一種復墾土地淺埋地埋管深度的提取方法
【專利摘要】本發明公開了一種復墾土地淺埋地埋管深度的提取方法，包括：垂直于地埋管分布方向布設探地雷達測線，采用高頻探地雷達天線進行探測，獲取研究區域的原始雷達圖像；建立基于方差統計學的方法，提取地埋管在雷達圖像上的目標區域；計算相鄰回波信號的相似程度和相關系數，提取管線目標的反射特征曲線的特征點；利用Levenberg?Marquardt算法，進行特征點的曲線擬合，獲取反射特征曲線的頂點；在此基礎上，結合地埋管管徑，通過最小二乘算法，獲取電磁波傳播速度，最終可較為準確計算出地埋管的深度。該方法采用基于探地雷達的無損探測技術，可為我國土地復墾、土地整理工程的驗收提供一種新方法。
【專利說明】
-種復星±地巧埋地埋管深度的提取方法
技術領域
[0001] 本發明設及工程質量的監測技術領域，特別設及±地復星與開發整理工程中的淺 埋地埋管深度的提取方法。
【背景技術】
[0002] 在我國，煤炭行業占一次性能源消耗的比例接近70 %，有關專家預測，到2050年， 運個比例仍可能會達到50%左右，然而，煤炭資源在為我國國民經濟的發展提供動力的同 時，也造成了大量的受損±地，特別是中東部的高潛水位地區，運種現象更加明顯，耕地變 成常年、季節性的水域，徹底喪失耕作能力。而且，近些年，隨著城鎮化進程的快速推進，± 地作為一種稀缺的戰略資源，用地指標的缺乏，嚴重制約了城市的發展。
[0003] 2008年10月份發布的《中共中央關于推進農村改革發展若干重大問題的決定》中， 提出了±地開發整理的模式與體系，明確了±地整理為重點，±地復星為輔助的發展思路。 廢棄廠礦和空屯、村的整理、農村±地集約利用，高標準農田的建立等工作大力開展。地埋管 作為運些工程的重要組成部分，其質量檢測工作量極大，快速有效的現場檢測手段仍比較 欠缺。
[0004] 其中，地埋管深度是保證使用壽命的決定指標之一，其值必須大于農作物主根系 和翻耕深度。典型區段的開挖工效很低，且只能進行小規模作業，并對整理工程在小范圍的 程度上有一定的破壞，可操作性比較小。因此，尋求一種快速、有效、無擾動的監測技術顯得 尤為重要。
[0005] 探地雷達技術簡稱GPR(GrC)Und penetrating radar)，W微波信號為載體，通過天 線發射，接收所探測物體的回波信號，它是一種無損探測地下目標特征的地球物理方法，有 別于遙感技術和傳統取樣的方法，其尺度位于二者之間，具有連續性、大面積的探測能力 (何雪洲，2002)。已應用于±壤鹽分與水分化Uisman J A，2002;崔凡，2015)、±壤分層(彭 亮，2007;趙艷玲，2009;徐獻磊，2013)、道路病害監測(黃玲，2006)等多個領域，利用探地雷 達進行±地復星工程質量監測成為今年的研究熱點（胡振琪，2009;王新靜，2013)。
[0006] 由于開發整理的±壤中目標物體上部介質的不均勻性及復雜性，實際的目標體回 波信號并不理想，且GH?雷達回波中一般會有較多的相干性干擾及噪聲，因此，在實際應用 過程中會增加探地雷達探測及解釋工作的復雜性，淺埋地埋管深度的提取應解決如下難 題：1)地埋管在雷達圖像中ROKregion Of interest)區域提取:多種因素的干擾與雜波噪 聲得影響造成了 GH?圖像中ROI區域提取及自動目標檢測異常困難，而且由于雷達探測的區 域一般較大，當獲取的數據量很大時，人工判讀方法的弊端就顯現出來。而且獲取的目標區 域質量也會因為經驗的不同而發生很大的差異，需利用計算機來判斷與選取目標區域。
[0007] 2)電磁波在管線上覆±體中的傳播速度:±壤屬于復雜的=相混合體，電磁波在 ±壤中的傳播速度與±壤的介電常數W及電導率休戚相關，在不同含水量的情況，±壤的 介電常數和電導率存在很大差異，電磁波在±壤中的傳播會有不同程度的延遲，不同時段 同一區域±壤含水量情況會有變化，如何準確估算電磁波的傳播速度也是需要解決主要難 題。
【發明內容】
[0008] 有鑒于此，本發明的目的在于，提出一種復星±地淺埋地埋管深度的提取方法，W 探地雷達為載體，無損探測技術為手段，獲取淺埋地埋管的深度信息。
[0009] 為實現上述發明目的，本發明采用W下技術方案： 一種復星±地淺埋地埋管深度的提取方法，包括W下步驟： (1) 布設觀測基準線，進行探地雷達探測:在數據采集之前布設全面覆蓋地埋管分布范 圍的探地雷達探測基準線，探地雷達天線沿測線方向進行探測工作； (2) 提取地埋管在雷達圖像上的目標區域:對所采集的原始雷達圖像進行預處理;在此 基礎上，建立基于方差統計學的方法，依次計算單個采樣道S北勺能量協方差e神日時間層ti的 能量方差61，分別表示雷達回波信號能量在圖像橫向和縱向的變化情況，綜合ei、ej的幅值 確定地埋管在雷達圖像上的目標區域； (3) 提取管線特征曲線的特征點:在確定的目標區域內，W區域內某采樣道的回波信號 作為參考向量，依次計算各采樣道信號與參考向量之間的相似程度，獲取有限時間域上最 大相關系數，并對運些采樣點進行重采樣，從而提取出管線目標反射特征曲線的特征點集 合 N(Si,ti); (4) 特征點曲線擬合：建立管線目標反射特征曲線的函數表達式，利用Levenberg- Ma巧uardt算法進行特征點N(Si，ti)的曲線擬合，通過多次迭代運算，初次獲取管線目標反 射特征曲線的頂點坐標(so，to);在此基礎上，利用擬合系數、調整后的均方差W及擬合特征 曲線分布情況，將偏移擬合曲線較大的特征點進行刪除，形成進一步優化的特征點集合i 和頂點坐標ITg，?: (5) 地埋管深度計算:根據道間距將i轉化為平面坐標，結合埋設管線的管徑，通過最 小二乘原理計算電磁波在管線上覆±壤中的平均傳播速度V，根據公
計算地 埋管的深度。
[0010] 優選地，所述探地雷達采用高頻、甚高頻的接收一體的天線，天線頻率在400M^- IG化之間。
[0011] 優選地，所述探測基準線由多條平行的測線組成，呈條帶狀。
[0012] 優選地，探測基準線由3至5條測線組成，測線盡量垂直于管線的分布方向。
[0013] 優選地，探地雷達天線緊貼地面，沿測線方向勻速前行。
[0014] 優選地，每條測線包含至少3次的重復觀測。
[0015] 優選地，雷達圖像的預處理包含零線標定、零線校正、漂移去除、背景去噪、濾波處 理W及時窗增益步驟。
[0016] 優選地，使用加性白噪聲模型表述雷達回波信號，用矩陣胃描述雷達回波信號， 其中i，j分別表示雷達圖像的采樣道次和采樣點號。
[0017] 優選地，在雷達圖像中，管線目標反射特征曲線為雙曲線，在確定的目標區域內， W區域內能量協方差值最大的采樣道的回波信號作為參考向量。
[0018] 優選地，電磁波傳播速度估算是基于管徑已知的前提下，通過曲線擬合求取最優 值;通過電磁波波速和電磁波到達管線目標正上方時的時間計算管線深度。
[0019] 本發明與現有技術相比，具有W下明顯優點： 本發明的復星±地淺埋地埋管深度的提取方法，采用基于探地雷達的無損探測技術， W探地雷達為載體，從方便統計的角度分析與檢測感性區域，使用加性白噪聲模型對雷達 回波信號進行表述，通過最小二乘原理，計算電磁波在管線上覆±壤中的平均傳播速度V， 進而準確計算淺埋地埋管的深度信息。該方法，可為我國±地復星、±地整理工程的驗收提 供一種新方法。
【附圖說明】
[0020] 圖1為本發明中探地雷達基準線布設示意圖； 圖2為本發明中管線目標感性區域提取效果圖； 圖3是本發明中雷達圖像坐標與平面坐標轉化示意圖。
【具體實施方式】
[0021] 下面W本發明所述方法在某±地復星工程地下管線檢測的實際應用為例，對本發 明進行詳細說明。本發明所述方法包括W下步驟： 第一步:布設觀測基準線，進行探地雷達探測。
[0022] 探地雷達在數據采集之前，布設探地雷達探測基準線，所述探測基準線由多條平 行的測線組成，呈條帶狀，基準線應全面覆蓋地埋管分布范圍；探地雷達天線沿測線方向進 行探測工作。
[0023] 在本例中，先根據地下管線分布圖，利用RTK(Real Time Kinematic)等測量技術 標定出地下管線對應的地面位置，然后布設探測基準線，由3-5條測線組成，間隔在2-lOm不 等。如圖1所示，其中1為探地雷達測線，2為管線分布走向線，二者近乎垂直，天線緊貼地面， 沿測線方向勻速前行;每條測線應包含至少3次的重復觀測。
[0024] 同時，使用比如全站儀/GNSS接收機測定測線兩端點的平面坐標，并且，重復測的 平面坐標的較差應小于20cm。
[0025] 第二步:提取地埋管在雷達圖像上的目標區域。
[0026] 在進行數據采集之前，首先要進行探地雷達天線的選型。具體地，由于±地整理工 程中地埋管均為淺埋，通常的施工都在地表往下Im范圍之內，對于探地雷達來說屬于淺層 探測。考慮，探地雷達天線的空間分辨率隨頻率減小而減小，而探測深度隨頻率的減小而增 大，綜合二者，選用高頻、甚高頻的探地雷達天線更能夠滿足精細探測的要求。為對比起見， 故本實例選用GR-虹400MHz和750MHz的天線同時進行。
[0027] 在數據采集過程中，對雷達主機的進行參數設置。優選地，單道采樣點數512個，疊 加次數1-5次，采樣時窗25ns-40ns。
[0028] 對所采集的原始雷達圖像進行預處理，雷達圖像的預處理包含零線標定、零線校 正、漂移去除、背景去噪、濾波處理W及時窗增益等步驟。由于雷達圖像中的噪聲不完全服 從正態分布，從方便統計的角度分析與檢測感性區域，本例使用加性白噪聲模型對雷達回 波信號進行表述，將雷達圖像W矩陣形式表達《I在此基礎上，建立基于方差統計學的方 法，依次計算單個采樣道Sj的能量協方差e神日時間層ti的能量方差ei，e神日ei分別表示雷達 回波信號能量在圖像橫向和縱向的變化情況，綜合ei、e北勺幅值確定地埋管在雷達圖像上的 目標區域； 如圖2所示，其中3為各采樣道回波信號能量的協方差分布曲線，4為管線目標所在的分 界線，從上面可W判斷出管線目標在雷達圖像中的感性區域。
[0029] 第立步:提取管線特征曲線的特征點。
[0030] 在雷達圖像中，管線目標的反射特征曲線為雙曲線，參考信號應選擇雙曲線頂點 附近的采樣道的回波信號，時間域的大小應在目標區域的范圍之內。
[0031] 在確定的目標區域內，W區域內能量協方差值最大的采樣道的回波信號作為參考 信號，依次計算各采樣道信號與參考向量之間的相似程度，提取出有限時間域上回波信號 的最大相關系數參數，并對運些采樣點進行重采樣，從而提取出管線特征曲線的特征點集 合N(Si，ti)，W矩陣的形式表示。
[0032] 第四步:特征點曲線擬合。
[0033] 由于管線目標的反射特征曲線符合雙曲線的特征，可W建立雙程走時與采樣道之 間的函數關系式，其中R為管徑，單位為cm; V為電磁波速，單位為cm/ns.
在此基礎，利用Levenberg-Marquardt算法，對兩組317個特征點N( Si，ti)的分別進行 曲線擬合，通過多次迭代運算，獲取雙曲線的頂點坐標(s〇，t〇);在此基礎上，進一步形成優 化的特征點集合愛和頂點坐標(?,?.其中管線1頂點坐標）
[0034] 特征點集合和頂點坐標的優化過程應基于初次擬合的基礎上，利用擬合系數、調 整后的均方差W及擬合特征曲線分布情況，將偏移擬合曲線較大的特征點進行刪除。
[0(X3日]第五步:地面管深度計算。
[0036] 利用測線兩端點的坐標，W兩點之間的連線作為新建坐標系的X軸，W垂直于該連 線方向作為y軸，據此，可考慮特征點在y方向的變化。如圖3所示，5為空間直角坐標系軸線， 6為坐標轉化時所使用的坐標系軸線。結合采樣道次，內插出道間距，可將i轉化為平面坐 標N(xi，ti)，結合埋設管線的管徑R，通過最小二乘原理，計算出電磁波在管線上覆±壤中的 平均傳播速度V，根據公式
進而精確計算出地埋管的深度。
[0037] 電磁波傳播速度估算是基于管徑已知的前提下，需通過曲線擬合，求取最優值。管 線深度的計算通過電磁波波速和電磁波到達管線目標正上方時的時間求得的。
[003引在本例中，估算出來的V=IO. 136cm/ns，計算出來h = 63.60cm，開挖驗證的ho = 67.12cm，相對誤差為5.2%，結果比較理想。
[0039]上面結合附圖對本發明實施例進行了說明，但本發明不限于上述實施例，還可W 根據本發明的發明創造的目的做出多種變化，凡依據本發明技術方案的精神實質和原理下 做的改變、修飾、替代、組合、簡化，均應為等效的置換方式，只要符合本發明的發明目的，只 要不背離本發明的技術原理和發明構思，都屬于本發明的保護范圍。
【主權項】
1. 一種復墾土地淺埋地埋管深度的提取方法，其特征在于:包括以下步驟： (1) 布設觀測基準線，進行探地雷達探測：在數據采集之前，布設全面覆蓋地埋管分布 范圍的探地雷達探測基準線，探地雷達天線沿測線方向進行探測工作； (2) 提取地埋管在雷達圖像上的目標區域:對所采集的原始雷達圖像進行預處理;在此 基礎上，建立基于方差統計學的方法，依次計算單個采樣道S j的能量協方差W和時間層^的 能量方差&，^和&分別表示雷達回波信號能量在圖像橫向和縱向的變化情況，綜合&、^的 幅值確定地埋管在雷達圖像上的目標區域；（3)提取管線特征曲線的特征點:在確定的目標 區域內，以區域內某采樣道的回波信號作為參考向量，依次計算各采樣道信號與參考向量 之間的相似程度，獲取出有限時間域上的最大相關系數，并對這些采樣點進行重采樣，從而 提取出管線目標反射特征曲線的特征點集合N( si，ti); (4) 特征點曲線擬合：建立管線目標反射特征曲線的函數表達式，利用Levenberg-Marquardt算法進行特征點N(Si，ti)的曲線擬合，通過多次迭代運算，初次獲取管線目標反 射特征曲線的頂點坐標( SQ，to);在此基礎上，利用擬合系數、調整后的均方差以及擬合特征 曲線分布情況，將偏移擬合曲線較大的特征點進行刪除，形成進一步優化的特征點集合馨 和頂點坐I(5) 地埋管深度計算:根據道間距將_轉化為平面坐標，結合埋設管線的管徑，通過最 小二乘原理，計算電磁波在管線上覆土壤中的平均傳播速度V，根據公式1 = ，計算地 埋管的深度。2. 如權利要求1所述的復墾土地淺埋地埋管深度的提取方法，其特征在于:所述探地雷 達采用高頻、甚高頻的接收一體的天線，天線頻率在400MHz-lGHz之間。3. 如權利要求2所述的復墾土地淺埋地埋管深度的提取方法，其特征在于:所述探測基 準線由多條平行的測線組成，呈條帶狀。4. 如權利要求3所述的復墾土地淺埋地埋管深度的提取方法，其特征在于:探測基準線 由3至5條測線組成，測線盡量垂直于管線的分布方向。5. 如權利要求4所述的復墾土地淺埋地埋管深度的提取方法，其特征在于:探地雷達天 線緊貼地面，沿測線方向勻速前行。6. 如權利要求5所述的復墾土地淺埋地埋管深度的提取方法，其特征在于:每條測線包 含至少3次的重復觀測。7. 如權利要求1所述的復墾土地淺埋地埋管深度的提取方法，其特征在于:雷達圖像的 預處理包含零線標定、零線校正、漂移去除、背景去噪、濾波處理以及時窗增益步驟。8. 如權利要求1所述的復墾土地淺埋地埋管深度的提取方法，其特征在于:使用加性白 噪聲模型表述雷達回波信號，用矩陣描述雷達回波信號，其中i和j分別表示雷達圖像的 采樣道次和采樣點號。9. 如權利要求1所述的復墾土地淺埋地埋管深度的提取方法，其特征在于:在雷達圖像 中，管線目標反射特征曲線為雙曲線;在確定的目標區域內，以區域內協方差值最大的采樣 道的回波信號作為參考向量。10. 如權利要求1所述的復墾土地淺埋地埋管深度的提取方法，其特征在于：電磁波傳 播速度估算是基于管徑已知的前提下，通過曲線擬合求取最優值;通過電磁波波速和電磁 波到達管線目標正上方時的時間計算管線深度。
【文檔編號】G06K9/32GK106022339SQ201610327099
【公開日】2016年10月12日
【申請日】2016年5月17日
【發明人】王新靜, 閆晶晶, 胡青峰, 楊俊國, 徐海軍, 李慧, 何培培, 馬開鋒
【申請人】華北水利水電大學