Развитие структуры системы контроля и введение дополнительного алгоритмического обеспечения обработки информативных сигналов обеспечивает повышение качества неразрушающих исследований структуры грунта.
Практическая значимость. На основе разработанного в диссертации метода эквализации площадных скачкообразных искажений создано специализированное программно-техническое обеспечение системы контроля ЛАГ, предназначенное для корректировки сводной карты распределения кажущегося удельного сопротивления грунта, полученной при объединении нескольких координатно-увязанных массивов данных. Предложенные методы и алгоритмы могут быть использованы в системах контроля природной среды, веществ, материалов и изделий, в частности, при исследовании материалов методом атом-но-силовой микроскопии.
Методы исследований, достоверность и обоснованность результатов. В диссертационной работе используются методы цифровой обработки сигналов и изображений, статистические методы и методы фильтрации измерительной информации.
Достоверность и обоснованность полученных результатов подтверждается корректным использованием математических методов, а также результатами сравнительного анализа с современными разработками в области малоглубинной электроразведки, методическим, алгоритмическим и программно-техническим обеспечением эквализации экспериментальных данных. Достоверность предложенных методов доказана в рамках компьютерного эксперимента, основанного на результатах неразрушающих исследований грунта на территориях, расположенных в различных ландшафтных зонах.
Положения, выносимые на защиту:
-
Метод адаптивной эквализации данных контроля локальных аномалий грунта обеспечивает корректировку «искаженного» планшета и, как следствие, устранение площадных скачкообразных искажений. Разработанный метод устраняет искажения на границах смежных планшетов при минимальных изменениях внутренних областей.
-
Эффективность алгоритма формирования сводной карты распределения кажущегося удельного сопротивления грунта обеспечивается адаптивным выбором последовательности объединения массивов данных площадного электропрофилирования.
-
Программно-техническое обеспечение экспресс-обработки и эквализа-ции данных площадного электропрофилирования в рамках системы неразру-шающего контроля грунта обеспечивает повышение качества экспериментальных данных. Предложенная структура определяет адаптивность системы контроля локальных аномалий грунта при выявлении и корректировке площадных скачкообразных искажений в процессе исследований.
-
Эффективность применения метода адаптивной эквализации и алгоритма корректировки экспериментальных данных при неразрушающем контроле грунта доказана при исследованиях структуры приповерхностных слоев грунта на территориях, расположенных в различных ландшафтных зонах.
Реализация и внедрение результатов работы. Исследования по данной тематике проведены в рамках:
гранта Российского фонда фундаментальных исследований «Археолого-геофизические исследования планировки, структуры и оборонительных сооружений средневековых поселений Прикамья: сравнительный анализ» (грант №11-06-00213а);
программы междисциплинарных проектов фундаментальных исследований, выполняемых в Учреждениях Уральского отделения РАН в 2012-2014 гг. «Изучение и сохранение памятников историко-культурного наследия Камско-Вятского региона: методика междисциплинарных исследований» (грант № 12-М-26-2005).
Разработанные методы, модели и алгоритмы, а также программно-техническое обеспечение внедрены в ООО НИИ «ЭРА» (г. Санкт-Петербург) и компании «НТ-МДТ» (г. Зеленоград). Внедрения подтверждены актами.
На специализированное программное обеспечение системы контроля локальных аномалий грунта получено свидетельство Федеральной службы по интеллектуальной собственности о государственной регистрации программы для ЭВМ.
Апробация работы. Материалы диссертации докладывались и обсуждались на международных и всероссийских конференциях: VIII Международный геофизический научно-практический семинар «Применение современных электроразведочных технологий при поисках месторождений полезных ископаемых» (г. Санкт-Петербург, 2010); XV Международный симпозиум «Нанофото-ника и наноэлектроника» (Нижний Новгород, 2011); IX Всероссийская научно-практическая конференция студентов, аспирантов и молодых ученых «Молодежь и современные информационные технологии» (Томск, 2011); IX Всероссийская конференция «Физикохимия ультрадисперсных (нано-) систем» (Ижевск, 2010); Научно-техническая конференция аспирантов, магистрантов и молодых ученых «Молодые ученые - ускорению научно-технического прогресса в XXI веке» (Ижевск, 2011), а так же на семинарах Физико-технического института УрО РАН и Ижевского государственного технического университета.
Личный вклад автора. Решение всех задач, сформулированных в диссертации, получение и интерпретация результатов на различных этапах математической обработки экспериментальных данных выполнены автором лично. В работах, выполненных в соавторстве, диссертанту принадлежит разработка и исследование методов обработки и эквализации экспериментальных данных, а также разработка и реализация методов оценки достоверности результатов.
Публикации. По теме диссертации опубликованы 12 статей (из них 6 в изданиях из перечня ВАК и 6 в сборниках научных трудов, материалов международных и всероссийских научных конференций). Получено Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ (правообладатель - ИжГТУ).
Объем и структура диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы (88 наименований) и двух приложений. Диссертация изложена на 147 машинописных листах основного текста, содержит 64 рисунка и пять таблиц.
