一種探地雷達(dá)數(shù)據(jù)可視化方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)處理可視化領(lǐng)域，具體涉及一種基于多尺度局部特征和動 態(tài)時間規(guī)整的探地雷達(dá)數(shù)據(jù)可視化方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 近年來，探地雷達(dá)（Ground Penetrating Radar，簡稱GPR)作為一種快速、連續(xù)、非 接觸電磁波探測技術(shù)，以其采集速度快、分辨率高的特點(diǎn)，成為物探領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)之一。 在實(shí)際的應(yīng)用中，GPR數(shù)據(jù)的解譯需要較高的專業(yè)知識及經(jīng)驗(yàn)，而且環(huán)境以及系統(tǒng)的干擾使 得GPR數(shù)據(jù)摻雜各種雜波和噪聲以及個人經(jīng)驗(yàn)不同使得結(jié)果存在差異性，制約了從GPR技 術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展和實(shí)用化。其中GPR數(shù)據(jù)解譯過程中對其特征的提取傳統(tǒng)方法本質(zhì)都是基 于線性預(yù)測、Fourier分析或小波分析這樣的傳統(tǒng)信號分析技術(shù)，對于地下介質(zhì)類別數(shù)目就 只得依賴解譯人員專業(yè)知識及經(jīng)驗(yàn)，過度或者不當(dāng)?shù)奶幚?，都會使?shù)據(jù)失去原有真實(shí)性。
[0003] 數(shù)據(jù)可視化是描述和表達(dá)各種半結(jié)構(gòu)化甚至非結(jié)構(gòu)化問題的關(guān)系和模型的最佳 方法和手段，可以成為解譯GPR數(shù)據(jù)中蘊(yùn)含信息的新的解決途徑。通過可視化的方法對GPR 數(shù)據(jù)進(jìn)行圖像顯示，提供新的洞察力以挖掘傳統(tǒng)方法提取不到的信息。
[0004] 然而由于GPR數(shù)據(jù)采用聲波反射測速技術(shù)所得，反射回波的不確定性和地質(zhì)的多 樣性，使得GPR數(shù)據(jù)富含雜波、噪音和存在不連續(xù)性，以及獲取的數(shù)據(jù)分辨率相對低的這些 特點(diǎn)，給其可視化帶來了極其大的困難與挑戰(zhàn)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明的目的就是為了解決上述問題，提出了一種探地雷達(dá)數(shù)據(jù)可視化方法，該 方法基于多尺度局部特征和動態(tài)時間規(guī)整，從而客觀的挖掘更多有效特征信息，解決了 GPR 數(shù)據(jù)解譯過程中過于依賴人工因素的問題。
[0006] 為了解決上述問題，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：
[0007] -種探地雷達(dá)數(shù)據(jù)可視化方法，包括以下步驟：
[0008] (1)選定GPR數(shù)據(jù)集，分別提取GPR數(shù)據(jù)集不同尺度的無監(jiān)督局部特征，得到GPR 數(shù)據(jù)的局部特征集U= {U(l)，U(2)，"、U(m)};
[0009] (2)設(shè)定待匹配子序列長度范圍[minlen，maxlen]，利用動態(tài)時間歸整方法將待 測的GPR數(shù)據(jù)集D= {T(l)，T(2)，…，T(n)}與步驟（1)中所得局部特征集U進(jìn)行模式匹配 分類，U中的m即為此處分類數(shù)目；
[0010] (3)用可視化方法中的顏色映射方法將步驟（2)中進(jìn)行模式匹配的結(jié)果進(jìn)行展 示，得到GPR數(shù)據(jù)的直觀圖像表示。
[0011] 所述步驟（1)中提取GPR數(shù)據(jù)的不同尺度的無監(jiān)督局部特征的方法為：
[0012] 步驟SllO :選取待測GPR數(shù)據(jù)集中某一序列T(ds) = (^t2，…t J，其中 I < ds < n，初始化無監(jiān)督局部特征數(shù)據(jù)集U = Φ ;
[0013] 步驟S120 :設(shè)定滑動窗口范圍ql，移動步長1，從序列T(ds)中生成多個尺度的候 選無監(jiān)督局部特征集C ;
[0014] 步驟S130 :計(jì)算候選集C中每一個候選序列的質(zhì)量度量gap，并對其排序；
[0015] 步驟S140 :取質(zhì)量度量gap最大的候選序列，更新到無監(jiān)督局部特征數(shù)據(jù)集U中 作為U(i);
[0016] 步驟S150 :計(jì)算U(i)與GPR數(shù)據(jù)集中各序列的距離，設(shè)定閾值Θ，移除距離小于 閾值Θ的序列，判斷DIS^否穩(wěn)定，若穩(wěn)定，則輸出特征集U ;否則取距離最大的序列，返回 步驟Sl 10。
[0017] 所述步驟S150中，
[0018] 判斷DISa穩(wěn)定的條件具體為：
[0019] |disa|=i;
[0020] 即：當(dāng)小于分割點(diǎn)dt的距離的個數(shù)等于1達(dá)到穩(wěn)定。
[0021] 計(jì)算候選集C中每一個候選序列的質(zhì)量度量gap的方法為：
[0022] S131 :輸入候選序列C(c)和數(shù)據(jù)集D = {T(l), T(2),…，T(n)}，初始化maxGap = 〇 ；
[0023] S132 :計(jì)算候選序列C(c)與數(shù)據(jù)集D中各序列的距離，并將其排序，得到候選序列 C(c)與數(shù)據(jù)集D中各序列距離的距離向量DIS= Wis1, dis2, ."(IisrJ ;
[0024] S133 :根據(jù)距尚向量可得n-1個分割點(diǎn)dt，對每一個分割點(diǎn)dt分別計(jì)算分割點(diǎn)dt 兩端的距離個數(shù)的比值R ;
[0025] S134 :判斷R是否滿足設(shè)定條件，若是則計(jì)算gap，否則計(jì)算下一分割點(diǎn)的R ;
[0026] S135 :判斷計(jì)算的gap是否大于maxGap，是則更新maxGap，否則計(jì)算下一分割點(diǎn) gap 〇
[0027] 所述步驟S133中，計(jì)算R的方法為：
[0029] 其中，DISa表示距離向量DIS中小于分割點(diǎn)dt的各距離集合，DIS B表示距離向量 DIS中大于分割點(diǎn)dt的各距離集合，丨DISa丨表示小于分割點(diǎn)dt的距離個數(shù)，丨DISb丨 表示大于分割點(diǎn)dt的距離個數(shù)。
[0030] 所述步驟S134中R的設(shè)定條件為：
[0031] R e (〇· 2,5) 〇
[0032] 所述步驟S134中，計(jì)算gap的方法具體為：
[0033] gap = μ Β- σ Β- ( μ Α+ σ B)
[0034] 其中，以8表示大于分割點(diǎn)dt的所有距離的平均值，σ 8表示大于分割點(diǎn)dt的所 有距離的方差，以&表示小于分割點(diǎn)dt的所有距離的平均值，σ a表示小于分割點(diǎn)dt的所 有距離的方差。
[0035] 所述步驟S132中，
[0036] 計(jì)算候選序列C(c)與數(shù)據(jù)集D中各序列距離的距離向量的方法為：
[0037] 31321:輸入一個候選序列0=((：1，(^"(^")和數(shù)據(jù)集0={1(1)，1'(2)，··· ，T(n)};
[0038] S1322 :初始化距離向量DIS = Φ ;
[0039] S1323 :利用滑動窗口 ql = clen，clen為當(dāng)前候選序列C = (C1, c2, "YtllfJ的長 度，依次取出T (ds)的所有子序列Z= (Z1, Z2，…Zv} ,Zi= (Z^Z2,…，ZclfJ ;
[0040] 其中：
[0041] T(ds) = U1, t2,…tlen)，Ien 為數(shù)據(jù)集 T(ds) = U1, t2,…tlen)的長度；
[0043] S1324 :計(jì)算候選序列C(C)與子序列集Z中各子序列之間的距離dis，取最小值為 候選序列C(C)與數(shù)據(jù)序列T (ds)的距離diSds，更新到DIS中；
[0044] S1325 :判斷ds是否為n，若是，則對DIS排序得DIS = {diSl，Clis2，…disn}，否則， 轉(zhuǎn)向步驟S1323。
[0045] 所述步驟（2)的具體方法為：
[0046] 步驟S201 :設(shè)定待匹配子序列長度范圍[minlen，maxlen]，輸入待測的GPR數(shù)據(jù)集 D = {T(1)，T(2)，…，T(n)}與局部特征集 U = {im)，U(2)，…，U(m)};
[0047] 步驟S202 :對于T(ds)，分別初始化起始點(diǎn)st = 1、長度值Mien = minlen以及距 離向量sdist = Φ ;
[0048] 步驟S203 :初始化i = 1 ;
[0049] 步驟S204 :計(jì)算[minlen，maxlen]范圍內(nèi)，與局部特征U(i)距離(Ii最小的子序列 M(st, Mlen) ' 更新到距離向量sdist ;
[0050] 步驟S205 :判斷i是否為m，若是，則排序距離向量sdist，否則i = i+Ι，轉(zhuǎn)向步驟 S204 ；
[0051] 步驟S206 :取子序列與局部特征集U中各特征的距離的距離向量中最小 的i值，作為M03UM的類別序號；
[0052] 步驟S207 :判斷st+Mlen-Ι是否為len，若是，則下一步；否則更新起始點(diǎn)st = st+Mlen，并轉(zhuǎn)向步驟S204 ;len為T(ds)的長度；
[0053] 步驟S208 :判斷ds是否為n+1，若是，則下一步；否則返回步驟S202 ;
[0054] 步驟S209 :輸出類別矩陣。
[0055] 所述步驟S204中，山距離計(jì)算公式為：
[0056] Cl1= DTff(M (stiMlen),U(i));
[0057] 其中，st為待匹配序列的起始點(diǎn)，Mlen為[minlen, maxlen]范圍內(nèi)某一長度，U(i) 為局部特征，為與局部特征U(i)距離d 1最小的子序列。
[0058] 本發(fā)明的有益效果：
[0059] 本發(fā)明對于GPR數(shù)據(jù)應(yīng)用性強(qiáng)，并且能夠更好的提取有效GPR數(shù)據(jù)特征，更為客觀 的呈現(xiàn)了 GPR數(shù)據(jù)所蘊(yùn)含的信息，用可視化方法直觀的體現(xiàn)了探測結(jié)果。
[0060] 通過對數(shù)據(jù)集的多尺度局部特征的提取，解決了未知探測區(qū)域地下介質(zhì)類目問 題，區(qū)分出了不同的地下介質(zhì)，克服了傳統(tǒng)GPR數(shù)據(jù)介意過程中特征提取方法所帶來的多 解性的缺點(diǎn)。
[0061] 通過采用DTW距離計(jì)算能夠?qū)Σ坏乳L序列進(jìn)行相似的度量；并且DTW對于序列的 突變或者異常點(diǎn)并不敏感，這對于GPR數(shù)據(jù)中異常的噪點(diǎn)可以起到忽略的作用。
【附圖說明】
[0062] 圖1所示為本發(fā)明探地雷達(dá)數(shù)據(jù)可視化方法流程圖。
【具體實(shí)施方式】
[0063] 下文將結(jié)合具體實(shí)施例詳細(xì)描述本發(fā)明。應(yīng)當(dāng)注意的是，下述實(shí)施例中描述的技 術(shù)特征或者技術(shù)特征的組合不應(yīng)當(dāng)被認(rèn)為是孤立的，它們可以被相互組合從而達(dá)到更好的 技術(shù)效果。
[0064] 如圖1所示，本發(fā)明提供的一種基于多尺度局部特征和動態(tài)時間規(guī)整的探地雷達(dá) 數(shù)據(jù)可視化方法包括如下步驟：
[0065] 步驟SlOO:對GPR數(shù)據(jù)提取多尺度的局部特征；
[0066] 步驟S200:利用DTW距離對SlOO所述特征模型與GPR數(shù)據(jù)進(jìn)行模式匹配；
[0067] 步驟S300:對S200所述模式匹配結(jié)果運(yùn)用可視化方法得到GPR數(shù)據(jù)的直觀圖像 表不。
[0068] 上述步驟SlOO:對GPR數(shù)據(jù)提取多尺度的局部特征，具體地包括如下步驟：
[0069] 步驟Sl 10:輸入GPR數(shù)據(jù)集中某一序列T (ds)，初始化無監(jiān)督局部特征數(shù)據(jù)集U = Φ 〇
[0070] 步驟S120:設(shè)定滑動窗口范圍ql，移動步長1，從T (ds)中生成多個尺度的候選無 監(jiān)督局部特征集C。
[0071] 步驟S130:計(jì)算候選集C中每一個候選序列的質(zhì)量度量gap，并對其排序。其中質(zhì) 量度量gap計(jì)算公式如下：
[0072] gap = μ Β- σ Β- ( μ Α+ σ Β)
[0073] 步驟S140:取最大gap的候選序列，更新到無監(jiān)督局部特征數(shù)據(jù)集U中作為U (i)。
[0074] 這樣提出去的是某一個尺度的無監(jiān)督局部特征的提取后，我們便提取到某一道 GPR數(shù)據(jù)序列T (ds)中的某一位置的一個無監(jiān)督局部特征，表明此道GPR數(shù)據(jù)序列中的此位 置上的介質(zhì)特征。然而GPR數(shù)據(jù)中可能包含更多的介質(zhì)信息特征，因而我們對GPR數(shù)據(jù)中 含有此類介質(zhì)特征相似的數(shù)據(jù)序列去除處理后，對數(shù)據(jù)集中剩余數(shù)據(jù)序列進(jìn)行下一局部特 征的查找，其尺度取決于此特征的gap度量大小，因此最后我們會提取到多個尺度的局部 特征。
[0075] 步驟S150:計(jì)算U(i)與GPR數(shù)據(jù)集D中各序列距離，移除距離小于閾值Θ的序 列，判斷DIS^否穩(wěn)定，若穩(wěn)定，則輸出特征集U，否則取距離最大的序列，重復(fù)步驟S110。
[0076] 該穩(wěn)定條件為：
[0077] DIS A| = 1
[0078] 即：當(dāng)小于分割點(diǎn)dt的距離的個數(shù)等于1達(dá)到穩(wěn)定。
[0079] 上述步驟S130:計(jì)算候選集C中每一個候選序列的質(zhì)量度量gap，具體地包括如下 步驟：
[0080] S131:輸入候選序列C(c)和數(shù)據(jù)集D = {T(l), T(2),…，T(n)}，初始化maxGap = 〇 ；
[0081] S1