Предлагаем вниманию читателей обзор материалов статьи «2D и 3D георадарная съемка с использованием модульной системы: стратегии обработки данных и результаты пробных полевых археологических исследований» [1]. Она была опубликована в 2013 году в журнале Near Surface Geophysics («Приповерхностная геофизика»), издаваемом Европейской ассоциацией специалистов в области наук о Земле и инженеров (EAGE). Авторы рассматриваемой работы – сотрудники кафедры археологии Гентского университета Ливен Вердонк, Франк Вермёлен и Роальд Доктер (г. Гент, Бельгия) и представители компании Eastern Atlas Geophysical Prospection Корнелиус Мейер и Рудольф Кнейс (г. Берлин, Германия).
В последнее время при георадарных исследованиях все чаще используют системы с многоэлементными антеннами (так называемыми антенными решетками), которые обеспечивают большую скорость съемки при высокой частоте дискретизации, но они являются довольно громоздкими и очень дорогими. Поэтому Л. Вердонк и соавторы [1] решили изучить возможность параллельного использования нескольких пар отдельных георадиолокационных антенн (то есть модульной системы) на примере археологических исследований. Скорость съемки модульной системой существенно ниже, чем с помощью многоэлементных антенн при одинаково высоком разрешении, но ее легче использовать в стесненных условиях, на неровных поверхностях, с маломощными буксирующими транспортными средствами, а к тому же ее можно постепенно расширять – и тогда затраты тоже будут поэтапными. Поскольку расстояние между линиями пар «передающая антенна – приемная антенна» в таких системах больше требуемого для высокого разрешения, авторы статьи [1] при сборе трехмерных данных записывали последующие георадарные профили между пройденными ранее. Им удалось добиться необходимой при этом высокой точности позиционирования. Но получить полностью идентичные отклики для разных одиночных георадарных антенн было невозможно, что при достаточно сложных грунтовых условиях привело к появлению ненужных полос шума и помех на горизонтальных (временных) срезах результатов 3D-съемки. В попытках избавиться от этих неинформативных полос Вердонк с соавторами [1] применили некоторые методы фильтрации и оценили их эффективность.
Л. Вердонк с соавторами в начале своей статьи [1] отметили, что при археологических исследованиях, как и в других областях, все чаще стали использовать многоканальные георадары с многоэлементными антеннами (антенными решетками) непрерывного излучения со ступенчатой перестройкой частоты (SFCW) или с импульсными многоэлементными антеннами. Такие системы позволяют быстро проводить георадиолокационную съемку на большой площади, причем с достаточно высокой частотой дискретизации (близкой к предписанной теоремой Найквиста). Эти так называемые антенные решетки в большинстве своем состоят из антенн, закрепленных на большой раме и расположенных таким образом, чтобы расстояние между линиями съемки было меньше физического размера антенн (например: каждая приемная антенна может быть предназначена для записи сигналов двух соседних передающих антенн; комбинации «передатчик – приемник» могут быть повернуты на 90 град. друг по отношению к другу и на 45 град. к направлению съемки).
Однако для приобретения больших многоканальных систем требуются значительные денежные затраты, которые не всегда возможны. Поэтому авторы работы [1] вспомнили об альтернативе, предложенной в 2005 году Лекебушем (Leckebusch), – о параллельном использовании нескольких пар одиночных георадиолокационных антенн. Такие модульные системы, конечно, несравнимы по скорости работы с многоканальными, позволяющими быстро осуществлять комбинированный сбор данных при высокой частоте дискретизации. Но с другой стороны, их можно постепенно расширять – и тогда затраты будут поэтапными. К тому же с модульными системами легче работать в ограниченных пространствах, на территориях с неровной поверхностью или при неподходящем буксирующем транспортном средстве, чем с крупными многоканальными многоэлементными антеннами.
В рассматриваемой статье [1] обсуждаются двумерные и трехмерные георадиолокационные исследования с полным (максимально высоким) разрешением (full-resolution survey) с использованием импульсной модульной георадарной системы, указываются требования к позиционированию, приводятся примеры фильтрации собранных данных разными методами для устранения полос шума и помех на горизонтальных (временных) срезах результатов трехмерной съемки и сравнивается их эффективность.
Вердонк и соавторы [1] выполнили пробные георадиолокационные измерения с помощью георадарной системы Spidar производства компании Sensors & Software с антеннами pulseEKKO PRO на 500 МГц при археологических исследованиях на территориях древнеримских городов Мариана (коммуна Луччана, регион Корсика, Франция) и Колония Ульпия Траяна (г. Ксантен, земля Северный Рейн-Вестфалия, Германия). Далее для краткости они называют вторую площадку Ксантеном.
Антенны для обеих съемок закреплялись на колесной раме, буксируемой квадроциклом. Корпус одиночный антенны на 500 МГц имел ширину примерно 0,23 м, расстояние между средними точками антенн составляло 0,25 м (рис. 1). При этом методики съемки на двух указанных территориях различались.
Рис. 1. Расположение трех пар одиночных антенн (закрепленных на раме, буксируемой квадроциклом), использованное при исследовании территории древнеримского города Мариана. Расстояние между средними точками антенн составляет 0,25 м. Призма электронного тахеометра установлена над центром средней антенны как можно ниже, чтобы минимизировать ошибки из-за неровностей рельефа. Датчик пройденного пути запускает георадарное сканирование через каждые 0,05 м [1]
В Мариане авторами работы [1] была проведена трехмерная съемка с полным разрешением с использованием трех пар антенн на 500 МГц на площади 85 м х 35 м в октябре 2010 года. Для определения местоположения использовался отслеживающий тахеометр (система наземного позиционирования).
Поскольку для выполнения 3D-съемки часто используется поперечный шаг между профилями не более четверти длины волны, для съемки в Мариане этот шаг должен был составить 0,05 м, учитывая среднюю подповерхностную скорость распространения радиоволны указанной частоты 0,1 м/нс. В результате поперечное (относительно линии движения при съемке) расстояние между антеннами в 5 раз превысило желаемый шаг между профилями. Поэтому, чтобы получить нужные 0,05 м, использовалась схема записи, показанная на рисунке 2, а: пять последовательных проходов выполнялись со сдвигом в поперечном направлении на 0,05 м, а после них следовали интервалы по 0,55 м.
Рис. 2. Две схемы записи данных для модульной георадарной системы с поперечным расстоянием между средними точками антенн 0,25 м (для наглядности для каждого прохода показана своя отправная точка): a – для 3D-съемки в Мариане, проведенной с помощью трех пар антенн при желаемом расстоянии между соседними профилями 0,05 м (поэтому профили на таком расстоянии приходилось проходить между записанными ранее, то есть пять последовательных проходов выполнялись со сдвигом в поперечном направлении на 0,05 м, а после них следовали интервалы 0,55 м); б – для 2D-съемки с желаемым поперечным шагом между профилями 0,25 м (проходы выполнялись на поперечном расстоянии 0,75 м при использовании трех пар антенн или на расстоянии 1,5 м при использовании шести пар антенн, как в Ксантене (не показано)) [1]
Авторы статьи [1] напоминают, что для несмещенной трехмерной георадиолокационной съемки точность координат и точность записи должны быть лучше 1/8 длины волны, чтобы однозначно привязать каждое георадарное измерение к правильному положению на сетке с ячейками шириной в 1/4 длины волны. Для указанных выше частоты и скорости распространения радиоволны 1/8 ее длины равна 0,025 м. В соответствии с этим должна быть выполнена коррекция с учетом задержки по времени между измерением положения и его объединением с данными георадара и ошибок синхронизации между измерениями расстояния и угла. Кроме того, точность координат подразумевает, что во время съемки должно тщательно отслеживаться расстояние между соседними профилями в 1/4 длины волны. В случае системы с поперечным расстоянием между центрами антенн 0,20 м или больше, как это было использовано для съемок, рассматриваемых в статье [1], ее авторам пришлось пройти профили между ранее записанными, чтобы получить набор трехмерных данных с полным разрешением (см. рис. 2, а). В этом случае было очень важно как можно более точно следовать теоретически выбранным поперечным шагам. Для 3D-съемки в Мариане вдоль рулеток, протянутых поперек будущих профилей через каждые 40 м, с нужным шагом размещались колышки, которые временно удалялись для каждого прохода. Поскольку рельеф местности был относительно ровным, а съемка проводилась очень медленно (квадроцикл двигался со скоростью около 1 м/с, и два человека за 13 часов выполнили 234 прохода длиной по 85 м в одном направлении), можно было сохранять расположение колышков точно по теоретически выбранным линиям сетки и следовать по этим линиям с точностью до 0,03 м.
Рис. 3. Схема обработки георадиолокационных записей, сделанных в Мариане и Ксантене [1]
Этапы обработки результатов съемки в Мариане (см. рис. 3) включали в том числе привязку трасс к горизонтальным координатам системы наземного позиционирования, записанным центральной антенной, над которой была установлена призма электронного тахеометра (см. рис. 1). Поскольку этот тахеометр позволял получать координаты с частотой 5 Гц, данные о местоположении не были доступны для каждой трассы. Поэтому промежуточным трассам были присвоены координаты с помощью сплайн-интерполяции между двумя ближайшими результатами измерений тахеометра. Координаты двух боковых антенн x и y были рассчитаны с учетом направлений от центральной антенны на две ближайшие точки с уже известными координатами (с использованием угла между этими направлениями и теоретическим поперечным направлением, а также известного расстояния между серединами центральной и боковых антенн, равного 0,25 м). Затем эти данные были интерполированы на регулярную сетку с размером ячеек 0,05 м х 0,05 м с использованием триангуляции Делоне, включая линейную интерполяцию между амплитудами в углах окружающего треугольника. После ослабления полос шума и помех, которое обсуждается в следующих разделах, были введены статические поправки по высоте для исключения влияния рельефа. Чтобы получить плоскую поверхность для миграции методом фазового сдвига, к слегка неровной территории съемки была подобрана плоскость таким образом, чтобы минимизировать среднеквадратическую ошибку. Подповерхностная скорость радиоволны оценивалась путем применения 2D-миграции по алгоритму Столта к отдельным георадиолокационным профилям с использованием диапазона постоянных скоростей. Было обнаружено, что скорость уменьшалась с 0,11 м/нс для мелкозалегающих слоев до приблизительно 0,08 м/нс на глубине 1 м. Затем данные, полученные в Мариане, подверглись 3D-миграции методом фазового сдвига с использованием полученной функции скорости, которая также использовалась для преобразования временного разреза в глубинный.
Что касается съемки в Ксантене, то, как напоминают авторы статьи [1], она выполнялась вдоль направляющих тросов без системы наземного позиционирования. При этом для расширения или сужения промежутков между георадиолокационными трассами там, где это было необходимо, использовались координатные метки, чтобы скомпенсировать возможное несовершенство калибровки датчика пройденного пути (см. рис. 3). Для данных из Ксантена не потребовалось никакой топографической коррекции, так как территория съемки была практически плоской. Преобразование временного разреза в глубинный было основано на равномерной скорости радиоволны 0,075 м/нс, определенной с помощью тестов на миграцию с постоянной скоростью с использованием 2D-миграции по алгоритму Столта, что также использовалось для миграции отдельных профилей. Затем данные между 2D-профилями были проинтерполированы с помощью бикубического алгоритма для создания псевдотрехмерных горизонтальных срезов в точках сетки с размером ячеек 0,05 м х 0,05 м.
Вердонк с коллегами [1] столкнулись с тем, что на георадиолокационных профилях из Марианы и Ксантена были видны значительные неинформативные горизонтальные и субгоризонтальные полосы (рис. 4, а). И это не было связано с прямой волной, генерируемой передатчиком, принадлежащим другой паре антенн, поскольку в использованной при съемке системе Spidar только один передатчик может быть активен в заданном временном окне приемника, что устраняет интерференцию. Дело в том, что невозможно создать две антенны с абсолютно идентичными амплитудными и фазовыми спектрами, как бы ни старался производитель. Поэтому на разрезах, записанных с помощью разных антенн, картины шумов и помех всегда немного различаются, что вызывает появление полос вдоль линий съемки на горизонтальных срезах (рис. 5).
Рис. 13. Результаты обработки фрагмента георадиолокационных записей из Ксантена: а – энергетически-временной срез примерно на уровне 27–28 нс после удаления фона путем вычитания среднего по всем трассам; б – тот же самый срез после сингулярной декомпозиции и вычитания первого собственного изображения (здесь также некоторые полезные в археологическом отношении сигналы оказались частично подавленными фильтрацией собственных изображений, например в месте, на которое указывает стрелка)
Для записей из Ксантена авторы работы [1] получили относительно хорошие результаты с помощью фильтра среднего по профилю. Сначала вдоль линий съемки (survey lines) был использован одномерный фильтр низких частот (рис. 14, б), затем в поперечном направлении — одномерный фильтр высоких частот (рис. 14, в). Наконец, изображение, содержащее только шум и помехи (isolated noise), вычиталось из исходной картины (рис. 14, г). Такая фильтрация требовала применения различных коэффициентов и оценки результата, но адекватно отделяла шум и помехи от желаемых характеристик, как показано на рисунке 8, е.
Рис.15. Энергетический срез (на глубине 1,00–1,05 м) результатов всей съемки в Ксантене: a – после удаления фона путем вычитания среднего по всем трассам и 2D-миграции без полосовой фильтрации (стрелка указывает на положение профиля на рисунке 4); б – после полосовой фильтрации в частотной области (как показано на рисунке 14), преобразования во временную область, 2D-миграции и полосовой фильтрации во временной области (с использованием фильтра низких частот с окном 31 х 1 и фильтра высоких частот с окном 1 х 7) – в результате стали лучше видны древнеримские фундаменты под стены (например, № 1–3), а также недавние постройки (№ 4)
Кроме того, горизонтальное разрешение, как и ожидали авторы работы [1], позволила улучшить также плотная трехмерная сетка сбора данных.
На рисунке 16, а (для съемки в Мариане) показан результат моделирования шага между профилями 0,25 м путем уменьшения частоты дискретизации (decimation) данных, изначально полученных с полным разрешением (после f-k-фильтрации, как на рисунке 6, г). После этого были выполнены 2D-миграция и интерполяция на сетку 0,05 м х 0,05 м.
В отличие от смоделированной картины, изображение с полным разрешением (рис. 16, б) показало более резко очерченные края стен и более четкие дифракционные картины, вызванные отдельными камнями. В частности, по нему было легче интерпретировать особенности, параллельные или почти параллельные направлению профилирования. Например, элемент, на который указывает стрелка на рисунке 16, б, не может быть легко интерпретирован при пониженной частоте дискретизации (см. рис. 16, а), а на изображении с шагом между профилями 0,05 м можно выделить две отдельные параллельные аномалии – и эту картину, по мнению Вердонка с соавторами [1], можно было бы интерпретировать как водовод. Для примера на рисунке 16, в показан обнаруженный при раскопках в Мариане водовод с вертикально поставленными кирпичами на расстоянии около 0,2 м друг от друга в канаве с теми же размерами, что и упомянутая выше георадиолокационная аномалия.
Рис.16. Горизонтальный срез (на глубине 0,66–0,69 м) фрагмента результатов съемки в Мариане: а – cрез с шагом между профилями 0,25 м, смоделированный путем уменьшения частоты дискретизации изначально полученных 3D-данных с полным разрешением при шаге между профилями 0,05 м (см. «б»); б – cрез с полным разрешением при шаге между профилями 0,05 м, который позволяет интерпретировать объект, на который указывает стрелка, как возможный водовод (см. «в»); в – водовод того же размера, что и аномалия на срезе «б», обнаруженный при раскопках в Мариане [1]
Результат всей 3D-съемки, выполненной в Мариане, после удаления полос путем f-k-фильтрации (см. рис. 6, г; 9, г) и 3D-миграции показан на рисунке 17. Видны две параллельные улицы (рис. 17, № 1, 2) с той же ориентацией, что и в остальной части города. Пространство между ними в основном занимает большой дом, состоящий из ряда комнат вокруг внутреннего дворика (рис. 17, № 3). Одну из построек в западной части исследуемой территории можно с равным успехом интерпретировать как дом. Под входом со стороны улицы (№ 5) проходит дренажная или сточная канава. В некоторых местах есть признаки более поздних изменений (например, № 6-8).
Рис. 17. Срез результатов всей съемки в Мариане на приблизительной глубине 0,72–0,75 м после обработки (как показано на рисунке 3), включая удаление полос (см. рис. 9, г) и 3D-миграцию. На этом фрагменте изображен большой римский дом (№ 3) между двумя параллельными улицами (№ 1, 2). В одной из комнат есть пол (№ 4). Из-под входа во второй дом поменьше в сторону улицы выходит дренажная канава (№ 5). В нескольких местах есть признаки структурных изменений (№ 6–8). Некоторые стены имеют немного другую ориентацию (№ 9, 10)
Хотя в Ксантене не проводилась съемка с полным разрешением, полученные авторами работы [1] результаты все-таки добавили археологических знаний по территории исследования. Ее северо-западные, северо-восточные и юго-восточные границы на рисунке 15 примерно совпадают с краями улиц, окружающих квартал 31 в северной части древнеримского города. Этот блок зданий выполнял в основном жилую функцию, и некоторые из границ между прямоугольными участками видны на георадиолокационных изображениях (см. рис. 15, б, № 1-3). Часть границ расположена не под прямым углом к улицам (например, № 1; 3), что является напоминанием о более ранних этапах истории города. Также видны несколько построек 20 века (см. рис. 15, б, № 4).
Многоканальные георадарные системы с большим количеством антенн, расположенных на малых расстояниях друг от друга (в виде многоэлементных антенн, или так называемых антенных решеток), позволяют проводить крупномасштабные съемки с полным разрешением при значительном сокращении времени записи в полевых условиях. Но они являются дорогими и громоздкими.
Модульные системы, состоящие из нескольких пар обычных одноканальных антенн, не могут сравниться с высокопроизводительными многоэлементными антеннами, когда речь идет о комбинации большой скорости сбора данных и высокой частоты дискретизации. Тем не менее, как считают авторы работы [1], модульные системы могут быть привлекательной альтернативой, поскольку их легче использовать в стесненных условиях, на неровной поверхности, при маломощных буксирующих транспортных средствах и к тому же их можно постепенно расширять, а затраты осуществлять поэтапно.
В статье [1] Вердонк и соавторы как раз и представили результаты 2D- и 3D-съемки с высоким разрешением с использованием модульной антенной системы при археологических исследованиях.
При выполнении 3D-съемки поперечное расстояние между средними точками соседних антенн было больше, чем требуемый шаг между профилями, поэтому авторам работы [1] пришлось выполнить дополнительные проходы для получения георадиолокационных записей между ранее полученными профилями. И здесь решающее значение имела точность позиционирования и записи. Оператор при профилировании должен был достаточно точно следовать вдоль теоретически выбранных линий сетки. Для съемок с использованием антенн с более высокой частотой (не менее 500 МГц) все же было сложно удерживать систему, буксируемую транспортным средством, строго на нужной линии сетки, чтобы соблюдался критерий выбранного шага дискретизации в четверть длины волны.
Даже если антенны были тщательно настроены производителем, на горизонтальных срезах профилей, полученных с помощью системы пар одиночных антенн, могут иметься неинформативные полосы от синфазных помех и шума в направлении линий съемки, что и произошло при работе Вердонка и коллег [1]. Они применили при обработке 2D и 3D георадарных записей несколько методов удаления этой «полосчатости», переотражений и «звона». Большинство испытанных фильтров оказалось достаточно эффективным в отношении ослабления или удаления горизонтальных полос, но на временных срезах остались проявления «негоризонтальных остатков» шума и помех с различными амплитудами в разных поперечных сечениях (transects) – остаточные линейные артефакты.
Оптимальное ослабление шума и помех на срезах оказалось возможным в основном при сочетании методов удаления полос с использованием фильтра низких частот в поперечном направлении. В 3D-данных это не вызвало заметного искажения полезной информации, но в 2D-данных это вызвало потерю деталей в археологическом отношении и поэтому не применялось. Для 2D-данных наиболее успешным оказалось использование фильтра среднего по профилю (пространственного двумерного фильтра, сглаживания в окне – mean profile filter), особенно когда изолированные шум и помехи (изображение, содержащее только шум и помехи, – isolated noise) вычитались только из линий, затронутых полосами.
наверх
Поделиться
Поделиться
Скопировать ссылку
Оформить подписку