国外航空重力测量与数据处理技术最新进展

航空重力测量技术作为一种新兴的勘查技术,在近10年内得到迅速发展,尤其是西方发达国家。国外航空重力测量主要使用加拿大SGL公司的AIR Grav、俄罗斯GT公司的GT-1A/2A航空重力测量系统,利用中小型的固定翼飞机、直升机等集成了航空重力、航空重(磁)和航空重(磁、放)等多种形式的勘查系统,测量参数也由单一的重力测量发展为重(磁)、重(磁、放)等综合测量,测量效率明显提高。每年航空重力勘查任务大约30~40万测线公里,主要用于基础地质研究、石油天然气调查、大地水准面测量、区域地球物理勘探、矿产资源勘查和军事基础建设等工作,应用前景广泛,成果十分显著,对地球重力场研究做出了重大的贡献。

国外开展航空重力测量先于我国,大规模高精度航空重力测量始于21世纪初。经过近20年的快速发展,已经形成了成熟的航空重力勘查系统集成技术及基于地球物理测量的通用航空重力测量方法和数据处理技术,推动了航空重力测量技术的进步和事业的发展。笔者系统总结和研究了国外航空重力勘查系统集成、测量方法和数据处理等3个方面的方法技术,向读者详细介绍了该领域国外发展的最新技术,供借鉴和进一步研究,以此来促进我国航空重力测量技术的快速发展,赶超国外先进水平,为地球系统科学研究提供高精度的基础数据。

一、航空重力勘查系统发展现状

目前,航空重力勘查系统主要由航空重力仪、差分GPS系统、飞行平台和数据处理软件等组成。国外主要航空重力仪有3种类型:GT-1A/2A航空重力仪、AIR Grav航空重力仪和TAGS航空重力仪。飞行平台多种多样,主要为中—小型固定翼飞机和直升机。国外航空重力勘查系统已发展成多类型的固定翼航空重力勘查系统和日趋成熟的直升机航空重力勘查系统,正致力于发展小型化的航空重力勘查系统。

⒈集成出多类型的固定翼航空重力勘查系统

加拿大SGL公司利用AIRGrav航空重力测量系统,使用Cessna208、DA-42和DHC-6等多种固定翼飞机作为航空重力的飞行平台,除了集成单一的航空重力勘查系统外(如图1),还集成了重/磁综合勘查系统、航重和航磁水平梯度综合勘查系统。这些系统可以获得高分辨率的航空重力测量数据,环境适应能力好,测量效率高。

图1 安装AIRGrav重力仪的DA-42飞机

CMG公司利用GT-1A/2A航空重力测量系统,使用Cessna208、BN-2T、DA-42等多种固定翼飞机飞行平台,集成了航空重力勘查系统、航空重(磁)和航空重(磁、放)综合勘查系统。图2为CMG公司在BN-2T飞机上集成的GT-2A航空/磁/放综合勘查系统,实现了一次飞行同时获取多种地球物理参数的目标,大大地提高了勘查效率。

图2  安装航空重(磁、放)的BN-2T飞机

俄罗斯的Aerogeophysice公司利用AN-26、AN-30等飞机集成了GT-1A/2A航空重力勘查系统,在本土和北极部分地区完成了1∶10万和1∶20万比例尺的航空重力测量。美国DG公司利用C-130“大力神”飞机集成了AT1A航空重力勘查系统,在南极开展了航空重力测量。到目前为止,国外成功用于航空重力测量的固定翼飞机多达22种,主要为中—小型固定翼飞机,主要机型有:CESSNA208、DHC66、AK350、BN-2T、PA31、AN24、AN26等。

⒉研制出成熟的直升机航空重力勘查系统

SGL公司利用AIRGrav航空重力仪在AS250-B3直升机上集成了航空重力勘查系统、航空重/磁和航空重/磁/放综合勘查系统,并在加拿大Quesnellia地区开展了航空重/磁/放综合测量。同样,CMG公司和加拿大Geotech公司也在AS250-B3直升机上集成了GT-2A直升机航空重力勘查系统(图3)。俄罗斯地球物理所使用米⁃8直升机(MI8),集成了GT-1A直升机航空重力勘查系统,并在俄罗斯AralSea的地区开展了飞行测量。

图3  GT-2A直升机航空重力勘查系统

到目前为止,国外成功用于航空重力测量的直升机达到6种,主要机型有:AS350-B2/B3、R44、LAMA、S76、ALH和MI8等。

⒊发展小型化的航空重力勘查系统

国外集成的航空重力勘查系统已呈多样化,不仅成功地实现了多平台的航空重力勘查系统,而且实现了多参数多种组合的航空重力勘查系统,以满足不同目的的地球物理勘查任务。目前世界各国正致力于发展小型化、更高精度的航空重力勘查系统,以期用于更为经济的飞行平台,获取更多参数的高分辨率航空重力综合勘查系统,实现更为广泛的应用。

二、航空重力测量方法发展现状

由于航空重力测量系统抗颠簸能力的增强,航空重力可在各种不同的测量条件下开展调查工作,比如海岸带,或是起伏地形的等高度飞行测量,或是高山区的缓起伏飞行测量,在起伏飞行和中—强颠簸条件下进行测量均能正常工作。缓起伏飞行方法的发展,有效地突出了地质效果,且能满足了航空地球物理综合测量等要求;同时随着航空重力测量精度的提高,大比例尺航空重力测量也应运而生,拓宽了航空重力的应用领域,可实现更为精细的航空重力测量工作。

⒈推广了航空重力起伏飞行测量方法

在传统固定翼航空重力平飞测量的基础上,发展了固定翼和直升机航空重力缓起伏飞行的测量方法,并逐步发展为成熟的技术。2007年SGL公司率先利用AIRGrav航空重力仪在BN-2B Islander飞机和AS350-B3直升机上集成了航空重/磁综合勘查系统,并在加拿大British Columbia的Quesnellia地区开展1∶20万比例尺航空重/磁综合测量,局部加密到1∶10万比例尺,平均地速大约185km/h,完成的总工作量约为27000km。2009年SGL公司在British Columbia的QUEST南部地区开展了高分辨率的航空重力调查,测线距为2km,控制线线距为20km,使用飞机CESSNA场208B(C-GSGJ)和钻石之星DA-42(C-GSDK),平均地速大约166.5km/h,完成的总工作量约为25010km。以上两个测区均为丘陵区和陡峭山区,地形海拔高度分别为380~2500m和62~2587m。SGL公司事先按照起伏坡度76m/1600m爬升和下降率根据地形设计出起伏飞行的测线,沿着设计的测线采用起伏飞行的方法,飞行高度为200m(真高),并且实际飞行高度与设计飞行高度偏差>15m的连续长度要求<7km。采用起伏飞行的方法,既尽可能地接近探测目标体获得更好的测量效果,又有利于获得高质量的航空重力测量数据。

作为2OO7年春的死海综合调查项目(DE-SIRE),沿着和垂直于死海盆地的Aquaba和死海之间的断裂进行了直升机航空重力测量。测量飞机为德国Sikorsky S-76B型直升机,CMG公司提供GT-1A航空重力仪。死海谷位于海平面下方400多m,山脊高度高于1500m。考虑到死海盆地地形高差大,采用低速和沿地形起伏飞行的直升机航空重力测量,获得了尽可能好的测量质量和高的分辨率。

⒉发展了大比例尺航空重力测量方法

为了解决航空重力用于矿产资源勘查等异常空间分辨率能力不足的问题,发展了大比例尺航空重力测量方法。至今为止不完全统计,SGL公司分别在6个小测区开展了大比例尺直升机AIRGrav航空重力调查,用于矿产资源勘查。采用低速(56km/h,或16m/s)50m线距进行测量,同时采用机载激光扫描系统(LiDAR)获取高分辨率(网距1m)的数字地形模型,通过增强数据处理技术,获得了测量精度为0.4×10-5m/s2、异常空间分辨率300m高精度航空重力数据,满足了矿产资源勘查的需要。图4展示了Podolsky测区叠加在地形模型上的重力异常图,该区为铜、镍混合硫化物矿,目的是通过航空重力反演计算为该区提供更可信的大高密度体分布情况。在航空重力异常反演时,利用航磁和钻井资料进行反演约束。

图4   Podolsky区直升机航空布格重力异常

在俄罗斯Aralseaa南西的Uzbekitan地区开展了大比例尺GT-1A直升机(MI8)航空重力测量,测区面积3000km2。该区为平底夹带数十米高陡坡的地形,平底部被盐水沉积层覆盖,难以进行地面重力测量。测量时采用300m(海拔高度)同一高度飞行,以减少起伏飞行加速度的影响,距地表80~230m。测量线距为250m、切割线线距为2500m,较密的测线可提供了更多的测量数据,为的是在数据处理过程中减少扰动加速度的影响。采用滤波长度为80~100s的kalman滤波,在速度160km/h时的异常空间分辨率为1.5~2.0km。采用由几条测线网格数据形成的数字重力场模型来评价测量误差,模型的均方差(RMS)为0.36×10-5m/s2。而后利用航空重力资料,加上钻井和地震资料,圈定出碳氢化合物勘探远景区。

⒊形成了航空重力测量技术要求

国外各公司(不同机构)均根据自身的仪器特点,制定了航空重力的测量方法、校正方法、质量控制和数据处理等内部技术要求,其中质量控制和数据处理在业内有比较统一方法和标准。虽然各公司之间并没有形成统一的测量技术要求或测量技术规范,但这些技术要求仍然是制订商业合同的依据,或成为本国航空重力测量的技术标准。

AIRGrav和GT-1/2A航空重力测量工作量占据目前世界上的80%以上,为最先进、主流的航空重力测量系统。表1中的技术指标分别代表着2套测量系统目前的技术水平。

表1 国外航空重力测量各技术参数汇总

⒋致力于开发高分辨率航空重力测量技术

沿地形低高度的缓起伏飞行和大比例尺航空重力测量技术,已成为成熟的技术而得到广泛应用,获得了比较满意的测量效果。但目前航空重力异常空间分辨率相对有限,仍然不能完全满足矿产资源勘查等需求,发展更高空间分辨率的航空重力测量技术成为今后世界各国努力的方向。

发展高空间分辨率的航空重力测量技术,除了在测量高度降低和测量比例尺加大等测量技术做出努力外,更需要发展新型航空重力测量技术装备,比如:航空重力梯度测量系统,甚至是航空重力全张量梯度测量系统,有效地提高航空重力异常的空间分辨能力,才能充分发挥航空重力在地球探测中的应用能力。

三、航空重力数据处理技术发展现状

航空重力数据处理主要包括:惯导与DGPS数据解算,数据质量统计控制,测线自由空间重力异常计算(各项改正和滤波计算),数据调平处理,数据噪声处理,地形改正处理,基础图件编制,数据质量评价。航空重力测量系统研制厂商针对各自的航空重力仪开发出航空重力数据处理软件,可以说都是唯一的。航空重力数据处理中的厄特渥斯等各项改正所采用方法基本一致,但在获得航空重力自由空间重力异常所采用滤波方法和相关改正顺序上大相径庭。

⒈差分GPS及与惯导系统组合解算是高精度定位的关键

勘查飞行时,飞行载体引起的扰动加速度可达到1m/s2,航空重力数据处理必须从上万毫伽强动态干扰的环境中计算出重力值,为了实现航空重力测量,采用双频差分GPS方式获取高精度的载体数据。SGL公司研究表明:高精度的差分GPS处理技术是获取高分辨率和高质量重力数据的关键。

通常采用差分GPS的载波相位观测数据来解算载体的位置、速度和加速度,并利用双频(L1、L2)、单频(L1)对载波相位解算结果进行相互检查。在确定速度和加速度时也常常用到差分多普勒数据,多普勒方法是满足载波相位解算的初始逼近。

航空重力通常采用GPS/惯性组合的方式进行解算,取长补短,使组合后两者的精度高于两个系统单独工作的精度。一方面通过惯导系统的定位数据来修复GPS的跳点和错误点,对GPS数据的完整性进行检测,提高GPS数据质量;另一方面利用GPS数据对惯性系统中的惯性传感器漂移等参数进行修正,减小稳定平台姿态角的误差,以提高航空重力水平加速度改正的精度。

⒉航空重力各项改正基本上采用通用的技术

(略)

⒊航空重力异常信息提取滤波技术仍然是关键核心

航空重力仪工作在强干扰噪声背景下,而强噪声背景下提取微弱重力异常信号是航空重力测量中需要解决的重点问题,也是核心关键技术之一。航空重力测量中,经过各项改正后航空重力数据通常采用低通滤波处理,提取出消除高频干扰后有用的航空重力异常信号,测线滤波的程度取决于原始数据的噪声和异常分辨率的要求]。

GT系列航空重力数据处理采用了自适应卡尔曼滤波方式进行平滑滤波,差分GPS高度作为观测量建立观测方程,利用卡尔曼平滑理论进行重力异常解算,在压制干扰信号的同时更好地保留有效重力测量信息,形成航空重力自由空间重力异常,通常采用半波长50s进行滤波,重力异常空间分辨率1.5~3km(飞行速度110~218km/h)。

AIRGrav航空重力数据处理使用余弦锥形低通滤波器按时间序列对原始测线数据进行滤波来去除统计噪声,测线滤波的程度取决于数据的噪声和分辨率的要求,测线滤波的程度总是要小于网格化滤波,以避免网格化时数据畸变,通常采用半波长50s的滤波器对航空重力数据进行滤波处理,重力异常空间分辨率1.5~3km(飞行速度110~218km/h)。

国外还有一些公司采用FIR低通滤波技术,但解算效果远不如GT和AIRGrav系统,尤其是在比较颠簸的飞行条件下或起伏飞行时。

⒋航空重力数据调平技术进一步得到发展

通常情况下,像航磁测量一样,航空重力测量数据只需要进行控制线法调平处理,但由于航空重力测量在强干扰下存在着随机噪声,为了减小随机噪声发展了微调平处理技术。

⑴控制线法调平处理

采用统计估算方法对航空重力测量控制线和测线交叉点的重力场作最大随机校正,以补偿主要由定位误差、飞行高度变化和零漂等引起的随机水平误差。

⑵微调平处理

对控制线法调平后的航空重力数据进行微调平,即将每条测线的噪声值从控制线法调平后航空重力数据中去除,获得了微调平处理后的航空重力异常,目的是进一步减小重力异常中的随机噪声。

⒌航空重力地形和布格改正与地面重力改正基本一致

航空重力测量地形改正方法与传统的地面重力改正方法一样,一定程度上比地面重力改正更容易些,因为航空重力不需要近地改正,相应地不会产生因近地不规则密度而引起的误差。地形改正既可用数字地形模型(DEM),也可用航空重力测量时获得的地形数据。国外主要使用SRTM数据进行重力地形改正。SRTM数据为空间网格90m×90m地形数据,参考水准面为WGS-84大地水准面模型,高程精度约±16m,水平精度约±20m。

SGL公司地形改正使用Galgary大学大地测量开发的软件,地形改正算法使用的是同密度的2DFFT方法。CMG公司利用OasisMontaj地形改正模块进行布格改正和地形改正,地形改正值采用Nagy(1966)方形域地形改正方法(中区)和Kane(1962)扇形分区地形改正方法(远区)描述的组合方法计算得来。一般选用密度2.67g/cm3,湖泊和海水采用密度1.00 g/cm3。计算出地形与布格重力改正数据后,需采用与获得航空自由空间重力异常相同滤波方式、相同滤波尺度对改正数据进行滤波,然后进行地形与布格改正,形成全测区的航空布格重力异常数据。航空重力布格改正的流程如图5。

 图5  航空重力布格改正流程

⒍航空重力数据处理技术仍然处于不断改进之中

虽然国外航空重力数据处理技术已经迈开了一大步,但由于航空重力测量存在着大量的扰动干扰,不得不通过数据滤波的方式来滤除干扰,获得低频重力场信息,因而制约航空重力测量对重力异常的分辨能力,这大大地限制了航空重力的应用范围。同时,由于飞行测量时存在着大气湍流的影响,航空重力测量精度常常会明显的降低,人们一直在寻找更为合适的滤波处理方法来减少大气湍流的影响。因此,航空重力数据处理技术一直处于不断的改进之中,以寻求测量精度更高、异常空间分辨能力更好的数据处理方法。

四、国外新技术促进了我国航空重力测量技术的发展

航空重力整体发展技术国外先于我国数十年,随着航空重力测量仪的不断更新和差分GPS定位系统的出现,已经形成了比较成熟的航空重力测量技术,值得各国借鉴。在引进国外先进系统和技术的基础上,我国科研人员通过开展消化吸收再创新的方式,形成了我国特色的航空重力系统集成、测量方法与数据处理技术,并开展了大规模应用。

⒈促使了我国系统集成技术迈进先进行列

在充分借鉴国外航空重力勘查系统集成经验的基础上,我国先后自主集成出航空重力、航空重(磁)和航空重(磁、遥)等勘查系统,实现了在固定翼飞机和直升机飞行平台下的航空重力测量,促使了我国航空重力勘查系统的集成技术迈进国际先进水平。

⒉加快了我国航空重力测量技术的发展

在充分借鉴和研究国外航空重力测量技术的基础上,我国通过大规模的航空重力应用试验,形成具有我国特色的航空重力测量技术,尤其是用于青藏高原等高山区的航空重力测量技术,加快了我国航空重力测量技术快速发展。

⒊促进了我国航空重力数据处理技术的进步

作为航空重力测量的一项关键技术,我国从学习国外先进的航空重力数据处理开始,通过多年的摸索和研究,不仅能够熟练地使用国外进口的数据处理软件,而且自主研发出航空重力数据处理软件,促进了航空重力数据处理这项关键技术的进步,缩短了与国外的差距。

五、结论

航空重力测量采用的勘查系统、测量方法和数据处理技术直接影响着测量质量和应用效果,笔者首次全面总结归纳了国外最先进的航空重力系统集成、测量方法与数据处理技术,对提高我国航空重力测量技术水平,高质量地开展航空重力测量具有明显地促进和推动作用。

⑴全面地介绍了多类型成熟的航空重力勘查系统。本文介绍了国外基于固定翼飞机和直升机2类飞行平台所集成的航空重力、重(磁)、重(磁、放)等各类型的先进勘查系统,多达30种飞行平台几乎涵盖了目前世界上所有类型在用的航空重力勘查系统,为读者提供了更宽广、成熟的集成技术,以满足多样化测量和应用的需要。

⑵系统地介绍了多样化发展的航空重力测量方法。本文在介绍常规的同一高度平飞开展中比例尺测量的基础上,系统介绍了国外利于提高航空重力测量效果的起伏飞行测量方法,还介绍了国外发展大比例尺航空重力测量技术的最新进展,以及国外公司制定的航空重力测量内部技术要求,为读者提高航空重力测量质量和应用效果提供了相关的方法技术。

⑶详细地介绍了多途径的航空重力数据处理技术。本文介绍了差分GPS的解算技术,并通过与惯性系统的组合解算技术,减小系统误差,提高定位精度;在数据滤波处理方面,介绍了强干扰条件下提取微弱重力异常的卡尔曼滤波和余弦锥形低通滤波技术,均为目前航空重力异常解算精度最高的技术。这些技术的介绍,有助于提升我国航空重力数据处理水平,同时为我国研发高精度航空重力数据处理软件提供了重要的技术支撑。

总之,本文通过国外先进的航空重力系统集成、测量方法和数据处理技术的介绍,以期帮助读者消化吸收和深度引用国外的先进技术,提升我国航空重力的测量效果和应用能力,促进我国自主研制航空重力测量技术的发展,对充分发挥航空重力在基础地质研究、油气资源调查、固体矿产勘探、环境地质调查等领域的作用,均有十分重要的意义和实用价值。

2021-1-12智邦网

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