三维探地雷达道路隐性病害检测分析与数字化技术综述

摘要：目前，中国交通基础设施正迈入大规模养护阶段，应用数字化技术服务于道路全寿命周期的智能养护管理已成为当下研究热点，建立道路信息数据库是实现道路基础设施数字化的基础。三维探地雷达（ＧｒｏｕｎｄＰｅｎｅｔｒａｔｉｎｇＲａｄａｒ，ＧＰＲ）具有高效、精确度高等优点，可提供道路基础设施全断面病害信息。深入研究三维探地雷达检测分析技术与雷达数据处理技术对提高道路基础设施内部病害检测效率与数字化程度具有重要现实意义。三维探地雷达道路隐性病害检测分析方法与雷达数据在道路基础设施数字化中的应用，可促进三维探地雷达在道路基础设施中的成熟应用与道路基础设施数字化发展。基于此，对三维探地雷达道路隐性病害检测分析与数字化技术综述进行研究，以供参考。

关键词：道路工程；交通基础设施数字化；综述；三维探地雷达；道路病害

引言

沥青路面结构内部病害的发育、发展具有隐敲性。探地雷达是一种无损检测技术，逐渐应用于道路结构层厚度、压实度以及道路结构内部隐蔽性病害的检测。应用较多的是二维探地雷达技术，检测点按线性布置，虽然能查明病害的大致位置，但是无法定量给出病害的三维空间位置、形态和延伸范围（面积、深度）等信息。近两年，基于天线阵技术的三维探地雷达的迅猛发展，为探地雷达开拓了新的空间。

1探地雷达层位自动追踪算法研究

主要基于相邻两道数据的信号特征，主要包括两种思路：①基于波形特征的自动追踪，只利用搜索时窗内特征点的相似结构形态，但在相邻道之间不对相关系数进行计算，搜索每道波形结构相似的特征点；②基于相关系数特征的自动追踪，是以前一道的种子点为中心，对当前数据与前一道相关时窗范围内的数据做相关性分析，若找到满足条件的特征点，便将当前特征点作为当前道的种子点，以继续下一道的层位追踪。由于路基结构的复杂性以及含水属性的变化，导致探地雷达图像中的层位特征往往较为模糊，且连续性较差。在现有技术中，无论采用上述哪种方法，都未达到较高的准确度，容易出现因前一道特征点选取误差而导致误差延续的现象，需要后续进行大量的人工修正工作。

2道路隐性病害常规检测方法

探地雷达技术应用于道路工程检测最早始于２０世纪８０年代。此后，该技术发展迅速，在雷达硬件设备、地下目标成像／识别等方面取得了重大进展和突破。二维探地雷达是传统道路工程检测方法，其检测范围窄、数据代表性一般且难以自主标定道路材料介电常数。三维探地雷达作为一种先进的无损检测技术，具有检测效率高、空间全覆盖等优势，正逐步应用于道路结构层厚度与隐性病害等检测，在交通基础设施的数字化升级领域具有极大潜力。通过将三维探地雷达与人工智能相结合，可有效提高病害识别精度和效率。三维探地雷达数据可利用图像建模与地下病害体三维重构技术，将城市道路与地下空间信息相结合，形成城市交通基础设施可视化模型。基于可视化模型，应用数值仿真方法可对道路隐性病害演化进行综合判断与预防措施预演。综上，三维探地雷达道路隐性病害检测分析技术可显著提高道路数字化水平，促进服务交通基础设施孪生技术发展，提升交通基础设施服役韧性。

3三维探地雷达技术特点

三维探地雷达设备数据采集速度快，能够以不小于60km/h的速度进行车载扫描；与单通道雷达覆盖宽度0.3m左右相比，三维探地雷达覆盖范围更宽，一次测量宽度是单通道的5倍，探测效率大大提高可。三维探地雷达与GPS、车载测距轮进行连接，实时传输测量数据，保证了探测点的测量数据精度。三维探地雷达数据网格密度极高，数据网格尺寸通常为10cmX5.0cm或10cmX3.0cm。极高密度的数据采集网格，最佳测量精度可控制到厘米级，有效地保证了探地雷达探测的平面分辨率三维探地雷达探测成果可进行三维多剖面显示，以多角度、不同方向展现路面内部结构状况，识别路面隐性病害面积、深度及结构层状态，全覆盖三维实时成像和厘米级病害定位，实现了路面结构内部隐性病害的快速准确探测和定位。

4道路隐性病害检测与智能识别

4.1三维探地雷达数据目标特征

三维探地雷达通过多通道三维天线阵列采集Ｃ－ｓｃａｎ数据，经反演数据处理方法，Ｃ－ｓｃａｎ数据能够生成纵断面、横断面、水平剖面、三维立体的图像以及时域、频域特征参数，从不同角度全方位识别目标特征，极大提高了隐性病害分类、评估的可靠性。开发了５２通道车载三维探地雷达系统，可有效辨别地下空洞，准确估计深度、尺寸和高度，并在实际道路检测中得到了验证。二维探地雷达仅能采集Ａ－ｓｃａｎ、Ｂ－ｓｃａｎ数据，难以全方位评估地下目标。通过二维探地雷达网格加密测线的方式拼接得到Ｃ－ｓｃａｎ数据，利用Ｂ－ｓｃａｎ图像和水平切片图像对管线、竖井、空洞、松散４类目标体进行自动识别分类；结果表明水平切片成像效果不佳，对分类起主导作用的是Ｂ－ｓｃａｎ图像。利用Ｂ－ｓｃａｎ图像和水平切片图像准确判断了公路隐性裂缝病害，并将Ｂ－ｓｃａｎ图像用于病害智能识别。利用Ｃ－ｓｃａｎ数据区分了裂缝、层间黏结不足、空洞、松散。利用延时全覆盖（Ｔｉｍｅ－ｌａｐｓｅＦｕｌｌ－ｃｏｖｅｒａｇｅ，ＴＬＦＣ）、数据组合和空间位置匹配的方法提高了Ｃ－ｓｃａｎ数据成像质量，更好地评估了路基随时间、空间变化的详细特征和总体规律。

4.2路基病害判别

探地雷达检测主要包括三项作业，分别为现场采集作业、雷达图数据判读和检测报告编写，各项作业用时分别占探地雷达检测作业总用时的20%、60%、20%。现场采集要结合路基现场的实际情况来确定测量方法，确保检测数据信息的质量。雷达图数据判读在室内完成，检测人员分析处理数据，根据图形来判别病害，可识别的病害类型包括集料疏松、裂缝、不密实、脱空、含水、层间缝隙等。本次检测采集的数据信息利用3D软件进行处理，生成三维显示图，直接显示出某一测线的三维效果图，利用不同的颜色来显示病害的所在区域。例如，疏松是指在路基内存在一些空隙，内部充满了空气，空气介电常数低于土颗粒介电常数，使得疏松土体的平均介电低于正常的土体。探地雷达根据疏松土体的这一特性进行路基病害类型的判别，判别依据主要为雷达波形图上所显示的同相轴、波形、振幅、频率等特征值。在雷达测线剖面图中，横轴表示的是沿测线方向，竖轴表示的是地下深度，当雷达图像显示出反射波形杂乱现象，且同相轴不连续、明显错位发生畸变之时，则即可判别为此探测部位已经发生了疏松病害。

结束语

伴随着我国地下设施建设的迅速发展，城市道路塌陷灾害数量呈逐年上升趋势。由于道路塌陷具有突发性、隐蔽性等特点，近几年利用高精度、无损的三维探地雷达检测技术，成为了道路塌陷隐患检测最为有效的手段之一。然而，目前探地雷达数据解译工作严重依赖于解译人员。由于解译人员存在专业程度不同、易受干扰等局限性，数据解译的效率和精度都难以得到提升，因此，迫切需要研究针对探地雷达数据的自动解译方法。

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