計算機(jī)論文：基于計算機(jī)雷達(dá)圖像道路地下病害識別技術(shù)研究

計算機(jī)論文：基于計算機(jī)雷達(dá)圖像道路地下病害識別技術(shù)研究計算機(jī)論文：基于計算機(jī)雷達(dá)圖像道路地下病害識別技術(shù)研究全文共1頁，當(dāng)前為第1頁。計算機(jī)論文：基于計算機(jī)雷達(dá)圖像道路地下病害識別技術(shù)研究計算機(jī)論文：基于計算機(jī)雷達(dá)圖像道路地下病害識別技術(shù)研究全文共1頁，當(dāng)前為第1頁。

1引言

據(jù)不完全統(tǒng)計，2014年我國城市道路出現(xiàn)塌陷事故2000余起，全國遭受道路塌陷事故影響的城市超過50個，主要分布于北京、上海、廣東等20余個省區(qū)市。國土資源部、水利部發(fā)布的材料顯示，全國受道路塌陷影響的城區(qū)范圍接近2萬平方公里。道路塌陷事故主要集中在三個區(qū)域，分別是：長江三角洲地區(qū)、珠江三角洲地區(qū)、華北地區(qū)。道路塌陷事故嚴(yán)重威脅了城市的公共安全，破壞了正常的交通秩序。如果能夠提前發(fā)現(xiàn)并進(jìn)行處理，就可以在最大程度上減小道路突然塌陷帶來的損失。目前道路快速檢測有效的手段是通過分析探地雷達(dá)圖像，發(fā)現(xiàn)道路地下病害。

1.1研究的目的與意義

計算機(jī)論文：基于計算機(jī)雷達(dá)圖像道路地下病害識別技術(shù)研究全文共2頁，當(dāng)前為第2頁。 道路是一個城市最重要的基礎(chǔ)設(shè)施，也是人員往來、經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要通道。隨著我國經(jīng)濟(jì)、技術(shù)的快速發(fā)展，城市道路里程不斷增加、交通運(yùn)輸越來越便利。城市規(guī)模的不斷擴(kuò)大，城市人口的不斷增加，使得地面空間已無法滿足人們的需求，地下空間就成為地面空間的有益補(bǔ)充，從各類管線到地下交通網(wǎng)絡(luò)，地下空間的利用也趨于層次化和規(guī)?；Ｔ偌由蠝\層地質(zhì)結(jié)構(gòu)的多樣性和復(fù)雜性，使得城市道路下方夯土隨時都可能會受到自然的和人為的影響。因此，在道路建設(shè)快速發(fā)展的同時，道路養(yǎng)護(hù)工作也開始受到重視。2014年年初，北京市交通委路政局通過城市道路巡查信息管理軟件，設(shè)立道路養(yǎng)護(hù)站點，有效縮短了道路病害修復(fù)時間[1]。探測和修復(fù)道路地下病害是道路養(yǎng)護(hù)的關(guān)鍵問題。通常情況下，地下病害主要有疏松、空洞和富水異常（下面簡稱富水）三類。這些隱患可能導(dǎo)致路面出現(xiàn)唧漿、龜裂等病害，嚴(yán)重的空洞甚至?xí)?dǎo)致路面突然塌陷。2014年9月25日上午，北京黃杉木店路富華家園西南門發(fā)生路面塌陷，半間房屋塌陷掉入坑中，所幸無人員傷亡[2]。傳統(tǒng)的道路養(yǎng)護(hù)與檢測方法主要依靠人力完成，不僅準(zhǔn)確度較差，而且具有明顯的滯后。近些年來，道路塌陷時有發(fā)生，由于養(yǎng)護(hù)與檢測手段落后，致使人民生命財產(chǎn)遭受嚴(yán)重?fù)p失。2012年4月1日，北京市民楊女士途經(jīng)北禮士路物華大廈東側(cè)的便道時，突遇路面塌陷，墜入熱水坑。4月9日，楊女士終因醫(yī)治無效死亡，年僅27歲[3]。因此，道路檢測急需采用先進(jìn)儀器，利用先進(jìn)的地球物理技術(shù)實現(xiàn)準(zhǔn)確的檢測和養(yǎng)護(hù)。盡可能減小不必要的損失。探地雷達(dá)(GroundPenetratingRadar,GPR)是應(yīng)用地球物理科學(xué)的計算機(jī)論文：基于計算機(jī)雷達(dá)圖像道路地下病害識別技術(shù)研究全文共3頁，當(dāng)前為第3頁。重要組成部分。探地雷達(dá)能夠發(fā)射和接收微波段高頻寬帶電磁波。由于電磁波在地下介質(zhì)交界面會發(fā)生反射，通過分析地下介質(zhì)界面反射電磁波的波形特征，就能夠獲取地下目標(biāo)的空間位置，構(gòu)成材質(zhì)等特征信息[4]。

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1.2國內(nèi)外研究狀況和進(jìn)展

探地雷達(dá)的發(fā)展前后經(jīng)歷了100多年，這期間，德國人做出了重要貢獻(xiàn)。探地雷達(dá)的雛形誕生于1904年，德國人Hulsemeyer發(fā)現(xiàn)電磁波能夠探測地面金屬物體[5]。1910年德國人Leimbach和Lwy第一次具體闡明了探地雷達(dá)相關(guān)技術(shù)，并獲得了專利。1926年，德國人Hülsenbeck發(fā)現(xiàn)介電常數(shù)不同的介質(zhì)，會在其交界面產(chǎn)生電磁波反射，他以此提出了運(yùn)用高頻電磁波脈沖探測地下目標(biāo)體的思路[6]。在第二次世界大戰(zhàn)(1939年-1945年)期間，處于軍事目的和戰(zhàn)爭需要，探地雷達(dá)得到了快速發(fā)展和應(yīng)用，淺地層目標(biāo)探測得以實現(xiàn)。1960年越戰(zhàn)時期，麻省理工學(xué)院推出了一種探測淺地層空洞的設(shè)備，用于發(fā)現(xiàn)越南戰(zhàn)場中的地道[7]。同年，CookJ.C用脈沖雷達(dá)在礦井中做了試驗，但是由于地下介質(zhì)比起空氣，具有較強(qiáng)的電磁波衰減特性，加之計算機(jī)論文：基于計算機(jī)雷達(dá)圖像道路地下病害識別技術(shù)研究全文共4頁，當(dāng)前為第4頁。地質(zhì)情況的多樣性，電磁波在地下的傳播要比在空氣中復(fù)雜的多[8]。隨著電子信息技術(shù)的發(fā)展，儀器的信噪比得到了很大提高。探地雷達(dá)應(yīng)用范圍也迅速擴(kuò)大，從早期的冰層、巖鹽礦等弱耗介質(zhì)擴(kuò)展到土層、巖層、煤層等有耗介質(zhì)。上世紀(jì)70年代以后，探地雷達(dá)被應(yīng)用于石灰?guī)r采石場的探測、工程地質(zhì)探測、煤礦井探測等。進(jìn)入上世紀(jì)80年代，隨著民用市場的興起，無載頻脈沖探地雷達(dá)率先進(jìn)入市場，發(fā)達(dá)國家競先研制出民用探地雷達(dá)產(chǎn)品。之后，隨著探地雷達(dá)產(chǎn)品不斷更新?lián)Q代，目前探地雷達(dá)技術(shù)已經(jīng)相對成熟[9]。探地雷達(dá)技術(shù)用于路基路面檢測始于上世紀(jì)80年代。1983年，美國人Benson等人就已經(jīng)開展了公路沉降和塌陷的相關(guān)研究[10]。1984年，Rodeick等人采用探地雷達(dá)進(jìn)行高速公路空洞探測研究[11]。1991年，美國聯(lián)邦公路局在道路工程應(yīng)用中取得了一系列進(jìn)展，成功探測了路基分層的厚度和路面脫空、路基空洞等道路病害。1993年，日本人関口森江(M.Sekiguchi)等將探地雷達(dá)與鉆孔攝像機(jī)結(jié)合起來，開發(fā)了一種道路結(jié)構(gòu)探測系統(tǒng)[12]。1994年，KimRoddis等比較了堪薩斯州11種不同類型道路在探地雷達(dá)數(shù)據(jù)分析上的差異，這些差異主要是由于路基材質(zhì)和設(shè)計結(jié)構(gòu)決定的[13]。1995年，美國勞雷工業(yè)公司與GSSI公司合作，在10個月內(nèi)推出了世界第一套空氣耦合高速路面檢測雷達(dá)系統(tǒng)，并在中國一次試驗成功，如圖1.2所示。

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計算機(jī)論文：基于計算機(jī)雷達(dá)圖像道路地下病害識別技術(shù)研究全文共5頁，當(dāng)前為第5頁。

2探地雷達(dá)技術(shù)及數(shù)據(jù)特征

探地雷達(dá)是目前城市道路地下病害探測的主要手段，具有檢測速度快、精度高的優(yōu)點。本章從電磁場理論入手，導(dǎo)出了電磁波的波動方程。在理論介紹的基礎(chǔ)上，闡述了探地雷達(dá)技術(shù)的原理和現(xiàn)狀，對探地雷達(dá)數(shù)據(jù)的形式、特點和標(biāo)定等問題作了簡要說明。

2.1電磁場理論

1820年，丹麥物理學(xué)家奧斯特首次發(fā)現(xiàn)了電流對磁針的作用，即電流的磁效應(yīng)。1837年，英國物理學(xué)家法拉第首先提出自然界同時存在著電場和磁場，電場和磁場都只能在一定的范圍起作用，將原先難以捉摸的“超距作用”變?yōu)榭梢岳斫夂脱芯康摹皥觥?。?855年開始，英國物理學(xué)家麥克斯韋在研究彈性力學(xué)和結(jié)構(gòu)力學(xué)之余，又對新興的電磁學(xué)感興趣，將自己熟悉的彈性力學(xué)和電磁現(xiàn)象結(jié)合起來，通過三篇論文將電磁場理論用簡潔、對稱、完美數(shù)學(xué)形式表示出來，經(jīng)后人計算機(jī)論文：基于計算機(jī)雷達(dá)圖像道路地下病害識別技術(shù)研究全文共6頁，當(dāng)前為第6頁。整理成為經(jīng)典電動力學(xué)的基礎(chǔ)，這就是麥克斯韋方程組[55]。據(jù)此，他在1865年就預(yù)言了電磁波的存在。1888年，德國物理學(xué)家赫茲在麥克斯韋去世10年之后，終于用實驗驗證了電磁波的存在。經(jīng)典電動力學(xué)認(rèn)為靜電場和靜磁場分別由靜止電荷和恒定電流所產(chǎn)生，它們各自獨(dú)立，分別滿足各自的方程。當(dāng)電荷、電流的分布隨時間變化時，電場和磁場就不再相互獨(dú)立，而是相互激發(fā)、相互影響、形成統(tǒng)一的電磁場。電磁波就產(chǎn)生于這個時變的電磁場。由此可見，以上由麥克斯韋方程組導(dǎo)出的，描述電磁場波動特征的一組微分方程就稱為波動方程。波動方程可以描述自然界中的各種波動現(xiàn)象，包括橫波和縱波，例如聲波、光波和水波等等。波動方程是分析電磁波在各類介質(zhì)中傳播的重要數(shù)學(xué)基礎(chǔ)。

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2.2探地雷達(dá)技術(shù)

探地雷達(dá)（GroundPenetratingRadar）是一種用于地下介質(zhì)結(jié)構(gòu)探測的電磁儀器，它通過發(fā)射天線發(fā)射高頻寬帶（1MHz~10GHz）電磁波，再通過接收天線接受地下介質(zhì)的反射電磁波，最后將反射電磁波通過數(shù)字電路轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號記錄到存儲設(shè)備上。由于探地雷達(dá)具有計算機(jī)論文：基于計算機(jī)雷達(dá)圖像道路地下病害識別技術(shù)研究全文共7頁，當(dāng)前為第7頁。探測精度高，速度快等優(yōu)點，是工程無損探測的一種重要的手段。目前，意大利系統(tǒng)工程公司（IDS）、瑞典MALA公司、加拿大探測器及軟件公司（SSI）和美國地球物理探測設(shè)備公司（GSSI）是探地雷達(dá)的制造商，他們都推出了用于道路檢測的探地雷達(dá)產(chǎn)品，如圖2.1所示。從80年代開始，經(jīng)過三十多年的研究和開發(fā)，國內(nèi)探地雷達(dá)產(chǎn)品已經(jīng)發(fā)展成熟，逐漸形成了自己的體系，從信號采集到數(shù)據(jù)處理，均達(dá)到了世界領(lǐng)先水準(zhǔn)，在國內(nèi)外具有一定知名度。中國礦業(yè)大學(xué)（北京）資源與安全開采國家重點實驗室、長安大學(xué)公路學(xué)院等單位在探地雷達(dá)的理論研究，儀器開發(fā)和應(yīng)用推廣等方面做出了重要貢獻(xiàn)。目前進(jìn)入市場的產(chǎn)品包括中國礦業(yè)大學(xué)（北京）研制的城市道路檢測探地雷達(dá)系統(tǒng)，如圖2.2所示，中國電子科技集團(tuán)公司第二十二研究所（青島）的LTD系列探地雷達(dá)等等。探地雷達(dá)技術(shù)與其他道路無損檢測技術(shù)相比，具有檢測速度快，檢測精度高的優(yōu)點，因此成為城市道路檢測的主要手段。然而，探地雷達(dá)數(shù)據(jù)與其他地球物理探測數(shù)據(jù)一樣，具有解釋難度大、人工解釋經(jīng)驗需求高、解釋周期長的困難，這對探地雷達(dá)道路檢測的應(yīng)用和普及造成了一定困難。本文采用中國礦業(yè)大學(xué)（北京）的探地雷達(dá)儀器，研究其道路地下探測圖像和地下異常識別方面的算法，降低數(shù)據(jù)解釋的難度，縮短解釋的周期。

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計算機(jī)論文：基于計算機(jī)雷達(dá)圖像道路地下病害識別技術(shù)研究全文共8頁，當(dāng)前為第8頁。

3道路病害物理模型設(shè)計與特征測量.........17

3.1物理模型的結(jié)構(gòu)......17

3.2物理模型的設(shè)計......20

3.3物理模型的特征測量......23

3.3.1地下空洞探測........23

3.3.2密實度監(jiān)測....35

3.3.3路面沉降監(jiān)測........39

3.4本章小結(jié)..........42

4城市道路地下異常識別算法.....43

4.1基于希爾伯特邊際譜的地下異常識別算法..........43

4.1.1經(jīng)驗?zāi)B(tài)分解........43

計算機(jī)論文：基于計算機(jī)雷達(dá)圖像道路地下病害識別技術(shù)研究全文共9頁，當(dāng)前為第9頁。

4.1.2希爾伯特譜和邊際譜....45

4.1.3實驗結(jié)果與分析....46

4.2基于核匹配追蹤的地下異常識別算法..........55

4.3本章小結(jié)..........67

5城市道路地下異常度量算法.....69

5.1探地雷達(dá)數(shù)據(jù)預(yù)處理......69

5.1.1探地雷達(dá)數(shù)據(jù)降噪........69

5.1.2探地雷達(dá)數(shù)據(jù)偏移歸位........76

5.1.3探地雷達(dá)數(shù)據(jù)精細(xì)配準(zhǔn)........81

5.1.4探地雷達(dá)數(shù)據(jù)標(biāo)間配準(zhǔn)........96

5.2基于周期探測的地下異常度量算法......99

計算機(jī)論文：基于計算機(jī)雷達(dá)圖像道路地下病害識別技術(shù)研究全文共10頁，當(dāng)前為第10頁。

5.3城市道路地下病害探測應(yīng)用........106

5.4本章小結(jié).........110

5城市道路地下異常度量算法

以往城市道路地下病害解釋只能在一次探測結(jié)果上進(jìn)行，因其結(jié)果經(jīng)常受到周圍環(huán)境的嚴(yán)重干擾，解釋結(jié)果存在誤差。由于危及城市道路安全的地下空洞會隨著時間不斷惡化，需要對城市道路進(jìn)行多次探測。通過比較不同時期探測數(shù)據(jù)的差異，識別城市道路地下病害。為準(zhǔn)確比較不同時期探測數(shù)據(jù)的差異，需要對城市道路地下異常準(zhǔn)確度量，確定城市道路地下異常的位置及范圍。具體說來，首先通過迭代Myriad濾波降噪算法，降低探地雷達(dá)數(shù)據(jù)中的噪聲干擾。接著通過克?；舴蚍e分偏移算法，對探地雷達(dá)探測圖像中的信號進(jìn)行偏移歸位，從而有效提高位置和范圍計算的精度。然后通過探地雷達(dá)圖像精細(xì)配準(zhǔn)算法或標(biāo)間配準(zhǔn)算法，將兩幅圖像的相似區(qū)域完全對應(yīng)到相同位置。最后，選擇適合的滑動窗口，通過相關(guān)性比較探地雷達(dá)數(shù)據(jù)的計算機(jī)論文：基于計算機(jī)雷達(dá)圖像道路地下病害識別技術(shù)研究全文共11頁，當(dāng)前為第11頁。差異，度量地下異常的位置和范圍。

5.1探地雷達(dá)數(shù)據(jù)預(yù)處理

在探地雷達(dá)圖像數(shù)據(jù)的采集過程中，噪聲干擾是難以克服的現(xiàn)象。隨著探測深度的增加，反射信號的噪聲也越來越明顯[77-78]。噪聲干擾按照來源區(qū)分，主要有以下幾類：一、發(fā)射天線和接收天線之間存在耦合波干擾。即使采用了金屬等屏蔽材料，依然不能保證發(fā)射天線的電磁波不會耦合到接收天線上；二、發(fā)射天線與發(fā)射電纜阻抗不匹配。發(fā)射天線與發(fā)射電纜連接時必須考慮阻抗匹配問題，否則會導(dǎo)致能量損耗，形成駐波干擾信號；三、天線發(fā)射信號與天線屏蔽罩之間的振蕩干擾。對于寬頻帶天線而言，屏蔽罩難以保證對所有頻率信號均良好屏蔽，往往會存在天線發(fā)射信號與天線屏蔽罩之間的振蕩干擾；四、天線饋點反射信號干擾。饋點是天線與饋線的連接點，盡管可以采用吸收材料吸收部分反射信號，仍會有部分信號引起駐波干擾；五、發(fā)射脈沖信號的旁瓣干擾。理論上，發(fā)射脈沖信號不存在旁瓣，在現(xiàn)實中不可能只有主瓣信號，這些旁瓣信號也會引起干擾。

計算機(jī)論文：基于計算機(jī)雷達(dá)圖像道路地下病害識別技術(shù)研究全文共12頁，當(dāng)前為第12頁。 ........

結(jié)論

本文以探地雷達(dá)探測圖像為研究對象，重點分析了目前探地雷達(dá)用于城市道路地下病害探測的相關(guān)技術(shù)難點，重點突破探地雷達(dá)圖像解釋難度大、人力解釋經(jīng)驗需求高、解釋周期長的困難。重點圍繞城市道路地下異常識別與度量的目標(biāo)，建立城市道路地下空洞動態(tài)演化模型，研究基于探地雷達(dá)圖像的異常識別、異常度量等關(guān)鍵問題。本文的主要工作可以歸納如下：

一、通過城市道路地下病害物理模型實驗，能夠得到以下結(jié)論：當(dāng)?shù)叵率┕さ葦_動發(fā)生時，一方面由于擾動形成地下空洞，周圍土體由于受到應(yīng)力不均，引起密實度下降，從而引起路面沉降。另一方面，地下形成空洞會導(dǎo)致地下土體與空氣接觸，水分持續(xù)揮發(fā)引起密實度下降，進(jìn)而引起路面沉降。

二、通過城市道路地下異常識別算法研究，能夠得到以下結(jié)論：1、計算機(jī)論文：基于計算機(jī)雷達(dá)圖像道路地下病害識別技術(shù)研究全文共13頁，當(dāng)前為第13頁。由于地下空洞和金屬管線兩種異常均能引起希爾伯特邊際譜的變化，因此基于希爾伯特邊際譜的地下異常識別算法不僅可以用于地下空洞的探測，還可以用于金屬管線的探測?；谙柌剡呺H譜的地下異常識別算法能夠?qū)我坏纳百|(zhì)粉土模型，通過邊際譜的幅值大小估計密實度狀況，進(jìn)而發(fā)現(xiàn)地下異常。在城市道路地下探測的過程中，受到地下管線、構(gòu)筑物等影響，通過上述算法估計的密實度可能存在誤差。2、基于核匹配追蹤的地下異常識別算法。通過小波核函數(shù)的占比估計密實度狀況，從而發(fā)現(xiàn)地下異常。平均密實度的估計結(jié)果不會受到金屬管線的干擾，對探測地下松散和空洞病害具有較好的應(yīng)用前景。

三、通過城市地下異常度量算法研究，能夠得到以下結(jié)論：1、通過迭代Myriad濾波降噪算法，降低探地雷達(dá)數(shù)據(jù)中的噪聲干擾，取得最佳信噪比為28.357dB，與Myriad濾波降噪算法相比信噪比提升了3.5dB。因此，相比于Myriad濾波降噪算法，迭代Myriad濾波降噪算法能夠取得更好的濾波效果。2、通過克希霍夫積分偏移算法，能夠?qū)μ降乩走_(dá)探測圖像中的信號進(jìn)行偏移歸位，當(dāng)參數(shù)為30時，可以達(dá)到最佳的偏移效果。3、通過探地雷達(dá)數(shù)據(jù)精細(xì)配準(zhǔn)算法或標(biāo)間配準(zhǔn)算法，保持?jǐn)?shù)據(jù)的一致性。通過實驗證明，精細(xì)配準(zhǔn)和標(biāo)間配準(zhǔn)在丟道達(dá)到90%的情況下，還原的探地雷達(dá)數(shù)據(jù)與原數(shù)據(jù)的相關(guān)系數(shù)仍然能夠達(dá)到0.9以上。這就能夠部分去除由于數(shù)據(jù)丟道、采集軟件設(shè)置、含水率變化等因素引起的一致性差異。由于配準(zhǔn)通過水計算機(jī)論文：基于計算機(jī)雷達(dá)圖像道路地下病害識別技術(shù)