1 引 言?據不完全統計，2014年我國城市道路出現塌陷事故2000余起，全國遭受道路塌陷事故影響的城市超過50個，主要分布於北京、上海、廣東等20余個省區市。國土資源部、水利部發布的材料顯示，全國受道路塌陷影響的城區範圍接近2萬平方公裏。道路塌陷事故主要集中在三個區域，分別是：長江三角洲地區、珠江三角洲地區、華北地區。道路塌陷事故嚴重威脅了城市的公***安全，破壞了正常的交通秩序。如果能夠提前發現並進行處理，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圖像，發現道路地下病害。?1.1 研究的目的與意義道路是壹個城市最重要的基礎設施，也是人員往來、經濟發展的重要通道。隨著我國經濟、技術的快速發展，城市道路裏程不斷增加、交通運輸越來越便利。城市規模的不斷擴大，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充，從各類管線到地下交通網絡，地下空間的利用也趨於層次化和規模化。再加上淺層地質結構的多樣性和復雜性，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，在道路建設快速發展的同時，道路養護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，設立道路養護站點，有效縮短了道路病害修復時間[1]。探測和修復道路地下病害是道路養護的關鍵問題。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。這些隱患可能導致路面出現唧漿、龜裂等病害，嚴重的空洞甚至會導致路面突然塌陷。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]。傳統的道路養護與檢測方法主要依靠人力完成，不僅準確度較差，而且具有明顯的滯後。近些年來，道路塌陷時有發生，由於養護與檢測手段落後，致使人民生命財產遭受嚴重損失。2012 年 4 月 1 日，北京市民楊女士途經北禮士路物華大廈東側的便道時，突遇路面塌陷，墜入熱水坑。4 月 9 日，楊女士終因醫治無效死亡，年僅 27 歲[3]。因此，道路檢測急需采用先進儀器，利用先進的地球物理技術實現準確的檢測和養護。盡可能減小不必要的損失。探地雷達(Ground Penetrating Radar, GPR)是應用地球物理科學的重要組成部分。探地雷達能夠發射和接收微波段高頻寬帶電磁波。由於電磁波在地下介質交界面會發生反射，通過分析地下介質界面反射電磁波的波形特征，就能夠獲取地下目標的空間位置，構成材質等特征信息[4]。..........?1.2 國內外研究狀況和進展探地雷達的發展前後經歷了 100 多年，這期間，德國人做出了重要貢獻。探地雷達的雛形誕生於 1904 年，德國人 Hulsemeyer 發現電磁波能夠探測地面金屬物體[5]。1910 年德國人 Leimbach 和 L wy 第壹次具體闡明了探地雷達相關技術，並獲得了專利。1926 年，德國人 Hülsenbeck 發現介電常數不同的介質，會在其交界面產生電磁波反射，他以此提出了運用高頻電磁波脈沖探測地下目標體的思路[6]。在第二次世界大戰(1939 年-1945 年)期間，處於軍事目的和戰爭需要，探地雷達得到了快速發展和應用，淺地層目標探測得以實現。1960 年越戰時期，麻省理工學院推出了壹種探測淺地層空洞的設備，用於發現越南戰場中的地道[7]。同年，CookJ.C 用脈沖雷達在礦井中做了試驗，但是由於地下介質比起空氣，具有較強的電磁波衰減特性，加之地質情況的多樣性，電磁波在地下的傳播要比在空氣中復雜的多[8]。隨著電子信息技術的發展，儀器的信噪比得到了很大提高。探地雷達應用範圍也迅速擴大，從早期的冰層、巖鹽礦等弱耗介質擴展到土層、巖層、煤層等有耗介質。上世紀 70 年代以後，探地雷達被應用於石灰巖采石場的探測、工程地質探測、煤礦井探測等。進入上世紀 80 年代，隨著民用市場的興起，無載頻脈沖探地雷達率先進入市場，發達國家競先研制出民用探地雷達產品。之後，隨著探地雷達產品不斷更新換代，目前探地雷達技術已經相對成熟[9]。探地雷達技術用於路基路面檢測始於上世紀 80 年代。1983 年，美國人 Benson等人就已經開展了公路沈降和塌陷的相關研究[10]。1984 年，Rodeick 等人采用探地雷達進行高速公路空洞探測研究[11]。1991 年，美國聯邦公路局在道路工程應用中取得了壹系列進展，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)等將探地雷達與鉆孔攝像機結合起來，開發了壹種道路結構探測系統[12]。1994 年，Kim Roddis 等比較了堪薩斯州 11種不同類型道路在探地雷達數據分析上的差異，這些差異主要是由於路基材質和設計結構決定的[13]。1995 年，美國勞雷工業公司與 GSSI 公司合作，在 10 個月內推出了世界第壹套空氣耦合高速路面檢測雷達系統，並在中國壹次試驗成功，如圖 1.2 所示。.........?2 探地雷達技術及數據特征?探地雷達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、精度高的優點。本章從電磁場理論入手，導出了電磁波的波動方程。在理論介紹的基礎上，闡述了探地雷達技術的原理和現狀，對探地雷達數據的形式、特點和標定等問題作了簡要說明。?2.1 電磁場理論1820 年，丹麥物理學家奧斯特首次發現了電流對磁針的作用，即電流的磁效應。1837 年，英國物理學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壹定的範圍起作用，將原先難以捉摸的“超距作用”變為可以理解和研究的“場”。從 1855 年開始，英國物理學家麥克斯韋在研究彈性力學和結構力學之余，又對新興的電磁學感興趣，將自己熟悉的彈性力學和電磁現象結合起來，通過三篇論文將電磁場理論用簡潔、對稱、完美數學形式表示出來，經後人整理成為經典電動力學的基礎，這就是麥克斯韋方程組[55]。據此，他在 1865 年就預言了電磁波的存在。1888 年，德國物理學家赫茲在麥克斯韋去世 10 年之後，終於用實驗驗證了電磁波的存在。經典電動力學認為靜電場和靜磁場分別由靜止電荷和恒定電流所產生，它們各自獨立，分別滿足各自的方程。當電荷、電流的分布隨時間變化時，電場和磁場就不再相互獨立，而是相互激發、相互影響、形成統壹的電磁場。電磁波就產生於這個時變的電磁場。由此可見，以上由麥克斯韋方程組導出的，描述電磁場波動特征的壹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中傳播的重要數學基礎。........?2.2 探地雷達技術探地雷達（Ground Penetrating Radar）是壹種用於地下介質結構探測的電磁儀器，它通過發射天線發射高頻寬帶（1MHz~10GHz）電磁波，再通過接收天線接受地下介質的反射電磁波，最後將反射電磁波通過數字電路轉換成數字信號記錄到存儲設備上。由於探地雷達具有探測精度高，速度快等優點，是工程無損探測的壹種重要的手段。目前，意大利系統工程公司（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備公司（GSSI）是探地雷達的制造商，他們都推出了用於道路檢測的探地雷達產品，如圖 2.1 所示。從 80 年代開始，經過三十多年的研究和開發，國內探地雷達產品已經發展成熟，逐漸形成了自己的體系，從信號采集到數據處理，均達到了世界領先水準，在國內外具有壹定知名度。中國礦業大學（北京）資源與安全開采國家重點實驗室、長安大學公路學院等單位在探地雷達的理論研究，儀器開發和應用推廣等方面做出了重要貢獻。目前進入市場的產品包括中國礦業大學（北京）研制的城市道路檢測探地雷達系統，如圖 2.2 所示，中國電子科技集團公司第二十二研究所（青島）的 LTD 系列探地雷達等等。探地雷達技術與其他道路無損檢測技術相比，具有檢測速度快，檢測精度高的優點，因此成為城市道路檢測的主要手段。然而，探地雷達數據與其他地球物理探測數據壹樣，具有解釋難度大、人工解釋經驗需求高、解釋周期長的困難，這對探地雷達道路檢測的應用和普及造成了壹定困難。本文采用中國礦業大學（北京）的探地雷達儀器，研究其道路地下探測圖像和地下異常識別方面的算法，降低數據解釋的難度，縮短解釋的周期。............?3 道路病害物理模型設計與特征測量 .........173.1 物理模型的結構 ...... 173.2 物理模型的設計 ...... 203.3 物理模型的特征測量 ...... 233.3.1 地下空洞探測 ........ 233.3.2 密實度監測 .... 353.3.3 路面沈降監測 ........ 393.4 本章小結 .......... 424 城市道路地下異常識別算法 .....434.1 基於希爾伯特邊際譜的地下異常識別算法 .......... 434.1.1 經驗模態分解 ........ 434.1.2 希爾伯特譜和邊際譜 .... 454.1.3 實驗結果與分析 .... 464.2 基於核匹配追蹤的地下異常識別算法 .......... 554.3 本章小結 .......... 675 城市道路地下異常度量算法 .....695.1 探地雷達數據預處理 ...... 695.1.1 探地雷達數據降噪 ........ 695.1.2 探地雷達數據偏移歸位 ........ 765.1.3 探地雷達數據精細配準 ........ 815.1.4 探地雷達數據標間配準 ........ 965.2 基於周期探測的地下異常度量算法 ...... 995.3 城市道路地下病害探測應用 ........ 1065.4 本章小結 .........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壹次探測結果上進行，因其結果經常受到周圍環境的嚴重幹擾，解釋結果存在誤差。由於危及城市道路安全的地下空洞會隨著時間不斷惡化，需要對城市道路進行多次探測。通過比較不同時期探測數據的差異，識別城市道路地下病害。為準確比較不同時期探測數據的差異，需要對城市道路地下異常準確度量，確定城市道路地下異常的位置及範圍。具體說來，首先通過叠代 Myriad 濾波降噪算法，降低探地雷達數據中的噪聲幹擾。接著通過克希霍夫積分偏移算法，對探地雷達探測圖像中的信號進行偏移歸位，從而有效提高位置和範圍計算的精度。然後通過探地雷達圖像精細配準算法或標間配準算法，將兩幅圖像的相似區域完全對應到相同位置。最後，選擇適合的滑動窗口，通過相關性比較探地雷達數據的差異，度量地下異常的位置和範圍。?5.1 探地雷達數據預處理在探地雷達圖像數據的采集過程中，噪聲幹擾是難以克服的現象。隨著探測深度的增加，反射信號的噪聲也越來越明顯[77-78]。噪聲幹擾按照來源區分，主要有以下幾類：壹、發射天線和接收天線之間存在耦合波幹擾。即使采用了金屬等屏蔽材料，依然不能保證發射天線的電磁波不會耦合到接收天線上；二、發射天線與發射電纜阻抗不匹配。發射天線與發射電纜連接時必須考慮阻抗匹配問題，否則會導致能量損耗，形成駐波幹擾信號；三、天線發射信號與天線屏蔽罩之間的振蕩幹擾。對於寬頻帶天線而言，屏蔽罩難以保證對所有頻率信號均良好屏蔽，往往會存在天線發射信號與天線屏蔽罩之間的振蕩幹擾；四、天線饋點反射信號幹擾。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幹擾；五、發射脈沖信號的旁瓣幹擾。理論上，發射脈沖信號不存在旁瓣，在現實中不可能只有主瓣信號，這些旁瓣信號也會引起幹擾。
........?結論?本文以探地雷達探測圖像為研究對象，重點分析了目前探地雷達用於城市道路地下病害探測的相關技術難點，重點突破探地雷達圖像解釋難度大、人力解釋經驗需求高、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，建立城市道路地下空洞動態演化模型，研究基於探地雷達圖像的異常識別、異常度量等關鍵問題。本文的主要工作可以歸納如下：壹、通過城市道路地下病害物理模型實驗，能夠得到以下結論：當地下施工等擾動發生時，壹方面由於擾動形成地下空洞，周圍土體由於受到應力不均，引起密實度下降，從而引起路面沈降。另壹方面，地下形成空洞會導致地下土體與空氣接觸，水分持續揮發引起密實度下降，進而引起路面沈降。二、通過城市道路地下異常識別算法研究，能夠得到以下結論：1、由於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，因此基於希爾伯特邊際譜的地下異常識別算法不僅可以用於地下空洞的探測，還可以用於金屬管線的探測。基於希爾伯特邊際譜的地下異常識別算法能夠對單壹的砂質粉土模型，通過邊際譜的幅值大小估計密實度狀況，進而發現地下異常。在城市道路地下探測的過程中，受到地下管線、構築物等影響，通過上述算法估計的密實度可能存在誤差。2、基於核匹配追蹤的地下異常識別算法。通過小波核函數的占比估計密實度狀況，從而發現地下異常。平均密實度的估計結果不會受到金屬管線的幹擾，對探測地下松散和空洞病害具有較好的應用前景。三、通過城市地下異常度量算法研究，能夠得到以下結論：1、通過叠代 Myriad 濾波降噪算法，降低探地雷達數據中的噪聲幹擾，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，相比於Myriad濾波降噪算法，叠代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，能夠對探地雷達探測圖像中的信號進行偏移歸位，當參數為 30 時，可以達到最佳的偏移效果。3、通過探地雷達數據精細配準算法或標間配準算法，保持數據的壹致性。通過實驗證明，精細配準和標間配準在丟道達到 90%的情況下，還原的探地雷達數據與原數據的相關系數仍然能夠達到 0.9 以上。這就能夠部分去除由於數據丟道、采集軟件設置、含水率變化等因素引起的壹致性差異。由於配準通過水平和垂直方向的差值實現，因此減少了對信號特征的破壞。..........參考文獻（略）
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