SUPERVISOR
Nader Fathianpour,Hasan Tabatabaei,Ahmad Reza Mokhtari
نادر فتحيان پور (استاد راهنما) سيد حسن طباطبائي (استاد راهنما) احمدرضا مختاري (استاد مشاور)
STUDENT
Bahram Jafrasteh
بهرام جفرسته
FACULTY - DEPARTMENT
دانشکده معدن
DEGREE
Master of Science (MSc)
YEAR
1388
TITLE
Characterization of Physical and Geometrical Properties of hidden Subsurface formations in Images of GPR Sections using Efficient Statistical Pattern Recognition Algorithms
Recently non-destructive techniques for exploration and retrieve of underground information about different fields such as oil and gas exploration, geology, conduit and pipe location and archeology have been developed. Depending on kind of application, an appropriate sensor should be employed for mapping subsurface. For detection of buried objects at shallow depths, ground penetrating radar (GPR) is considered as the most suitable approach. This technique consists in the transmission and reception of electromagnetic waves by means of apparatus which has few meters exploration depth and resolution of several centimeters. The GPR device uses high frequency electromagnetic waves to acquire subsurface data. The device uses a transmitter antenna and closely spaced receiver antenna to detect changes in electromagnetic properties beneath them. The antennas are suspended just above the ground surface and the antennas are shielded to eliminate interference from sources other than directly beneath the device. The transmitting antenna emits a series of electromagnetic waves, which are distorted by differences in soil conductivity, dielectric permitivity, and magnetic permeability. The receiving antenna records the reflected waves for a specified length of time (in nanoseconds). The approximate depth of an object can be estimated with GPR, by adjusting for electromagnetic propagation conditions. The GPR signals that are captured by the receiving antenna are recorded in array of numerals, which can be converted to gray scale (or color) pixel values. The radargrams are essentially a vertical map of the radar reflection returned from subsurface objects. The shape of GPR radargrams obtained from cylindrical objects is in the form of semi-hyperbola. Interpretation of acquired GPR data needs an experienced geoscientist meaning high cost in terms of money and time. For detection of buried objects using GPR data limited works has been done. In current study two optimization methods namely the Genetic (GA) and Artificial Bee Colony (ABC) Algorithms has been applied for detecting and locating hyperbola signatures of small buried objects (mainly pipes and channels). In the first step, two data sets including synthetic data using GprMax2d program and real data surveyed in the of Isfahan University of Technology (IUT) campus were constructed. Behaviour of synthetic data shows that changing the depth and radius of buried object, changes the shape of the semi-hyperbola showing the valuable geometrical information hiden in GPR responses. In the next step the data has been preprocessed using following operations: 1) Dewow filtering and removing DC bias 2) Background removal 3) Manual Gain function and 4) binarization. The above mentioned algorithms were applied to real and synthetic data for extracting features and estimation depth and radius of buried cylindrical objects (mainly metallic pipes). Results show that GA and ABC both are efficient optimization algorithms and can be used in acquiring geometrical patterns hiden in GPR images. Finally it is concluded that both ABC and GA have acceptable performances in detecting geometric parameters but the employed ABC algorithm outperforms the GA results owing mainly to its speed, robustness and accuracy. In spite of the fact that the associated errors in estimating geometric parameters out of real data compared with that of synthetic data is some what greater but the obtained results have enough accuracy and precision in practical works and can be used as an indicator and guide for locating buried objects.
اخيراً روشهاي غير مخرب براي اکتشاف و بازيابي اطلاعات سازندهاي زير سطحي در حوزههاي مختلف از جمله اکتشافات گاز و نفت، زمين شناسي، مهندسي، باستان شناسي و ژئوتکنيک (يافتن موقعيت کانالهاي مدفون و لولهها) توسعه يافتهاند. در هر روش از يک حسگر مناسب براي تصوير گرفتن از زيرزمين استفاده ميشود. براي يافتن اشياء مدفون در اعماق کم، پر کاربردترين روش، رادار نفوذي زمين (GPR) است. اين روش از طريق ارسال و ثبت بازتاب امواج الکترومغناطيسي توسط يک سيستم فرستنده-گيرنده با عمق اکتشافي نسبتاً کم (تا چند ده متر) و قدرت تفکيک تا چند سانتيمتر بکار گرفته مي شود. رادارگرام هاي حاصل از GPR براي مقاطع استوانه اي شبه هذلولي مي باشند. تفسير داده هاي بدست آمده توسط GPR نيازمند به تجربه زياد است و از نظر زمان و مادي هزينه بر است. تا کنون در مورد تشخيص اتوماتيک اشياء مدفون با استفاده از GPR کارهاي محدودي صورت گرفته است. در اين پايان نامه سعي شده است با استفاده از دو روش بهينه سازي، اهداف زير زميني کوچک (عمدتاً لوله ها و کانالها) با استفاده از تشخيص اثرات هذلولوي که توسط آن ها ايجاد مي شود، موقعيت يابي شوند. دو روش بهينه سازي براي استخراج ويژگي هاي تصوير شامل الگوريتم ژنتيک (GA) و الگوريتم کلوني مصنوعي زنبور (ABC) ميباشند. داده ها به دو روش مصنوعي با استفاده از نرم افزار GprMax2d و برداشت در محوطه دانشگاه صنعتي اصفهان بدست آمدند. داده هاي مصنوعي نشان مي دهند که با تغيير عمق و شعاع هذلولي گون، شکل هذلولي بدست آمده نيز تغيير مي کند و در نتيجه پارامترهاي هندسي مربوط به اين هذلولي گون تغيير مي يابند.پس از بدست آرودن داده ها پيش پردازش هاي لازم بر روي داده ها انجام گرفت: 1) تصحيح دي واو و حذف باياس DC 2) حذف زمينه 3) اعمال تابع بهره 4) باينريزه کردن. سپس الگوريتم هاي مذکور براي شناختن ويژگي هاي تصوير اعمال گرديدند و از ويژگي هاي هندسي به دست آمده براي تخمين عمق و شعاع لوله هاي مدفون استفاده شد. مطالعات انجام شده نشان مي دهد که هر دو الگوريتم مذکور وقتي که مسئله تشخيص الگو را بعنوان يک مسئله بهينه سازي در نظر بگيريم مي توانند براي استخراج ويژگي در تصاوير بکار روند. نتايج نشان مي دهد که هر دو الگوريتم GA و ABC نتايج قابل قبولي ارائه مي دهند ولي الگوريتم ABC در اين زمينه از نظر سرعت و دقت مناسبتر مي باشد. با وجود اينکه خطاي تخمين پارامترهاي هندسي براي داده هاي واقعي بيشتر از داده هاي مصنوعي است ولي از نقطه نظر کاربردي نتايج از صحت و دقت کافي برخوردار بوده و مي توانند به عنوان شاخص هاي مناسبي براي شناسايي ناهمگني هاي زيرسطحي مورد استفاده قرار گيرند.