本发明涉及地下监测领域，具体涉及一种基于地质雷达的地下障碍物监测方法及系统。
背景技术：
1、随着城市化进程的加快，地下空间的开发利用变得日益重要；地下障碍物的存在对地下工程的安全施工构成了重大挑战；传统的地下障碍物探测方法，如人工挖掘、地面穿透雷达等，存在效率低、成本高、准确性不足等问题；因此，开发一种高效、准确、低成本的地下障碍物监测技术具有重要的现实意义和广阔的应用前景。
2、目前，地下障碍物的监测主要依赖于地面穿透雷达技术；这种技术通过发射高频电磁波并接收反射回来的信号，来探测地下结构；然而，地面穿透雷达技术存在以下局限性：分辨率有限，难以精确识别小尺寸或深埋的障碍物；环境影响大，受地表条件影响较大，如土壤湿度、密度等，这些因素都会影响雷达波的传播和反射。
3、为了克服现有技术的不足，本技术方案提出了一种基于地质雷达的地下障碍物监测方法。
技术实现思路
1、本发明通过将目标监测区域划分为若干局部区域，并采用模拟退火算法来确定每个局部区域的大小，在每个局部区域内，通过计算信号衰减指数和障碍物的大致深度，能够对地下障碍物的存在及其局部区域的地下特性进行初步评估；这种方法不仅提高了监测的针对性和效率，而且通过精细化的局部区域分析，为后续的精准扫描和三维建模提供了可靠的基础数据，从而显著提升了整个监测过程的准确性和可靠性。
2、一种基于地质雷达的地下障碍物监测方法，包括：
3、将待监测的目标区域以网格形划分为若干个局部区域，网格的间距由群体优化算法选择获取；使用地质雷达对目标区域按照初步扫描路线进行初步扫描，初步扫描路线包括覆盖整个目标区域的若干条平行且间隔均匀的扫描路径，每个局部区域被一条扫描路径经过，获取若干个低频雷达信号数据；
4、针对任意一个局部区域，对经过该局部区域的低频雷达信号数据进行分析，计算获取该区域的信号衰减指数，同时计算该局部区域的障碍物参考深度；
5、基于各个局部区域的信号衰减指数和障碍物参考深度，获取各个局部区域对应的理想雷达发射频率；应用理想雷达发射频率使用地质雷达按照预设的线路进行精准扫描，获取若干个精准雷达信号数据；对所有获取的精准雷达信号数据进行时间-深度处理，获取若干个二维地下剖面图；对所有二维地下剖面图进行叠加和配准，获取目标区域的地下三维模型；
6、针对任意一个障碍物，从地下三维模型中提取出当前障碍物的局部点云区域，将提取出的局部点云区域作为障碍物分类模型的输入，输出障碍物分类结果；根据地下三维模型和障碍物分类结果，获取障碍物信息。
7、优选地，计算获取局部区域的信号衰减指数，具体操作如下：
8、针对任意一个局部区域，在经过当前局部区域的扫描路径上截取当前局部区域对应的局部扫描路径，并将局部扫描路径的起点、中心点和终点作为参考点；针对任意一个参考点，在当前局部扫描路径对应的低频雷达信号数据中提取出当前参考点最强且最先接收到的反射信号强度，同时记录该反射信号的传播时间 t，利用公式计算获取该反射信号的单程传播距离，其中，为光速；为当前局部区域对应的介电常数；随后利用公式计算获取当前参考点所在位置的单点衰减指数a，其中，为雷达发射的初始信号强度；获取三个参考点的单点衰减指数后，计算三个参考点的单点衰减指数的平均值，将计算获取的平均值作为当前局部区域的信号衰减指数。
9、优选地，计算获取局部区域的障碍物参考深度，具体操作如下：
10、针对任意一个局部区域，在经过当前局部区域的扫描路径上截取当前局部区域对应的局部扫描路径，并在低频雷达信号数据中截取出当前局部扫描路径对应的局部雷达信号数据；设置信号强度阈值，针对任意一个局部雷达信号数据中高于信号强度阈值的反射信号，利用公式计算获取当前反射信号的单程传播距离，作为当前反射信号对应的障碍物粗略深度，其中表示当前反射信号的传播时间；获取局部雷达信号数据中所有高于信号强度阈值的反射信号的障碍物粗略深度后，计算所有获取的障碍物粗略深度的平均值，获取当前局部区域的障碍物参考深度。
11、优选地，获取各个局部区域对应的理想雷达发射频率，具体操作如下：
12、设置基准发射频率，针对任意一个局部区域，利用公式计算获取当前局部区域的理想雷达发射频率f，其中， d为当前局部区域的障碍物参考深度， a为当前局部区域的信号衰减指数，和分别表示障碍物参考深度和信号衰减指数的调整系数；和的取值通过遗传算法选择获取。
13、优选地，选择获取网格间距的群体优化算法为模拟退火算法，具体操作如下：
14、步骤一：随机选择一个初始网格间距作为当前解，设置初始温度、最大迭代次数和温度衰减系数；利用目标函数计算当前解的适应度值，其中，表示网格间距的长度；表示应用当前网格间距时各个局部区域的差异程度，差异程度使用所有局部区域的信号衰减指数标准差与障碍物参考深度标准差的和表示；和分别为网格间距长度和局部区域差异程度的权重；
15、步骤二：对当前解增加或减少一个随机值，生成邻域解；利用目标函数计算获取邻域解的适应度值，并与当前解的适应度值进行比较；若当前解的适应度值小于邻域解的适应度值，则将当前解更新为选取生成的邻域解；若当前解的适应度值大于邻域解的适应度值，则根据概率决定是否接受邻域解作为当前解；其中表示邻域解的适应度值，表示当前解的适应度值，表示当前的温度；利用公式对温度进行更新，其中为温度衰减系数；
16、步骤三：重复执行步骤二，直至达到最大迭代次数，最终获取的当前解即为最优的网格间距。
17、优选地，障碍物分类模型基于pointnet模型建立。
18、优选地，对障碍物分类模型进行训练，具体操作如下：
19、获取若干份标注好障碍物分类结果的点云数据样本；将所有点云数据样本划分为训练集和测试集，使用训练集对障碍物分类模型进行训练，再将测试集输入至障碍物分类模型，获取障碍物分类测试结果；设置训练条件，若障碍物分类测试结果满足训练条件，则输出训练好的障碍物分类模型；否则，继续使用训练集对障碍物分类模型进行训练。
20、优选地，一种基于地质雷达的地下障碍物监测系统，包括：
21、局部区域特征获取模块，用于将待监测的目标区域以网格形划分为若干个局部区域；使用地质雷达对目标区域按照初步扫描路线进行初步扫描，获取若干个低频雷达信号数据；对所有局部区域的低频雷达信号数据进行分析，计算获取该区域的信号衰减指数，同时计算该局部区域的障碍物参考深度；
22、地下三维模型获取模块，用于根据各个局部区域的信号衰减指数和障碍物参考深度，获取各个局部区域对应的理想雷达发射频率；应用理想雷达发射频率使用地质雷达按照预设的线路进行扫描，获取若干个精准雷达信号数据；对所有获取的精准雷达信号数据进行时间-深度处理，获取若干个二维地下剖面图；对所有二维地下剖面图进行叠加和配准，获取目标区域的地下三维模型；
23、障碍物分类模块，用于从地下三维模型中提取出所有障碍物的局部点云区域，将提取出的局部点云区域作为障碍物分类模型的输入，输出障碍物分类结果；根据地下三维模型和障碍物分类结果，获取障碍物信息。
24、本发明具有以下优点：
25、本发明通过将目标监测区域划分为若干局部区域，并采用模拟退火算法来确定每个局部区域的大小，在每个局部区域内，通过计算信号衰减指数和障碍物的大致深度，能够对地下障碍物的存在及其局部区域的地下特性进行初步评估；这种方法不仅提高了监测的针对性和效率，而且通过精细化的局部区域分析，为后续的精准扫描和三维建模提供了可靠的基础数据，从而显著提升了整个监测过程的准确性和可靠性。
26、本发明通过基于初步扫描结果和局部区域的信号衰减指数及障碍物参考深度，确定理想雷达发射频率，进行精准扫描，获取精准雷达信号数据；这一步骤确保了雷达信号能够针对地下障碍物进行有效的探测，提高了数据的质量和可用性；利用这些精准雷达信号数据，进行时间-深度处理，生成二维地下剖面图，并通过叠加和配准这些剖面图，构建出目标区域的地下三维模型；这提高了数据处理的效率，而且使得地下障碍物的监测结果更加直观和精确，为地下工程的规划和施工提供了强有力的技术支持。
1.一种基于地质雷达的地下障碍物监测方法，其特征在于，包括：
2.根据权利要求1所述的一种基于地质雷达的地下障碍物监测方法，其特征在于，计算获取局部区域的信号衰减指数，具体操作如下：
3.根据权利要求2所述的一种基于地质雷达的地下障碍物监测方法，其特征在于，计算获取局部区域的障碍物参考深度，具体操作如下：
4.根据权利要求3所述的一种基于地质雷达的地下障碍物监测方法，其特征在于，获取各个局部区域对应的理想雷达发射频率，具体操作如下：
5.根据权利要求4所述的一种基于地质雷达的地下障碍物监测方法，其特征在于，选择获取网格间距的群体优化算法为模拟退火算法，具体操作如下：
6.根据权利要求5所述的一种基于地质雷达的地下障碍物监测方法，其特征在于，障碍物分类模型基于pointnet模型建立。
7.根据权利要求6所述的一种基于地质雷达的地下障碍物监测方法，其特征在于，对障碍物分类模型进行训练，具体操作如下：
8.一种基于地质雷达的地下障碍物监测系统，其特征在于，所述系统应用于上述权利要求1-7任一项所述的基于地质雷达的地下障碍物监测方法，包括：
