Lokalizacja infrastruktury podziemnej

rura

Lokalizacja uzbrojenia terenu

Bardzo istotnym problem we współczesnej inżynierii lądowej jest tzw. uzbrojenie terenu. Infrastrukturę podziemną należy w 100% zlokalizować i mapować w fazie projektowania. Pozwoli to uniknąć problemów  związanych z uszkodzeniem sieci na etapie wykonawczym. Niewystarczająca lokalizacja infrastruktury podziemnej może prowadzić do wysokich kosztów  odtworzenia sieci sanitarnej, a w najgorszym przypadku do wstrzymania prac budowlanych. Uszkodzenia nierozpoznanej sieci podczas budowy mogą być różne np. uszkodzenia magistrali wodociągowej zasilającej miasto w wodę czy uszkodzenie rurociągu transportującego medium węglowodorowe tak jak gaz, ropa, paliwa płynne itp.

Modelowanie i interpretacja

W poniższym wpisie chciałem zaprezentować przykład wygenerowania modelu 2D w gprMax poprzez przetworzenie i interpretację danych w GPRSoft PRO. W projekcie chciałem pokazać możliwości programu gprMax do modelowania, a także potwierdzić zasadność i efektywność metody georadarowej w lokalizowaniu infrastruktury podziemnej. Założyłem projekt "cztery rury" w pół przestrzeni 2D.  W przeciwieństwie do poprzedniego modelu 1D w gprMax wygenerowałem serię tras georadarowych 1D,  które zostały połączone w jeden obraz 2D tzw. B-Scan. Założyłem model o rozmiarach (x,y) 0.800 x 0.450 (z=0) przy czym teoretyczna antena georadarowa poruszała się po powierzchni na 0.430, a przestrzeń o rozmiarze y 0.020 zostawiłem na powietrze ponad gruntem. W rozpatrywany ośrodek izotropowy (nazywając go dalej gruntowy)  umieściłem 4 rury dwojakiego rodzaju. 2 rury o średnicy 0.020 i 0.060. Ośrodek gruntowy zdefiniowałem jako średnia gleba i przyjąłem przenikalność elektryczną 6 natomiast rury jako przestrzeń pustą (w gprMax definiowane jako PEC). Dwie rury na mniejszej głębokości i 2 na większej co widać na poniższej geometrii modelu. W dolnej części dodałem poziomą warstwę o przenikalności elektrycznej 81 czyli można przyjąć zwierciadło wody. Inne parametry tak jak np przewodność zostały pominięte.

Geometria wygenerowana w gprMax, wizualizacja w ParaView
Geometria wygenerowana w gprMax, wizualizacja w ParaView

Tak jak w poprzednim modelu użyłem sygnału Rickera, teoretyczna antena georadarowa o częstotliwości centralnej 2 GHz, czas rejestracji 9 ns. Antena georadarowa skonfigurowana tak, że antena nadawcza od odbiorczej w stałej odległości 0.040. W żargonie mówimy o stałym offsecie czyli stałej odległości odbiornika od źródła. Tak skonfigurowana antena przesuwała się po powierzchni ze stałym interwałem 0.002. W ten sposób wygenerowałem 370 tras. pierwsze źródło było w pozycji x 0.022 związane to było ze strefą tłumienia fali (warunki brzegowe). Antena odbiorcza zatrzymała się w pozycji 0.800 - (0.040 + 0.022) czyli odległość pomiędzy źródłem a anteną odbiorczą i strefą brzegową. Poniżej prezentuję 2 animacje, które powstały podczas modelowania. Animacje wykonałem w programie ParaView. Oczywiście takich tras powstało 370 więc można było także wygenerować 370 takich animacji i każda by odpowiadała innej pozycji anteny georadarowej, która jak już napisałem przesuwała się z krokiem 0.002. Wprawne oko zauważy, że w pierwszym przypadku prezentowana jest składowa magnetyczna H fali elektromagnetycznej natomiast w drugim przypadku składowa elektryczna E.

Wyniki modelowania w gprMax

Pierwsza animacja w pozycji 0.022

Druga animacja w pozycji 0.422

Po obliczeniu całego modelu program gprMax wygenerował 370 plików i każdy z pojedynczym zapisem tzw trasą. W oknie poleceń komendą tools.outputfiles_mergehdf5 łączymy wszystkie pliki w jedną sekcję 2D zwany profilem lub B-Scan. Wywołując odpowiednią komendą Pythona otwieramy plik wynikowy i podgląd naszego wyniku symulacji.

Sekcja 2D wygenerowana w programie gprMax
Sekcja 2D wygenerowana w programie gprMax

Następnym krokiem była konwersja danych georadarowych z pliku wygenerowanego w gprMax w standardzie HDF5 do innej standardowej struktury odczytywalnej przez oprogramowanie do przetwarzania i interpretacji, w tym przypadku GPRSoft PRO. Okazało się, że sprawa nie jest taka prosta jak by się wydawało i póki co autor programu nie przewidział takiej potrzeby i nie ma oficjalnej wtyczki. W poszukiwaniu w sieci i w manualach pierwszy trop zaprowadził mnie do konwersji danych do Matlab i kolejnym tropem był software matGPR oparty na architekturze Matlab. Trop ten był fałszywy i sam autor programu matGPR nie był w stanie mi pomóc. Finalnie udało mi się zaimportować dane z pliku wynikowego HDF5 do Matlab, a następnie znalezioną wtyczką matSEGY wyeksportowałem dane do formatu SEGY. Format stworzony przez (Society of Exploration Geophysicists) powszechnie używany w sejsmice. W badaniach georadarowych każdy producent sprzętu ma najczęściej własny format danych np Geoscanners używa rozszerzenia GSF. SEG i DAT można uznać jako uniwersalne dzięki nim można eksportować i importować dane pomiędzy rożnymi rozwiązaniami. Po przekonwertowaniu danych do formatu SEG należy uzupełnić nagłówek o geometrię i można dowolnie przetwarzać dane.

Przetwarzanie i interpretacja danych georadarowych w GPRSoft PRO

Sekcja 2D prezentowana w programie GPRSoft PRO
Sekcja 2D prezentowana w programie GPRSoft PRO

Na powyższej sekcji jak i wcześniejszej można wydzielić 4 charakterystyczne elementy:

  1. Hiperbole dyfrakcyjne wygenerowane od powierzchni rur
  2. Warstwa pozioma, częściowo widoczna na sekcji
  3. Sygnał wyemitowany i bezpośrednio zarejestrowany przez antenę odbiorczą (górna pozioma linia)
  4. Refleksy wielokrotne, nie widać ich dobrze, interferują z modelową warstwą wody.

Pierwszym etapem przetwarzana naszej sekcji georadarowej 2D będzie korekta na powierzchnię, na którym był wykonany teoretycznie pomiar. Odbywa się poprzez fizyczne przesunięcie całej sekcji o pewien interwał czasu, w tym przypadku akurat o 0.5 ns. Wartość ta została odczytana z pojedynczej trasy w którym momencie pierwszy sygnał uzyskał "pierwsze wychylenie".

Redukcja do powierzchni
Redukcja do powierzchni

Kolejnym krokiem naszego przetwarzania była filtracja funkcją background. Ominąłem jakiekolwiek inne filtracje ponieważ model jest syntetyczny i izotropowy.

Funkcja background w GPRSoft
Funkcja background w GPRSoft
Wynik filtracji Background Removal - widać wyraźnie usunięcie "pierwszego wstąpienia"
Wynik filtracji Background Removal - widać wyraźnie usunięcie "pierwszego wstąpienia"

Następnie przeprowadziłem analizy prędkości na podstawie krzywych hiperbolicznych, które zostały wygenerowane podczas obliczania modelu. Kiedyś może opiszę skąd się bierze owa prędkość podczas analiz. Najprościej można to ująć tak, że mamy znaną wartość czasu, geometrię pomiaru czyli czas i drogę dzięki temu możemy obliczyć prędkość.

Analiza prędkości w GPRSoft PRO
Analiza prędkości w GPRSoft PRO

Analizy prędkości na sekcji 2D polegają na dopasowaniu syntetycznej hiperboli do naszego zapisu georadarowego. Po dokładnym dopasowaniu możemy odczytać prędkość rozchodzenia się fali elektromagnetycznej (radarowej) w ośrodku ponad rozpatrywanym obiektem. Dodatkowo odczytujemy przenikalność elektryczną ośrodka, która jest odwrotnie proporcjonalna do naszej prędkości fali EM. Nieznaczny ale jednak ma także wpływ średnica obiektu w tym przypadku rury, uwzględniając ten parametr precyzujemy prędkość. Prędkość o czym nie wspomniałem we wpisie jest dla nas bardzo istotna ponieważ wszystkie pomiar georadarowe są wykonywane w czasie i aby interpretować głębokość obiektów musimy znać prędkość dzięki czemu przeliczamy skalę czasową na głębokościową.

Na koniec użyłem zinterpretowanej prędkości do narzędzia pn. migracja. Algorytm jest stosunkowo zaawansowany i jeden z najbardziej czasochłonnych do przetwarzania cyfrowych danych geofizyczych. W tym przypadku chciałem pokazać jak migracja działa na hiperbole. W żargonie mówi się, że migracja zwija hiperbole dyfrakcyjne w punkty. Hiperbole generowane są od obiektów punktowych tak jak pomiar rura, uskok tektoniczny itp. Przy zaaplikowaniu odpowiednich prędkości do migracji algorytm odtwarza pole falowe i przesuwa odbicia w rzeczywiste pozycje. Oczywiście tak mówi teoria w rzeczywistości różnie bywa ale jednak migracja bardziej przybliża jak by nie było naszą interpretację do stanu faktycznego .

Georadarowa sekcja 2D po migracji z interpretacją
Georadarowa sekcja 2D po migracji z interpretacją

Na pierwszy rzut oka można by dyskutować, czy przy takim prostym modelu migracja poprawia sprawę, jednak przy bardziej skomplikowanych modelach geologicznych, zwinięcie hiperbol dyfrakcyjnych w punkty w pewnym stopniu filtruje sekcję i cały zapis z niepotrzebnych "skrzydeł" hiperboli, a także przesuwa refleksy w rzeczywiste położenia. Przy bardziej skomplikowanej budowie należy zbudować złożony model prędkościowy, uwzględnić prędkości w warstwach i zmienność prędkości wzdłuż profilu.

Kolejny wpis będzie o sprzęcie - antenach georadarowych lub spróbuję wymodelować złoty pociąg :).

2 Comments

Comments are closed