探地雷達圖像的自動目標識別和定位.doc

1、 現(xiàn)代城市測繪國家測繪地理信息局重點實驗室課題申請書 課題名稱： 探地雷達圖像的自動目標識別和定位 申 請 人： 劉旭春 申請人單位： 北京建筑工程學院二一一年 十 月 三十 日填 寫 要 求一、 請按表中要求如實填寫各項；二、 基本信息項中的課題摘要內(nèi)容包括主要研究內(nèi)容、創(chuàng)新點和成果。完成時間填至月，如20*年*月至20*年*月。重點課題需填寫預期發(fā)表SCI收錄文章篇數(shù)，一般課題需填寫預期發(fā)表EI收錄文章篇數(shù)；或與之相當?shù)念A期成果如省部級(含)以上獎勵、發(fā)明專利等。經(jīng)費欄需提供其它資金來源的證明，作為附件附后；三、 課題情況項中主要研究內(nèi)容一般要求1500字左右，國內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢、擬采取的

2、研究方法要求1000字左右, 研究成果必須說明擬發(fā)表文章的數(shù)量以及三大檢索收錄情況、軟硬件或預期的獎勵以及發(fā)明專利等。課題現(xiàn)有工作基礎(chǔ)欄要求提供近5年已發(fā)表的主要文章（含三大檢索情況）、著作及專利、獲獎情況等； 四、 一般課題經(jīng)費額度每年2萬元，重點課題額度每年5萬元；五、 申請書文本中外文名詞第一次出現(xiàn)時，要寫清全稱和縮寫，再出現(xiàn)同一詞時可以使用縮寫；六、 申請書文本采用A4幅面紙，可以自行以同樣幅面紙復制，填寫內(nèi)容需打印填入,對于篇幅不夠的欄目可自行加頁；七、 博士研究生(博士后)申請課題，需征得指導導師 (指導合作導師)的同意，在推薦意見中說明，并說明是否可到實驗室從事研究工作。一、 基

3、本信息課題申請人情況姓 名劉旭春性別男出生年月1969.03學 歷博士職稱/職務(wù)副教授聯(lián)系電真移動電課題申請單位名 稱北京建筑工程學院通訊地址北京市西城區(qū)展覽館路1號郵編100044課題摘要在探地雷達硬件不斷更新發(fā)展的今天，其成果解釋始終處于傳統(tǒng)的物探解釋的束縛之下。目前，利用探地雷達進行探測，基本上都是遵循“看圖識字”的機械解釋模式。本課題以解決開挖式地下管線探測難度大、費用高、耗時長等缺陷為前提,以提高探地雷大自動化識別能力,擴寬其適用范圍為目標，開發(fā)一套基于單發(fā)單收探地雷達在非開挖施工

4、活動中可以自動完成目標識別與定位的軟件系統(tǒng)。通過對關(guān)鍵問題的研究，實現(xiàn)通過系統(tǒng)自動目標識別與定位來直觀地反映地下目標的有無及位置，無需專業(yè)人員對探地雷達數(shù)據(jù)進行解釋。從而推廣地質(zhì)雷達的使用范圍（不限于專業(yè)人員）并且提高探地雷達在非開挖施工領(lǐng)域內(nèi)的應用和推廣。本課題的創(chuàng)新點主要是預計用一年的時間，開發(fā)一套應用軟件系統(tǒng)，通過模糊聚類分析的方法實現(xiàn)自動識別，達到改變傳統(tǒng)的解釋模式，實現(xiàn)自動識別與定位的功能。通過本次課題預發(fā)表EI一篇或國內(nèi)核心期刊二至三篇，探地雷達圖像自動識別與定位軟件系統(tǒng)和課題的研究報告等相關(guān)成果，并培養(yǎng)4名研究生。課題類型01.一般課題 完成時間2012年12月是否同意調(diào)整(時間

5、、經(jīng)費)是經(jīng)費（萬元）擬申請資助3其它資金合 計3簽名所在單位北京建筑工程學院北京建筑工程學院北京建筑工程學院北京建筑工程學院北京建筑工程學院北京建筑工程學院北京建筑工程學院北京建筑工程學院北京建筑工程學院在課題中職分擔的任務(wù)項目總體設(shè)計與把控詳細設(shè)計數(shù)據(jù)采集與數(shù)據(jù)分析模型算法研究模型算法研究數(shù)據(jù)分析整理算法研究、數(shù)據(jù)分析算法研究、數(shù)據(jù)分析文檔編寫、數(shù)據(jù)整理為本課題工作時間（人年）111111111專 業(yè)測繪工程測繪工程測繪工程地圖制圖與地理信息工程地圖制圖與地理信息工程地圖制圖與地理信息工程地圖制圖與地理信息工程地圖制圖與地理信息工程地圖制圖與地理信息工程職務(wù)/職稱副教授講師助教研究生研究生

6、研究生研究生研究生研究生二、課題組主要研究人員情況出生年月1969.031978.121988.101986.121987.101988.091988.081986.101986.11性別男男男男男男男男女姓 名劉旭春邱東煒王祉麟劉津李德龍劉楊馮毅曹士龍楊旭彤序號1234567891預期目標、主要研究內(nèi)容和技術(shù)指標（1500字）預期目標：我們以快速并準確的對探地雷達剖面圖進行目標物的目標識別和定位為課題，基于非開挖工程常用的數(shù)字管線雷達和雷達波譜圖像，深入研究探地雷達的基本原理和工作機制，分析雷達波普圖像與其他圖像的差異，討論探地雷達雜波的幾種去除方法，并實現(xiàn)基于窗口的目標定位方法，用模糊聚類

7、分析的方法實現(xiàn)自動識別，并利用上述方法編程實現(xiàn)自動目標識別與定位，為非開挖施工活動提供準確可靠的詳細地下管線分布資料，保障施工安全。研究內(nèi)容：(1)探地雷達的雷達方程、模糊函數(shù)研究。 基于探地雷達的基本原理，研究探地雷達的三種成像方式和數(shù)學表達式；研究探地雷達的雷達方程、模糊函數(shù)，分析了模糊函數(shù)與探地雷達之間的關(guān)系；研究本課題所要用的探地雷達和相關(guān)性能參數(shù)。(2)探地雷達各種雜波抑制方法研究。 重點研究均值法去背景這種最常用的雜波抑制方法，分析圖像的分割技術(shù)、波技術(shù)以及腐蝕與膨脹技術(shù)。從探地雷達圖像的特點出發(fā)，提出一種基于圖處理技術(shù)抑制探地雷達雜波的方法。(3)圖像提取方法研究。 合成孔徑成像

8、是探地雷達信號處理中一個非常重要的方面，其目的是要提高探地雷達圖像的分辨率，研究地雷達合成孔徑成像時的一個重要參數(shù)波速的估計問題，使用一種基于Hough曲變換的波速估計方法。在各種探地雷達合成孔徑成像方法中，改進一種快速微波全息合成孔徑成像方法。(4)探地雷達自動目標識別與定位方法。擬采用網(wǎng)格的方法進行特征提取，在保證精度的基礎(chǔ)上減少了運算量；提出用模糊聚類分析的方法實現(xiàn)自動識別，在前述所提雜波抑制的基礎(chǔ)上運用并實現(xiàn)了一種有效的特征提取方法和基于模糊聚類分析的自動識別方法，并實現(xiàn)了一種基于窗口劃分的目標定位方法。技術(shù)指標：（1）實用角度出發(fā)，界面友好、操作方便（2）軟件系統(tǒng)樣本數(shù)據(jù)庫包含目前地

9、下埋藏的常見目標物及少量特殊目標物。（3）地下管線雷達自動目標識別與定位系統(tǒng)，實時處理能力達到非開挖施工的要求和精度。（4）在目標物深度在0.01-5.2 m時，識別精度達到90 %，誤差小于2 % 。（5）軟件系統(tǒng)識別目標和定位的時間少于20秒。三、課題情況2國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢（1000字） 國外探底雷達技術(shù)最早可追溯到二十世紀初，西方國家以專利形式提出將雷達原理用于探地，正式提出了探地雷達的概念。但是直到50年代后期探地雷達技術(shù)才被慢慢重視起來。探地雷達在礦井、冰層厚度、地下粘土屬性、地下水位等方面的得到了應用。1967年，一個與Stern最初用于冰川探測的儀器類似的系統(tǒng)被設(shè)計研制出來，

10、1972年，Rex Morcy和Art Drake開創(chuàng)了GSSI公司，主要從事商業(yè)探底雷達的銷售。隨著電子技術(shù)的發(fā)展，電子存儲設(shè)備的問世，加之現(xiàn)代數(shù)據(jù)處理技術(shù)的應用，特別是擬反射地震處理的應用，探底雷達的應用領(lǐng)域迅速擴大，其中有：石灰?guī)r地區(qū)采石場的探測、淡水和沙漠地區(qū)的探測、工程地質(zhì)探測、煤礦井探測、泥灰調(diào)查、放射性廢棄物處理調(diào)查、埋設(shè)物探測、水文地質(zhì)調(diào)查、地基和道路下空洞及裂縫調(diào)查、水壩的缺陷檢測、隧道及堤壩探測等。 自70年代以來，許多商業(yè)化的通用數(shù)字探地雷達系統(tǒng)先后問世，其中有代表性的有：美國GSSI公司的SIR和MK系列，加拿大Sensor&Software公司的Pulse Ekko系

11、列。這些雷達的基本原理大同小異主要功能有多通道采集、多維顯示、實時處理、變頻天線、多次疊加、多波形處理等，另外還有井中雷達系統(tǒng)，多態(tài)雷達系統(tǒng)，層析成像雷達系統(tǒng)等。 國內(nèi)探地雷達的研究始于70年代初。當時，地礦部物探所，科研院，以及一些高校和其他研究部門均做過這方面的實驗，但由于一些原因，這些研究未能正式用于實際工作。90年代以來，由于大量國外儀器的引進，探地雷達技術(shù)得到了廣泛的應用和研究。1988 年我國航天部二院203 所研制出2cm頻域干涉儀探測系統(tǒng)，對直徑480mm 的玻璃鋼殼體發(fā)動機進行檢查，殼檢出最小直徑為45mm 、相鄰距離40mm 以上的缺陷；1990 年機電部海材料研究所白寶泉

12、等研制出96 HZ 檢測裝置，采用楔形介質(zhì)天線，實現(xiàn)近場檢測，可檢出直徑2mm的球孔，橫向分辨率為2.5mm ; 1990 年能源部蘇州熱工研究所運用微波散射法檢測金屬表面裂紋，當裂縫深度在0.01 一6.3 時，測量誤差小于2 。 20 世紀90 年代，我國亦開始了地質(zhì)雷達（或稱探地雷達）的應用研究。上海同濟大學采用地質(zhì)雷達探測地下管線、舊建筑混凝土樁、古河道、暗河等，取得良好效果；交通部門引進了多臺SIR 一10H 地質(zhì)雷達儀，用于公路路面檢測，90 年代國內(nèi)多家單位從日本JRC 公司引進了JEJ 一60BF 雷達儀，用于探測鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部鋼筋和缺陷的分布。進入21世紀以來，在礦產(chǎn)，考

13、古、地質(zhì)探測、水文、農(nóng)業(yè)、林業(yè)、環(huán)境工程、土木工程以及刑事勘察等領(lǐng)域，地質(zhì)雷達的應用更加廣泛。隨著探地雷達應用研究熱潮的到來，探地雷達的應用逐步深入到城市工程等關(guān)鍵領(lǐng)域。非開挖施工技術(shù)的發(fā)展已經(jīng)較為成熟，無論施工設(shè)計還是施工技術(shù)控制均已達到相當高的水準。非開挖施工活動中，轉(zhuǎn)頭在地下施工路線的選取與設(shè)計至關(guān)重要，這就涉及到地下障礙物的準確定位與目標識別。利用探地雷達可以獲得反映地下管線的GPR成像剖面，另外實現(xiàn)剖面圖的自動目標識別和定位，可為非開挖施工活動提供準確可靠的地下管線分布資料。探地雷達探測方法已在非開挖施工活動中得到了認可，大量的工程實踐亦證明了該方法的可操作性?？傮w上看，在該技術(shù)領(lǐng)域

14、，我國目前尚缺乏國家層面的組織和規(guī)劃，科研投入非常有限，技術(shù)儲備不夠，在多個領(lǐng)域國產(chǎn)設(shè)備處于空白狀態(tài)。而且無論是國外設(shè)備還是國內(nèi)設(shè)備，都沒有提供圖像分析和識別功能，實現(xiàn)這些功能就成為本課題的難點和目標。在實際工作中，我們僅依靠單發(fā)單收探地雷達的返回雷達波圖像人工判別，難以快速準確地對目標物進行自動判別和定位。如果判別和定位錯誤，將會對人民的生命和財產(chǎn)安全造成不可估量的損失?，F(xiàn)有的自動識別和定位軟件對目標進行自動識別和定位的準確度不高，所以本課題的研究具有相當重要的社會和經(jīng)濟效益。3擬解決的技術(shù)難點和主要創(chuàng)新點 本課題的技術(shù)難點是包括雷達圖像的預處理，探地雷達雜波嚴重影響了探地雷達的探測性能，使

15、得對地下目標的探測變得非常困難，對于非金屬目標等埋地目標尤其如此。因此預處理是首個難點；各種樣本庫的采集與學習，本地樣本數(shù)據(jù)庫的建立的好壞，是實現(xiàn)目標識別的關(guān)鍵技術(shù)；雷達剖面圖像特征的提取，只有提高雷達數(shù)據(jù)的分辨率，使圖像更接近目標的真實尺寸與實際位置才能快速的實現(xiàn)雷達目標自動識別與定位方法。因此雷達剖面圖像特征的提取是主要的難點。 本課題的主要創(chuàng)新點是基于圖像處理技術(shù)抑制探地雷達剖面圖的雜波噪聲，利用網(wǎng)格的方式進行特征提取，用模糊聚類分析的方法實現(xiàn)自動識別。4課題擬采取的研究方法（或技術(shù)路線、實施方案）及其可行性分析（1000字）本課題擬采取的研究方法是：綜合應用大地測量、控制測量等測繪學科

16、、高等數(shù)學、統(tǒng)計學理論、計算機模式識別等多學科交叉和多技術(shù)方法集成，理論分析和實例驗證，并結(jié)合算法設(shè)計、過程優(yōu)化、試驗分析和精度評價綜合，通過顧及不同目標物，不同環(huán)境類型條件下的模型設(shè)計，并對方法中涉及到的關(guān)鍵理論和技術(shù)問題進行系統(tǒng)分析研究，進而建立雷達自動目標識別與定位系統(tǒng)以及評估系統(tǒng)誤差對非開挖施工活動乃至地質(zhì)探測、水文、農(nóng)業(yè)、林業(yè)、環(huán)境工程、土木工程以及刑事勘察的影響程度，為各行業(yè)、部門的不同需求提供系統(tǒng)合理的理論依據(jù)與科學客觀的系統(tǒng)支持。綜合主要研究內(nèi)容，本課題的研究技術(shù)路線是： 圖1 本課題的研究路線圖研究方案可行性分析（1）研究基礎(chǔ)首先，研究團隊已經(jīng)掌握了一般探地雷達的使用方法，擁

17、有了一系列的數(shù)據(jù)后處理軟件。在一般工程中，我們已經(jīng)得到了大量的雷達波譜圖像，同時積累了許多豐富而直觀的目標樣本庫，為自動識別提供了前期物質(zhì)支撐，同時學院的重點實驗室具有高精度的儀器設(shè)備，為本課題的順利開展提供了可靠的基礎(chǔ)。其次，顧及探地雷達技術(shù)的發(fā)展和日趨成熟，雷達波譜圖像處理與解譯也成為當今探地雷達應用領(lǐng)域的熱點與難點并且已得到越來越多的學者的關(guān)注，在理論、方法和應用方面都取得了一定進展，特別是在不同目標體和復雜環(huán)境下，采用不同的方法理論來實現(xiàn)雷達數(shù)據(jù)的處理和解釋方面取得了較多有參考意義的研究成果，相關(guān)領(lǐng)域應用成功的實驗也為本課題提供了借鑒。第三，探地雷達圖像數(shù)據(jù)處理和解譯的發(fā)展和巨大的應用

18、潛力要求有新理論新方法的研究，目前在數(shù)據(jù)處理、參考模型、識別方法等方面都有較好基礎(chǔ)。本研究重點針對傳統(tǒng)方法中不能快速并準確的在探地雷達波譜圖像中進行目標識別和定位等初步開展研究，現(xiàn)有的理論基礎(chǔ)和技術(shù)儲備為項目提供了有力支持?？傮w而言，快速并準確的對目標進行判別和定位具有明顯的優(yōu)勢和廣泛的前景；本課題的研究內(nèi)容、目標和技術(shù)方案正是建立系統(tǒng)分析研究國內(nèi)外研究成果的基礎(chǔ)上，具有較強的可行性。（2）研究隊伍 研究隊伍中有具有非常豐富專業(yè)知識的副教授和有著充沛活力和創(chuàng)新精神的研究生組成，組織結(jié)構(gòu)良好，為課題的順利開展奠定基礎(chǔ)。項目申請者和主要參加者以年輕人為主，申請者具有良好的帶隊經(jīng)驗，在國家級重大項目

19、中擔任組織者或骨干力量，取得了較好的成績。在人員上由技術(shù)能手擔負項目負責人把握項目方向，由博士擔任中間力量攻克項目難題，由一批富有朝氣的研究生承擔數(shù)據(jù)處理以分析。整個對科研氛圍濃厚，為本課題的順利開展提供了有力的人員保障。（3）研究條件 本課題研究依托我?！艾F(xiàn)代城市測繪國家測繪地理信息局重點實驗室” 、“北京建筑工程學院測繪與城市空間信息學院”和“北京建筑工程學院空間定位研究所”。實驗室具備項目研究可用到豐富的數(shù)據(jù)，以及先進的實驗器材和計算機設(shè)備，可保障實驗的開展。 因此，本課題研究目標圍繞在實際工程中無法根據(jù)雷達波譜圖像快速準確地對地下目標進行識別和定位及各行業(yè)對數(shù)據(jù)的應用需求發(fā)展趨勢，基于

20、前人研究成果，針對其中的關(guān)鍵問題在研究隊伍的合作努力以及充分的實驗環(huán)境下，研究方案具有較強的可行性，能夠達到預期的研究目標。5預期研究成果預發(fā)表EI一篇，或國內(nèi)核心期刊二至三篇。探地雷達圖像處理，自動目標識別和定位的軟件。探地雷達目標識別和定位的研究報告。培養(yǎng)研究生4人6課題現(xiàn)有工作基礎(chǔ)與支撐條件工作基礎(chǔ)：經(jīng)過多年的建設(shè)與上級的大力支持，北京建筑工程學院及課題成員在實驗室建設(shè)方面已具備了較好的實驗環(huán)境和軟硬件條件。同時本項目以現(xiàn)代城市測繪國家測繪局重點實驗室為依托，該實驗室匯集北京建筑工程學院測繪科學與技術(shù)學科力量，結(jié)合建設(shè)綜合勘察研究設(shè)計院有限公司建設(shè)行業(yè)優(yōu)勢和城市管理服務(wù)優(yōu)勢，同時具有先進

21、的探地雷達、高精度的全站儀和GPS定位儀等精密儀器，為本項目的提供了堅實的條件基礎(chǔ)。同時在項目的研究方面，項目申請人擔任了大量的項目的組織者，積累了豐富的科研攻關(guān)實力和帶隊能力，為本課題的順利開展提供了很好的人員基礎(chǔ)。申請人簡介：（1）簡介：劉旭春，男，副教授，測繪工程系。1991年大學畢業(yè)，2006年獲取博士學位；1991-1993 黑龍江測繪局；1993-2003 東北林業(yè)大學；2003-至今 北京建筑工程學院。研究方向：精密工程測量、GPS數(shù)據(jù)處理與應用。科研情況：主持教委項目一項，博士基金一項，橫向工程項目十余項，發(fā)表在核心期刊的論文十余篇，其中有三篇為EI檢索收錄（2）近年發(fā)表論文：

22、1 高精度GPS系統(tǒng)硬件延遲解算方法研究 J劉旭春，易武，張正祿，楊軍宇航學報，2007,28(2)2利用GPS對太陽耀斑進行監(jiān)測及預報的方法研究J劉旭春，易武，李維功，楊軍武漢大學學報（信息科學版），2008，33(5).3GPS三頻數(shù)據(jù)在周跳和粗差探測與修復中的應用J劉旭春，伍岳，張正祿，孟泱.煤炭學報，2006，,31(5)4三維激光掃描技術(shù)在古建筑保護中的應用J劉旭春，丁延輝.測繪工程，2006,15(1)5高水準數(shù)字水準儀在沉降監(jiān)測中的應用J劉旭春.測繪通報，2006,(1)6GPS反演大氣綜合水汽含量的影響因素分析J劉旭春，張正祿，張鵬，楊軍.測繪科學，2007,32(2)7利用G

23、PS技術(shù)遙感哈爾濱地區(qū)大氣降水量的分析J.劉旭春，王艷秋，張正祿.測繪通報，2006，(4)8基于GPS技術(shù)的大氣可降水反演方法J.王艷秋，劉旭春，潘華盛.氣象科技，2007，35(3)9利用GPS監(jiān)測兩起太陽耀斑事件的結(jié)果分析J.劉旭春，張正祿，楊軍.測繪科學，2007，35(5)10GPS遙感大氣綜合水汽含量局部區(qū)域模型與通用模型結(jié)果的比較分析J.劉旭春，張正祿，楊軍.測繪科學.2006,31(6)11云陽寶塔滑坡監(jiān)測的變形模式識別與分析J.劉旭春，張正祿.測繪科學，2006,31(1)12城市部件調(diào)查方法探討C.劉旭春.第三屆中國國際數(shù)字城市建設(shè)技術(shù)研討會，200713單基站GPS遙感水汽含量范圍的確定及結(jié)果分析J.劉旭春，張正祿.北京測繪，2006，（3）14地基GPS遙感大氣水汽含量的原理及應用C.劉旭春，張正祿.中國測繪學會九屆二次全體理事會議暨2006年學術(shù)年會，200615哈爾濱地區(qū)單站GPS水汽反演結(jié)果的可靠性