基于计算机雷达图像道路地下病害识别技术研究

1 引 言据不完全统计，2021年我国城市道路出现塌陷事故2000余起，全国遭受道路塌陷事故影响的城市超过50个，主要分布于北京、上海、广东等20余个省区市。国土资源部、水利部发布的材料显示，全国受道路塌陷影响的城区范围接近2万平方公里。道路塌陷事故主要集中在三个区域，分别是：长江三角洲地区、珠江三角洲地区、华北地区。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。如果能够提前发现并进行处理，就可以在最大程度上减小道路突然塌陷带来的损失。目前道路快速检测有效的手段是通过分析探地雷达图像，发现道路地下病害。1.1 研究的目的与意义道路是一个城市最重要的基础设施，也是人员往来、经济发展的重要通道。随着我国经济、技术的快速发展，城市道路里程不断增加、交通运输越来越便利。城市规模的不断扩大，城市人口的不断增加，使得地面空间已无法满足人们的需求，地下空间就成为地面空间的有益补充，从各类管线到地下交通网络，地下空间的利用也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，使得城市道路下方夯土随时都可能会受到自然的和人为的影响。因此，在道路建设快速发展的同时，道路养护工作也开始受到重视。2021 年年初，北京市交通委路政局通过城市道路巡查信息管理软件，设立道路养护站点，有效缩短了道路病害修复时间[1]。探测和修复道路地下病害是道路养护的关键问题。通常情况下，地下病害主要有疏松、空洞和富水异常（下面简称富水）三类。这些隐患可能导致路面出现唧浆、龟裂等病害，严重的空洞甚至会导致路面突然塌陷。2021 年 9 月 25 日上午，北京黄杉木店路富华家园西南门发生路面塌陷，半间房屋塌陷掉入坑中，所幸无人员伤亡[2]。传统的道路养护与检测方法主要依靠人力完成，不仅准确度较差，而且具有明显的滞后。近些年来，道路塌陷时有发生，由于养护与检测手段落后，致使人民生命财产遭受严重损失。2021 年 4 月 1 日，北京市民杨女士途经北礼士路物华大厦东侧的便道时，突遇路面塌陷，坠入热水坑。4 月 9 日，杨女士终因医治无效死亡，年仅 27 岁[3]。因此，道路检测急需采用先进仪器，利用先进的地球物理技术实现准确的检测和养护。尽可能减小不必要的损失。探地雷达(Ground Perating Radar, GPR)是应用地球物理科学的重要组成部分。探地雷达能够发射和接收微波段高频宽带电磁波。由于电磁波在地下介质交界面会发生反射，通过分析地下介质界面反射电磁波的波形特征，就能够获取地下目标的空间位置，构成材质等特征信息[4]。..........1.2 国内外研究状况和进展探地雷达的发展前后经历了 100 多年，这期间，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 发现电磁波能够探测地面金属物体[5]。1910 年德国人 Leimbach 和 L wy 第一次具体阐明了探地雷达相关技术，并获得了专利。1926 年，德国人 Hülsenbec 发现介电常数不同的介质，会在其交界面产生电磁波反射，他以此提出了运用高频电磁波脉冲探测地下目标体的思路[6]。在第二次世界大战(1939 年-1945 年)期间，处于军事目的和战争需要，探地雷达得到了快速发展和应用，浅地层目标探测得以实现。1960 年越战时期，麻省理工学院推出了一种探测浅地层空洞的设备，用于发现越南战场中的地道[7]。同年，Coo.C 用脉冲雷达在矿井中做了试验，但是由于地下介质比起空气，具有较强的电磁波衰减特性，加之地质情况的多样性，电磁波在地下的传播要比在空气中复杂的多[8]。随着电子信息技术的发展，仪器的信噪比得到了很大提高。探地雷达应用范围也迅速扩大，从早期的冰层、岩盐矿等弱耗介质扩展到土层、岩层、煤层等有耗介质。上世纪 70 年代以后，探地雷达被应用于石灰岩采石场的探测、工程地质探测、煤矿井探测等。进入上世纪 80 年代，随着民用市场的兴起，无载频脉冲探地雷达率先进入市场，发达国家竞先研制出民用探地雷达产品。之后，随着探地雷达产品不断更新换代，目前探地雷达技术已经相对成熟稳重[9]。探地雷达技术用于路基路面检测始于上世纪 80 年代。1983 年，美国人 Benson等人就已经开展了公路沉降和塌陷的相关研究[10]。1984 年，Rodeic 等人采用探地雷达进行高速公路空洞探测研究[11]。1991 年，美国联邦公路局在道路工程应用中取得了一系列进展，成功探测了路基分层的厚度和路面脱空、路基空洞等道路病害。1993 年，日本人関口森江(M. Seiguchi)等将探地雷达与钻孔摄像机结合起来，开发了一种道路结构探测系统[12]。1994 年，im Roddis 等比较了堪萨斯州 11种不同类型道路在探地雷达数据分析上的差异，这些差异主要是由于路基材质和设计结构决定的[13]。1995 年，美国劳雷工业公司与 GSSI 公司合作，在 10 个月内推出了世界第一套空气耦合高速路面检测雷达系统，并在中国一次试验成功，如图 1.2 所示。.........2 探地雷达技术及数据特征探地雷达是目前城市道路地下病害探测的主要手段，具有检测速度快、精度高的优点。本章从电磁场理论入手，导出了电磁波的波动方程。在理论介绍的基础上，阐述了探地雷达技术的原理和现状，对探地雷达数据的形式、特点和标定等问题作了简要说明。2.1 电磁场理论1820 年，丹麦物理学家奥斯特首次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先提出自然界同时存在着电场和磁场，电场和磁场都只能在一定的范围起作用，将原先难以捉摸的超距作用;变为可以理解和研究的场;。从 1855 年开始，英国物理学家麦克斯韦在研究弹性力学和结构力学之余，又对新兴的电磁学感兴趣，将自己熟悉的弹性力学和电磁现象结合起来，通过三篇论文将电磁场理论用简洁、对称、极致数学形式表示出来，经后人整理成为經典电动力学的基础，这就是麦克斯韦方程组[55]。据此，他在 1865 年就预言了电磁波的存在。1888 年，德国物理学家赫兹在麦克斯韦去世 10 年之后，终于用实验验证了电磁波的存在。經典电动力学认为静电场和静磁场分别由静止电荷和恒定电流所产生，它们各自独立，分别满足各自的方程。当电荷、电流的分布随时间变化时，电场和磁场就不再相互独立，而是相互激发、相互影响、形成统一的电磁场。电磁波就产生于这个时变的电磁场。由此可见，以上由麦克斯韦方程组导出的，描述电磁场波动特征的一组微分方程就称为波动方程。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，例如声波、光波和水波等等。波动方程是分析电磁波在各类介质中传播的重要数学基础。........2.2 探地雷达技术探地雷达（Ground Perating Radar）是一种用于地下介质结构探测的电磁仪器，它通过发射天线发射高频宽带（1MHz~10GHz）电磁波，再通过接收天线接受地下介质的反射电磁波，最后将反射电磁波通过数字电路转换成数字信号记录到存储设备上。由于探地雷达具有探测精度高，速度快等优点，是工程无损探测的一种重要的手段。目前，意大利系统工程公司（IDS）、瑞典 MALA 公司、加拿大探测器及软件公司（SSI）和美国地球物理探测设备公司（GSSI）是探地雷达的制造商，他们都推出了用于道路检测的探地雷达产品，如图 2.1 所示。从 80 年代开始，经过三十多年的研究和开发，国内探地雷达产品已经发展成熟稳重，逐渐形成了自己的体系，从信号采集到数据处理，均达到了世界领先水准，在国内外具有一定知名度。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在探地雷达的理论研究，仪器开发和应用推广等方面做出了重要贡献。目前进入市场的产品包括中国矿业大学（北京）研制的城市道路检测探地雷达系统，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 系列探地雷达等等。探地雷达技术与其他道路无损检测技术相比，具有检测速度快，检测精度高的优点，因此成为城市道路检测的主要手段。然而，探地雷达数据与其他地球物理探测数据一样，具有解释难度大、人工解释经验需求高、解释周期长的困难，这对探地雷达道路检测的应用和普及造成了一定困难。本文采用中国矿业大学（北京）的探地雷达仪器，研究其道路地下探测图像和地下异常识别方面的算法，降低数据解释的难度，缩短解释的周期。............3 道路病害物理模型设计与特征测量 .........173.1 物理模型的结构 ...... 173.2 物理模型的设计 ...... 203.3 物理模型的特征测量 ...... 233.3.1 地下空洞探测 ........ 233.3.2 密实度监测 .... 353.3.3 路面沉降监测 ........ 393.4 本章小结 .......... 424 城市道路地下异常识别算法 .....434.1 基于希尔伯特边际谱的地下异常识别算法 .......... 434.1.1 经验模态分解 ........ 434.1.2 希尔伯特谱和边际谱 .... 454.1.3 实验结果与分析 .... 464.2 基于核匹配追踪的地下异常识别算法 .......... 554.3 本章小结 .......... 675 城市道路地下异常度量算法 .....695.1 探地雷达数据预处理 ...... 695.1.1 探地雷达数据降噪 ........ 695.1.2 探地雷达数据偏移归位 ........ 765.1.3 探地雷达数据精细配准 ........ 815.1.4 探地雷达数据标间配准 ........ 965.2 基于周期探测的地下异常度量算法 ...... 995.3 城市道路地下病害探测应用 ........ 1065.4 本章小结 .........1105 城市道路地下异常度量算法以往城市道路地下病害解释只能在一次探测结果上进行，因其结果经常受到周围环境的严重干扰，解释结果存在误差。由于危及城市道路安全的地下空洞会随着时间不断恶化，需要对城市道路进行多次探测。通过比较不同时期探测数据的差异，识别城市道路地下病害。为准确比较不同时期探测数据的差异，需要对城市道路地下异常准确度量，确定城市道路地下异常的位置及范围。具体说来，首先通过迭代 Myriad 滤波降噪算法，降低探地雷达数据中的噪声干扰。接着通过克希霍夫积分偏移算法，对探地雷达探测图像中的信号进行偏移归位，从而有效提高位置和范围计算的精度。然后通过探地雷达图像精细配准算法或标间配准算法，将两幅图像的相似区域完全对应到相同位置。最后，选择适宜的滑动窗口，通过相关性比较探地雷达数据的差异，度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的采集过程中，噪声干扰是难以克服的现象。随着探测深度的增加，反射信号的噪声也越来越明显[77-78]。噪声干扰按照来源区分，主要有以下几类：一、发射天线和接收天线之间存在耦合波干扰。即使采用了金属等屏蔽材料，依然不能保证发射天线的电磁波不会耦合到接收天线上；二、发射天线与发射电缆阻抗不匹配。发射天线与发射电缆连接时必须考虑阻抗匹配问题，否则会导致能量损耗，形成驻波干扰信号；三、天线发射信号与天线屏蔽罩之间的振荡干扰。对于宽频带天线而言，屏蔽罩难以保证对所有频率信号均良好屏蔽，往往会存在天线发射信号与天线屏蔽罩之间的振荡干扰；四、天线馈点反射信号干扰。馈点是天线与馈线的连接点，尽管可以采用吸收材料吸收部分反射信号，仍会有部分信号引起驻波干扰；五、发射脉冲信号的旁瓣干扰。理论上，发射脉冲信号不存在旁瓣，在现实中不可能只有主瓣信号，这些旁瓣信号也会引起干扰。

........结论本文以探地雷达探测图像为研究对象，重点分析了目前探地雷达用于城市道路地下病害探测的相关技术难点，重点突破探地雷达图像解释难度大、人力解释经验需求高、解释周期长的困难。重点围绕城市道路地下异常识别与度量的目标，建立城市道路地下空洞动态演化模型，研究基于探地雷达图像的异常识别、异常度量等关键问题。本文的主要工作可以归纳如下：一、通过城市道路地下病害物理模型实验，能够得到以下结论：当地下施工等扰动发生时，一方面由于扰动形成地下空洞，周围土体由于受到应力不均，引起密实度下降，从而引起路面沉降。另一方面，地下形成空洞会导致地下土体与空气接触，水分持续挥发引起密实度下降，进而引起路面沉降。二、通过城市道路地下异常识别算法研究，能够得到以下结论：1、由于地下空洞和金属管线两种异常均能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探测，还可以用于金属管线的探测。基于希尔伯特边际谱的地下异常识别算法能够对单一的砂质粉土模型，通过边际谱的幅值大小估计密实度状况，进而发现地下异常。在城市道路地下探测的过程中，受到地下管线、构筑物等影响，通过上述算法估计的密实度可能存在误差。2、基于核匹配追踪的地下异常识别算法。通过小波核函数的占比估计密实度状况，从而发现地下异常。平均密实度的估计结果不会受到金属管线的干扰，对探测地下松散和空洞病害具有较好的应用前景。三、通过城市地下异常度量算法研究，能够得到以下结论：1、通过迭代 Myriad 滤波降噪算法，降低探地雷达数据中的噪声干扰，取得最佳信噪比为 28.357dB，与 Myriad 滤波降噪算法相比信噪比提升了 3.5dB。因此，相比于Myriad滤波降噪算法，迭代Myriad滤波降噪算法能够取得更好的滤波效果。2、通过克希霍夫积分偏移算法，能够对探地雷达探测图像中的信号进行偏移归位，当参数为 30 时，可以达到最佳的偏移效果。3、通过探地雷达数据精细配准算法或标间配准算法，保持数据的一致性。通过实验证明，精细配准和标间配准在丢道达到 90%的情况下，还原的探地雷达数据与原数据的相关系数仍然能够达到 0.9 以上。这就能够部分去除由于数据丢道、采集软件设置、含水率变化等因素引起的一致性差异。由于配准通过水平和垂直方向的差值实现，因此减少了对信号特征的破坏。..........参考文献（略）