[发明专利]基于云边端协同的城市地下空间电阻率感知系统和数据采集方法

说明书

本发明公开一种基于云边端协同的城市地下空间电阻率感知系统和数据采集方法，基于先进的云边端架构设计，将数据采集工作下沉到分布式边缘节点和感知节点执行，将计算任务密集的数据处理和数据挖掘工作部署在中心云计算平台进行，满足了数据采集所需要的实时性和高效性。同时，采用井地联合构建立体空间随机分布式感知网，充分利用道路两侧具备埋置水平电缆和布置纵向钻孔的有利条件，灵活布置跨街对穿的立体电阻率感知网，弥补单一地表勘探的不足，实现对城市街道下方目标的精细成像。

技术领域

本发明属于电法勘探技术领域，具体涉及一种基于云边端协同的城市地下空间电阻率感知系统和数据采集方法。

背景技术

城市地下工程是城市建设的基础和重要组成部分，其本身又具有隐蔽不可见的特点。随着城市化进程的加速，城市地下空间结构的健康状况及其安全性直接关乎城市居民生命财产安全，但如何快捷、有效、非破坏性地评测、评估地下空间结构的健康状况仍然是摆在城市管理部门面前的一项艰巨任务。目前政府部门多数是在设计、施工等环节加强监管，确保地下工程建设质量达标。但地下工程的使用寿命和安全性除了与结构设计以及施工质量密切相关外，还与后期地下工程周围的环境变化密切相关。地下结构和周围环境的影响是相互、渐进式的。地下结构体周围的地层变形以及应力变化可能会对地下结构体产生影响甚至结构破坏；而地下结构的损坏又会促进周边土壤介质流变和地下水的运移，加速地下结构的损毁。因此，需要从时间和空间的维度，把地下空间结构、周边地质环境、地下管网结构、人文和交通环境等作为一个有机整体来综合考虑和系统研究，其中利用过去历史时期积累的钻探、物探和其它资料来建设“透明城市”就是其中关键的步骤，也是“智慧城市”建设的重要基础支撑。而利用新兴科学技术来构建城市四维动态感知网是“智慧城市”建设的必要途径，对于城市现代化和宜居环境建设具有重要意义。

地下结构及其周围地质环境的变化相应地会引起地下介质物性参数(如密度、弹性波速度、电阻率等)的改变。地下感知系统动态监测这些物性参数的变化相当于给城市“身体”安装了动态“体检”传感器，实时透视、感知、监测城市地下管网、地下空间结构的动态变化，当达到设定临界值时，及时触发异常预警信息，通过分布式多传感器监测网快速定位异常发生的位置，便于及时处置、保护生命财产安全。然而目前城市地下感知系统主要是温度、地下水位、应力、位移等接触式传感器进行原位测量，缺少具有穿透成像能力的传感器进行长期、远程、非接触式智能感知。

高密度电阻率法是在普通电法勘探基础上发展的一种多通道、阵列勘探技术。高密度电法只需要一次性布设电缆和电极即可获得大量探测数据，不仅节省了人力物力，也提高了数据采集效率，而且成像结果直观、易于解释。但传统高密度电阻率法用于城市地下目标(如道路空洞塌陷)的长期监测(智能感知)仍存在一些困难和障碍：

1.城市街道周围环境复杂：①城市街道下方是城市电力、上下水、通讯等各种管网集中通过的区域，地下环境极为复杂。②城市街道两侧地表接地条件差异大，电磁干扰严重。③只能沿狭长的城市街道两侧布极，缺少三维高密度电阻率法测点布置所需要的纵向展开空间，地表规则测网难以布置。④井孔电阻率成像虽然分辨率更高，但只是垂向探测且跨孔测量间距受到局限。目前地表和井孔电阻率成像各自的优越性未能得到充分发挥，井地联合勘探更有利于充分发挥电阻率成像的优势。

2.已有的电阻率感知系统设计对市政设施的依赖度高，也受市政设施实际位置的约束，难以有效发挥自身的灵活性；已有设计同时又受到感知节点电极通道少的制约，使得供电和电位测量组合类型少，严重影响感知成像效果。另外，由于供电和电位测量电极组合可能分属于不同的感知节点，已有的串行有线传输网络的时间延迟将会对供电和电位测量的同步产生重要影响，而响应延迟叠加响应等待也会严重影响数据采集效率。