基于计算机雷达图像道路地下病害识别技术研究

1报价？据不完全统计，2014年，全国共发生城市道路塌陷事故2000余起，全国受道路塌陷事故影响的城市超过50个，主要分布在北京、上海、广东等20多个省区市。根据国土资源部和水利部公布的材料，全国受道路塌陷影响的城市面积接近2万平方公里。道路塌陷事故主要集中在三个地区，分别是:长三角、珠三角、华北。道路塌陷事故严重威胁了城市的公共安全，破坏了正常的交通秩序。如果能提前发现并处理，就能把路面突然塌陷造成的损失降到最低。目前，快速检测道路的有效手段是通过分析探地雷达图像来发现道路的地下病害。？1.1道路研究的目的和意义道路是一个城市最重要的基础设施，也是人员往来和经济发展的重要通道。随着中国经济和科技的快速发展，城市道路里程不断增加，交通越来越便利。随着城市规模的不断扩大和城市人口的不断增加，地面空间已经不能满足人们的需求，地下空间成为地面空间的有益补充。从各种管道到地下交通网络，地下空间的利用趋于层次化和规模化。再加上浅层地质结构的多样性和复杂性，城市道路下的夯土随时可能受到自然和人为的影响。因此，随着道路建设的快速发展，道路养护也开始受到重视。2065438+2004年初，北京市交通委路政局通过城市道路巡查信息管理软件设立道路养护站，有效缩短了道路病害修复时间[1]。道路地下病害的检测和修复是道路养护的关键问题。通常地下病害主要是松散、空洞、异常富水(以下简称富水)。这些隐患可能导致路面出现唧泥、开裂等病害，严重的空洞甚至会导致路面突然塌陷。2014年9月25日上午，北京黄山店路华福嘉园西南门路面塌陷，一半房屋倒塌，掉入坑中。幸运的是，没有人员伤亡[2]。传统的道路养护和检测方法主要依靠人工，不仅准确性差，而且有明显的滞后性。近年来，道路塌陷时有发生，由于养护检测手段落后，人民生命财产遭受严重损失。2012 4月1日，北京市民杨女士途经北礼士路五华大厦东侧便道时，路面突然塌陷，坠入热水坑。4月9日，杨女士因治疗无效去世，年仅27岁[3]。因此，迫切需要在道路检测中使用先进的仪器，利用先进的地球物理技术实现精确的检测和维护。尽量减少不必要的损失。探地雷达是应用地球物理科学的重要组成部分。探地雷达可以发射和接收微波波段的高频宽带电磁波。由于电磁波会在地下介质的界面处反射，通过分析电磁波在地下介质界面处反射的波形特征，可以获得地下目标的空间位置，形成材料等特征信息[4]。..........？1.2国内外研究现状及进展探地雷达的发展经历了100多年，期间德国人做出了重要贡献。探地雷达的雏形诞生于1904年，德国人Hulsemeyer发现电磁波可以探测到地面上的金属物体[5]。1910年，德国人Leimbach和L wy首次阐述了探地雷达的相关技术，并获得了专利。1926年，德国人许尔森贝克发现介电常数不同的介质在其界面上会产生电磁波反射，他提出了利用高频电磁波脉冲探测地下目标的设想[6]。第二次世界大战期间(1939 -1945)，出于军事目的和战争需要，探地雷达得到了迅速发展和应用，实现了浅层地层目标探测。越战期间(1960)，麻省理工学院引进了一种探测浅地层空洞的装置，用于越南战场寻找隧道[7]。同年，CookJ。c用脉冲雷达在矿井里做了一个实验，但是由于井下介质相对于空气具有更强的电磁波衰减特性，加上地质条件的多样性，电磁波在井下的传播要比在空气中复杂得多[8]。随着电子信息技术的发展，仪器的信噪比有了很大的提高。探地雷达的应用范围也迅速扩大，从早期的冰、岩盐矿等弱介质发展到土层、岩层、煤层等有损介质。自20世纪70年代以来，探地雷达已被应用于石灰岩采石场、工程地质和煤矿的探测。上世纪80年代，随着民用市场的兴起，无载波脉冲探地雷达率先进入市场，发达国家竞相率先开发民用探地雷达产品。后来随着GPR产品的不断升级，GPR技术已经比较成熟[9]。探地雷达技术在路基路面检测中的应用始于20世纪80年代。1983年，美国人Benson等人就已经开展了高速公路沉降塌陷的相关研究[10]。在1984中，Rodeick等人利用探地雷达研究了高速公路空洞探测[11]。1991年，美国联邦公路管理局在道路工程应用方面取得一系列进展，成功检测出路基分层厚度、路面脱空、路基空洞等道路病害。1993年，日本M. Sekiguchi等人将探地雷达与钻孔相机相结合，开发出道路结构检测系统[12]。在1994中，Kim Roddis等人比较了堪萨斯州11不同类型道路的探地雷达数据分析的差异，这些差异主要由路基材料和设计结构决定[13]。1995年，美国劳里工业公司与GSSI公司合作，在10个月内推出了世界上第一套空气耦合高速路面检测雷达系统，并在中国测试成功，如图1.2所示。.........？2探地雷达技术和数据特征？探地雷达是目前检测城市道路地下病害的主要方法，具有检测速度快、精度高的优点。在这一章中，电磁波的波动方程是从电磁场理论中推导出来的。在理论介绍的基础上，阐述了探地雷达技术的原理和现状，并简要说明了探地雷达数据的形式、特点和标定。？2.1电磁场理论1820、丹麦物理学家奥斯特首先发现了电流对磁针的作用，即电流的磁效应。1837年，英国物理学家法拉第首次提出自然界既有电场又有磁场，而且两者都只能在一定范围内起作用，把难以捉摸的“超距作用”变成了可以理解和研究的“场”。从1855开始，英国物理学家麦克斯韦除了研究弹性力学和结构力学，还对新兴的电磁学感兴趣。他将自己熟悉的弹性力学与电磁现象相结合，通过三篇论文将电磁场理论以简洁、对称、完美的数学形式表达出来，成为后世经典电动力学的基础。这是麦克斯韦方程组[55]。据此，他预言了1865中电磁波的存在。1888年，德国物理学家赫兹在麦克斯韦去世10年后，终于通过实验验证了电磁波的存在。经典电动力学认为静电场和静磁场分别由静电荷和恒定电流产生，相互独立，满足各自的方程。当电荷和电流的分布随时间变化时，电场和磁场不再相互独立，而是相互刺激、相互影响，形成统一的电磁场。电磁波就是从这种时变电磁场中产生的。可以看出，由麦克斯韦方程组导出的描述电磁场涨落特征的一组微分方程称为波动方程。波动方程可以描述自然界中的各种波动现象，包括横波和纵波，如声波、光波、水波等。波动方程是分析电磁波在各种介质中传播的重要数学基础。........？2.2探地雷达技术(Ground penetrate Radar)是一种用于探测地下介质结构的电磁仪器。它通过发射天线发射高频宽带(1MHz~10GHz)电磁波，然后通过接收天线接收来自地下介质的反射电磁波，最后通过数字电路将反射电磁波转换成数字信号并记录在存储设备上。探地雷达具有探测精度高、速度快等优点，是工程无损检测的重要手段。目前，探地雷达的生产厂商有意大利系统工程公司(IDS)、瑞典马拉公司、加拿大探测器与软件公司(SSI)、美国地球物理勘探设备公司(GSSI)，他们都推出了用于道路探测的探地雷达产品，如图2.1所示。自20世纪80年代以来，经过30多年的研发，国内探地雷达产品已经成熟并逐渐形成自己的体系，从信号采集到数据处理都达到了世界领先水平，在国内外都有一定的知名度。中国矿业大学(北京)资源与安全开采国家重点实验室、长安大学公路学院等单位为探地雷达的理论研究、仪器研制和应用推广做出了重要贡献。目前进入市场的产品有中国矿业大学(北京)研制的城市道路探测探地雷达系统，如图2.2所示，中国电子科技集团公司第二十二研究所(青岛)的LTD系列探地雷达等。与其他道路无损检测技术相比，探地雷达技术具有检测速度快、检测精度高等优点，因此成为城市道路检测的主要手段。但是，探地雷达数据和其他物探检测数据一样，解释难度大，对人工解释经验要求高，解释周期长，给探地雷达道路检测的应用和推广造成了一定的困难。本文利用中国矿业大学(北京)的探地雷达仪器，研究道路地下探测图像和地下异常识别的算法，降低了数据解释的难度，缩短了解释周期。............？3道路病害的物理模型设计和特征测量...173.1物理模型结构...173.2物理模型设计...203.3物理模型的特性测量...233.3.1地下空洞探测...监视...353.3.3路面沉降的监测...393.4本章概述了地下异常识别算法..........424条城市道路...334.1 ..........基于希尔伯特边际谱+0.1经验模态分解。......希尔伯特谱和边际谱+0.2实验结果和分析+0.3...464.2基于核匹配追踪的地下异常识别算法..........554.3本章总结了675条城市道路的地下异常测量算法......................................雷达数据预处理...695.1.1探地雷达数据去噪...695.1.2探地雷达数据偏移和寻的...695.1.3探地雷达数据精配准................................965.2基于周期检测的地下异常测量算法...995.3城市道路地下病害检测的应用...1065.4本章摘要...110?5城市道路地下异常测量算法？以往对城市道路地下病害的判读只能在一个探测结果上进行，因为该结果往往受到周围环境的严重干扰，判读结果存在误差。由于危及城市道路安全的地下空洞会随着时间的推移而恶化，因此需要对城市道路进行多次探测。通过比较不同时期检测数据的差异，识别城市道路地下病害。为了准确比较不同时期检测数据的差异，需要准确测量城市道路地下异常，确定城市道路地下异常的位置和范围。具体来说，首先，通过迭代的Myriad滤波去噪算法降低探地雷达数据中的噪声干扰。然后利用Shikhov积分偏移算法对探地雷达探测图像中的信号进行偏移并返回，有效提高了位置和距离计算的精度。然后，通过GPR图像的精细配准算法或标准间配准算法，将两幅图像的相似区域完全对应于同一位置。最后选择合适的滑动窗口，通过对比比较探地雷达数据的差异，测量地下异常的位置和范围。？5.1探地雷达数据预处理在探地雷达图像数据采集过程中，噪声干扰是不可克服的现象。随着探测深度的增加，反射信号的噪声越来越明显[77-78]。根据来源，噪声干扰主要包括以下几类:1。发射天线和接收天线之间存在耦合波干扰。即使使用金属等屏蔽材料，仍然不能保证发射天线的电磁波不会耦合到接收天线；第二，发射天线和发射电缆的阻抗不匹配。发射天线连接发射电缆时必须考虑阻抗匹配，否则会导致能量损失，形成驻波干扰信号；第三，天线发射的信号与天线屏蔽之间的振荡干扰。对于宽带天线来说，屏蔽体很难保证对所有频率信号的良好屏蔽，发射信号的天线与天线屏蔽体之间往往存在振荡干扰；第四，天线馈电点反射信号干扰。馈电点是天线和馈线之间的连接点。虽然有些反射信号可以被吸波材料吸收，但有些信号还是会造成驻波干扰。第五，发射脉冲信号的旁瓣干扰。理论上，在发射的脉冲信号中没有旁瓣。现实中不可能只有主瓣信号，这些旁瓣信号也会造成干扰。

........？结论？本文以探地雷达探测图像为研究对象，着重分析了目前探地雷达在城市道路地下病害探测中应用的相关技术难点，重点突破了探地雷达图像解译难度大、对人工解译经验要求高、解译周期长等难点。围绕城市道路地下异常识别和测量的目标，建立了城市道路地下空洞动态演化模型，研究了基于探地雷达图像的异常识别和异常测量等关键问题。本文的主要工作可以概括如下:1 .通过城市道路地下病害物理模型实验，可以得到以下结论:地下施工等扰动发生时，一方面由于扰动形成地下空洞，周围土体受力不均，导致密度降低，从而引起路面沉降。另一方面，地下空洞的形成会导致地下土壤与空气接触，水分的不断蒸发会导致密实度降低，进而导致路面沉降。2.通过对城市道路地下异常识别算法的研究，可以得出以下结论:1。由于地下空洞和金属管道都会引起希尔伯特边际谱的变化，因此基于希尔伯特边际谱的地下异常识别算法不仅可以用于地下空洞的检测，也可以用于金属管道的检测。基于希尔伯特边际谱的地下异常识别算法可以通过边际谱的振幅来估计单个砂质粉土模型的密度，进而发现地下异常。在城市道路地下探测过程中，由于地下管线和构筑物的影响，上述算法估计的密度可能存在误差。2.基于核匹配追踪的地下异常识别算法。通过小波核函数的比例来估计密度，从而发现地下异常。平均密度的估计结果不会受到金属管道的干扰，在探测地下疏松和空洞病害方面具有良好的应用前景。3.通过对城市地下异常测量算法的研究，可以得到以下结论:1。通过迭代的Myriad滤波降噪算法，降低了探地雷达数据中的噪声干扰，最佳信噪比为28.357dB，比Myriad滤波降噪算法提高了3.5dB。因此，与Myriad滤波去噪算法相比，迭代Myriad滤波去噪算法可以达到更好的滤波效果。2.通过Shikhov积分偏移算法，可以对探地雷达探测图像中的信号进行偏移，当参数为30时，偏移效果最好。3.通过GPR数据的精细配准算法或标准间配准算法来维护数据一致性。实验表明，通过精细配准和标准间配准，当航迹丢失90%时，恢复的探地雷达数据与原始数据的相关系数仍能达到0.9以上。这可以部分消除由于数据丢失、采集软件设置、含水量变化等因素造成的一致性差异。由于配准是通过水平和垂直方向的差异来实现的，因此减少了对信号特性的损害。参考文献..........(略)