吉林大学学报(地球科学版) ›› 2026, Vol. 56 ›› Issue (3): 1026-1037.doi: 10.13278/j.cnki.jjuese.20240266

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 基于深度学习的地下管线探地雷达数据反演

李海港,王涛,杨艳伟,董学征,廖利勇,付晓东,刘硕磊,倪雨苗   

  1. 碧水源建设集团有限公司,北京102206
  • 出版日期:2026-05-26 发布日期:2026-06-03
  • 作者简介:李海港(1984—),男,高级工程师,硕士,主要从事地下管线探测研究,E-mail: lihaigang0625@163. com
  • 基金资助:
    吉林省自然科学基金项目(YDZJ202201ZYTS491)

Inversion  of Ground Penetrating Radar Data for Underground Pipelines Based on Deep Learning

Li Haigang, Wang Tao, Yang Yanwei, Dong Xuezheng,#br# Liao Liyong, Fu Xiaodong, Liu Shuolei, Ni Yumiao#br#

#br#
  

  1. Beijing Origin Water Construction Group Co., Ltd., Beijing 102206, China
  • Online:2026-05-26 Published:2026-06-03
  • Supported by:
    Supported by Jilin Provincial Natural Science Foundation Project (YDZJ202201ZYTS491)

摘要: 地下管线的精准定位对于预防施工事故和确保城市发展至关重要。探地雷达(ground penetrating radar, GPR)方法作为一种高效且无损的探测手段,能快速获取地下结构信息。现有的GPR地下管线数据处理多依赖于B-Scan图像的人工解析,存在复杂性、主观性及精度的局限。针对这一问题,本文提出一种基于卷积神经网络的反演方法,自动从GPR数据中识别管线特征,实现精确定位。首先构建不同材质、尺寸和埋深的地下管线模型,以模拟现实中管线的多样性与复杂性;接着运用gprMax模块对模型进行正演模拟,形成训练数据集;然后建立端到端深度学习网络,其输入为归一化的GPR正演响应,输出为目标介电常数模型,获得正演响应与介电常数模型之间的网络模型;最后利用训练好的网络模型对输入的观测GPR数据进行反演,得出地下管线的介电常数模型。实验结果表明,在信噪比从0 dB降至-15 dB的测试中,反演结果的结构相似性均保持在0.86以上,均方误差维持在0.1以下,证实了该方法不仅能高精度反演管线位置与尺寸,且具备良好的抗噪性。实测数据验证进一步表明,所提方法在实际GPR数据中具有可靠的应用效果。


关键词: 管线探测, 探地雷达, 深度学习, 卷积神经网络

Abstract: The precise positioning of underground pipelines is crucial for preventing construction accidents and ensuring urban development. As an efficient and non-destructive detection method, ground penetrating radar (GPR) can rapidly acquire subsurface structural information. However, existing GPR data processing largely relies on manual interpretation of B-Scan images, which suffers from complexity, subjectivity, and limited accuracy. To address these issues, this paper proposes a convolutional neural network (CNN)-based inversion method capable of automatically identifying pipeline features from GPR data to achieve precise positioning. First, underground pipeline models with varying materials, dimensions, and burial depths were constructed to simulate the diversity and complexity of real pipelines. Subsequently, the gprMax module was utilized to perform forward modeling on these models to generate a training dataset. An end-to-end deep learning network was then established, taking normalized GPR forward responses as input and outputting target permittivity models to learn the mapping between them. Finally, the trained network was applied to invert observed GPR data to derive the permittivity models of underground pipelines. Quantitative experimental results demonstrate the robustness of the proposed inversion scheme. Even in challenging scenarios where the signal-to-noise ratio ranges from 0 dB down to -15 dB, the method maintains a structural similarity index above 0.86 and a mean squared error below 0.1. These metrics confirm that the algorithm is capable of high-precision inversion regarding pipeline location and dimensions while exhibiting excellent noise immunity. Moreover, validation using measured field data further substantiates the reliability and practical effectiveness of the method for actual GPR applications.


Key words: pipeline detection, ground penetrating radar, deep learning, convolutional neural networks

中图分类号: 

  • P631
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