一种基于模糊聚类与Hough变换的探地雷达地下管线探测方法技术

本发明专利技术提供一种地下管线反演方法，属于计算机数字图像处理领域。其特点在于综合采用双曲线渐近线和模糊C均值聚类以及聚类Hough变换反演地下管线位置及半径等参数。本发明专利技术基于共偏置模式探地雷达，通过B扫描得到雷达数据，再通过目标追踪获取供反演的一系列坐标。利用这一系列坐标所蕴含的变量特征，提取出雷达波速。结合模糊C均值聚类方法，达到获取准确雷达波波速的目的。在获取雷达波波速以后，再通过三角形相似得到一系列管线边缘坐标值，利用聚类Hough变换圆检测，进一步准确地反演出管线的主要参数。本发明专利技术具有预测准确、鲁棒性强的特点。

【技术实现步骤摘要】
一种基于模糊聚类与Hough变换的探地雷达地下管线探测方法
本专利技术属于计算机数字图像处理领域，针对探地雷达图像的特点，利用双曲线渐近线、模糊C均值聚类以及聚类Hough变换反演地下管线参数。
技术介绍
探地雷达发射机向地下介质发射超高频宽带短脉冲电磁波，遇到地表和不同介质的地下目标和界面时，部分脉冲波将反射回地面，被接收天线接收，然后进行数据处理，当目标物在天线信号范围之内并且信噪比适当时，隐蔽物可以被探地雷达探测出。探地雷达的测深和分辨率与以下几个因素有关：天线频率、发射功率、传播介质的电磁特性、目标物的形状和大小。本专利采用共偏置模式探地雷达，共偏置模式是最常见的探测方式，在进行数据采集时，雷达收发天线以固定间距沿测线移动探测，当收发天线间隔为零时称为无偏置模式。当收发天线同时移动一次获得一个雷达A扫描记录，收发天线沿测线同步移动得到一个B扫描雷达数据记录，横坐标记录接收天线的水平位移，纵坐标记录雷达波双程时间差，根据双程时差与地下介质中的波速即可估算出地下目标掩埋深度，再结合横坐标信息就能确定目标位置。1957年，HugoSteinhaus首次提出K均值聚类的思想，直到1967年，JamesMacQueen才实现了该算法。K均值聚类，对于数据的划分是硬性的，每个样本数据都被严格地划分为属于某一类。但在实际问题中事物往往不满足“非此即彼”的条件，那就要考虑有模糊存在的问题，即有些事物或特征不是仅仅属于某一特定的类，而是“亦此亦彼”，只是属于不同类的程度有所不同。因此将模糊数学理论引入聚类分析中，采用模糊聚类分析可以取得更好的效果。模糊C均值聚类算法，是一种基于模糊划分的聚类算法，它的思想是使得被划分到同一簇的对象之间相似度最大，而不同簇之间的相似度最小，用隶属度确定每个数据点属于某个聚类的程度。1973年，J.C.Dunn和J.C.Bezdek提出了该算法，作为早期K均值聚类方法的一种改进。
技术实现思路
本专利技术的目的是通过探地雷达B扫描得到的双曲线渐近线和模糊C均值聚类算法准确反演地下管线参数。本方法具有良好的适应性、准确性和稳定性。本方法按照以下步骤进行雷达波速预测：步骤(A1)：雷达数据对地下管线检测成像具有双曲线特征，该双曲线仅有半支且开口向下，双曲线上共有n个元素，其横坐标为水平位置xi，i＝1,2,……,n，纵坐标为信号往返时间ti，i＝1,2,……,n，为减少误差数据影响，去除该双曲线顶点(x0,t0)附近的数据，余下m个数据；步骤(A2)：求这m个数据构成的斜率，利用双曲线上元素连线的斜率逐渐接近渐近线的特点，将该双曲线上隔c个点连线的斜率作为渐近线的估计斜率kj，j＝1,2,……,m-c；步骤(A3)：对于一系列渐近线的估计斜率kj，j＝1,2,……,m-c，我们可以借助公式得到一系列波速的估计值，其中为波速的估计值，为矫正系数；步骤(A4)：利用模糊C均值聚类算法对m-c个波速估计值进行聚类，通过合理选取初始聚类数量s和矫正系数λ，将元素最多的类别中心作为实际波速的结果反演管线参数具体步骤如下：步骤(B1)：首先需要粗略计算管线中轴坐标(xm,ym)，其中，xm为使得ti取得最小值时xi的值，即x0，或者几个使得ti取得最小值时xi的均值，其中i＝1,2,……,n，(xf,tf)为曲线上距离顶点(x0,t0)较远的一点；步骤(B2)：依据三角形相似则对应边成比例，我们可以得到管线边缘点坐标(xei,yei)，为了克服部分数据提取时产生的误差，这里要先对双曲线坐标(xi,yi)进行最小二乘拟合，得出拟合结果，代入方程，其中步骤(B3)：管线边缘点坐标(xei,yei)可能在管线边缘上，也可能不在管线边缘上，因此我们需要通过聚类Hough变换排除误差数据的影响，进而获取管线半径的估计值步骤(B4)：管线半径的估计值作为已知，我们再结合之前计算得到的ym，便可以得到管线的中轴新坐标其中综上，我们便得到了管线探测的参数本专利技术中采用的双曲线最小二乘拟合步骤如下：步骤(C1)：通过双曲线坐标(xi,ti)得到线性方程坐标(Xi,Ti)，其中步骤(C2)：依据最小二乘原理计算线性方程的参数(A,B)，其中步骤(C3)：计算拟合双曲线的估计参数其中本专利技术中采用的聚类Hough变换步骤如下：步骤(D1)：管线边缘点坐标(xei,yei)，i＝1,2,……,n，作为Hough变换圆检测的输入参数，同时还要定义半径的变化范围(rmin,rmax)和每次改变的步长Δr，另外还要确定模糊C均值聚类的初始聚类的数目s；步骤(D2)：Hough变换圆检测将管线边缘点坐标(xei,yei)，i＝1,2,……,n作为圆心，任意两个边缘点(xe1,ye1)，(xe2,ye2)构造的圆的交点(xc1,yc1)和(xc2,yc2)可以通过以下公式计算，同时，其中圆的交点可能有1个、2个或者0个；步骤(D3)：利用模糊C均值聚类算法对圆的交点的集合(xck,yck)，k＝1,2,……,n(n-1)/2进行聚类，由于通常xck误差较小，因此主要对yck进行聚类，我们将元素最多的类别中心作为管线中轴y坐标的估计值再利用得到管径的估计值本专利技术就有以下优点：1、雷达波速预测准确，能够满足管线参数计算的需要。2、有较强的鲁棒性，适合多种探地雷达数据的处理。3、内存需求较低，避免了内存不足的情况。附图说明图1本专利技术预测雷达波速流程图图2本专利技术反演管线参数流程图图3本专利技术聚类Hough变换流程图图4本专利技术简明流程图具体实施方式本专利技术采用共偏置模式探地雷达，利用B扫描得到的雷达数据，结合双曲线渐近线和模糊C均值聚类预测雷达波速。利用波速初步确定管线轴心坐标，通过三角形相似对应边成比例得到管线边缘坐标，再通过聚类Hough变换圆检测进一步确定管线轴心，从而反演出地下管线参数。预测雷达波速流程如下：(1)如图1所示，通过提取B扫描得到的雷达数据，得到一系列坐标(xi,ti)。这一系列坐标具有双曲线特征，在坐标中寻找顶点坐标(x0,t0)，去除顶点坐标附近数据。(2)利用余下数据(xi,ti)估计斜率kj，并通过计算进一步得到一系列雷达波速vj。采用模糊C均值聚类计算雷达波速vj的估计值反演管线参数流程如下：(1)如图2所示，首先利用一系列坐标(xi,ti)以及雷达波速的估计值粗略计算管线中轴坐标(xm,ym)，然后再进一步提取管线边缘点坐标(xei,yei)。(2)对管线边缘点坐标(xei,yei)做聚类Hough变换，得到较为准确的管线中轴坐标从而进一步确定管线半径的估计值这样就得到了管线反演的参数聚类Hough变换流程如下：(1)将管线边缘点坐标(xei,yei)作为圆心，计算其交点集合(xck,yck)。(2)利用模糊C均值聚类算法对交点yck聚类，从而得到管线中轴y坐标的估计值再利用进一步求出本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于模糊聚类与Hough变换的探地雷达地下管线探测方法，该方法建立在雷达数据对地下管线检测成像的理论基础上，其特征在于，与理论推导的双曲线图形相对照，采用渐近线斜率作为雷达波速的计算依据，利用矫正参数和模糊C均值聚类算法获取准确的雷达波速，在计算雷达波速过程中，依次含有以下步骤：步骤(A1)：雷达数据对地下管线检测成像具有双曲线特征，该双曲线仅有半支且开口向下，双曲线上共有n个元素，其横坐标为水平位置xi，i＝1,2,……,n，纵坐标为信号往返时间ti，i＝1,2,……,n。为减少误差数据影响，去除该双曲线顶点(x0,t0)附近的数据，余下m个数据；步骤(A2)：求这m个数据构成的斜率，利用双曲线上元素连线的斜率逐渐接近渐近线的特点，将该双曲线上隔c个点连线的斜率作为渐近线的估计斜率kj，j＝1,2,……,m‑c；步骤(A3)：对于一系列渐近线的估计斜率kj，j＝1,2,……,m‑c，我们可以借助公式v＝2λ/k得到一系列波速的估计值，其中λ为矫正系数；步骤(A4)：利用模糊C均值聚类算法对m‑c个波速估计值进行聚类，通过合理选取初始聚类数量s和校正系数λ，将元素最多的类别中心作为实际波速的结果...

【技术特征摘要】
1.一种基于模糊聚类与Hough变换的探地雷达地下管线探测方法，该方法建立在雷达数据对地下管线检测成像的理论基础上，其特征在于，与理论推导的双曲线图形相对照，采用渐近线斜率作为雷达波速的计算依据，利用矫正参数和模糊C均值聚类算法获取准确的雷达波速，在计算雷达波速过程中，依次含有以下步骤：步骤(A1)：雷达数据对地下管线检测成像具有双曲线特征，该双曲线仅有半支且开口向下，双曲线上共有n个元素，其横坐标为水平位置xi，i＝1,2,……,n，纵坐标为信号往返时间ti，i＝1,2,……,n，为减少误差数据影响，去除该双曲线顶点(x0,t0)附近的数据，余下m个数据；步骤(A2)：求这m个数据构成的斜率，利用双曲线上元素连线的斜率逐渐接近渐近线的特点，将该双曲线上隔c个点连线的斜率作为渐近线的估计斜率kj，j＝1,2,……,m-c；步骤(A3)：对于一系列渐近线的估计斜率kj，j＝1,2,……,m-c，我们可以借助公式得到一系列波速的估计值，其中为波速的估计值，λ为矫正系数；步骤(A4)：利用模糊C均值聚类算法对m-c个波速估计值进行聚类，通过合理选取初始聚类数量s和矫正系数λ，将元素最多的类别中心作为实际波速的结果2.如权利要求1所述方法，其特征在于，依据三角形相似得到管线边缘坐标，再利用聚类Hough变换圆检测进一步确定管线的中轴坐标，从而获取管线半径在内的一系列参数，步骤如下：步骤(B1)：首先需要粗略计算管线中轴坐标(xm,ym)，其中，xm为使得ti取得最小值时xi的值，即x0，或者几个使得ti取得最小值时xi的均值，其中i＝1,2,……,n，(xf,tf)为曲线上距离顶点(x0,t0)较远的一点；步骤(B2)：依据三角形相似则对应边成比例，我们可以得到管线边缘点坐标(xei,yei)，为了克服部分数据提取时产生的误差，这里要先对双曲线坐标(xi,yi)进行最小二乘拟合，得出拟合结果，代入方程，其中i＝1,2,……,n；步骤(B3)：管线边...

【专利技术属性】
技术研发人员：乔旭，夏云海，纪宛君，
申请(专利权)人：中国矿业大学北京，
类型：发明
国别省市：北京;11