探地雷达图像的自动目标识别和定位

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1、真诚为您提供优质参考资料，若有不当之处，请指正。 现代城市测绘国家测绘地理信息局重点实验室课题申请书 课题名称： 探地雷达图像的自动目标识别和定位 申 请 人： 刘旭春 申请人单位： 北京建筑工程学院二一一年 十 月 三十 日填 写 要 求一、 请按表中要求如实填写各项；二、 基本信息项中的课题摘要内容包括主要研究内容、创新点和成果。完成时间填至月，如20*年*月至20*年*月。重点课题需填写预期发表SCI收录文章篇数，一般课题需填写预期发表EI收录文章篇数；或与之相当的预期成果如省部级(含)以上奖励、发明专利等。经费栏需提供其它资金来源的证明，作为附件附后；三、 课题情况项中主要研究内容一般

2、要求1500字左右，国内发展现状与趋势、拟采取的研究方法要求1000字左右, 研究成果必须说明拟发表文章的数量以及三大检索收录情况、软硬件或预期的奖励以及发明专利等。课题现有工作基础栏要求提供近5年已发表的主要文章（含三大检索情况）、著作及专利、获奖情况等； 四、 一般课题经费额度每年2万元，重点课题额度每年5万元；五、 申请书文本中外文名词第一次出现时，要写清全称和缩写，再出现同一词时可以使用缩写；六、 申请书文本采用A4幅面纸，可以自行以同样幅面纸复制，填写内容需打印填入,对于篇幅不够的栏目可自行加页；七、 博士研究生(博士后)申请课题，需征得指导导师 (指导合作导师)的同意，在推荐意见中

3、说明，并说明是否可到实验室从事研究工作。一、 基本信息课题申请人情况姓 名刘旭春性别男出生年月1969.03学 历博士职称/职务副教授联系电话010-68350478传真移动电话13811290158Emailliuxuchun课题申请单位名 称北京建筑工程学院通讯地址北京市西城区展览馆路1号邮编100044课题摘要在探地雷达硬件不断更新发展的今天，其成果解释始终处于传统的物探解释的束缚之下。目前，利用探地雷达进行探测，基本上都是遵循“看图识字”的机械解释模式。本课题以解决开挖式地下管线探测难度大、费用高、耗时长等缺陷为前提,以提高探地雷大自动化识别能力,扩宽其适用范围为目标，开发一套基于单发

4、单收探地雷达在非开挖施工活动中可以自动完成目标识别与定位的软件系统。通过对关键问题的研究，实现通过系统自动目标识别与定位来直观地反映地下目标的有无及位置，无需专业人员对探地雷达数据进行解释。从而推广地质雷达的使用范围（不限于专业人员）并且提高探地雷达在非开挖施工领域内的应用和推广。本课题的创新点主要是预计用一年的时间，开发一套应用软件系统，通过模糊聚类分析的方法实现自动识别，达到改变传统的解释模式，实现自动识别与定位的功能。通过本次课题预发表EI一篇或国内核心期刊二至三篇，探地雷达图像自动识别与定位软件系统和课题的研究报告等相关成果，并培养4名研究生。课题类型01.一般课题 完成时间2012年

5、12月是否同意调整(时间、经费)是经费（万元）拟申请资助3其它资金合 计3签名所在单位北京建筑工程学院北京建筑工程学院北京建筑工程学院北京建筑工程学院北京建筑工程学院北京建筑工程学院北京建筑工程学院北京建筑工程学院北京建筑工程学院在课题中职分担的任务项目总体设计与把控详细设计数据采集与数据分析模型算法研究模型算法研究数据分析整理算法研究、数据分析算法研究、数据分析文档编写、数据整理为本课题工作时间（人年）111111111专 业测绘工程测绘工程测绘工程地图制图与地理信息工程地图制图与地理信息工程地图制图与地理信息工程地图制图与地理信息工程地图制图与地理信息工程地图制图与地理信息工程职务/职称副

6、教授讲师助教研究生研究生研究生研究生研究生研究生二、课题组主要研究人员情况出生年月1969.031978.121988.101986.121987.101988.091988.081986.101986.11性别男男男男男男男男女姓 名刘旭春邱东炜王祉麟刘津李德龙刘杨冯毅曹士龙杨旭彤序号1234567891预期目标、主要研究内容和技术指标（1500字）预期目标：我们以快速并准确的对探地雷达剖面图进行目标物的目标识别和定位为课题，基于非开挖工程常用的数字管线雷达和雷达波谱图像，深入研究探地雷达的基本原理和工作机制，分析雷达波普图像与其他图像的差异，讨论探地雷达杂波的几种去除方法，并实现基于窗口的

7、目标定位方法，用模糊聚类分析的方法实现自动识别，并利用上述方法编程实现自动目标识别与定位，为非开挖施工活动提供准确可靠的详细地下管线分布资料，保障施工安全。研究内容：(1)探地雷达的雷达方程、模糊函数研究。 基于探地雷达的基本原理，研究探地雷达的三种成像方式和数学表达式；研究探地雷达的雷达方程、模糊函数，分析了模糊函数与探地雷达之间的关系；研究本课题所要用的探地雷达和相关性能参数。(2)探地雷达各种杂波抑制方法研究。 重点研究均值法去背景这种最常用的杂波抑制方法，分析图像的分割技术、波技术以及腐蚀与膨胀技术。从探地雷达图像的特点出发，提出一种基于图处理技术抑制探地雷达杂波的方法。(3)图像提取

8、方法研究。 合成孔径成像是探地雷达信号处理中一个非常重要的方面，其目的是要提高探地雷达图像的分辨率，研究地雷达合成孔径成像时的一个重要参数波速的估计问题，使用一种基于Hough曲变换的波速估计方法。在各种探地雷达合成孔径成像方法中，改进一种快速微波全息合成孔径成像方法。(4)探地雷达自动目标识别与定位方法。拟采用网格的方法进行特征提取，在保证精度的基础上减少了运算量；提出用模糊聚类分析的方法实现自动识别，在前述所提杂波抑制的基础上运用并实现了一种有效的特征提取方法和基于模糊聚类分析的自动识别方法，并实现了一种基于窗口划分的目标定位方法。技术指标：（1）实用角度出发，界面友好、操作方便（2）软件

9、系统样本数据库包含目前地下埋藏的常见目标物及少量特殊目标物。（3）地下管线雷达自动目标识别与定位系统，实时处理能力达到非开挖施工的要求和精度。（4）在目标物深度在0.01-5.2 m时，识别精度达到90 %，误差小于2 % 。（5）软件系统识别目标和定位的时间少于20秒。三、课题情况2国内外发展现状与趋势（1000字） 国外探底雷达技术最早可追溯到二十世纪初，西方国家以专利形式提出将雷达原理用于探地，正式提出了探地雷达的概念。但是直到50年代后期探地雷达技术才被慢慢重视起来。探地雷达在矿井、冰层厚度、地下粘土属性、地下水位等方面的得到了应用。1967年，一个与Stern最初用于冰川探测的仪器类

10、似的系统被设计研制出来，1972年，Rex Morcy和Art Drake开创了GSSI公司，主要从事商业探底雷达的销售。随着电子技术的发展，电子存储设备的问世，加之现代数据处理技术的应用，特别是拟反射地震处理的应用，探底雷达的应用领域迅速扩大，其中有：石灰岩地区采石场的探测、淡水和沙漠地区的探测、工程地质探测、煤矿井探测、泥灰调查、放射性废弃物处理调查、埋设物探测、水文地质调查、地基和道路下空洞及裂缝调查、水坝的缺陷检测、隧道及堤坝探测等。 自70年代以来，许多商业化的通用数字探地雷达系统先后问世，其中有代表性的有：美国GSSI公司的SIR和MK系列，加拿大Sensor&Software公司

11、的Pulse Ekko系列。这些雷达的基本原理大同小异主要功能有多通道采集、多维显示、实时处理、变频天线、多次叠加、多波形处理等，另外还有井中雷达系统，多态雷达系统，层析成像雷达系统等。 国内探地雷达的研究始于70年代初。当时，地矿部物探所，科研院，以及一些高校和其他研究部门均做过这方面的实验，但由于一些原因，这些研究未能正式用于实际工作。90年代以来，由于大量国外仪器的引进，探地雷达技术得到了广泛的应用和研究。1988 年我国航天部二院203 所研制出2cm频域干涉仪探测系统，对直径480mm 的玻璃钢壳体发动机进行检查，壳检出最小直径为45mm 、相邻距离40mm 以上的缺陷；1990 年

12、机电部海材料研究所白宝泉等研制出96 HZ 检测装置，采用楔形介质天线，实现近场检测，可检出直径2mm的球孔，横向分辨率为2.5mm ; 1990 年能源部苏州热工研究所运用微波散射法检测金属表面裂纹，当裂缝深度在0.01 一6.3 时，测量误差小于2 。 20 世纪90 年代，我国亦开始了地质雷达（或称探地雷达）的应用研究。上海同济大学采用地质雷达探测地下管线、旧建筑混凝土桩、古河道、暗河等，取得良好效果；交通部门引进了多台SIR 一10H 地质雷达仪，用于公路路面检测，90 年代国内多家单位从日本JRC 公司引进了JEJ 一60BF 雷达仪，用于探测钢筋混凝土结构内部钢筋和缺陷的分布。进入

13、21世纪以来，在矿产，考古、地质探测、水文、农业、林业、环境工程、土木工程以及刑事勘察等领域，地质雷达的应用更加广泛。随着探地雷达应用研究热潮的到来，探地雷达的应用逐步深入到城市工程等关键领域。非开挖施工技术的发展已经较为成熟，无论施工设计还是施工技术控制均已达到相当高的水准。非开挖施工活动中，转头在地下施工路线的选取与设计至关重要，这就涉及到地下障碍物的准确定位与目标识别。利用探地雷达可以获得反映地下管线的GPR成像剖面，另外实现剖面图的自动目标识别和定位，可为非开挖施工活动提供准确可靠的地下管线分布资料。探地雷达探测方法已在非开挖施工活动中得到了认可，大量的工程实践亦证明了该方法的可操作性

14、。总体上看，在该技术领域，我国目前尚缺乏国家层面的组织和规划，科研投入非常有限，技术储备不够，在多个领域国产设备处于空白状态。而且无论是国外设备还是国内设备，都没有提供图像分析和识别功能，实现这些功能就成为本课题的难点和目标。在实际工作中，我们仅依靠单发单收探地雷达的返回雷达波图像人工判别，难以快速准确地对目标物进行自动判别和定位。如果判别和定位错误，将会对人民的生命和财产安全造成不可估量的损失。现有的自动识别和定位软件对目标进行自动识别和定位的准确度不高，所以本课题的研究具有相当重要的社会和经济效益。3拟解决的技术难点和主要创新点 本课题的技术难点是包括雷达图像的预处理，探地雷达杂波严重影响

15、了探地雷达的探测性能，使得对地下目标的探测变得非常困难，对于非金属目标等埋地目标尤其如此。因此预处理是首个难点；各种样本库的采集与学习，本地样本数据库的建立的好坏，是实现目标识别的关键技术；雷达剖面图像特征的提取，只有提高雷达数据的分辨率，使图像更接近目标的真实尺寸与实际位置才能快速的实现雷达目标自动识别与定位方法。因此雷达剖面图像特征的提取是主要的难点。 本课题的主要创新点是基于图像处理技术抑制探地雷达剖面图的杂波噪声，利用网格的方式进行特征提取，用模糊聚类分析的方法实现自动识别。4课题拟采取的研究方法（或技术路线、实施方案）及其可行性分析（1000字）本课题拟采取的研究方法是：综合应用大地

16、测量、控制测量等测绘学科、高等数学、统计学理论、计算机模式识别等多学科交叉和多技术方法集成，理论分析和实例验证，并结合算法设计、过程优化、试验分析和精度评价综合，通过顾及不同目标物，不同环境类型条件下的模型设计，并对方法中涉及到的关键理论和技术问题进行系统分析研究，进而建立雷达自动目标识别与定位系统以及评估系统误差对非开挖施工活动乃至地质探测、水文、农业、林业、环境工程、土木工程以及刑事勘察的影响程度，为各行业、部门的不同需求提供系统合理的理论依据与科学客观的系统支持。综合主要研究内容，本课题的研究技术路线是： 图1 本课题的研究路线图研究方案可行性分析（1）研究基础首先，研究团队已经掌握了一

17、般探地雷达的使用方法，拥有了一系列的数据后处理软件。在一般工程中，我们已经得到了大量的雷达波谱图像，同时积累了许多丰富而直观的目标样本库，为自动识别提供了前期物质支撑，同时学院的重点实验室具有高精度的仪器设备，为本课题的顺利开展提供了可靠的基础。其次，顾及探地雷达技术的发展和日趋成熟，雷达波谱图像处理与解译也成为当今探地雷达应用领域的热点与难点并且已得到越来越多的学者的关注，在理论、方法和应用方面都取得了一定进展，特别是在不同目标体和复杂环境下，采用不同的方法理论来实现雷达数据的处理和解释方面取得了较多有参考意义的研究成果，相关领域应用成功的实验也为本课题提供了借鉴。第三，探地雷达图像数据处理

18、和解译的发展和巨大的应用潜力要求有新理论新方法的研究，目前在数据处理、参考模型、识别方法等方面都有较好基础。本研究重点针对传统方法中不能快速并准确的在探地雷达波谱图像中进行目标识别和定位等初步开展研究，现有的理论基础和技术储备为项目提供了有力支持。总体而言，快速并准确的对目标进行判别和定位具有明显的优势和广泛的前景；本课题的研究内容、目标和技术方案正是建立系统分析研究国内外研究成果的基础上，具有较强的可行性。（2）研究队伍 研究队伍中有具有非常丰富专业知识的副教授和有着充沛活力和创新精神的研究生组成，组织结构良好，为课题的顺利开展奠定基础。项目申请者和主要参加者以年轻人为主，申请者具有良好的带

19、队经验，在国家级重大项目中担任组织者或骨干力量，取得了较好的成绩。在人员上由技术能手担负项目负责人把握项目方向，由博士担任中间力量攻克项目难题，由一批富有朝气的研究生承担数据处理以分析。整个对科研氛围浓厚，为本课题的顺利开展提供了有力的人员保障。（3）研究条件 本课题研究依托我校“现代城市测绘国家测绘地理信息局重点实验室” 、“北京建筑工程学院测绘与城市空间信息学院”和“北京建筑工程学院空间定位研究所”。实验室具备项目研究可用到丰富的数据，以及先进的实验器材和计算机设备，可保障实验的开展。 因此，本课题研究目标围绕在实际工程中无法根据雷达波谱图像快速准确地对地下目标进行识别和定位及各行业对数据

20、的应用需求发展趋势，基于前人研究成果，针对其中的关键问题在研究队伍的合作努力以及充分的实验环境下，研究方案具有较强的可行性，能够达到预期的研究目标。5预期研究成果预发表EI一篇，或国内核心期刊二至三篇。探地雷达图像处理，自动目标识别和定位的软件。探地雷达目标识别和定位的研究报告。培养研究生4人6课题现有工作基础与支撑条件工作基础：经过多年的建设与上级的大力支持，北京建筑工程学院及课题成员在实验室建设方面已具备了较好的实验环境和软硬件条件。同时本项目以现代城市测绘国家测绘局重点实验室为依托，该实验室汇集北京建筑工程学院测绘科学与技术学科力量，结合建设综合勘察研究设计院有限公司建设行业优势和城市管

21、理服务优势，同时具有先进的探地雷达、高精度的全站仪和GPS定位仪等精密仪器，为本项目的提供了坚实的条件基础。同时在项目的研究方面，项目申请人担任了大量的项目的组织者，积累了丰富的科研攻关实力和带队能力，为本课题的顺利开展提供了很好的人员基础。申请人简介：（1）简介：刘旭春，男，副教授，测绘工程系。1991年大学毕业，2006年获取博士学位；1991-1993 黑龙江测绘局；1993-2003 东北林业大学；2003-至今 北京建筑工程学院。研究方向：精密工程测量、GPS数据处理与应用。科研情况：主持教委项目一项，博士基金一项，横向工程项目十余项，发表在核心期刊的论文十余篇，其中有三篇为EI检索

22、收录（2）近年发表论文：1 高精度GPS系统硬件延迟解算方法研究 J刘旭春，易武，张正禄，杨军宇航学报，2007,28(2)2利用GPS对太阳耀斑进行监测及预报的方法研究J刘旭春，易武，李维功，杨军武汉大学学报（信息科学版），2008，33(5).3GPS三频数据在周跳和粗差探测与修复中的应用J刘旭春，伍岳，张正禄，孟泱.煤炭学报，2006，,31(5)4三维激光扫描技术在古建筑保护中的应用J刘旭春，丁延辉.测绘工程，2006,15(1)5高水准数字水准仪在沉降监测中的应用J刘旭春.测绘通报，2006,(1)6GPS反演大气综合水汽含量的影响因素分析J刘旭春，张正禄，张鹏，杨军.测绘科学，20

23、07,32(2)7利用GPS技术遥感哈尔滨地区大气降水量的分析J.刘旭春，王艳秋，张正禄.测绘通报，2006，(4)8基于GPS技术的大气可降水反演方法J.王艳秋，刘旭春，潘华盛.气象科技，2007，35(3)9利用GPS监测两起太阳耀斑事件的结果分析J.刘旭春，张正禄，杨军.测绘科学，2007，35(5)10GPS遥感大气综合水汽含量局部区域模型与通用模型结果的比较分析J.刘旭春，张正禄，杨军.测绘科学.2006,31(6)11云阳宝塔滑坡监测的变形模式识别与分析J.刘旭春，张正禄.测绘科学，2006,31(1)12城市部件调查方法探讨C.刘旭春.第三届中国国际数字城市建设技术研讨会，200

24、713单基站GPS遥感水汽含量范围的确定及结果分析J.刘旭春，张正禄.北京测绘，2006，（3）14地基GPS遥感大气水汽含量的原理及应用C.刘旭春，张正禄.中国测绘学会九届二次全体理事会议暨2006年学术年会，200615哈尔滨地区单站GPS水汽反演结果的可靠性分析C.刘旭春，谢东.第二届中国国际数字城市建设技术研讨会，2006（3）发表的专著：科技出版社出版,测量学等。（4）承担科研项目情况：1国土资源部-基于多天线技术的GPS监测系统研制2北京市教委-利用GPS监测大气综合水汽含量方法研究3横向项目:全站仪内置软件的研制4横向项目:国家防火防灾教育基地变形监测等.7合作单位任务分工本课题

25、由北京建筑工程学院独立完成。8经费预算及理由1.人员费：支付课题负责人和参加本课题工作的主要研究人员的工作费用，300元15人月=0.45万元；2.小型仪器设备费：计算机相应软件、必要数据和专用仪器设备配件的购置费，0.3万元；3.差旅费：市内交通费，外埠差旅费，出差调研考察费用，6005人次=0.3万元；4.会议费：参加与课题有关的会议，讲座等，7504人次=0.3万元；5.燃料、动力费：外业采集数据用的出租车、燃油费和租车费用 0.55万元；6.原材料及标（样本）购置费：存储数据硬盘，光盘等附属必要材料，0.3万元；7.资料及出版物编印费：因课题需要购买的书籍，资料，一篇EI（2000元）

26、，二篇核心期刊（15002=3000元）， 0.5万元；8.专家咨询费：因课题需要，开咨询会咨询课题相关的疑难问题，0.2万；9.其他业务费：0.1万元；共计：3万元。四、推荐意见（凡具有高级技术职称的申请者可免填此项）1推荐人意见（若为博士生或博士后申请，请指导或合作老师签署意见）推荐人（签名）专业技术职称专长 二年月日 2推荐人意见推荐人（签名）专业技术职称专长 二年月日五、审核意见1申请人所在单位意见 签 章 二0 年 月 日2联合申请单位意见联合申请单位 签 章 二0 年 月 日3实验室学术负责人意见负责人（签字）单位（公章）二0 年 月 日4实验室学术委员会审批意见 学术委员会主任二0 年 月 日（签字）15 / 16