基于探地雷达技术及卷积神经网络理论的公路路基病害评价

《基于探地雷达技术及卷积神经网络理论的公路路基病害评价》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在学术论文-天天文库。

分类号:U41610710-2014531002专业硕士学位论文基于探地雷达技术及卷积神经网络理论的公路路基病害评价姜海强导师姓名职称盛燕萍教授专业学位类别申请学位类别硕士材料工程及领域名称论文答辩日论文提交日期2018年04月20日2018年06月06日期学位授予单位长安大学 EvaluationofHighwaySubgradeDistressesBasedonGroundPenetratingRadarandConvolutionalNeuralNetworkAThesisSubmittedfortheDegreeofMasterCandidate：JiangHaiqiangSupervisor：Prof.ShengYanpingChang’anUniversity,Xi’an,China 论文独创性声明导师的指导下，独立进行研究工作所取得本人声明：本人所呈交的学位论文是在论文的研究做出重要贡献的个人和集体，的成果引腦内容外，对。除论文中已经注明已均己在文中以明确方式标明。本论文中不包含任何未加明确注明的其他个人或集体经公开发表的成果。本声明的法律责任由本人承担。ｉ＞ｂ论文作者签名：多务為论文知识产权权属声明属学校。学校本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产权归请专利等权利。本人离校后发表、、借阅以及申享有以任何方式发表、复制公开阅览或使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成果时，署名单位仍然为长安大学。密论文在解密后应遵守此规定）（涉泰４４年（月’二日论文作者签名：年〈月仏日导师签名： 摘要公路路基病害检测是路面状况评价的重要环节，准确的检测结果对公路维修与养护决策具有决定性影响。研究表明，采用公路探地雷达检测技术来识别路基病害较其它技术具有高效、无损等优势，本文采用探地雷达技术及卷积神经网络理论对公路路基病害进行研究，对识别路基病害具有一定的工程意义。本文介绍了探地雷达检测的原理和影响检测性能的因素。在此基础上，综述了各类道路材料及包括裂缝、脱空、路基疏松等在内的公路路基病害在探地雷达信号下的典型图像特征，着重介绍了基于病害反射的探地雷达信号识别与优化算法。探地雷达技术可以有效克服路基病害的隐蔽性问题，但当前探地雷达的数据分析还依赖于人工识别。为此，本文建立了级联卷积神经网络来实现自动识别探地雷达图像所反映路基病害的任务。级联卷积神经网络系统由两个卷积神经网络组成，分别用于识别低分辨率和高分辨率探地雷达图像。神经网络的建立包括训练、验证和测试三个步骤。通过训练和测试的结果验证了级联卷积神经网络系统的稳定性。将级联卷积神经网络和其他识别算法进行比较，以论证其优越性。结果表明，级联卷积神经网络在路基病害分类训练中的识别准确率为97.46％，验证中的识别准确率为95.80％。级联卷积神经网络的识别准确性不受雷达发射频率和路面结构的影响。此外，与Sobel边缘检测和K值聚类分析相比，级联卷积神经网络系统识别精度更高。关键词：探地雷达；卷积神经网络；路基病害监测；图像处理；无损检测I AbstractHighwaysubgradediseasedetectionisanimportantpartoftheevaluationofroadconditions.Accurateinspectionresultshaveadecisiveinfluenceonhighwaymaintenanceandmaintenancedecisions.Researchshowsthatthepavementgroundpenetratingradar(GPR),combiningpropertiesofroadmaterialsandtechnologyofGPR，showsmoreefficientandnon-destructivethanothernon-destructivetestingtechnologies(NDT).Thispaperusesgroundpenetratingradartechnologytoresearchandevaluatethediseases.WorkingprincipleofGPRandthemainfactorsinfluencingthedetectingveracityareintroducedinthispaper.Andalso,thesignalsofdifferentroadmaterialsandpavementdiseases(crack，void，soilloose)aresummarized.Thealgorithmsusedtodealwithsignalsandrecognizedifferentdiseasesinrecentyearsareintroducedemphatically.Thedataanalysisofgroundpenetratingradar(GPR)technologyindetectingsubgradedistressesreliesonmanualidentification,butthemanuallyprocessedGPRimageusedforclassifyingdistressesisinefficientandinaccurateatpresent.Inthiscase,anapplicationaboutconvolutionalneuralnetworkswasputtedforwardtoclassifysubgradedistressesautomatically.ThecascadeCNNisconsistingoftwoconvolutionalneuralnetworks,whichwereutilizedtorecognizedistressesusinglowresolutionimagesandhighresolutionimagesseparately.Theprocessesofdevelopingconvolutionalneuralnetworksmainlyincludedtraining,validating,andtesting.AfterdevelopingthecascadeCNN,trainingandtestingresultswereusedtoverifystabilityofthecascadeCNN.Atlast,thecascadeCNNwascomparedwithothermethodstoshowitssuperiority.TheresultsshowthattheaccuraciesofthecascadeCNNinthetrainingandvalidatingare97.46％and95.80%.StabilityanalysisshowsthatthecascadeCNNhasgreatstabilityonboththeemissionfrequenciesandhighwaystructures.Inaddition,comparingwiththeSobeledgedetectionandK-valueclusteringanalysist,theCNN-basedmethodshowshigherrecognitionaccuracy.Keywords:Groundpenetratingradar;Convolutionalneuralnetwork;Subgradedistressesdetection;Signalprocessing;Imageprocessing;Non-destructivetestingtechnologiesII 目录第一章绪论....................................................................................................................11.1研究背景及意义..................................................................................................11.2国内外研究现状..................................................................................................31.2.1国外研究现状............................................................................................31.2.2国内研究现状............................................................................................51.3研究内容与技术路线..........................................................................................61.3.1研究内容....................................................................................................61.3.2技术路线....................................................................................................7第二章公路路基破坏成因及分析................................................................................92.1公路结构组成......................................................................................................92.2不均匀沉降..........................................................................................................92.3路基沉陷............................................................................................................122.4裂缝....................................................................................................................152.5本章小结............................................................................................................16第三章不同材料下的探地雷达图像............................................................................183.1LTD—2000型探地雷达简介.............................................................................183.2探地雷达基本原理............................................................................................193.3探地雷达检测精度的影响因素........................................................................213.3.1介电常数..................................................................................................213.3.2环境导电率..............................................................................................213.3.3探测频率..................................................................................................223.4探地雷达图像....................................................................................................233.4.1水泥混凝土..............................................................................................233.4.2沥青混合料..............................................................................................243.4.3钢筋..........................................................................................................263.4.4管道..........................................................................................................273.5本章小结............................................................................................................30第四章路基病害信号识别与优化算法......................................................................31III 4.1“三维一体化”检测技术......................................................................................314.2基于谱剖面技术的路基病害识别....................................................................314.3支持向量机（SVM）.......................................................................................324.4S变换..................................................................................................................324.5Sobel边缘检测...................................................................................................334.6K值聚类分析.....................................................................................................334.7卷积神经网络....................................................................................................344.8本章小结............................................................................................................35第五章基于卷积神经网络理论的算法......................................................................375.1图像采集............................................................................................................375.2结构描述............................................................................................................395.3级联卷积神经网络学习....................................................................................415.4本章小结............................................................................................................42第六章应用实例..........................................................................................................446.1训练与验证结果................................................................................................446.2识别稳定性分析................................................................................................446.2.1发射频率的影响......................................................................................446.2.2路面结构的影响......................................................................................456.3对比结果分析....................................................................................................466.4本章小结............................................................................................................49第七章结论与展望......................................................................................................51参考文献..........................................................................................................................52致谢..............................................................................................................................59IV 第一章绪论第一章绪论1.1研究背景及意义自20世纪以来，高速公路在社会经济发展的带动下，正朝着快速稳定、舒适安全的方向发展，并占据了我国交通运输业的重要地位。1988年，我国的第一条高速公路——“沪嘉”高速公路正式通车；1992年，“沈大”高速公路也正式通车。这两条公路的正式通车标志着我国公路行业的发展已逐渐步入起步阶段。高速公路的不断扩建，总里程也在不断增加，迄今为止，在世界高速公路总里程排名上，我国位居世界第二，发展十分迅速。沥青路面，作为典型的路面类型，是高速公路的重要分支，得到了广泛的使用，在高速公路总里程中，占据的比例在85%以上。然而，一些现实因素的存在，如经济发展快速，促进了交通里程的增长，由此造成了一些重载、超载现象也不断增加，加上自然因素以及人为管理层面和技术操作上的一些因素，导致路基很可能产生病害现象，严重阻碍了交通的畅通，给社会带来了一些不良的影响。路基病害的加剧，随着时间的增长还会引起路面病害，高速公路的路用性能将受到影响，使用寿命也会降低，还会影响行驶汽车的舒适性，严重情况下将会危及到汽车的安全行驶，影响人身安全。如何经济、高效对路基病害进行检测，在使用年限内，确保高速公路完好使用。因此，科学的病害诊断手段将是高速公路发展的关键，也将进一步成为一个重要课题继续探究。但是检测工作在发展过程中也存在一些新的问题，如施工质量的检测；公路养护管理水[1]平的提高等，都是一些常见的问题，需要被重视起来。长期以来，在公路检测方法上，我国采用的检测方法主要是以下三类：一类是表观检测，也可称之为直接检测。它可以分为两种情况：一是肉眼直接观察得到；二是借助于测绘工具（如经纬仪，全站仪，水准仪等）以及公路部门的一些专用仪器（如：颠簸累积仪、平整度仪、路面横向系数测[2]定仪等）进行检测。表观检测方法较直观，操作方便，简单易行，但很难对公路的内部隐蔽结构做出正确的评价，具有很强的局限性；另一类是工程试验检测，如灌沙法、钻孔取芯法等，它是对已投入使用的公路进行随机取样，然后在实验室进行分析处理，[3]根据分析结果得到一系列工程参数，如厚度、深度、压实度和强度等。然而，由于取样点的选择是随机的，也造成了检测结果的随机性，普遍性较差，对一些不良地段也会存在漏检的现象，给后续工作留下了隐患。同时，检测点具有不可逆的破坏性，为日后的维护工作增大了难度。另外，该方法仅适用于对道路表面的检测，如道路表面产生的裂缝、车辙、拥包、坍塌等可见病害，而对存在于道路内部的隐性病害却不能进行有效1 长安大学硕士学位论文的检测，难以做到防患于未然，极易发生重大交通事故，给人民的生命财产造成不可逆[4-8]的损失；第三类是路面无损检测技术，常用的无损检测技术有:超声波路面检测技术，它是通过发射和接收超声波来判断路面结构内部的破损情况的一种新型无损检测方法，主要是利用超声波在路面内部的传播速度来间接的分析其力学性能。超声波检测技术具有激发容易、灵敏度高、操作方便迅速、成本低廉等优势，但在对病害类型的判断过程中，缺乏系统性和统一性，经验性占据了主导地位，缺乏客观性，同时其操作环境还要求地面耦合，因此，适用性较小；激光检测技术，在分类上主要依据是检测原理的差异，分为激光超声、激光散斑和激光全息等无损检测技术，根据激光的单色性和集中性等特点，主要应用于测定距离、弯沉、车辙深度及平整度，应用领域不够宽泛，因此并没有受到广泛的推广；图像技术，按照成像原理进行分类，可形成两大类：红外成像技术和激光全息成像技术。二者的成像结果具有很强的高精细度，全面、直观的显现出全场情况。但是其应用领域狭隘、成本高，推广困难；光纤传感检测技术，其检测原理是利用光纤将外部的物理量经过一定的处理程序转换成光信号，使其能够通过仪器进行直接测量，最终完成收集状态指标的任务。将光纤传感检测技术应用于道路检测上，不仅能够监测道路结构内部的应变-应力变化关系，还可以实现自动化连续监测路面的工作状态。但是，该技术需要大面积的将光纤维预埋在道路结构内部，成本太高，检测病害的类型[9-13]也具有局限性，因此尚为进行推广。探地雷达无损检测技术，是一种综合了全方位的检测技术，它包括：电磁波的传播理论、电磁场的理论、地球物理学技术及现代信号处理技术，深入探究了道路病害的探地雷达解释方法，并将得到的结论在道路病害地质雷达检测中应用。它是一种通过发射69并接收高频率（10~10Hz）、宽脉冲电磁波(100MHZ-2GHZ)，并通过反射将得到的电磁波波形、振幅强度、频率等特征来识别分析并推测地下介质的结构特征、地层岩性特[12,13]征和埋藏深度的地球物理探测技术。该方法可直接明了的确定公路内部结构（包括面层、底基层、基层、垫层等）的异常分布情况，同时又有很多优点，如高连续性、高分辨率、高精度以及快速无损、实时成像等优点。不仅能够精确检测面层厚度，在此基础上还能够准确地检测到道路结构内部的病害，有效预防病害的进一步扩大，给道路的维护与保养有很大的帮助。由于探地雷达其独特的优越性，其应用领域非常广，已经贯[3][14][15]穿了整个道路施工和后期维修的全过程。上述方法在一定程度上完成了对公路路基病害的识别，但仍然存在一些问题：（1）探地雷达图像中病害特征和背景信息特征很难区分；（2）识别算法的稳定性差，易受到2 第一章绪论环境因素影响；（3）需要人力帮助来识别数据或图像中反应的病害。因此，开发一种受环境影响较小的路基病害自动识别技术，是研究公路病害检测的重要方向。本研究旨在利用探地雷达技术对路基病害进行识别、检测、分析。路基检测，有利于提升工程质量、降低工程造价、推动工程技术进步。路基检测意义重大，具体体现为：路基检测作为工程施工管理程序的重要组成部分，一方面它是施工过程中的最基本工序，另一方面，它还是掌控道路工程质量的主要手段，对工程质量来讲，具有重要意义；路基检测，是路基工程施工质检、竣工验收工序的重要环节，路基检测的实施，能够及早发现一些隐蔽性病害并能够提前治理，保障交通线安全；路基病害检测，在制定修补计划时，能够为整个方案的制定提供最为真实的依据，不仅如此，还能够检测病害的整治效果，直到路基病害完全消除；对路基状态的检测及评定，为路基维修方案制定时提供依据，反映了路基原本的状态，也同样是路基包括其附属的一些设备质量、路基养护管理工作的重要指标；路基检测，不仅在大修工作上发挥着重要的作用，同时在一些日常维修作业，例如线路的“状态修”等提供真实可靠的依据。探地雷达作为一种检测技术运用于道路病害的检测，较其余技术具有高效、准确、无损、环保等优势，具有广阔的应用空间。通过对比不同道路材料和不同病害类型的探地雷达反射信号证明探地雷达检测具备准确识别各类病害的能力，同时还能依据不同的信号特征对病害进行定位和几何特征计算。随着计算技术的进步，各类信号处理技术减少了噪音、混音等问题对探地雷达信号分析的影响，加快了信号处理的速度，提高了准确性。但是，探地雷达无损检测技术也存在相当的缺陷，针对当前公路路基病害，探地雷达识别技术还依赖于人工识别，识别效率低、准确性差。级联卷积神经网络，是近年来发展比较迅速的一种神经网络，该系统由两个卷积神经网络组成，分别用于识别低分辨率、高分辨率的探地雷达图像，满足图像识别精度的要求。为此，建立级联卷积神经网络技术，结合探地雷达图像，来实现自动识别路基病害的任务，具有重大的意义。1.2国内外研究现状现阶段，探地雷达技术主要运用于路面内部各结构层厚度的检测、含水量的检测、隧道的质量检测、基层空洞的检测、桥梁结构及病害等的探测。随着路面内部结构病害问题的日益凸显，探地雷达技术受到了广大学者的关注。1.2.1国外研究现状3 长安大学硕士学位论文1995年，Cai利用射线追踪法原理探究了探地雷达波在二维媒介中的传播规律，为[16]探地雷达的应用和发展起到了一个良好的带动作用；1996—1998年期间，Carcione依次提出了雷达波的传播理论并进行不断的完善，同时还模拟了二维波场，相比于Cai[17]的理论研究有了很大的提升作用。2001年，Charlton着手了一系列控制实验，通过控制含水率的变化，取单位体积土壤进行研究，得到了几组不同的雷达波形以及不同波形[18]相对应的响应特征；2001年，Rappaport在有限差分法的基础上利用二维时间域建立数字模型，对比分析模型得到的结果与真实情况下土壤的测量结果，证明了二维有限差[19]分通过参数调节建模模拟雷达波响应特征的可行性；2007-2009年期间，Pettinelli综合使用时域反射技术和探地雷达技术对导水管道进行探测，利用速度参数对管道的深度[20,21]进行解释；2009年，Braklt基于有限差分法的三维时域建立模型，与实际探测数据[22]相对比，验证了数字模型的可行性。探地雷达技术可用以探测路基含水率：2011年，Marry研究了探地雷达技术在路基含水率检测方面的应用，但是由于探地雷达本身的技术缺陷，在检测含水率时会有异常特性的出现，使得含水率的测量变得更加困难，也逐[23]渐成为了探地雷达应用技术的一个重要分支；1999年，Grit和Ugur结合地电方法和[24]探地雷达技术估算孔隙含水率，完成了空隙含水率的测量；2011年，ZhouY在论文中提到可以将探地雷达检测技术用在测量混凝土中的含水率方面上，使得利用探地雷达[25]技术对含水率的测量得到了推广；2016年，Al-Qadi采用小波变换法处理探地雷达信号，并利用傅里叶变换产生图谱，通过对能量的衰减速度进行比较，分析路基中压载[26]层的污染状况，实现了对道路污染情况的探测；2016年，Xiao使用车载探地雷达探测铁路路基，并结合i-riultiband-pass过滤器（MPF）处理探测得到的雷达数据，削弱了[27]铁路轨枕的噪声，更准确地识别出路基的病害；2016年，Xiao和Liu基于探地雷达检测技术研发了一种新的方法，用以识别不同深度条件下的冻土，该方法的提出，使其[28]在路基冻胀识别方面上具有非常广阔的应用前景。[29]Lee等使用脉冲探地雷达来检测路面状态，及时发现路面结构是否有损害或病害的一些状况，及时采取预防、补救措施。对比分析理论测试值和实际测试值之间的相差[30]度，发现雷达技术用以检测路面厚度方面和实际情况具有高度的一致性。Chang等使用探地雷达电子图像测定了混凝土中钢筋的直径以及数量分布情况，对比分析均取得显著的效果。同时利用探地雷达进行道路的一些常见病害如：裂缝、脱空、路基疏松等[31]病害检测也取得了长足的进步。Leng等使用共同中点（XCMP）方法，研究使用两个空气耦合GPR系统的创新方案，该系统的最大可行采样率为1024个，覆盖面较广，增4 第一章绪论[32]加了结果的准确性。A.Karem等利用GPR对埋入地下的物体的特征情况进行检测，引用SIFT算法，在探地雷达提取完每个位置特征后，接着就进行识别，然后进行归类总结，最后进行分析。结果表明SIFT算法的引入，可提高探地雷达对物体的检测精度。[33]Solla等人将探地雷达技术与红外热成像结合用于检测沥青路面裂缝的深度特征和起源，这种检测方法虽然能够判断出路基裂缝的位置和深度，但是测得的精度并不高。[34]David等人利用探地雷达对道路结构中的水管破裂病害问题进行了分析，采用了一种新型的操作方法——密集矩阵，即在保持系统的原始状态和环境特征的条件下，对地下塑料排水管进行定位。研究结果表明，这种多主体的测试能够准确地定位出塑料管道的位置。1.2.2国内研究现状1999年，同济大学一些学者使用探地雷达检测技术，探测了某隧道两端的路基，及时检测出了该路段出现的一些病害，预防了病害的进一步加剧。2000年，同济大学与上海铁路局联合使用雷达技术，他们将该技术用在了沪宁线的检测上，雷达检测图像显示出了一些病害区段，从图像上能够看出基床翻浆、冒泥等信息，并能够确定具体的里程，从而准确定位到病害的具体位置，为第二年该高速公路的修补计划、病害整治方案提供了依据，最大限度的节省了人力、物力以及财力。2000年，上海铁路局等也使用了探地雷达技术，主要用于检测宣杭线，具体是对K199+200—K202+270标段的综合检测，雷达图像提供了路基分层图，从图中可以反映出一些病害情况，并给出了病害产生的原因。1999年，中国地质勘察技术院对益常高速进行检测，该检测系统是一种新型的探地雷达系统，研究高频电磁波在路基结构层中的传播特点，并通过现场检测对探地雷达的技术参数作了验证分析。检测试验结果证明了探地雷达能将路基的厚度变化信息准确地定位出来，这样就能克服钻孔取样法的缺陷，利于施工的有效进行。[35]赵勋（2012）按照铁路路基的检测要求，设计出了适用于铁路的探地雷达工作系统。分析了检测过程中信号干扰的来源，并综合采用天线起伏校正等多种算法对检测数据进行处理，处理出的结果验证了使用探地雷达的可行性及准确性，并设计出了识别路基病害雷达图像的算法，利用处理过的雷达图像识别分析，验证了检测体系的准确性。[36]2014年，郭福强，胡通海等人重点研究了高速铁路体系的多层线下结构，经过理论分析计算出最适宜的天线频率为1.3GHz及其以上。并通过试验模型以及实际检测5 长安大学硕士学位论文的数据反映出天线频率为1.3GHz时，图像的清晰度以及识别的准确性明显高于900MHz时情况，具有分辨率更高、识别效果更好的特点。[37]谢晋水、白明洲等人利用探地雷达技术，对京沪高速铁路的路基岩溶进行检测，采用数值模拟算法模拟溶洞的雷达图像，并在岩溶处的典型区域进行注浆检测，采集到了注浆前后溶洞的位置、大小、形状的雷达探测图像特征。最后，在铁路实际的岩溶位置处标记，最后进行现场注浆试验，根据反射波同相轴原理来判别注浆效果。[38]张彦杰研制开发了路基路面智能集成检测车，用来检测道路结构层厚度、弯沉、平整度等道路参数。探地雷达系统作为子系统，在整个路基路面检测过程中，依附于该[39]智能检测车。陶向华等通过用探地雷达信号进行脱空识别，进一步定义了脱空边界，根据脱空边界计算获得了需处理基层的面积，但是对于路面脱空的识别需要人工的参[40]与。银卓在研究中论述了探地雷达在路用检测中的应用，选取某高速上某座在建大桥，将探地雷达和钢筋扫描仪结合，一起对桥墩的钢筋保护层进行厚度检测，数据精度都在0.95以上，通过计算6个桥墩钢筋保护层厚度的检测平均相关性能够达到97.31，相关性较高。通过对比分析，验证了探地雷达对保护层厚度检测的有效性。不足之处在于研究层面仅限于设备在实际工程应用中的研究，而没能深入的建立数值模拟对雷达检测路[41]面厚度、病害和钢筋保护层厚度进行模拟分析。Xu等人采用300MHZ屏蔽型天线的探地雷达检测了砂石路基中存在的裂缝，通过雷达图像能准确定位砂石路基中存在的裂[42]缝位置和计算裂缝长度。王学历等将探地雷达技术运用在管道上，具体的工程实例是漠河——大庆输油管道。得到了管道冻土区域的冻土分布面积、含冰量等其他信息情况，为冻土地区的路基病害检测提供了依据，文章表明在植被发育良好的地方，地下含冰量越大，冻土发育越明显，植被的发育与冻土的冻融过程之间联系密切。破坏植被，会引起土壤温度显著升高，不利于冻土的发育。冻土越发育，所造成的地下冰含量也会越大越大，得到的探地雷达图像其波形分布也越均匀，干扰性较小，图像清晰程度越好。1.3研究内容与技术路线1.3.1研究内容本文的主要研究内容如下：（1）三种路基破坏成因及研究成果6 第一章绪论路基破坏的类型有多种，文章选择了三种典型的路基病害，分别为：不均匀沉降、路基沉陷以及裂缝。介绍了病害产生的原因，同时对当前病害的研究现状作了阐述，引出下文的卷积神经网络网络病害识别。（2）探地雷达理论知识本文选用LTD-2000探地雷达，用做路基病害图像的采集，首先分析了该型号的探地雷达基本参数，同时对探地雷达的基本原理作了介绍，分析了影响探地雷达检测精度的影响因素，旨在获得更为准确的探地雷达图像。（3）不同材料下的探地雷达图像根据探地雷达对图像识别的原理，选择路面常用的材料：水泥混凝土、沥青混合料、钢筋、管道、砂石，分析了每种材料对探地雷达检测图像的影响因素，列举了近年来探地雷达在图像识别分析上的一个发展状况，针对图像检测精度的问题，可以引入相应的算法进行辅助，引出下文的路基病害信号识别与优化算法。（4）路基病害信号识别与优化算法文章介绍了7种常用的路基病害信号识别与优化的算法，分别为：“三位一体化”检测技术、基于谱剖面技术的路基病害识别研究、支持向量机（SVM）、S变换、Sobel边缘检测、K值聚类分析和卷积神经网络。分析了几种算法的基本原理和当前的研究状况，同时也列出了其优缺点，通过对比分析，可看出利用卷积神经网络算法的优势，故本文将选用该方法作为路基病害信号识别与优化的算法。（5）卷积神经网络理论及应用实例对卷积神经网络的算法过程进行分析，包括：图像的采集、结构描述以及级联卷积神经网络的学习。将理论知识应用到了具体的工程实践中，分别对Sobel边缘检测、K值聚类分析和级联卷积神经网络进行了路基病害图像的算法分析，根据训练与验证的结果，表明了级联卷积神经的优越性，以及不受发射频率和路面结构的影响。1.3.2技术路线本文将按照以下技术路线，对高速公路路基病害进行识别研究：7 长安大学硕士学位论文国内外研究文献综述研究内容基于探地雷达的路基病害检测路不均匀沉降雷雷检破达达雷达天线类型测路基沉陷精坏简基度成介电常数的裂缝介本影因原响环境导电率因理素不同材料下的探地雷达图像图像病害信号识别与优化算法卷积神经网络学习过程图像采集结构描述级联卷积神经网络学习应用实例训识对练别比与稳结验定果证性分结分析果析结论与展望图1.1技术路线图8 第二章公路路基破坏成因及分析第二章公路路基破坏成因及分析2.1公路结构组成公路作为一种承受物，用来承受车辆以及行人荷载。它的组成部分有很多，主要可分为以下几大类：路基、路面、桥涵、隧道、排水工程、防护系统以及交通服务附属设施。其中，路基是根据道路设计图纸方案中的路线设计确定其确切的位置和形状，然后在天然地表面开挖或由土、砂石等材料按一定配合比设计进行分层填筑并压实而成的结构物，它是路面结构长期承受汽车、行人及其他荷载的重要基石，并为路面结构提供重要的支撑，是支撑路面的基础部分。因此，研究路基本身的破坏形式，对预防路基病害，延长道路整体的使用年限，具有重要的意义，它本身的强度与稳定性直接影响着整个道路工程的使用耐久性，以下将介绍路基的破坏成因及研究成果。高速公路路基病害的类型、形成因素，随着外界条件的影响，如：温度、湿度、天气条件等不同会对路基路面造成不同程度上的损害，这些损害因子构成了一个复杂的病害系统，出现了各种不同种类与程度的病害。由于篇幅和精力的限制，本文仅对三种路基病害做了深入的研究，以下为本研究的路基病害成因及目前的研究成果。2.2不均匀沉降不均匀沉降，是路基病害类型中较为常见的病害类型，它对路面结构有直接的破坏力，对路面的使用性能造成严重的制约，也大大降低了其使用寿命。图2.1为路基不均匀沉降引起的破坏，严重影响了公路的使用寿命和车辆、行人的安全。路基的不均匀沉降，使得上部结构产生附加应力，进一步造成路面裂缝的出现，这就是路面早期破坏的原因。公路路基不均匀沉降主要由两部分组成，即在路基自重作用下地基产生的固结压缩变形以及路基自身作用引起的固结压缩变形。由于路基在施工的过程中是分层施工的，由应力扩散原理可知，路基承受的轮压作用最明显，压实度满足规范要求，而地基的压实效果远远小于路基的压实效果，这就造成了路基的不均匀沉降。图2.2所示为路基不均匀沉降形成原因示意图。9 长安大学硕士学位论文图2.1路基不均匀沉降路基不均匀沉降地基不均匀路基填筑不软弱土基引工后沉降工期限制引沉降均匀起的差异沉起的沉降降图2.2路基不均匀沉降形成原因以下因素为路基不均匀沉降的形成原因介绍：（1）地基不均匀沉降地基软弱土层并非都均匀分布，众多因素如：不同土层的密度差异、相合性差异较大、地层的倾斜度、气候等都会造成地基不均匀沉降。其他的一些方面，在某些特殊地段如纵向填挖交界处、横向的半填半挖处、路基在河塘处回填等，处理方式不同或者处理不均匀、处理不充分等都会引起路基不均匀沉降。尤其是软土地基，其地基承载力本身就很难满足规范要求，更容易造成地基出现失稳或变形，造成路基不均匀沉降的现象。同时，在加宽改造旧路时，会由于设计与施工原因，在新旧路基交界面上，特别容易产生纵向裂缝，这是较为常见的问题。（2）路基填筑不均匀在填筑路基的过程中，填料颗粒不匀、粒径过大以及碾压不充分等现状，也是引起路基不均匀沉降的原因。统计分析我国高速公路的病害，不均匀沉降较为普遍。目前，有关路基不均匀沉降[43-48]。[43]的研究如下：据现场资料表明：纵向路面的沉降变异系数在61.40%以上。不均匀沉降会造成路面破坏，破坏形式主要有：路面沉陷（分整体沉陷和局部沉陷）、桥头10 第二章公路路基破坏成因及分析跳车、网裂等。路基土在时间的作用下，会产生固结变形。产生变形的力来源于原有恒载作用以及不固定的外荷载，随时间延长，变形进一步扩大。变形量还和该土层的压实[49]度有关。郑传超分析了外荷载作用时，不同路面结构的弯曲应力变化情况，对比分析实验数据，验证了地基的不均匀沉降，将会导致弯曲应力的突变，最终会导致路面结构[50]的破坏。陈建军以弹性地基梁模型为基础，分析了不同参数的变化对路基的不均匀沉的影响，用到的主要参数包括基层的厚度、模量以及地基模量、路基不均匀沉降量。何[51]兆益引入有限元法对软土地基进行分析，控制的变量是沉降量的大小，分别模拟了不均匀沉降量的多少，对路面结构的影响，在此基础上，提出了软土地基的路面结构附加[52]应力分析模型。王新岐以软土地基为例，将外荷载和位移作为变量，编制了一种特殊的有限元程序——八节点平面有限元程序。得出了路面结构破坏的边界条件，即外荷载和不均匀沉降同时作用时，当总作用力超过了路面结构能够承受的最大强度时，破坏现[53]象就会发生。曾国东文章采用了有限元分析法，假设原路基沉降完成，应变形式简化为平面应变，路面结构连续，且应力和应变也连续。在此基础上，对路基不均匀沉降的[54]原因做了列举，重点分析了路基拓宽因素的影响，并提出了改进方案。傅珍分析了路基的不均匀沉降影响因素，研究了路基高度、土体压缩模量等与路基沉降的关系，建立[55]了有限元模型。张镇利用ANSYS软件，分析了引起路基沉降差异的原因，推导出了沉降差的分级标准，以及预防的方案。（3）软弱土基引起的差异沉降软土地基的细微颗粒含量较多，主要成分有粘土和粉土以及大孔隙的有机质土、泥炭、松散砂等。软土地基的地下水位高，其上部的填方结构稳定性差，易发生沉降。具有压缩性高、抗剪强度低、透水性低等易发生触变性、流变性和不均匀性。在我国华东地区，软弱土基分布较多，已进行了比较深入的分析和研究，但其它地区却没引起足够的重视。在施工期间，未对该软土地基做任何处理或处理不充分，直接填筑新的路堤，检测验收时也仅仅对基层、路基顶面的一些必要项目进行验收，验收合格的数据并不能维持太长时间，在开放交通一定时间后出现了整体的变化，如：基层损坏，路堤地基下沉，面板错位、断裂，桥头“跳车”现象等。（4）工后沉降工后沉降主要是针对高填路堤而言的，高填路基很容易产生工后沉降。土是一种塑性材料，根据土的物理性质，当原状土受到破坏以后，即使压实得很密实，压实度满足规范要求，也无法避免工后沉降；同时，施工过程中采用的压实器具的压实功效是有限11 长安大学硕士学位论文的，对路基土的压实很难做到高度密实的压实状态。公路工程实例表明，路基压实成型后，在路基本身及上部路面结构，还有行车荷载的长期作用下，均会出现一定量的工后沉降。工后沉降无法避免，但只要采取合适的措施，就能够有效的降低工后沉降。（5）由于工期限制引起的沉降路基的不均匀沉降是一个持续发展的过程，短时间内不会全部完成。施工期是影响沉降量的一个重要因素，目前而言，国内高速公路建设周期短，路基施工期通常控制在12个月~18个月之间，在此期间路基的沉降无法全部完成，通常只能够完成60%左右，剩余的40%将在随后的工程施工时完成沉降，如基层和面层的施工。沉降未完成就进行施工，为工后产生的过大沉降埋下隐患，易造成基层和面层的破坏.2.3路基沉陷造成路面早期损坏的因素有很多。其中路基沉陷因素占据了一半以上。下图2.3为路基沉陷造成了道路损坏。路基沉陷是公路路基破坏较严重的形式，维修成本高、难度系数大且很难修复完整，严重影响了公路的后期运行、维护。路基沉陷，按照形态来分可分成路基整体沉陷以及路基不均匀沉陷。路基的整体沉陷，会造成路基标高低于原水平，如果道路两侧设置路肩墙还会影响到路基的横向排水，容易产生积水现象，但路基整体沉陷大都不影响道路的使用；路基的不均匀沉陷，是路基沉陷的主要病害形式，按照病害形态可分为：纵向、横向以及局部不均匀沉陷。纵向不均匀沉陷，发生的区域主要集中在填方路堤和挖方路基的交接处，在填方高度沿着路线方向有着明显变化处也会出现。纵向不均匀沉陷也会夹杂着其他病害，如路基的横向裂缝、路基纵坡破坏以及路基错台等其他附属病害。横向不均匀沉陷，发生的区域多集中在填挖结合路段，且填方高度越高沉陷会越大，因此横向不均匀沉陷往往夹杂着路基的横坡破坏。局部不均匀沉陷，常夹杂着坑槽或轮迹集中处的路基沉陷。下图2.4为路基沉陷破坏成因。12 第二章公路路基破坏成因及分析图2.3路基沉陷病害路基沉陷路基填料强度不够填筑宽度不足填筑处理不当软土地段路基施工路基填土密实度不处理不当够要求纵向分幅填筑、半填半挖搭接处理不当图2.4路基沉陷病害破坏成因引起路基沉陷的原因有很多，如：路面承载力不足、自然条件侵蚀、路基强度降低等。当外荷载较大，超出了路基填料的支撑力，易引发路基的沉陷或变形。路基沉陷原因如下：（1）路堤填料强度不够。路基填料的选择至关重要，它是路基强度的基本保证。在填料的选择上，要选择规定强度的土石，不得使用淤泥、沼泽土以及含草皮、腐殖质等劣质土。填料强度根据CBR的值确定，进行室内取土试验，确定路堤填料的最低强度以及最大粒径值。然而，13 长安大学硕士学位论文在实际的道路施工中，填土不满足规范要求，杂质太多等。一旦遭遇不利的环境条件，路堤的倾向约束力就会降低，引发路基病害。（2）填筑处理不当①软土地段路基施工处理不当对软土地基而言，施工工艺起着非常重要的作用。工艺的不合理对路基的稳定性会造成很大的破坏作用，易出现沉陷或滑移等病害。②路基填土密实度不够要求在施工中，需要严格控制每层填料的松铺厚度。在实际施工过程中，很难严格控制每层松铺厚度。致使土石填料的颗粒粒径大于规范要求、填土强度不足、碾压次数不够等，这些新宿都会导致路堤填土密实度达不到要求。③纵向分幅填筑、半填半挖搭接处理不当大多数情况下，路基填筑常采用整幅分层填筑。但特殊情况下，某些路段只能采用纵向分幅填筑，此时须严格控施工的规范性。施工控制不当，易出现垂直式的无搭接填筑，造成不均匀沉降。如果出现了这种情况，路基的横坡度则无法满足规范要求，一经遭遇强降雨、暴雪或排水系统不畅时，大量积水便会渗入到公路路基内部，进一步加剧路基病害。（3）填筑宽度不足。路基虽然没有直接接触荷载，但也承受着传递荷载的作用，同时还会受到大自然如：降水、风雪、冰冻等外界因素的影响。因此，把握好填筑宽度十分重要，它影响着路基的安全。路基填筑宽度不足，其原因有：设计的不合理性、施工操作不规范等。如在清挖软土地基杂物时，淤泥未完全清除就开始施工，一旦遭遇降水，很容易引起路基边缘下降，进而造成路基沉陷。在挖方中，回填土过多、压实不充分等也会引发路基沉陷。目前，路基沉陷病害的处治方法的研究有了丰富的理论基础和实践经验。周志刚等[56]利用非线性有限单元法和FWD(FallingWeightDeflectometer)弯沉检测等手段，深入[57]分析了用土工格网方案来处治非均匀路基沉降的机理。冯学刚引入具体的工程实例，举例说明了路基沉降病害处治中的相关问题，证明了灌浆技术可以有效的缓解病害路段[58]的不均匀沉降。赵炼恒等利用现场试验，给出了冲击压实技术的控制指标，证明了该[59]技术可以有效的减少路堤的沉降。王黎伟在满足国家相应规范的基础上，通过现场数据的分析、数值模拟分析等改进了碎石桩法，在处治高速公路路基沉降上具有一定的工[60]程应用价值。羊晔等进行了小比例的室内模型试验，模拟多种工程实例的情况，以土14 第二章公路路基破坏成因及分析工格栅加筋结构为变量因子，分析该方法的不同数值对路基不均匀沉降的处治效果，并统计分析研究成果，最终提出了一种优化的土工格栅布置方法，具有很强的实用价值。[61]赵明阶等运用了室内试验、数值模拟等研究方法，主要针对岩堆路基，深入研究了其应力——应变的分布特征和其沉降规律，给出了该地基条件路基沉降的最佳处治方案以[62]及相应的控制指标。王芳在其博士论文中，对国内外冻土地区路基沉降的处治方法进行了广泛的调研，在此基础上提出了一种新的处治路基沉降的方法——XPS保温板+碎石复合式路基，并将此研究成果应用于博牙高速公路，该冻土路段路基沉降处治状况良[63]好。杨明亮通过室内试验和现场试验，基于膨胀土路基的石灰石处置方案进行了有效的理论论证，根据实验结果提出了相关路基碾压的控制参数，保证了处治方法的有效性。[64]翁效林等运用室内试验方法，基于过湿扩宽路基，对湿陷性黄土地区的路基破坏机理进行了研究，给出改良湿陷性黄土的有效方法就是强夯法，该方法能够保证扩宽路基的[65]稳定性。陈永辉等通过室内试验，基于软土地基，验证了气泡混合轻质土置换一部分[66]路基土方案的有效性，同时还规避了因采用预压法处治软弱地基带来的缺点。马缤辉通过理论分析和室内模型试验，基于软土地基，采用土工格室加上碎石桩双向增强处治方法，深入研究了该方法的承载机理和沉降计算等内容。迄今为止，处治路基沉陷病害的方法很多，如何根据当地气候和地理条件等准确、快速的选择适当、高效的处治方法，仍然是一个长远的问题，需要不断探索和发现。2.4裂缝路基裂缝主要有两种形式，即横向裂缝和纵向裂缝。造成路基产生裂缝的主要原因是路基填料粒径相差过大或沉降差异。路基横向裂缝，其裂缝走向垂直于行车方向，常位于地质条件差异较明显的交界处或填料种类突变的位置，例如填挖交界处，情况严重时，裂缝会顺着基层延伸到路面，造成水泥路面的断板现象或沥青路面的横向开裂情况；纵向裂缝，其裂缝的走向平行行车方向，常在新老路基交界处、高填方路基、半填半挖路基等处出现，形成的原因主要是路基土的塑性收缩。纵向开裂长度不一，视具体的情况而定，长度在几米至几十米不等，严重时会造成路面的开裂，影响交通。情节严重时还会致使路基发生外鼓变形，严重影响到路基的稳定性。图2.5为路基裂缝造成的道路损坏。15 长安大学硕士学位论文图2.5路基裂缝病害[67]李晋惠通过对路基路面病害图像特征的研究分析，提出横向裂缝或纵向裂缝等裂缝类病害的检测技术，除了常规方法以外还可以引入8方向的Sobel边缘检测技术，同时结合Ostu图像处理手段和噪声滤波消除算法，大大提高了病害的检测精度，推动了我国公路沥青路基路面病害检测技术的的发展。裂缝类病害一般呈线状分布，其宽度也多种多样。但是，传统的线状检测方法对宽度有一定的要求，裂缝线宽必须在一定范围内才能检测得到，这样就达不到裂缝病害的检测效果。因此[68]文提出了一种新的方法用以检测路基裂缝——数学形态学方法。数学形态学主要有四个基础的操作算子，它们分别为：腐蚀、膨胀、开运算和闭运算。结合Top-hat等操作，对线状裂缝进行检测、连接等处理，获得了一定的效果。但该方法同样存在弊端，它要求裂缝有较强的边缘性；同时，闲值设定过多等缺乏一定的客观性，降低了该方案的实用性及检测效果。[69]文研究了将图像直接输入到系统中，根据图像判别是否有病害，但效果并不理想。因为，图像一般都较大，训练时间过久；路面情况太复杂，路面不同效果也不一样。因此，目标的提取至关重要，因为神经网络的识别基于目标的提取之上，目标提取之后，才能利用神经网络去识别，但是目标的抽取依然存在困难，造成了大多数神经网络的方法的应用上存在很大局限性。2.5本章小结本章对影响公路路基破坏的成因进行了分析，主要分析了破坏路基病害的三种主要因素：不均匀沉降、路基沉陷以及裂缝。16 第二章公路路基破坏成因及分析（1）首先对公路的结构组成进行了简要的介绍，路基是组成公路结构的重要组成部分，分析路基被破坏的原因，对预防路基病害，延长道路整体的使用年限，具有重要的意义，它本身的强度与稳定性直接影响着整个道路工程的使用耐久性。（2）造成不均匀沉降的原因有很多，如地基不均匀沉降、路基填筑不均匀、软弱土基引起的差异沉降、工后沉降以及由于工期限制引起的沉降，在实际施工过程中对材料粒径、压实度的控制，应当引起足够的重视。广大学者利用有限元软件对路基不均匀沉降作了模拟分析，也得出了一定的结构模型，但应用效果存在一定的局限性，仍需进一步的研究。（3）引起路基沉陷的原因有：路基填筑材料强度不够、填筑处理不当以及填筑宽度不够，它是造成路面早期损坏的主要因素。路基沉陷是公路路基破坏较严重的形式，维修成本高、难度系数大且很难修复完整，严重影响了公路的后期运行、维护。迄今为止，处治路基沉陷病害的方法很多，如何根据当地气候和地理条件等准确、快速的选择适当、高效的处治方法，仍然是一个长远的问题，需要不断探索和发现。（4）路基裂缝主要有横向裂缝和纵向裂缝两种形式，造成路基裂缝的主要原因是路基填料粒径相差过大或沉降差异，在检测方法上还存在一定的局限性，路基裂缝的边缘性不强，提取目标时存在一定的困难，众多学者的研究虽然有一定的价值，但是仍然存在很多弊端，有待进一步的研究。17 长安大学硕士学位论文第三章不同材料下的探地雷达图像3.1LTD—2000型探地雷达简介LTD-2000型探地雷达是一种小型化的便携式探地雷达，系统由便携式主机、收发天线、综合控制电缆、测量轮、数据采集以及处理软件等组成，其技术参数如下表3-1。天线型号的不同，探测目标的深度也不同，探地雷达的天线主频率直接影响着探测深度与精度，探地雷达的中心频率越高，分辨率就越高，但探测的最大深度就越小，反之亦然。具体表现为：天线主频率越高，垂直分辨率越高，探测深度越浅。所以，探地雷达天线频率的选择，要同时兼顾其探测深度和分辨率。表3-2列出了天线频率与物体探测深度之间的关系。本文选用的是三种探测频率下的屏蔽天线，分别为300M、500M和900M。表3-1LTD-2000技术参数技术参数LTD-2000发射脉冲重复频率（KHz）128探测时间窗（ms）2-5000采样率（样点/扫描）128，256…..2048扫描速率（扫描/秒）8-128波形叠加次数1-4096A/D16位可编程时变增益（dB）-10至70显示方式波形/伪彩/灰度实时伪彩色波形是叠加去除随机干扰是叠加去除背景干扰是目标三维层析成像是天线类型地面耦合型、空气耦合型天线范围（MHz）20-1500工作温度（摄氏度）-10至5018 第三章不同材料下的探地雷达图像表3-2不同天线探测深度天线频率2.5GHz1.0GHz900MHz500MHz300MHz100MHz探测深度30-60cm60-100cm75-150cm150-300cm3-6m10-20m3.2探地雷达基本原理任何探地雷达（GroundPenetratingRadar）的主要组成部分有天线、发射机、接收机、信号处理器和终端设备。电磁波从发射机发出，定向射入到路面结构中，反射的电磁波由接收天线接收，这些信号由接收机传给信号处理机，根据波形特点信号处理器将形成测试图像显示在终端设备上。具体处理情况如图3.1所示。图3.1探地雷达传播路线电磁波行程所需时间t为:224zxtv（3.1）式（3.1）中，z为反射体的深度；x为两天线间的间距；v为介质的电磁波速。通过上式可确定地下反射体的深度。[70]地下介质的电磁波波速可利用共同中心点（