【摘 要】
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如何以最快速度定位管线病害点,获取地下管线渗漏病害发育程度、病害位置信息,是当今市政管线应急处置的重点,也是市政规划建设热点研究问题,探地雷达(Ground-penetrating radar,GPR)技术相比于传统探测手段具有探测高效、空间分辨率高、探测目标种类广、无损检测、抗干扰能力强且应用环境广泛等特点,在隐蔽地下条件探测中有优势。但是,随着如今地下空间不断开发利用,地下管线所处环境也日趋复
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如何以最快速度定位管线病害点,获取地下管线渗漏病害发育程度、病害位置信息,是当今市政管线应急处置的重点,也是市政规划建设热点研究问题,探地雷达(Ground-penetrating radar,GPR)技术相比于传统探测手段具有探测高效、空间分辨率高、探测目标种类广、无损检测、抗干扰能力强且应用环境广泛等特点,在隐蔽地下条件探测中有优势。但是,随着如今地下空间不断开发利用,地下管线所处环境也日趋复杂,管线种类和管径大小也逐渐多样化,传统探测手段局限性日益凸显的同时,也给解译技术带来了新的问题和挑战,目前探地雷达技术仍然存在着雷达回波图像解译依赖人工、管线病害程度识别困难、管线病害识别准确度不高、地下杂波干扰强、复杂环境下病害特征识别困难等问题。针对上述问题,本文通过正演模拟以及校园地下管线病害实地探测,来研究常见材质地下管线不同病害程度以及不同病害位置雷达回波特征,分析在复杂条件下管线病害回波传播过程中的反射和散射现象,总结其病害回波特征,结合不同检测算法,对管线病害回波特征进行检测选取,最后,通过选取的管线病害特征应用支持向量机(Support Vector Machine,SVM)模型进行管线病害雷达回波识别,并利用管线病害识别正确率评价SVM模型识别的精度。全文主要研究结果如下:(1)考虑地下管线雷达探测深度以及回波图像分辨率,通过试验选取500MHz天线中心频率最佳,其分辨率和反射能量均衡。实验显示:健康PVC管回波呈现完整双曲线形态,连续回波包络清晰;健康混凝土管回波包络双叶短小形态不完整,连续回波包络间断;健康金属钢管回波双曲线清晰完整,回波包络醒目且精细,无连续回波包络。(2)对于管线不同病害程度,在病害初期,非金属管回波双曲线形态不完整包络双叶短小模糊,金属管回波双曲线形态完整,包络精细完整;病害发育期,非金属管回波开口变大,包络完整,金属钢管回波包络双叶变粗;病害形成期,回波包络形态较为完整,连续回波包络清晰,混凝土管回波包络显著变长,金属管双曲线开口变大,包络清晰完整。(3)对于管线不同病害位置,在底部位置病害,非金属管回波形态包络完整开口大,连续回波顶部重叠模糊,金属管回波包络双叶精细完整,单次绕射波包络形态不完整;顶部位置病害,非金属管回波包络开口较小,连续回波呈现较为清晰X形,金属管X形回波特征清晰重叠;侧面位置病害,非金属管双曲线回波开口较大包络清晰,连续回波形态不完整,金属管回波包络双叶精细,绕射回波包络右半支重叠模糊,左半支较为连续。(4)通过对常见材质小管径管线、大管径管线以及具有真实地下随机分布特点的粗糙层状介质下管线病害正演模拟,研究复杂条件下管线病害探地雷达回波成像特征差异,建立对应病害特征数据集。(5)实验表明,利用灰度梯度边缘检测算法雷达回波图像特征边缘提取效果较好,管线病害回波特征分辨清晰,噪声有所减少;电磁波波谱时频域S变换法管线病害雷达回波特征分辨质量高,噪声过滤显著;通过基于支持向量机(SVM)模型进行管线病害检测识别,结果显示,因实际地下环境的复杂性,感兴趣目标区域被噪声信号掩盖,特征区域识别有一定程度的缺失和扩大,常规管线和大管径管线病害检测识别率高,小管径管线和层状介质下管线病害检测识别率低,总体上管线病害回波特征识别结果与实际情况符合度高,整体管线病害检测识别率达81%,具有高效识别率和准确度。
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