第４２卷第４期２０１９年４月
测绘与空间地理信息
ＧＥＯＭＡＴＩＣＳ＆ＳＰＡＴＩＡＬＩＮＦＯＲＭＡＴＩＯＮＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ
Ｖｏｌ.４２ꎬＮｏ.４Ａｐｒ.ꎬ２０１９
收稿日期:２０１８－０５－０７
作者简介：杨红伟(１９６６－)ꎬ男ꎬ吉林四平人ꎬ高级工程师ꎬ主要从事土地规划及勘测工作ꎮ
地质雷达探测精度的分析与研究
杨红伟１ꎬ薛晓轩２
(１.吉林省四平市土地勘测规划队ꎬ吉林四平１３６０００ꎻ２.吉林省基础测绘院ꎬ吉林四平１３６０００)
摘要：随着地理信息技术逐步提高ꎬ地质雷达在地质勘查㊁交通工程和结构探测等传统领域得到进一步发展ꎬ
其应用范围还扩展到地下管线探测㊁考古与文物保护㊁地理国情监测㊁土地资源与环境监测等与测绘科学有关的专业技术领域ꎮ目前ꎬ我国关于地质雷达探测没有统一的技术标准与规范ꎬ为了填补空白ꎬ本文通过大量实验验证地质雷达的探测精度ꎬ并作为编写吉林省地方标准«地质雷达探测测绘技术规程»的依据ꎮ关键词：地质雷达ꎻ探测方法ꎻ精度分析
中图分类号:Ｐ２２５.１㊀㊀㊀文献标识码:Ａ㊀㊀㊀文章编号:１６７２－５８６７(２０１９)０４－０１５０－０３
ＡｎａｌｙｓｉｓａｎｄＲｅｓｅａｒｃｈｏｆＧｅｏｌｏｇｉｃａｌＲａｄａｒＤｅｔｅｃｔｉｏｎＡｃｃｕｒａｃｙ
ＹＡＮＧＨｏｎｇｗｅｉ１ꎬＸＵＥＸｉａｏｘｕａｎ２
(１.ＳｉｐｉｎｇＬａｎｄＳｕｒｖｅｙａｎｄＰｌａｎｎｉｎｇＴｅａｍꎬＪｉｌｉｎＰｒｏｖｉｎｃｅꎬＳｉｐｉｎｇ１３６０００ꎬＣｈｉｎａꎻ
２.ＢａｓｉｃＳｕｒｖｅｙｉｎｇａｎｄＭａｐｐｉｎｇＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＪｉｌｉｎＰｒｏｖｉｎｃｅꎬＳｉｐｉｎｇ１３６０００ꎬＣｈｉｎａ)
Ａｂｓｔｒａｃｔ:Ｗｉｔｈｔｈｅｇｒａｄｕａｌｅｘｔｅｎｓｉｏｎｏｆｇｅｏｇｒａｐｈｉｃａｌ
ａｎｄｓｐａｔｉａｌｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙꎬｇｅｏｌｏｇｉｃａｌｒａｄａｒｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｈａｓｂｅｅｎｆｕｒｔｈｅｒｄｅｖｅｌｏｐｅｄｉｎｔｈｅｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌｆｉｅｌｄｓｓｕｃｈａｓｇｅｏｌｏｇｉｃａｌｅｘｐｌｏｒａｔｉｏｎꎬｔｒａｆｆｉｃｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇａｎｄｓｔｒｕｃｔｕｒａｌｄｅｔｅｃｔｉｏｎꎬａｎｄｉｔｓａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓｃｏｐｅｉｓａｌｓｏｅｘ￣ｔｅｎｄｅｄｔｏｔｈｅｐｒｏｆｅｓｓｉｏｎａｌａｎｄｔｅｃｈｎｉｃａｌｆｉｅｌｄｓｒｅｌａｔｅｄｔｏｓｕｒｖｅｙｉｎｇａｎｄｍａｐｐｉｎｇｓｃｉｅｎｃｅｓｕｃｈａｓｕｎｄｅｒｇｒｏｕｎｄｐｉｐｅｌｉｎｅｄｅｔｅｃｔｉｏｎꎬａｒ￣
ｃｈａｅｏｌｏｇｙａｎｄｃｕｌｔｕｒａｌｒｅｌｉｃｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎꎬｇｅｏｇｒａｐｈｉｃａｌｓｉｔｕａｔｉｏｎｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇꎬｌａｎｄｒｅｓｏｕｒｃｅｓａｎｄｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇꎬｅｔｃ.Ａｔｐｒｅｓｅｎｔꎬｔｈｅｒｅｉｓｎｏｕｎｉｆｏｒｍｓｔａｎｄａｒｄｏｒｓｐｅｃｉｆｉｃａｔｉｏｎｆｏｒｇｅｏｌｏｇｉｃａｌｒａｄａｒｄｅｔｅｃｔｉｏｎｉｎｏｕｒｃｏｕｎｔｒｙ.ＩｎｏｒｄｅｒｔｏｆｉｌｌｔｈｉｓｇａｐꎬａｌｏｔｏｆｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓｈａｖｅｂｅｅｎｐｅｒｆｏｒｍｅｄｔｏｖｅｒｉｆｙｔｈｅｄｅｔｅｃｔｉｏｎａｃｃｕｒａｃｙｏｆｇｅｏｌｏｇｉｃａｌｒａｄａｒꎬＩｔａｌｓｏｓｅｒｖｅｓａｓｔｈｅｂａｓｉｓｆｏｒｔｈｅｐｒｅｐａｒａｔｉｏｎｏｆｔｈｅｌｏｃａｌｓｔａｎｄａｒｄＧｅｏｌｏｇｉｃａｌＲａｄａｒＥｘｐｌｏｒａｔｉｏｎａｎｄＭａｐｐｉｎｇＴｅｃｈｎｉｃａｌＲｅｇｕｌ
ａｔｉｏｎｓｉｎＪｉｌｉｎＰｒｏｖｉｎｃｅ.Ｋｅｙｗｏｒｄｓ:ｇｒｏｕｎｄｐｅｎｅｔｒａｔｉｎｇｒａｄａｒꎻｄｅｔｅｃｔｉｏｎｍｅｔｈｏｄꎻａｃｃｕｒａｃｙａｎａｌｙｓｉｓ
０㊀引㊀言
地质雷达探测是人类探索地下空间和建筑结构的重要技术手段ꎮ地质雷达在测绘领域中的技术指标㊁作业方法等方面的规范尚不成熟ꎮ吉林省测绘地理信息局在２０１６年立项研究«地质雷达探测技术规程»ꎬ旨在建立地下空间信息系统的行业指导性规程ꎮ为了验证地质雷达的探测精度ꎬ先后在白城市㊁敦化市㊁珲春市㊁辽源市㊁吉林市和四平市进行了开挖验证ꎬ其中在四平市进行的是深层探测的验证ꎬ开挖２个点ꎻ其他５个地区进行的是浅部探测和中层探测ꎬ共开挖７０个点ꎮ
将开挖验证数据汇总ꎬ计算出平面误差与埋深误差ꎮ将平面误差和埋深误差分别除以埋深量测值ꎬ计算出平面误差比率和埋深误差比率ꎬ作为衡量探测精度的数学指标ꎮ
１㊀数据获取
数据的获取主要以美国劳雷公司的ＴｅｒｒａＳＩＲｃｈＳＩＲ－
３０００为主ꎬ辅以美国ＳＵＲａｄａｒ公司的ＳｅｅｋｅｒＳＰＲꎬ并与意大利博泰克公司ＲＩＳ采集的数据进行比对ꎬ确认精度指标合理ꎮ这３种设备ꎬ市场占有率达到９０％以上ꎬ具有普遍性ꎮ
试验方法：用地质雷达实地探测点位的平面位置和埋深ꎬ用ＲＴＫ测定平面位置坐标ꎬ然后现场开挖该点位ꎬ实测开挖后的数据与探测数据对比ꎬ寻其精度分布规律ꎮ
１)根据拟定的施工方案布设测线ꎮ测线端点㊁转折点设置标记ꎮ事先在测线上做出测点标记ꎬ连续测量时ꎬ在测线上铺设布皮尺或使用测量轮记录里程ꎮ
２)连接系统各个部件ꎬ主机＋电缆＋天线＋测量轮ꎮ
３)打开数据采集软件ꎬ按照施工前实验确定的数据
采集参数ꎬ选择天线种类㊁设置时窗大小㊁采样率㊁增益㊁滤波参数㊁雷达记录时间零点㊁图像显示模式㊁测量轮分辨率等参数并校准发射子波ꎮ
４)手工记录数据采集时间㊁测线编号㊁测线方向㊁数据文件名㊁数据采集参数㊁测线上的障碍物位置㊁干扰源位置等信息ꎮ
５)数据采集时ꎬ天线沿测线方向匀速移动ꎬ同步绘制雷达测线图ꎬ并标记测线经过的特殊构筑物ꎬ并填写管线探测记录表ꎮ同类测线的数据采集方向宜一致ꎮ６)数据采集时ꎬ在场地允许情况下ꎬ宜使用天线阵雷达进行网格状扫描ꎬ多条测线辅助评定结果ꎮ设计少量的复测工作量ꎬ对探测过程中发现的异常要进行重复探测ꎮ
７)当测线长度超过７５ｍ无特征点时ꎬ应在其直线段上增设直线点ꎬ以控制目标体走向ꎮ个别目标体易于确定的地段直线点间距不得超过１００ｍꎮ当目标体弯曲时ꎬ至少在圆弧起讫点和中点上设置探测点ꎮ当圆弧较大时ꎬ应适当增设探测点ꎬ在进墙㊁进室和自由边处均应设置探测点ꎮ
８)探测点实地编号均为探测线号＋目标体代码＋顺序号ꎮ探测点应在实地用油漆或木桩做标记ꎬ并在附近明显的地方标注其点号ꎮ无法做标记的地方用栓点的方法标明方向和靶距ꎬ并画好示意图ꎮ
２㊀数据处理
数据处理的目标是压制随机噪声和干扰ꎬ突出有效信号ꎬ提高数据的信噪比ꎮ
将数据剪切与合并ꎬ每一条测线形成一个数据文件ꎮ对连续采集的数据进行距离编辑ꎬ使每米的扫描数量相同ꎬ每米２０ ４０个扫描数量合适ꎮ去背景处理ꎬ消除剖面上的水平背景ꎬ包括直达波ꎮ叠加处理ꎬ消除剖面上的杂散干扰波和白噪信号ꎬ改善剖面质量ꎮ反褶积处理ꎬ压制或消除剖面上的多次波ꎬ提高剖面垂向分辨率ꎮ数据滤波处理ꎬ滤波方式可选低通㊁高通㊁带通滤波等ꎮ滤波参数的选取数据采集时设置的滤波参数ꎬ也可以对数据进行频谱分析ꎬ得到较为准确的频率分布ꎬ设定滤波参数进行滤波处理ꎮ如果目标体回波信号幅度较弱ꎬ应对采集的数据进行适当的增益处理ꎬ增益方式可选线性增益㊁平滑增益㊁反比增益㊁指数增益㊁常数增益等ꎮ
偏移处理可根据实际需要开展ꎬ以突出地下管线双曲线形态的ꎬ在数据处理过程中ꎬ一般情况下不采用偏移处理ꎮ应对图像进行增强处理ꎬ包括振幅恢复㊁将同一通道不同反射段内振幅值乘以不同权系数㊁将不同通道记录的振幅值乘以不同的权系数等方法ꎮ以突出有效异常为目的ꎬ对图像进行标调节ꎬ获得最佳的视觉效果ꎮ３㊀解译过程
对雷达剖面进行横向的对比分析ꎬ根据雷达回波在振幅㊁相位及时间上的变化特点圈出异常ꎮ根据异常的形态特征进行异常的分类和筛选ꎮ根据踏勘资料及探测现场记录的干扰源资料ꎬ选出剖面上已知的干扰异常ꎮ对剩下的异常再进行逐一筛选ꎬ进一步区分有效异常和干扰异常ꎮ将有效异常与经典的经过验证的异常进行比对分析ꎬ确定异常的属性ꎮ确定异常的位置㊁规模ꎬ计算异常埋深ꎬ并在剖面图像上进行注释ꎮ对已经确定的异常进行复测和验证ꎬ进一步确定其真实性ꎮ４㊀精度分析
探测分为浅部探测：中心频率大于１ＧＨｚꎬ探测深度小于０.５ｍꎻ中层探测：中心频率介于１００ ９００ＭＨｚꎬ探测深度为０.５ １０ｍꎻ深层探测：中心频率小于１００ＭＨｚꎬ探测深度１０ ５０ｍꎮ
４.１㊀浅部探测精度验证
在数据分析过程中ꎬ我们假定埋深量测值为真值ꎬ由于浅部探测深度小于０.５ｍꎬ因此埋深量测值以０.５ｍ代入计算ꎮ
４.１.１㊀平面中误差分析
以测点序号为横轴ꎬ平面误差比率(ｈ)为纵轴ꎬ浅部探测平面误差分布如图１所示
ꎮ
图１㊀平面误差分布图
Ｆｉｇ.１㊀Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｏｆｐｌａｎｅｅｒｒｏｒ
relic由以上数据可知ꎬ有两个点的平面差值比例超过了ʃ０.１ｈꎬ最大值为０.１６ｈꎬ以２倍中误差作为最大
限差(ʃ０.２ｈ)ꎬ那么这两个点均小于ʃ０.２ｈꎮ经计算探测的平面中误差为ʃ０.０９ｈꎮ因此ꎬ平面中误差设定为ʃ０.１ｈ比较合适ꎮ考虑到测绘产品的精度要求ꎬ探测埋深中误差不需要小于ʃ０.０５ｍꎬ因此ꎬ当埋深小于０.５ｍ时ꎬ以０.５ｍ计算ꎮ
４.１.２㊀埋深中误差分析
以测点序号为横轴ꎬ埋深误差比率(ｈ)为纵轴ꎬ浅部探测埋深误差如图２所示
ꎮ
图２㊀埋深误差分布图
Ｆｉｇ.２㊀Ｂｕｒｉｅｄｄｅｐｔｈｅｒｒｏｒｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｍａｐ
由以上数据可知ꎬ有１个点的平面差值比例等于０.１ｈꎬ以２倍中误差作为最大限差(ʃ０.２ｈ)ꎬ那么这个点
小于ʃ０.２ｈꎮ经计算探测的埋深中误差为ʃ０.０７ｈꎮ因此ꎬ埋深中误差设定为ʃ０.１ｈ比较合适ꎮ考虑到测绘产品的精度要求ꎬ探测埋深中误差不需要小于ʃ０.０５ｍꎬ因此ꎬ当埋深小于０.５ｍ时ꎬ以０.５ｍ计算ꎮ
４.２㊀中层探测精度验证
４.２.１㊀平面中误差分析
以测点序号为横轴ꎬ平面误差比率(ｈ)为纵轴ꎬ中层探测平面误差分布如图３所示ꎮ
１５１
第４期杨红伟等：地质雷达探测精度的分析与研究
图３㊀平面误差分布图Ｆｉｇ.３㊀Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｏｆｐｌａｎｅｅｒｒｏｒ
由以上数据可知ꎬ平面差值比例在－０.０６ ０.１１ｈ之间ꎬ满足我们设定的ʃ０.２ｈꎮ经计算探测的平面中误差为ʃ０.０５ｈꎮ因此ꎬ平面限差设定为ʃ０.２ｈ比较合适ꎮ
４.２.２㊀埋深中误差分析
以测点序号为横轴ꎬ埋深误差比率(ｈ)为纵轴ꎬ中层
探测埋深误差如图４所示
ꎮ
图４㊀埋深误差分布图
Ｆｉｇ.４㊀Ｂｕｒｉｅｄｄｅｐｔｈｅｒｒｏｒｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｍａｐ
由以上数据可知ꎬ埋深差值比例在－０.０６ ０.０６ｈ之间ꎬ满足我们设定的ʃ０.２ｈꎮ经计算探测的埋深中误差为ʃ０.０５ｈꎮ因此ꎬ我们认为ꎬ埋深中误差设定为ʃ０.２ｈ比较
合适ꎮ
４.３㊀深层探测数据验证
地质雷达探测开挖点验证数据见表１ꎮ
表１㊀地质雷达探测开挖点验证数据表Ｔａｂ.１㊀Ｖａｌｉｄａｔｉｏｎｄａｔａｓｈｅｅｔｆｏｒｇｅｏｌｏｇｉｃａｌｒａｄａｒ
㊀㊀㊀㊀ｐｒｏｂｅｅｘｃａｖａｔｉｏｎ
序号点位平面(ｍ)
埋深(ｍ)探测开挖误差探测开挖误差１Ｄｗ１６１１６２１.２
４７８０５９５.２６１１６２３.５
４７８０５９３.０３.２２１.０１８.８２.２２
Ｄｗ２
６１１６９０.０４７８０５０５.５６１１６９２.６４７８０５０３.１３.５
２２.１
１９.０
３.１
㊀㊀由表１可知ꎬ平面误差与埋深误差均在０.１５ ０.２ｈ之间(ｈ为实地埋深)ꎮ产生误差的主要原因供水管材质是水泥ꎬ管径仅０.５ｍꎬ信号强度弱ꎬ管径太细ꎬ不能满足一个步长的采点需求ꎬ且地质条件复杂ꎬ附近还有高压线的干扰ꎬ造成探测精度较低ꎮ
因此ꎬ平面和埋深中误差设定为ʃ０.２ｈꎮ考虑到工程的实用性ꎬ探测误差不易大于６ｍꎬ因此ꎬ当埋深大于３０ｍ
时ꎬ以３０ｍ计算ꎮ
４.４㊀精度指标
综合以上分析ꎬ通过实地开挖验证ꎬ本此探测得出的地质雷达探测精度指标合适ꎬ可以满足不同地质条件的探测精度评定指标ꎮ适用于吉林省测绘地理信息行业地质雷达探测工程ꎬ其他行业可以参照执行ꎮ地质雷达探测精度见表２ꎮ
表２㊀地质雷达探测精度表
Ｔａｂ.２㊀Ｐｒｅｃｉｓｉｏｎｔａｂｌｅｏｆｇｅｏｌｏｇｉｃａｌｒａｄａｒｄｅｔｅｃｔｉｏｎ
探深类型探深范围平面中误差(δｔｓ)
埋深中误差(δｔｈ)
浅部探测０.５ｍ以下ʃ０.１ｈʃ０.１ｈ中层探测０.５ １０ｍʃ０.２ｈʃ０.２ｈ深层探测
１０ ５０ｍ
ʃ０.２ｈ
ʃ０.２ｈ
㊀㊀注：表中ｈ为探测深度ꎬ单位:ｍꎮ当ｈ﹤０.５ｍ时ꎬ以０.５ｍ代入
计算ꎻ当ｈ>３０ｍ时ꎬ则以３０ｍ代入计算ꎮ以２倍中误差作为限差ꎮ
５㊀结束语
地质雷达探测技术规程及其精度指标随着地质条件的变化而变化ꎬ随着仪器性能的提高探测精度也会逐渐提高ꎮ因此ꎬ关于地质雷达探测技术的探索和研究也需要不断完善ꎮ这里提出的精度指标考虑了仪器自身的探测精度和工程需求ꎬ既能满足工程实际需求ꎬ又不会给探测人员增加工作难度ꎮ
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[编辑：张㊀曦]
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