差分GPS實(shí)現(xiàn)探地雷達(dá)圖像地形校正方法研究

李雙飛，李家存，張 迪

(1.首都師范大學(xué)資源環(huán)境與旅游學(xué)院，北京 100048；2.資源環(huán)境與地理信息系統(tǒng)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100081；3.河南工程學(xué)院，鄭州 451191)

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差分GPS實(shí)現(xiàn)探地雷達(dá)圖像地形校正方法研究

李雙飛1,2，李家存1,2，張 迪3

(1.首都師范大學(xué)資源環(huán)境與旅游學(xué)院，北京 100048；2.資源環(huán)境與地理信息系統(tǒng)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100081；3.河南工程學(xué)院，鄭州 451191)

針對(duì)在地形起伏較大的區(qū)域探地雷達(dá)獲取的圖像不能表達(dá)地形變化的缺點(diǎn)，通過(guò)探地雷達(dá)與差分GPS同步采集記錄數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)探地雷達(dá)圖像與GPS數(shù)據(jù)時(shí)間同步，選擇某一標(biāo)準(zhǔn)水準(zhǔn)面為參考面，根據(jù)時(shí)間位移和線性插值方法，將探地雷達(dá)數(shù)據(jù)進(jìn)行時(shí)深轉(zhuǎn)換，從而實(shí)現(xiàn)探地雷達(dá)地形校正。探地雷達(dá)圖像地形校正前后對(duì)比表明此方法在保留地下介質(zhì)體水平方向分布特征的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)了探地雷達(dá)圖像在垂直方向的精確校正，對(duì)地下目標(biāo)的解譯和精確定位有很大的幫助，對(duì)淺層活動(dòng)斷層探測(cè)具有一定的實(shí)際意義。

探地雷達(dá)；GPR；差分GPS；地形校正；時(shí)深轉(zhuǎn)換；時(shí)間位移

探地雷達(dá)作為一種新型的探測(cè)工具，利用電磁波的反射吸收特性，以脈沖的形式探測(cè)介質(zhì)內(nèi)部的分布規(guī)律，具有操作簡(jiǎn)單、分辨率高、成本低、易于操作等特點(diǎn)[1]，在農(nóng)業(yè)、軍事、考古、橋梁、水文、環(huán)境等方面應(yīng)用具有很大的優(yōu)勢(shì)[2]，在地質(zhì)勘探，尤其是淺層地質(zhì)構(gòu)造斷層探測(cè)更是優(yōu)勢(shì)明顯[3]。傳統(tǒng)的地質(zhì)構(gòu)造探測(cè)基于探槽開(kāi)挖和地震波發(fā)射探測(cè)，工作周期較長(zhǎng)，成本較高，對(duì)地表層面環(huán)境具有破壞。探地雷達(dá)利用電磁波在不同介質(zhì)傳播，反映出不同的傳播時(shí)間、電磁波強(qiáng)度而表現(xiàn)不同的幾何形態(tài)[4]，以二維圖像的形式表現(xiàn)介質(zhì)內(nèi)部特征。在平坦的表層探測(cè)活動(dòng)斷層時(shí)，顯示效果較好，能準(zhǔn)確表現(xiàn)地下斷層空間分布形態(tài)；然而在地面起伏較大的探測(cè)區(qū)，地表起伏可能導(dǎo)致探測(cè)結(jié)果圖像的表現(xiàn)產(chǎn)生畸變，需要根據(jù)地形起伏對(duì)探測(cè)結(jié)果進(jìn)行圖像校正[5]。目前，多利用全站儀[6]、激光測(cè)繪、激光水準(zhǔn)儀、GPS多點(diǎn)定位[7]等技術(shù)實(shí)現(xiàn)地形數(shù)據(jù)與探地雷達(dá)數(shù)據(jù)疊加處理來(lái)消除地形起伏帶來(lái)的探地雷達(dá)圖像的畸變，但是這些方法存在工作量大、準(zhǔn)確度不高和設(shè)備成本高等缺點(diǎn)，在道間距較小、測(cè)線長(zhǎng)度較長(zhǎng)等工作量大的區(qū)域不太適合。本文結(jié)合差分GPS等技術(shù)，提出采用探地雷達(dá)與GPS同步采集數(shù)據(jù)方式，根據(jù)設(shè)置的采集步距和測(cè)距輪最小探測(cè)精度等參數(shù)，將探地雷達(dá)與GPS進(jìn)行時(shí)間同步，以測(cè)線上最高點(diǎn)水平面為參考面，對(duì)探地雷達(dá)數(shù)據(jù)進(jìn)行地形校正。

1 探地雷達(dá)地形校正原理

探地雷達(dá)地形校正的方法參考地震勘探領(lǐng)域的地震波靜校正原理，把地表面上方一定距離的水平面作為探地雷達(dá)數(shù)據(jù)校正的統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)參考面，將各道數(shù)據(jù)的樣本點(diǎn)雙程傳播時(shí)間統(tǒng)一到標(biāo)準(zhǔn)參考面，從而完成探地雷達(dá)的地形校正[8]。探地雷達(dá)在地形起伏較大的區(qū)域采集數(shù)據(jù)(見(jiàn)圖1)，假設(shè)測(cè)區(qū)地下介質(zhì)層質(zhì)地均勻，探地雷達(dá)采集的原始數(shù)據(jù)二維剖面應(yīng)如圖2a所示。由于地形起伏，探地雷達(dá)采集的數(shù)據(jù)在垂直方向發(fā)生錯(cuò)移，最終造成介質(zhì)層探測(cè)結(jié)果產(chǎn)生畸變。為了準(zhǔn)確表達(dá)地下目標(biāo)物的分布，根據(jù)時(shí)間位移原理[9]，運(yùn)用電磁波雙程傳播公式Δt=-2h(x)/v(Δt為電磁波在介質(zhì)體的雙程傳播時(shí)間，ms；h為目標(biāo)物距離地面的深度，m；v為電磁波在介質(zhì)體內(nèi)的傳播速度，m/ms)，將電磁波在標(biāo)準(zhǔn)參考面和地表面的距離轉(zhuǎn)換為傳播時(shí)間，并與樣本點(diǎn)在介質(zhì)體內(nèi)的傳播時(shí)間進(jìn)行結(jié)合，獲得樣本點(diǎn)到標(biāo)準(zhǔn)參考面的統(tǒng)一傳播時(shí)間，實(shí)現(xiàn)探地雷達(dá)數(shù)據(jù)的地形校正，校正后的探地雷達(dá)圖像能夠真實(shí)準(zhǔn)確地反映介質(zhì)層分布狀況(見(jiàn)圖2b)。

圖1 探地雷達(dá)起伏地形采集數(shù)據(jù)Fig.1 GPR data collected at rough terrains

圖2 探地雷達(dá)地形校正前后二維剖面對(duì)比Fig.2 The 2D profiles of original and adjusted GPR images

2 探地雷達(dá)地形校正

探地雷達(dá)地形校正系統(tǒng)分為數(shù)據(jù)同步采集和數(shù)據(jù)處理校正兩部分。探地雷達(dá)同步采集系統(tǒng)主要采用探地雷達(dá)與GPS設(shè)備進(jìn)行硬件的改造和集成，實(shí)現(xiàn)探地雷達(dá)在測(cè)線上采集地下目標(biāo)物分布信息數(shù)據(jù)的同時(shí)記錄差分GPS數(shù)據(jù)，為探地雷達(dá)時(shí)間同步提供基礎(chǔ)[10]；數(shù)據(jù)處理校正主要是對(duì)GPS數(shù)據(jù)后處理和對(duì)探地雷達(dá)數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波，然后對(duì)其時(shí)間同步，建立統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)參考面，根據(jù)時(shí)間位移和分段插值理論，實(shí)現(xiàn)探地雷達(dá)圖像的地形校正。

2.1 探地雷達(dá)與GPS數(shù)據(jù)同步采集

探地雷達(dá)與差分GPS同步采集系統(tǒng)包括探地雷達(dá)、GPS和數(shù)據(jù)采集計(jì)算機(jī)(見(jiàn)圖3)，探地雷達(dá)主機(jī)與GPS流動(dòng)站通過(guò)串口進(jìn)行連接，探地雷達(dá)主機(jī)與計(jì)算機(jī)通過(guò)RJ45接口與USB接口連接。探地雷達(dá)天線正上方中心位置安裝GPS流動(dòng)站，使其與探地雷達(dá)天線中心位置水平重合[11]。

采集工作開(kāi)始前架設(shè)GPS基站，完成GPS設(shè)備的準(zhǔn)備工作，設(shè)置探地雷達(dá)采集間距和采集參數(shù)。在拖動(dòng)探地雷達(dá)天線按照測(cè)線采集數(shù)據(jù)時(shí)，測(cè)距輪轉(zhuǎn)動(dòng)觸發(fā)內(nèi)部光敏傳感器，產(chǎn)生電流脈沖，探地雷達(dá)主機(jī)接收到脈沖信號(hào)時(shí)向GPS流動(dòng)站發(fā)出采集指令，GPS流動(dòng)站記錄數(shù)據(jù)，同時(shí)探地雷達(dá)主機(jī)判斷水平位移是否達(dá)到采集間距，如果達(dá)到采集間距則探地雷達(dá)天線開(kāi)始工作，發(fā)射和接收電磁波，并記錄每道采集數(shù)據(jù)。采集原理示意圖見(jiàn)圖4。

圖3 探地雷達(dá)與差分GPS同步采集系統(tǒng)Fig.3 GPR and DGPS data synchronous acquisition system

圖4 探地雷達(dá)與差分GPS同步采集原理Fig.4 The principle of synchronous acquisition

2.2 探地雷達(dá)地形校正數(shù)據(jù)處理

探地雷達(dá)地形校正處理是對(duì)同步采集系統(tǒng)獲取的GPS數(shù)據(jù)和探地雷達(dá)數(shù)據(jù)分別進(jìn)行處理，并進(jìn)行時(shí)間同步，建立標(biāo)準(zhǔn)參考面，實(shí)現(xiàn)對(duì)探地雷達(dá)圖像進(jìn)行地形校正。地形校正處理主要工作分為三個(gè)部分：首先對(duì)GPS基站數(shù)據(jù)和流動(dòng)站數(shù)據(jù)進(jìn)行后處理(見(jiàn)圖5)，獲取準(zhǔn)確的坐標(biāo)信息；其次對(duì)探地雷達(dá)數(shù)據(jù)進(jìn)行解震蕩濾波、時(shí)間零點(diǎn)校正、信號(hào)增益、背景去噪、帶通濾波和數(shù)據(jù)平滑等處理(見(jiàn)圖6)，獲取較為準(zhǔn)確雷達(dá)圖像的數(shù)據(jù)；最后通過(guò)測(cè)距輪最小測(cè)量精度和探地雷達(dá)測(cè)量步距等參數(shù)信息，對(duì)探地雷達(dá)數(shù)據(jù)和GPS數(shù)據(jù)進(jìn)行時(shí)間同步，建立以測(cè)線最高點(diǎn)水準(zhǔn)面為基礎(chǔ)的標(biāo)準(zhǔn)參考面，采用時(shí)間位移理論將探地雷達(dá)每道數(shù)據(jù)樣本點(diǎn)電磁波傳播時(shí)間統(tǒng)一到參考面，從而實(shí)現(xiàn)探地雷達(dá)圖像進(jìn)行地形校正[12]。

2.2.1 GPS數(shù)據(jù)后處理

GPS數(shù)據(jù)后差分處理利用POSGPS軟件實(shí)現(xiàn)，實(shí)現(xiàn)過(guò)程：首先將Trimble GPS基站和流動(dòng)站獲取的原始DAT數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換為GPB格式，新建工程文件并導(dǎo)入轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)，在導(dǎo)入數(shù)據(jù)過(guò)程中分別輸入基站天線高和流動(dòng)站天線高；然后進(jìn)行差分處理，差分處理方向?yàn)殡p向，靜態(tài)初始化為浮點(diǎn)方案，模糊度結(jié)算為自動(dòng)解算；最后按照自定義格式輸出處理結(jié)果[13]。

2.2.2 探地雷達(dá)數(shù)據(jù)濾波處理

探地雷達(dá)數(shù)據(jù)濾波處理通過(guò)商用軟件Reflex對(duì)原始數(shù)據(jù)解震蕩濾波、時(shí)間零點(diǎn)校正、信號(hào)增益、背景去噪、帶通濾波、數(shù)據(jù)平滑、數(shù)據(jù)裁剪等操作，以提高探地雷達(dá)數(shù)據(jù)質(zhì)量，為探地雷達(dá)地形校正和信息解譯提供支持[14]。解震蕩濾波是對(duì)設(shè)定的起始時(shí)間和結(jié)束時(shí)間之間范圍的每道數(shù)據(jù)的各樣點(diǎn)做平均，每道數(shù)據(jù)減去平均值，去除上道數(shù)據(jù)造成的直流成分和直流偏移；時(shí)間零點(diǎn)校正讀取第一次波峰或波谷處的時(shí)間數(shù)值，根據(jù)這一時(shí)間數(shù)值去除電磁波在空氣層中傳播的時(shí)間，校正探地雷達(dá)電磁波在介質(zhì)體實(shí)際傳播時(shí)間，提高介質(zhì)體深度探測(cè)精度；信號(hào)增益是根據(jù)電磁波信號(hào)平均振幅衰減曲線對(duì)Y方向進(jìn)行放大，減少信號(hào)在介質(zhì)體在傳播過(guò)程中的衰減，增加可視化效果[15]；背景去噪通過(guò)對(duì)選定道數(shù)在整個(gè)剖面消除一致性的噪聲，抑制水平一致性的能量，使雷達(dá)電磁波信號(hào)清晰；帶通濾波通過(guò)不同頻率探地雷達(dá)天線對(duì)應(yīng)的低切頻率和高切頻率對(duì)每道數(shù)據(jù)用遞歸濾波進(jìn)行帶通濾波，實(shí)現(xiàn)噪聲抑制；數(shù)據(jù)平滑對(duì)每個(gè)時(shí)間段選定的數(shù)據(jù)進(jìn)行滑動(dòng)平均，消除數(shù)據(jù)在水平方向上的能量散射。圖7為探地雷達(dá)處理前后圖像，經(jīng)過(guò)處理的探地雷達(dá)圖像能夠清楚反映介質(zhì)體內(nèi)部分布特征。

圖5 差分GPS數(shù)據(jù)后處理流程Fig.5 Post-processing DGPS data

圖6 探地雷達(dá)數(shù)據(jù)后處理流程Fig.6 The post-processing of GPR data

圖7 探地雷達(dá)數(shù)據(jù)處理前后圖像Fig.7 The original and post-processing GPR images

2.2.3 探地雷達(dá)時(shí)間同步和地形校正

探地雷達(dá)同步采集系統(tǒng)在工作過(guò)程中，探地雷達(dá)記錄數(shù)據(jù)觸發(fā)條件為步距，即測(cè)距輪移動(dòng)到設(shè)定的位移時(shí)記錄數(shù)據(jù)，而GPS記錄數(shù)據(jù)為固定頻率，不同的數(shù)據(jù)記錄頻率造成探地雷達(dá)與GPS數(shù)據(jù)時(shí)間不同步。

為解決這一問(wèn)題，本文利用探地雷達(dá)測(cè)距輪最小測(cè)距單位和數(shù)據(jù)采集步距，根據(jù)兩個(gè)數(shù)據(jù)的時(shí)間信息，從GPS數(shù)據(jù)中提取出與探地雷達(dá)時(shí)間相同的有效GPS數(shù)據(jù)，然后利用此數(shù)據(jù)作為探地雷達(dá)地形校正的參考平面，采用時(shí)間位移原理和樣本插值方法，對(duì)探地雷達(dá)采集的每道數(shù)據(jù)的樣本點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)校正，使其每一樣本點(diǎn)的電磁波在介質(zhì)體內(nèi)的傳播時(shí)間統(tǒng)一在參考面上，真實(shí)準(zhǔn)確地反映介質(zhì)體的分布和構(gòu)造(見(jiàn)圖8)。

圖8 數(shù)據(jù)融合與地形校正Fig.8 Data fusion and terrain correction

2.3 地形校正處理結(jié)果與分析

圖9a為經(jīng)過(guò)濾波處理產(chǎn)生的探地雷達(dá)剖面圖，水平方向從左到右為探地雷達(dá)運(yùn)動(dòng)方向，垂直方向?yàn)殡姶挪ㄔ诮橘|(zhì)體傳播方向。從圖9a可以看出，在水平方向32～38 m和82～92 m出現(xiàn)明顯的反射區(qū)域，在140 m與160 m處存在反射異常；垂直方向上，根據(jù)探地雷達(dá)圖像特征在地下1.5 m附近繪制地下介質(zhì)體分層面，在地下0.8 m附近有一小段分層。圖9b為地形校正后的探地雷達(dá)剖面圖，根據(jù)圖像特征對(duì)剖面圖進(jìn)行解譯。探地雷達(dá)圖像地形校正前后對(duì)比顯示，在水平方向上，反射異常區(qū)域與校正前反射異常位置一致；在垂直方向上，經(jīng)過(guò)地形校正介質(zhì)體分層面隨地形起伏，與實(shí)際情況一致，發(fā)射異常區(qū)域在垂直方向與原圖像存在差異，校正后圖像更能反映實(shí)際情況。

圖9 地形校正前后探地雷達(dá)剖面圖Fig.9 The original and adjusted GPR images

3 結(jié)論

利用探地雷達(dá)與差分GPS同步采集獲取雷達(dá)數(shù)據(jù)，根據(jù)時(shí)間特征對(duì)探地雷達(dá)和GPS進(jìn)行時(shí)間同步，生成以測(cè)線最高點(diǎn)水平面為基準(zhǔn)的標(biāo)準(zhǔn)參考面，采用時(shí)間位移原理和樣本插值方法，對(duì)雷達(dá)剖面數(shù)據(jù)進(jìn)行校正。實(shí)驗(yàn)證明，此方法對(duì)參地形校正的效果明顯，通過(guò)地形校正能夠獲得與實(shí)際情況較為一致的剖面結(jié)果，對(duì)介質(zhì)體內(nèi)目標(biāo)物的分布和深度探測(cè)具有一定的意義。

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TOPOGRAPHIC CORRECTION OF GPR PROFILES BASED ON DIFFERENTIAL GPS

LI Shuang-fei1,2, LI Jia-cun1,2, ZHANG Di3

(1.College of Resource Environment and Tourism, Capital Normal University, Beijing 100048, China;2.KeyLaboratoryof3-DimensionalInformationAcquisitionandApplication,MinistryofEducation,Beijing100048,China;3.HenanInstituteofEngineering,Zhengzhou451191,China)

As a new type of ground detection technology, Ground Penetrating Radar (GPR) has advantages of high resolution and fast survey and no damage in detection，especially in the exploration of shallow active fault. However, the result image of GPR is not consistent with the objective facts in undulated areas. This paper presents a new method to correct the topographic distortion of GPR image: GPR and GPS are combined to collect and record data at the same time, achieving time synchronization between the GPR data and GPS data. Specifically, through time shifting and linear interpolation method, taking a standard level for

urface, converting the time-depth of GPR data, finally achieving topographic correction. Contrast the original GPR image and adjusted GPR image, it shows that the method can correctly express the distribution characteristics of underground medium, and it is helpful to interpret and position the underground target, especially in the shallow active fault detection program.

ground penetrating radar; GPR; DGPS; topographic correction; time-depth conversion; time-displacement

1006-6616(2016)03-0771-07

2016-05-30

中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局地質(zhì)調(diào)查項(xiàng)目(121201104000150010，12120114002101)

李雙飛(1991-)，男，碩士研究生，主要從事探地雷達(dá)技術(shù)與地學(xué)應(yīng)用研究。E-mail：lishuangfei_gis@163.com

李家存(1974-)，男，博士，副教授，從事遙感技術(shù)應(yīng)用與研究。E-mail：lijiacun@163.com

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