ارائه الگوريتم تطبيق الگوي سريع بهمنظور تعيين پارامترهاي هندسي اهداف استوانهاي پنهان در تصاوير رادار نفوذي به زمين

Providing a fast template matching algorithm to determine the geometrical parameters of hidden cylindrical targets in GPR images

در پژوهش حاضر بهمنظور تعيين پارامترهاي هندسي و مشخصات فيزيكي اهداف استوانهاي پنهان در تصاوير GPR ، يك الگوريتم تطبيق الگوي سريع ارائه شده است. براي دستيابي به اين هدف از روابط رياضي موجود بين پارامترهاي هندسي هدف استوانهاي شامل شعاع، عمق دفن و موقعيت افقي با مشخصات هذلولي پاسخ استفاده شد. روش تطبيق الگو از طريق بكارگيري دو روش تعيين ميزان شباهت مختلف، هماميخت دوبعدي مستقيم حوزه فضايي و همبستگي متقابل بههنجار )نرماليزه( شده در حوزه عدد موج دوبعدي، براي تصاوير GPR ، مورد استفاده قرار گرفت. در اين راستا ابتدا يك سري مراحل پيشپردازشي مناسب جهت حذف نوفههاي تصادفي بر روي تصاوير GPR اعمال گرديد. الگوريتم تطبيق الگو براي شناسايي و استخراج پارامترهاي هندسي قنات مدفون در دشت شاهين شهر اصفهان نيز به عنوان مطالعه ميداني دادههاي واقعي GPR مورد استفاده قرار گرفت. ازآنجاييكه دادههاي واقعي GPR حاوي انواع نوفهها بوده و به شدت وابسته به شرايط محيطي و سازندهاي زيرسطحي ميباشند، بنابراين يك سري مراحل پيش- پردازش و پردازشي متناسب و هدفمند، طراحي و بهطور خودكار بر روي نگاشتهاي راداري واقعي GPR ، قبل از ورود به الگوريتم تطبيق الگو اعمال شد. براساس ميزان دقت مقادير استخراج شده براي پارامترهاي هندسي قنات از روي پاسخ GPR دادههاي واقعي برداشت شده، اعتبار الگوريتم تطبيق الگو به اثبات رسيد. الگوريتم پيشنهادي بهگونهاي طراحي شده است كه كليه مراحل شناسايي و تخمين پارامترهاي هندسي اهداف مدفون، بهطور خودكار انجام ميشود.

In current study, a fast template matching algorithm has been presented to determine physical and geometrical parameters of hidden cylindrical targets in GPR images. To achieve this goal, the well-established mathematical relationships between geometrical parameters of cylindrical target (radius, burial depth and horizontal location) with the associated GPR hyperbolic response characteristics are employed. Template matching method was applied for GPR images using two different similarity criteria including 2D spatial convolution and normalized cross-correlation in the wave number domain. Primarily, appropriate random noise reduction algorithms were applied on GPR data. The template matching algorithm was also used to extract geometrical parameters of a buried qanat in Shahin-shahr plain, Isfahan province case study as real GPR data. Depending on environmental conditions and subsurface host materials, the real GPR data normally contain a variety of noises, therefore a series of appropriate and objective preprocessing and processing stages were designed in order to apply on real GPR radargrams before deploying template matching algorithm. The applicability of the template matching algorithm on real data and validity of the estimated parameters were proved based on assessing the accuracy of estimated values geometrical parameters of the qanat through GPR response versus the measured parameters. The proposed algorithm is designed in such a way that all stages of the estimation of geometrical parameters of buried cylindrical targets are automatically carried out.