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論文中文名稱:運用透地雷達量測河川通水斷面 [以論文名稱查詢館藏系統]
論文英文名稱:Ground Penetrating Radar for River Cross Section Measurement [以論文名稱查詢館藏系統]
院校名稱:臺北科技大學
學院名稱:工程學院
系所名稱:土木與防災研究所
畢業學年度:98
出版年度:99
中文姓名:吳忠樺
英文姓名:Jhong-Hua Wu
研究生學號:97428079
學位類別:碩士
語文別:中文
口試日期:2010-06-29
論文頁數:148
指導教授中文名:陳彥璋
口試委員中文名:陳世楷;廖翊鈞;王逸民
中文關鍵詞:透地雷達電磁波振幅HHT河川通水斷面
英文關鍵詞:GPRelectromagnetic wave amplitudeHHTRiver section area
論文中文摘要:水理、水文分析中河川通水斷面為一非常重要之參數。以往大多數採用鉛錘法量測河川通水斷面,以鉛錘法量測需耗費大量時間、經費與人力,所得資料之時效性有限且施測之危險性極高,其量測之斷面為非連續性斷面,無法顯示真實之河川斷面狀態。『透地雷達』(Ground Penetrating Radar,簡稱GPR)大量運用於大地工程與地質探測上,於地下水位深度、斷層位置探勘、堤防掏空等檢測項目中之成果相當豐碩。USGS於1996年首度運用透地雷達進行河川斷面量測,研究指出對透地雷達不需接觸水體進而能夠提高安全性與準確性且所得為連續資料之特性,抱持高度肯定。但河川通水斷面之分析是以人為判釋之方式進行,人為判釋受個人主觀意識與判釋之經驗影響,於判釋上並無準則。本研究選定北勢溪流域為實驗區域,建立透地雷達現地量測與資料分析之流程,運用透地雷達影像、透地雷達電磁波振幅與運用HHT(希伯特-黃轉換)分析電磁波振幅以三種分析方法建立透地雷達資料判釋之機制,改進以往人為判釋之缺點。分析後可得連續之河川通水斷面,並與傳統鉛錘法所得之結果進行差異性比較,比較之結果顯示兩種方法之差異約於15%以內,證明透地雷達可運用於實際之河川通水斷面量測。
論文英文摘要:Ground Penetrating Radar application for ground engineering, survey the fault, etc. has been a long time. THE Ground Penetrating Radar virtue are save the cost, quick to measurement, efficient measurement ,not-contact measurement, etc.
Traditional river cross section measurement method are waste the time, waste the labor cost, and the data are limited in time.
River cross section Measurements using ground penetrating radar in order to shorten the time of measurement, reduce expenses. of measurement, reduce the risk of Surveying personnel, increase the measurement frequency and obtain the continuity of river cross section.
The study area is Beishih basin . The study establishes the ground-penetrating radar measurement and data analysis process. In this study using the ground-penetrating radar imaging, electromagnetic wave amplitude of ground -penetrating radar, and Transform the electromagnetic wave amplitude use Hilbert-Huang Transform to analysis the river bed location. It can obtain the continuity of river cross section when the GPR data analysis process complete. Compare the differences of river cross section area with the traditional method, the river cross section area differences about 15% that’s a compare result. It’s proved using ground-penetrating radar can application for river cross section measurement.
論文目次:目錄

摘 要 I
ABSTRACT II
誌 謝 IV
目錄 V
圖目錄 VII
表目錄 XI
第一章 緒論 1
1.1. 研究動機 1
1.2. 研究目的 2
1.3. 論文架構簡介 2
第二章 文獻回顧 5
2.1. 透地雷達應用於河川斷面量測相關研究 5
2.2. 透地雷達資料判釋 12
2.3. 河川斷面量測方法比較 15
第三章 透地雷達相關理論 17
3.1. 透地雷達基本原理 17
3.2. 待測介質參數 19
3.2.1. 導電度 19
3.2.2. 相對介電常數 20
3.2.3. 衰減度 21
3.3. 透地雷達解析度與穿透能力 22
3.4. 透地雷達施測參數設定 24
3.4.1. 天線頻率 24
3.4.2. 延遲時間範圍 25
3.4.3. 訊號延遲 25
3.4.4. 疊加次數 26
3.4.5. 探測介質 26
3.4.6. 訊號增益 28
3.4.7. 高通濾波(High Pass Filter) 28
第四章 透地雷達資料判釋理論與機制 30
4.1. 透地雷達數位影像編碼原理及運算 30
4.1.1. 影像空間矩陣 30
4.2. 電磁波傳遞特性 32
4.3. HILBERT-HUANG TRANSFORM, HHT 33
4.3.1. Empirical Mode Decomposition,EMD 35
4.3.2. Hilbert Transform 38
4.3.3. Hilbert-Huang Transform條件 40
4.4. 影像法判釋機制 42
4.5. 振幅法判釋機制 49
4.6. HHT分析法判釋機制 54
第五章 GPR實測河川斷面 58
5.1. 研究區域 58
5.1.1. 渡南橋 59
5.1.2. 虎寮潭橋 60
5.1.3. 水源橋 61
5.2. 施測儀器介紹 61
5.2.1. 透地雷達量測系統 62
5.2.2. 貨車及懸吊系統與天線框架 65
5.2.3. 測深捲揚器與測深吊索 67
5.2.4. 測深錘 68
5.3. 實驗方法與流程 69
5.3.1. 透地雷達量測法 70
5.3.2. 鉛錘法 76
第六章 分析結果與比較 80
6.1. 虎寮潭橋實驗結果 80
6.1.1. 虎寮潭實驗一 80
6.1.2. 虎寮潭實驗二 88
6.1.3. 虎寮潭實驗三 95
6.2. 渡南橋實驗結果 103
6.2.1. 渡南橋實驗一 103
6.2.2. 渡南橋實驗二 112
6.2.3. 渡南橋實驗三 120
6.3. 水源橋實驗結果 128
6.3.1. 水源橋實驗一 128
6.4. 各實驗場次分析方法與鉛錘法之差異性 137
6.4.1. 水深差異性分析 137
6.4.2. 通水面積差異性分析 139
第七章 結論與建議 142
7.1. 結論 142
7.2. 建議 143
參考文獻 144
附錄一 146

圖目錄

圖 1.1研究流程 3
圖 2.1 岩床探測的透力雷達影像 4
圖 2.2 河床探測的透地雷達影像 5
圖 2.3 透地雷達量測結果(Kurt et al.,1996) 6
圖 2.4 鉛錘法與GPR(Kurt et al.,1996) 6
圖 2.5 1997與1998年洪水過後之比較(Joseph,2000) 7
圖 2.6 中大湖斷面(Yang et al.,2002) 8
圖 2.7 頭前溪斷面(Yang et al.,2006) 8
圖 2.8 透地雷達施測斷面(Costa et al,2006) 9
圖 2.9 GPR與鉛錘法比較(Costa et al,2006) 9
圖 2.10圖層分析結果思源橋一(陳彥霖,2009) 10
圖 2.11鉛錘法與GPR法斷面比較示意圖思源橋一(陳彥霖,2009) 10
圖 2.12 混凝土蜂窩現象透地雷達剖面 11
圖 2.13 修復後透地雷達剖面 11
圖 2.14 蜂窩現象影像細線化剖面 12
圖 2.15 修復後影像細線化剖面 12
圖 2.16 各透地雷達剖面管線影像強化結果 12
圖 2.17 傳統之2-D分析Johannes Hugenschmidt等人(2010) 13
圖 2.18 各天線頻率資料融合後之逆散射3-D分析 13
圖 2.19深急水流中測深錘與測錘線位置 15
圖 3.1 電磁波傳播方式示意(陳裕典,2007) 16
圖 3.2 導電度與衰減關係(Costa,2006) 19
圖 3.3 頻率與衰減常數關係(裴廣智,2000) 21
圖 3.4 夫瑞奈帶 22
圖 3.5 不正確之訊號延遲位置(RADER,2005) 25
圖 3.6 訊號增益過大(RADER,2005) 27
圖 3.7 訊號增益過小(RADER,2005) 27
圖 3.8 受到低頻干擾時之回波(RADER,2005) 28
圖 4.1 透地雷達河川斷面原始影像(陳彥霖,2009) 30
圖 4.2 透地雷達河川斷面影像矩陣 31
圖 4.3介質交界面電磁波振幅反應示意圖 32
圖 4.4希伯特-黃轉換流程圖(Rao, A.R.; Hsu, E.-C. 2008) 34
圖 4.5上下包絡線示意圖(a)原始資料(b)局部極值示意圖(c)上下包絡線(d)上下包絡線均值(Donghoh Kim and Hee-Seok Oh 2009) 37
圖 4.6希爾伯特頻譜(Huang, N. E., Z. Shen, and S. R. Long 1999) 39
圖 4.7 振幅值與影像色皆之關係 42
圖 4.8 以透地雷達影像分析河川底床位置分析流程 43
圖 4.9 影像灰階化 45
圖 4.10 影像對比提高 45
圖 4.11 數位影像矩陣 45
圖 4.12 Sample上之像素強度 45
圖 4.13 影像法分析結果 45
圖 4.14影像HHT底床數值分析法之結果 45
圖 4.15 透地雷達電磁波振幅分析底床位置流程圖 45
圖 4.16 電磁波振幅數值 45
圖 4.17 各trace電磁波振幅 45
圖 4.18 River Bottom 運算程式 45
圖 4.19 振幅法分析結果 45
圖 4.20振幅HHT底床數值分析法之結果 45
圖 4.21HHT分析法分析流程 45
圖 4.22 電磁波振幅之EMD處理 45
圖 4.23 電磁波振幅與其HHT轉換後之關係 45
圖 4.24 橋墩與岸邊訊號經HHT轉換後之結果 45
圖 5.1 河川斷面施測位置 45
圖 5.2 渡南橋 45
圖 5.3 虎寮潭橋 45
圖 5.4 水源橋 45
圖 5.5 Zond-12e控制主機 45
圖 5.6 各頻率天線 45
圖 5.7 連接裝置 45
圖 5.8 電腦設備 45
圖 5.9 透地雷達配件 45
圖 5.10 貨車及懸吊系統 45
圖 5.11 天線框架 45
圖 5.12 測深捲揚器組 45
圖 5.13 測深吊索 45
圖 5.14 各磅數測深錘 45
圖 5.15 實驗流程圖 45
圖 5.16 各頻率天線吊掛 45
圖 5.17 河水導電度量測 45
圖 5.18 天線懸吊 45
圖 5.19 吊臂延伸 45
圖 5.20 天線定位 45
圖 5.21 河川斷面透地雷達施測 45
圖 5.22 以捲揚器量測河川斷面 45
圖 5.23 透地雷達探測涵蓋範圍 45
圖 5.24 以測深吊索量測河川斷面 45
圖 6.1 虎寮潭實驗一原始影像 45
圖 6.2 虎寮潭實驗一之影像處理 45
圖 6.3 虎寮潭實驗一影像分析結果 45
圖 6.4 虎寮潭實驗一影像法HHT底床分析與鉛錘法之比較 45
圖 6.5 虎寮潭實驗一電磁波振幅分析結果 45
圖 6.6 虎寮潭實驗一振幅法HHT底床分析與鉛錘法之比較 45
圖 6.7 虎寮潭實驗一HHT分析法與鉛錘法之比較 45
圖 6.8 虎寮潭實驗一各方法分析結果與鉛錘法之比較 45
圖 6.9 虎寮潭實驗二原始影像 45
圖 6.10 虎寮潭實驗二之影像處理 45
圖 6.11 虎寮潭實驗二影像分析結果 45
圖 6.12 虎寮潭實驗二影像法HHT底床分析與鉛錘法之比較 45
圖 6.13 虎寮潭實驗二電磁波振幅分析結果 45
圖 6.14 虎寮潭實驗二振幅法HHT底床數值分析與鉛錘法之比較 45
圖 6.15 虎寮潭實驗二HHT分析法與鉛錘法之比較 45
圖 6.16 虎寮潭實驗二各方法分析結果與鉛錘法之比較 45
圖 6.17 虎寮潭實驗三原始影像 45
圖 6.18 虎寮潭實驗三之影像處理 45
圖 6.19 虎寮潭實驗三影像法分析結果與鉛錘法之比較 45
圖 6.20 虎寮潭實驗三影像法HHT底床數值分析與鉛錘法之比較 45
圖 6.21 虎寮潭實驗三振幅法分析結果與鉛錘法之比較 45
圖 6.22 虎寮潭實驗三振幅法HHT底床數值分析與鉛錘法之比較 45
圖 6.23 虎寮潭實驗三HHT分析法與鉛錘法之結果比較 45
圖 6.24 虎寮潭實驗三各方法分析結果與鉛錘法之比較 45
圖 6.25 渡南橋實驗一原始影像 45
圖 6.26 渡南橋實驗一之影像處理 45
圖 6.27 渡南橋實驗一影像法分析結果與鉛錘法之比較 45
圖 6.28 渡南橋實驗一影像HHT底床數值分析法與鉛錘法之比較 45
圖 6.29 渡南橋實驗一振幅法分析結果與鉛錘法之比較 45
圖 6.30 渡南橋實驗一振幅HHT底床數值分析法與鉛錘法之比較 45
圖 6.31 渡南橋實驗一HHT分析法與鉛錘法之比較 45
圖 6.32 渡南橋實驗一各分析方法結果與鉛錘法之比較 45
圖 6.33 渡南橋實驗二原始影像 45
圖 6.34 渡南橋實驗二之影像處理 45
圖 6.35 渡南橋實驗二影像法分析結果 45
圖 6.36 渡南橋實驗二影像HHT底床數值分析法與鉛錘法之比較 45
圖 6.37 渡南橋實驗二振幅法分析結果 45
圖 6.38 渡南橋實驗二HHT底床數值分析法與鉛錘法之比較 45
圖 6.39 渡南橋實驗二HHT分析法與鉛錘法之比較 45
圖 6.40 渡南橋實驗二各分析方法結果與鉛錘法之比較 45
圖 6.41 渡南橋實驗三原始影像 45
圖 6.42 渡南橋實驗三影像處理 45
圖 6.43 渡南橋實驗三影像法分析結果 45
圖 6.44 渡南橋實驗三影像HHT底床數值分析法與鉛錘法之比較 45
圖 6.45 渡南橋實驗三振幅法分析結果與鉛錘法之比較 45
圖 6.46 渡南橋實驗三振幅HHT底床數值分析法與鉛錘法之比較 45
圖 6.47 渡南橋實驗三HHT分析法與鉛錘法之比較 45
圖 6.48 渡南橋實驗三各分析方法結果與鉛錘法之比較 45
圖 6.49 水源橋實驗一原始影像 45
圖 6.50 水源橋實驗一之影像處理 45
圖 6.51 水源橋實驗一影像法與鉛錘法之分析比較 45
圖 6.52 水源橋實驗一影像HHT底床數值分析法與鉛錘法之分析比較 45
圖 6.53 水源橋實驗一振幅法與鉛錘法之分析比較 45
圖 6.54 水源橋實驗一振幅HHT底床數值分析法與鉛錘法之分析比較 45
圖 6.55 水源橋實驗一HHT分析法與錘法之分析比較 45
圖 6.56 水源橋實驗一各分析方法與鉛錘法之分析比較 45
圖 6.57影像法與鉛錘法之水深差異性 45
圖 6.58振幅法與鉛錘法之水深差異性 45
圖 6.59HHT分析法與鉛錘法之水深差異性 45
圖 6.60影像法與鉛錘法之通水面積差異性 45
圖 6.61振幅法與鉛錘法之通水面積差異性 45
圖 6.62HHT分析法與鉛錘法之通水面積差異性 45
圖 6.63各分析法與鉛錘法之通水面積差異性 45



表目錄

表 2.1傳統各河川斷面量測法與透地雷達量測之比較 15
表 3.1天線頻率對應(RADER,2005) 23
表 3.2 不同天線對應之延遲時間範圍(RADER,2005) 24
表 3.3常見介質電性參數(裴廣智,2000) 26
表 4.1停止準則(吳順德2009) 40
表 4.2包絡線方法(吳順德2009) 41
表 6.1 虎寮潭實驗一影像法HHT底床分析法與鉛錘法各點位差異性比較 45
表 6.2虎寮潭實驗一振幅法HHT底床分析法與鉛錘法之各點位比較 45
表 6.3 虎寮潭實驗一HHT分析法與鉛傳法之各點位比較 45
表 6.4虎寮潭實驗一各分析方法與鉛錘法之面積比較 45
表 6.5虎寮潭實驗二影像法HHT底床數值分析與鉛錘法之各點位比較 45
表 6.6 虎寮潭實驗二振幅法 HHT底床分析與鉛錘法之各點位比較 45
表 6.7虎寮潭實驗二HHT分析法與鉛錘法之各點位比較 45
表 6.8虎寮潭實驗二各分析方法與鉛錘法之面積比較 45
表 6.9 虎寮潭實驗三影像法HHT底床數值分析法與鉛錘法之各點位比較 45
表 6.10 虎寮潭實驗三振幅HHT底床數值分析法與鉛錘法之各點位比較 45
表 6.11 虎寮潭實驗三HHT分析法與鉛錘法之各點位比較 45
表 6.12虎寮潭實驗三各分析方法與鉛錘法之面積比較 45
表 6.13渡南橋實驗一影像HHT底床分析法與鉛錘法之各點位比較 45
表 6.14渡南橋實驗一振幅HHT底床數值分析法與鉛錘法之各點位比較 45
表 6.15 渡南橋實驗一HHT分析法與鉛錘法之各點位比較 45
表 6.16渡南橋實驗一各分析方法與鉛錘法之面積比較 45
表 6.17 渡南橋實驗二影像HHT底床數值分析法與鉛錘法之各點位比較 45
表 6.18 渡南橋實驗二HHT底床數值分析法與鉛錘法之各點位比較 45
表 6.19 渡南橋實驗二HHT分析法與鉛錘法之各點位比較 45
表 6.20渡南橋實驗二各分析方法與鉛錘法之面積比較 45
表 6.21 渡南橋實驗三影像HHT底床數值分析法與鉛錘法之各點位比較 45
表 6.22渡南橋實驗三振幅HHT底床數值分析法與鉛錘法之各點位比較 45
表 6.23 渡南橋實驗三HHT分析法與鉛錘法之各點位比較 45
表 6.24渡南橋實驗三各分析方法與鉛錘法之面積比較 45
表 6.25 水源橋實驗一影像HHT底床數值分析法與鉛錘法之各點位比較 45
表 6.26 水源橋實驗一振幅HHT底床數值分析法與鉛錘法之各點位比較 45
表 6.27 水源橋實驗一HHT分析法與錘法之各點位比較 45
表 6.28水源橋實驗一各分析方法與鉛錘法之面積比較 45
表 6.29各分析方法與鉛錘法之水深差異性比較 45
表 6.30 各分析方法與鉛錘法之通水面積差異性比較 45
表 A.1 各頻率天率對應之投影範圍 45
論文參考文獻:參考文獻

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論文全文使用權限:同意授權於2015-08-27起公開