CN112485834B - 一种多车道路基三维检测与成像方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种多车道路基三维检测与成像方法，包括：搭建道路基三维检测系统；建立三维坐标系XYZ：沿道路前进方向为Y轴，路基横截面向右方向为X轴，垂直路基向下方向为Z轴，因此，Z轴方向与雷达天线K的方向相同；车辆设备拖拽三维检测设备沿路线从起点位置A向终点位置B行进，每行进到一个采样点，进行三维地质探测；对探测区域进行三维成像。本发明提供一种多车道路基三维检测与成像方法，该方法具有使用方便，探测过程便捷、高效、探测范围广、探测成果三维处理及成像等特点，具有很强的适用性。

Description

一种多车道路基三维检测与成像方法

技术领域

本发明属于道路探测检测技术领域，具体涉及一种多车道路基三维检测与成像方法。

背景技术

近年来，全国多地城市路基塌陷事故频发，坍塌事故往往造成严重交通拥堵，甚至造成人员伤亡等，地面塌陷是天然洞穴或人工洞室上覆岩土体失稳突然陷落，导致的地面快速下沉、开裂的现象和过程，是主要的地质灾害之一。导致城市地面塌陷的因素很多，包括天然的地质条件变化，如岩溶发育、松软地层和不同时代阶地等，还包括人为活动的影响，即超采地下水、地下采矿、地铁施工、地基施工和管道漏水等。路基塌陷的发生，严重威胁着当地的经济建设和人民生命财产安全。

路基塌陷的发生、发展会引起地球物理场的变化，因此，可通过物探方法进行路基探测，获取路基下地质情况。现有技术中，普遍采用地质雷达法进行路基塌陷探测，然后，传统地质雷达探测方法，仅能对某一线性探测面进行探测，探测效率低，也无法全面反应路基区域探测结果。

发明内容

针对现有技术存在的缺陷，本发明提供一种多车道路基三维检测与成像方法，可有效解决上述问题。

本发明采用的技术方案如下：

本发明提供一种多车道路基三维检测与成像方法，包括以下步骤：

步骤1，搭建道路基三维检测系统；所述道路基三维检测系统包括车辆设备以及位于所述车辆设备尾部的三维检测设备；其中，所述三维检测设备包括联结装置以及n个雷达天线；n个雷达天线的一端均与所述联结装置连接，各个所述雷达天线在垂直面以联结装置为原点，均匀发射布置；将位于中心位置的雷达天线表示为雷达天线K，雷达天线K的布置方向为垂直向下方向，其余n-1个雷达天线，以雷达天线K为对称线左右对称布置；其余n-1个雷达天线，与雷达天线K之间的夹角保持固定不变；

步骤2，当需要探测起点位置A到终点位置B之间区域道路基的三维地质情况时，将起点位置A到终点位置B的路线按采样间隔划分形成m个采样点，将m个采样点按序依次表示为第1采样点P₁,第2采样点P₂,…,第m采样点P_m；

步骤3，建立三维坐标系XYZ：沿道路前进方向为Y轴，路基横截面向右方向为X轴，垂直路基向下方向为Z轴，因此，Z轴方向与雷达天线K的方向相同；

步骤4，车辆设备拖拽三维检测设备沿路线从起点位置A向终点位置B行进，每当行进到任意第i采样点P_i时，i＝1,2,...,m，采用以下方法对第i采样点P_i对应的路基纵截面进行三维探测，得到第i采样点P_i对应的数据记录集合，并传输到处理平台；

步骤4.1，对n个雷达天线的伸缩长度进行调节，使n个雷达天线的末端紧贴路基路面；

步骤4.2，控制n个雷达天线同时沿自身轴线方向向路基发射电磁脉冲，并记录不断接收到的反射波的双程走时t和振幅A，由此得到第i采样点P_i对应的n条数据记录组成的数据记录集合，即：第1个雷达天线对应的数据记录,第2个雷达天线对应的数据记录,...,第n个雷达天线对应的数据记录；

步骤5，当从起点位置A到终点位置B完成三维检测后，采用以下方法，进行三维成像：

步骤5.1，处理平台读取数据记录，获得每个采样点对应的数据记录集合；以第1采样点P₁所在位置的Y轴坐标为0，则对于任意的第i采样点P_i，通过以下方法获得其沿Y轴的坐标y_i:

y_i＝(i-1)＊L_AB/(m-1)

其中：L_AB代表从起点位置A到终点位置B的路线长度；

步骤5.2，第i采样点P_i对应n个雷达天线数据记录，对于任意的第j个雷达天线数据记录，j＝1,2,...,n，包括u组数据记录，每组数据记录对应一个子采样点，分别为：子采样点D₁(双程走时t₁，振幅A₁)，子采样点D₂(双程走时t₂，振幅A₂)，...，子采样点D_u(双程走时t_u，振幅A_u)；

对于任意第v组数据记录，v＝1,2,...,u，对应子采样点D_v，其双程走时t_v，振幅A_v，采用以下方法，得到其三维坐标(x_v,y_v,z_v)以及对应的地质检测数据λ_v；三维坐标(x_v,y_v,z_v)和地质检测数据λ_v形成三维地质参数(x_v,y_v,z_v,λ_v)；

1)由于第i采样点P_i对应的所有数据记录，位于同一路基纵截面，因此，y_v＝y_i；

2)获得第j个雷达天线与Z轴方向的夹角，表示为α_j；

3)将电磁波在路基内的传播速度记作w，则从原点O到子采样点D_v之间的距离L(O-D_v)为：

L(O-D_v)＝w*t_v/2；

4)x_v和z_v通过以下公式计算得到：

z_v＝-cosα_j*L(O-D_v)

x_v＝sinα_j*L(O-D_v)

5)对振幅A进行数字信号处理，得到处理后的地质检测数据λ_v；

因此，对于第i采样点P_i对应的每个雷达天线方向，均可获得u个子采样点的三维地质参数；

由于第i采样点P_i共对应n个不同的雷达天线方向，由此可形成第i采样点P_i所在路基剖面的n＊u个子采样点的三维地质参数；

步骤5.3，对于起点位置A向终点位置B的检测区域，共获得m个路基剖面，每个路基剖面获得n＊u个子采样点的三维地质参数；

预设置地质检测数据λ与显示色彩之间的对应关系，通过三维成像软件，首先形成起点位置A向终点位置B的检测区域的三维路基体模型；再根据子采样点的三维坐标，在三维路基体模型中定位到对应位置B，再根据地质检测数据与显示色彩之间的对应关系，在位置B显示对应色彩；从而实现路基三维地质成像。

本发明提供的一种多车道路基三维检测与成像方法具有以下优点：

本发明提供一种多车道路基三维检测与成像方法，该方法具有使用方便，探测过程便捷、高效、探测范围广、探测成果三维处理及成像等特点，具有很强的适用性。

附图说明

图1为本发明提供的一种多车道路基三维检测与成像方法的原理示意图。

其中：

1—被探测路基；2—道路基三维检测系统；3—雷达天线；4—雷达天线与Z轴方向夹角。

具体实施方式

为了使本发明所解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

传统地质雷达探测具有以下不足：(1)地质雷达探测结果为波形图，表达不直观；(2)探测方式为线性探测，探测结果仅表现为某一线性探测面的探测结果，对于路基区域探测结果较为片面，不能全面探测路基区域地下地质情况，存在漏探可能。

基于此，本发明提供一种多车道路基三维检测与成像方法，实现路基区地质雷达快速精确的三维探测，探测结果采用三维成像方式，表达直观。本发明方法还具有使用方便，探测过程便捷、高效、探测范围广、探测成果三维处理及成像等特点，具有很强的适用性。

参考图1，本发明提供一种多车道路基三维检测与成像方法，具有便捷、高效、高精度的特点，包括以下步骤：

步骤1，搭建道路基三维检测系统；所述道路基三维检测系统包括车辆设备以及位于所述车辆设备尾部的三维检测设备；其中，所述三维检测设备包括联结装置以及n个雷达天线；n个雷达天线的一端均与所述联结装置连接，各个所述雷达天线在垂直面以联结装置为原点O，均匀发射布置；将位于中心位置的雷达天线表示为雷达天线K，雷达天线K的布置方向为垂直向下方向，其余n-1个雷达天线，以雷达天线K为对称线左右对称布置；其余n-1个雷达天线，与雷达天线K之间的夹角保持固定不变；在图1中，共显示出5个雷达天线，分别为雷达天线R1，雷达天线R2，雷达天线R3，雷达天线R4和雷达天线R5，其中，雷达天线R3为位于中心位置的雷达天线，即为雷达天线K。每个雷达天线与雷达天线K的夹角已知且固定。

步骤2，当需要探测起点位置A到终点位置B之间区域道路基的三维地质情况时，将起点位置A到终点位置B的路线按采样间隔划分形成m个采样点，将m个采样点按序依次表示为第1采样点P₁,第2采样点P₂,…,第m采样点P_m；

步骤3，建立三维坐标系XYZ：沿道路前进方向为Y轴，路基横截面向右方向为X轴，垂直路基向下方向为Z轴，因此，Z轴方向与雷达天线K的方向相同；

步骤4，车辆设备拖拽三维检测设备沿路线从起点位置A向终点位置B行进，每当行进到任意第i采样点P_i时，i＝1,2,...,m，采用以下方法对第i采样点P_i对应的路基纵截面进行三维探测，得到第i采样点P_i对应的数据记录集合，并传输到处理平台；

步骤4.1，对n个雷达天线的伸缩长度进行调节，使n个雷达天线的末端紧贴路基路面；

步骤4.2，控制n个雷达天线同时沿自身轴线方向向路基发射电磁脉冲，并记录不断接收到的反射波的双程走时t和振幅A，由此得到第i采样点P_i对应的n条数据记录组成的数据记录集合，即：第1个雷达天线对应的数据记录,第2个雷达天线对应的数据记录,...,第n个雷达天线对应的数据记录；

步骤5，当从起点位置A到终点位置B完成三维检测后，采用以下方法，进行三维成像：

步骤5.1，处理平台读取数据记录，获得每个采样点对应的数据记录集合；以第1采样点P₁所在位置的Y轴坐标为0，则对于任意的第i采样点P_i，通过以下方法获得其沿Y轴的坐标y_i:

y_i＝(i-1)＊L_AB/(m-1)

其中：L_AB代表从起点位置A到终点位置B的路线长度；

步骤5.2，第i采样点P_i对应n个雷达天线数据记录，对于任意的第j个雷达天线数据记录，j＝1,2,...,n，包括u组数据记录，每组数据记录对应一个子采样点，分别为：子采样点D₁(双程走时t₁，振幅A₁)，子采样点D₂(双程走时t₂，振幅A₂)，...，子采样点D_u(双程走时t_u，振幅A_u)；

对于任意第v组数据记录，v＝1,2,...,u，对应子采样点D_v，其双程走时t_v，振幅A_v，采用以下方法，得到其三维坐标(x_v,y_v,z_v)以及对应的地质检测数据λ_v；三维坐标(x_v,y_v,z_v)和地质检测数据λ_v形成三维地质参数(x_v,y_v,z_v,λ_v)；

1)由于第i采样点P_i对应的所有数据记录，位于同一路基纵截面，因此，y_v＝y_i；

2)获得第j个雷达天线与Z轴方向的夹角，表示为α_j；

3)将电磁波在路基内的传播速度记作w，则从原点O到子采样点D_v之间的距离L(O-D_v)为：

L(O-D_v)＝w*t_v/2；

4)x_v和z_v通过以下公式计算得到：

z_v＝-cosα_j*L(O-D_v)

x_v＝sinα_j*L(O-D_v)

5)对振幅A进行数字信号处理，得到处理后的地质检测数据λ_v；

因此，对于第i采样点P_i对应的每个雷达天线方向，均可获得u个子采样点的三维地质参数；

由于第i采样点P_i共对应n个不同的雷达天线方向，由此可形成第i采样点P_i所在路基剖面的n＊u个子采样点的三维地质参数；

步骤5.3，对于起点位置A向终点位置B的检测区域，共获得m个路基剖面，每个路基剖面获得n＊u个子采样点的三维地质参数；

预设置地质检测数据λ与显示色彩之间的对应关系，通过三维成像软件，首先形成起点位置A向终点位置B的检测区域的三维路基体模型；再根据子采样点的三维坐标，在三维路基体模型中定位到对应位置B，再根据地质检测数据与显示色彩之间的对应关系，在位置B显示对应色彩；从而实现路基三维地质成像。

下面介绍一个具体实施例：

1、地质雷达天线和处理平台保证数据正常传输；

2、将地质雷达天线集成装置形成的三维检测设备安装到车辆设备尾部，并通过车辆设备拖拽行驶至路基探测区域的起点位置；

3、建立直角坐标系，以垂直路基向下为Z轴，沿道路前进方向为Y轴，路基横截面向右方法为X轴，天线汇合点所在位置坐标为(0，Y，0)；

4、对地质雷达天线进行编号，并调整、记录各地质雷达天线与Z轴方向夹角；

5、车辆设备拖拽三维检测设备按采样间距从路基探测区域的起点位置行进到终点位置；

6、在起点位置到终点位置，共划分形成m个采样点，每个采样点对应一个路基剖面三维数据；

每个路基剖面对应n个射线方向，每个射线方向可获得u个子采样点；通过对雷达天线数据记录进行分析，可获得每个子采样点的三维坐标以及地质检测数据。

因此，根据路基探测区域内各点的三维坐标以及地质检测数据，建立三维模型，最终获得路基探测区内三维地质成像图。

因此，针对目前城市路基塌陷地质雷达法探测存在的不足和问题，特别是探测数据少，探测范围小，二维探测结果不直观，探测效率低等问题，本发明提供一种多车道路基三维检测与成像方法，该方法具有使用方便，探测过程便捷、高效、探测范围广、探测成果三维处理及成像等特点，具有很强的适用性。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视本发明的保护范围。

Claims (1)

1.一种多车道路基三维检测与成像方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，搭建道路基三维检测系统；所述道路基三维检测系统包括车辆设备以及位于所述车辆设备尾部的三维检测设备；其中，所述三维检测设备包括联结装置以及n个雷达天线；n个雷达天线的一端均与所述联结装置连接，各个所述雷达天线在垂直面以联结装置为原点，均匀发射布置；将位于中心位置的雷达天线表示为雷达天线K，雷达天线K的布置方向为垂直向下方向，其余n-1个雷达天线，以雷达天线K为对称线左右对称布置；其余n-1个雷达天线，与雷达天线K之间的夹角保持固定不变；

步骤2，当需要探测起点位置A到终点位置B之间区域道路基的三维地质情况时，将起点位置A到终点位置B的路线按采样间隔划分形成m个采样点，将m个采样点按序依次表示为第1采样点P₁,第2采样点P₂,…,第m采样点P_m；

步骤3，建立三维坐标系XYZ：沿道路前进方向为Y轴，路基横截面向右方向为X轴，垂直路基向下方向为Z轴，因此，Z轴方向与雷达天线K的方向相同；

步骤4，车辆设备拖拽三维检测设备沿路线从起点位置A向终点位置B行进，每当行进到任意第i采样点P_i时，i＝1,2,...,m，采用以下方法对第i采样点P_i对应的路基纵截面进行三维探测，得到第i采样点P_i对应的数据记录集合，并传输到处理平台；

步骤4.1，对n个雷达天线的伸缩长度进行调节，使n个雷达天线的末端紧贴路基路面；

步骤4.2，控制n个雷达天线同时沿自身轴线方向向路基发射电磁脉冲，并记录不断接收到的反射波的双程走时t和振幅A，由此得到第i采样点P_i对应的n条数据记录组成的数据记录集合，即：第1个雷达天线对应的数据记录,第2个雷达天线对应的数据记录,...,第n个雷达天线对应的数据记录；

步骤5，当从起点位置A到终点位置B完成三维检测后，采用以下方法，进行三维成像：

步骤5.1，处理平台读取数据记录，获得每个采样点对应的数据记录集合；以第1采样点P₁所在位置的Y轴坐标为0，则对于任意的第i采样点P_i，通过以下方法获得其沿Y轴的坐标y_i:

y_i＝(i-1)＊L_AB/(m-1)

其中：L_AB代表从起点位置A到终点位置B的路线长度；

步骤5.2，第i采样点P_i对应n个雷达天线数据记录，对于任意的第j个雷达天线数据记录，j＝1,2,...,n，包括u组数据记录，每组数据记录对应一个子采样点，分别为：子采样点D₁(双程走时t₁，振幅A₁)，子采样点D₂(双程走时t₂，振幅A₂)，...，子采样点D_u(双程走时t_u，振幅A_u)；

对于任意第v组数据记录，v＝1,2,...,u，对应子采样点D_v，其双程走时t_v，振幅A_v，采用以下方法，得到其三维坐标(x_v,y_v,z_v)以及对应的地质检测数据λ_v；三维坐标(x_v,y_v,z_v)和地质检测数据λ_v形成三维地质参数(x_v,y_v,z_v,λ_v)；

1)由于第i采样点P_i对应的所有数据记录，位于同一路基纵截面，因此，y_v＝y_i；

2)获得第j个雷达天线与Z轴方向的夹角，表示为α_j；

3)将电磁波在路基内的传播速度记作w，则从原点O到子采样点D_v之间的距离L(O-D_v)为：

L(O-D_v)＝w*t_v/2；

4)x_v和z_v通过以下公式计算得到：

z_v＝-cosα_j*L(O-D_v)

x_v＝sinα_j*L(O-D_v)

5)对振幅A进行数字信号处理，得到处理后的地质检测数据λ_v；

因此，对于第i采样点P_i对应的每个雷达天线方向，均可获得u个子采样点的三维地质参数；

由于第i采样点P_i共对应n个不同的雷达天线方向，由此可形成第i采样点P_i所在路基剖面的n＊u个子采样点的三维地质参数；

步骤5.3，对于起点位置A向终点位置B的检测区域，共获得m个路基剖面，每个路基剖面获得n＊u个子采样点的三维地质参数；

预设置地质检测数据λ与显示色彩之间的对应关系，通过三维成像软件，首先形成起点位置A向终点位置B的检测区域的三维路基体模型；再根据子采样点的三维坐标，在三维路基体模型中定位到对应位置B，再根据地质检测数据与显示色彩之间的对应关系，在位置B显示对应色彩；从而实现路基三维地质成像。

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