使用探地雷达数据进行基础结构评估和监测的制作方法

本发明实施方案整体涉及通过探地雷达采集的数据。实施例方案更具体地涉及使用通过基于车辆的探地雷达获得的数据来监测和维护与道路相关的基础结构。

大多数自主车辆依靠“查看”路面和周围基础结构的光学系统来定位自身。在确定自主车辆在移动期间的位置方面，光学系统比全球定位系统(gps)装置更快且更准确。光学系统在良好的天气状况下高效工作，但是当雪覆盖了车道标线和路面或雾使参考点模糊不清的情况下，光学系统的工作具有挑战性和风险。即使在良好的天气状况下，在光学器件不工作的情况下具有独立的传感器来依靠也可为当前自主车道保持系统增加几个数量级的可靠性。

美国专利号8,949,024描述了一种沿车辆轨道采集地表下区域的表面穿透雷达(spr)图像的方法。将采集的spr图像与先前针对至少部分地与沿车辆轨道的地表下区域重叠的地下区域所采集的spr图像进行比较。在一些实施方案中，该比较包括图像相关过程。车辆的位置数据部分地基于先前针对第二地表下区域所采集的spr图像的位置数据来确定。位置数据可用于沿期望路径引导车辆。地表下区域中特征的相对静态性质提供了具有优于可能受到天气状况、动态特征和时变照明的不利影响的其他基于传感器的导航系统的优点的方法。

当前系统未解决的以及当前所需的是利用由车辆使用gpr/spr获得的数据进行车辆导航之外的导航目的。如本领域所教导的，车辆的导航需要捕获地表下数据，但该数据可用于在数据为众包的情况下尚未设想到的其他目的。美国和其他地区的基础结构需要维护或更换。评价和监测为极其资源密集的。受影响很大的基础结构要么以道路的形式存在，要么位于道路下面(例如，地下公用设施)。除其他之外，相关问题的部分列表包括渗漏管道、地表下冲蚀、映射不当的传统基础结构和阻塞管道。用于水、下水道、天然气和蒸汽的渗漏管道可能导致浪费、污染和地表下冲蚀，从而造成污水沟。例如，桥梁的腐蚀可能导致结构损坏。映射不当的传统基础结构可能导致与维护或实施新的替换基础结构相关的过高成本。阻塞的管道可导致泵送的能量消耗增加或容量降低。

本发明实施方案认为，由spr和补充传感器(例如，gps、成像)获得的当前设想到仅单独用于导航车辆的数据也可由其他用户汇集和利用以监测和维护或增强现有基础结构。

因此，本发明实施方案的一个方面是提供用于获得基础结构信息的方法和系统，该基础结构信息包括由车辆携带的探地雷达(gpr)所捕获的地表下图像，其中车辆包括移动数据处理设备并将基础结构信息提供给用户(例如，基础结构管理器/维护人员)。

实施方案的另一方面是计算机可读数据还包括基于车辆位置的用于地表下图像的位置信息。再一方面是位置可由gps和/或根据地表下图像来确定。

实施方案的另一方面是基础结构信息可包括图像和/或视频。

实施方案的另一个方面是，包括基础结构信息的计算机可读数据可被无线地传输到远程服务器以存储在数据库中，并且供注册用户(例如，基础结构管理器/维护人员)检索，以将包括由gpr捕获的地表下图像的基础结构信息显示在显示设备上。

实施方案的另一个方面是，可基于与跟地表下图像被gpr捕获并报告给服务器的位置相关的先前存储的基础结构信息的匹配，提供针对检测到变化的基础结构的地表下图像和位置信息。

实施方案的一个方面是，可在远程服务器处从包括可通信地耦接到由车辆携带的探地雷达的移动数据处理设备的车辆接收基础结构信息，其中包括由探地雷达捕获的地表下图像和存储在服务器中或与服务器相关联的数据库中的地表下图像的位置信息的计算机可读数据基于车辆的位置。

实施方案的另一个方面是，计算机可读数据还可包括由相机获得的图像、用于车辆的视频和gps信息。

实施方案的另一个方面是，计算机可读数据可通过作为自主车辆在道路上行驶的车辆来获得。

实施方案的另一个方面是，系统包括用于存储计算机可读数据的数据库，该计算机可读数据包括由车辆携带并可通信地耦接到移动数据处理设备的探地雷达所捕获的地表下图像。

实施方案的另一个方面是，系统包括：存储器，该存储器用于存储计算机可执行指令以执行向系统的注册用户呈现计算机可读数据的方法，其中该方法的步骤包括：从包括移动数据处理设备的车辆接收计算机可读数据，该计算机可读数据包括由车辆携带并可通信地耦接到移动数据处理设备的探地雷达所捕获的地表下图像，以及基于车辆的位置的地表下图像的位置信息；以及将计算机可读数据传输到远程服务器以存储在数据库中供注册用户检索，以将计算机可读数据显示在能够显示在显示设备上。

实施方案的另一个方面是，由作为众包基础结构数据检索系统的一部分的车辆所提供的计算机可读数据也被检索和存储供关注地表下基础结构的状态的用户进行评估，其中数据是从使用探地雷达进行导航的车辆获得的。

实施方案的有益效果包括采集可销售给城市、州和联邦机构地表和地表下数据，以便他们可调度和执行基础结构维护。实施方案应证明对市政当局以及运输和工程企业很有价值。

实施方案的一个方面是，由车辆生成并发送以存储在服务器中的数据可作为服务条款提供给负责管理或维护受监测的基础结构的市政当局或联系人。提供数据的服务可以识别数据的来源。gpr数据将使基础结构管理和维护更有效且更高效。

上述方面以及其他目标和优点现可按本文所述的方式来实现。配备有探地雷达的移动车辆可采集包括地表下图像以及gps和其他定位信息(例如，图像、视频)的数据，包含位置的信息可用于精确地确定车辆的位置。集中式地图数据库可允许车辆在未绘制出路线本身的情况下使用数据来导航路线。基础结构管理器还可以分析地图和数据库，以评估路基和相关基础结构的当前状态。随时间的变化可用于监测渐进式或突发性损坏。可集中完成分析，也可在车辆上对数据进行预处理。

图1示出了根据执行本发明的实施方案可被包括的部件的系统图。

图2示出了根据实施方案的另选系统，其中车辆配备有包括gps和成像相机的附加系统。

图3示出了根据实施方案的可由车辆编译并通过通信网络提供给远程服务器以用于基础结构管理的计算机可读数据的类型的框图。

图4示出了根据实施方案的用于提供基础结构信息的方法的流程图。

图5示出了根据实施方案的用于向基础结构管理器提供基础结构信息的方法的流程图。

图6示出了根据另一实施方案的用于向远程服务器的注册用户提供地表下基础结构信息的方法的流程图。

现在可参考各种系统和方法来呈现数据处理系统的若干方面。这些系统和方法可以各种块、模块、部件、电路、步骤、过程、算法、引擎、应用程序等(其可单独地或统称为“元件”)在以下具体实施方式中描述并在附图中示出。这些元件可使用电子硬件、计算机软件或它们的任何组合来实现。此类元件被实现为硬件还是软件取决于对整个系统施加的特定应用和设计约束。

以举例的方式，元件或元件的任何部分，或元件的任何组合可利用包括一个或多个处理器的“处理系统”来实现。处理器的示例包括微处理器、微控制器、数字信号处理器(dsp)、现场可编程门阵列(fpga)、可编程逻辑器件(pld)、状态机、门控逻辑器、分立硬件电路，以及被配置为执行本公开中所述的各种功能的其他合适的硬件。处理系统中的一个或多个处理器可执行软件。软件应广义地理解为是指指令、指令集、代码、代码段、程序代码、程序、子程序、软件模块、应用程序、软件应用程序、软件包、例程、子例程、对象、可执行文件、执行线程、过程、功能等，无论被称为软件、固件、中间件、微码、硬件描述语言或其他。

因此，在一个或多个示例性实施方案中，该功能可在硬件、软件、固件或它们的任何组合中实现。如果在软件中实现，则功能可存储在计算机可读介质上或编码为计算机可读介质上的一个或多个指令或代码。计算机可读介质包括计算机存储介质。存储介质可以是可由计算机访问、或从服务器或从基于云端的系统访问的任何可用介质。以举例的方式而非限制地，此类计算机可读介质可包括只读存储器(rom)或随机存取存储器(ram)、电可擦除可编程rom(eeprom)，包括使用光盘(cd)或其他光盘存储器、磁盘存储器或其他磁性存储设备实现的rom，或可用于运送或存储指令或数据结构形式的所需程序代码或可由计算机访问的任何其他介质。上述组合也应包括在计算机可读介质的范围内。

如本文所用，术语“计算设备”通常是指包括用于根据一个或多个编程指令执行一个或多个操作的处理器/微控制器和/或任何其他数字部件的设备。换句话讲，在本公开的上下文中，计算设备具有图像处理能力，例如生成文档。另外，此类计算设备可在需要时与扫描设备通信。计算设备的一些示例包括但不限于服务器、台式计算机、笔记本、工作站、个人数字助理(pda)、大型计算机、移动计算设备(例如，移动电话、平板电脑等)、互联网设备等。在一些情况下，术语“数据处理系统”可与术语“计算设备”互换使用。

如本文所用，术语“通信网络”是指提供多种信息和通信设施的全局计算机网络，其由使用标准化有线和无线数据通信协议的互连网络组成。通信网络可包括蜂窝通信网络(例如，gsm、cdma、lte、5g等)、wifi、卫星以及适于支持设备(例如，移动设备和服务器)之间的数据通信的基于分布式转发器的网络。

如本领域的技术人员可理解的，示例性实施方案可在方法、数据处理系统或计算机程序产品的上下文中实现。因此，一些实施方案可采取完全硬件实施方案、完全软件实施方案或将软件和硬件方面相结合的实施方案的形式，本文将所有这些方面统称为“电路”或“模块”。此外，在一些情况下，实施方案可在计算机可用存储介质上采取计算机程序产品的形式，该计算机程序产品具有体现在介质中的计算机可用程序代码。可使用任何合适的计算机可读介质，包括硬盘、usb闪存驱动器、dvd、cd-rom、光学存储设备、磁存储设备、服务器存储装置、数据库等。

用于执行本发明的操作的计算机程序代码可用面向对象的编程语言(例如，java、c++等)来编写。然而，用于执行特定实施方案的操作的计算机程序代码还可用常规的程序编程语言(诸如“c”编程语言)编写或在视觉导向的编程环境(例如，visualbasic)中编写。

程序代码可完全在用户的计算机上、部分地在用户的计算机上、作为独立的软件包部分地在用户的计算机上以及部分地在远程计算机上或完全在远程计算机上执行。在后一种情况下，远程计算机可通过局域网(lan)或广域网(wan)、无线数据网络(例如wi-fi、wimax、802.xx和蜂窝网络)连接到用户的计算机，或者可经由大多数第三方支持网络(例如，利用互联网服务提供商通过互联网)与外部计算机进行连接。

本发明所公开的示例性实施方案可至少部分地结合根据本发明实施方案的方法、系统和计算机程序产品和数据结构的流程图图示和/或框图来描述。应当理解，图示的每个方框以及方框的组合均可通过计算机程序指令来实现。可将这些计算机程序指令提供给例如通用计算机、专用计算机或其他可编程数据处理装置的处理器以产生机器，使得经由计算机或其他可编程数据处理装置的处理器执行的指令创建用于实现一个或多个框中指定的功能/动作的装置。

为了清楚起见，所公开的实施方案可在例如专用计算机或通用计算机或其他可编程数据处理装置或系统的上下文中实现。例如，在一些示例性实施方案中，数据处理装置或系统可被实现为专用计算机和通用计算机的组合。

前述计算机程序指令也可存储在计算机可读存储器中，该计算机可读存储器可引导计算机或其他可编程数据处理装置以特定方式工作，使得存储在计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制成品，该指令装置实现本文所示和所述的不同一个或多个框、流程图和其他架构中指定的功能/动作。

计算机程序指令也可加载到计算机或其他可编程数据处理装置上，以使得在计算机或其他可编程装置上执行一系列操作步骤来产生计算机实现的过程，使得在计算机或其他可编程装置上执行的指令提供用于实现一个或多个框中指定的功能/动作的步骤。

附图中的流程图和框图示出了根据本发明的各种实施方案的系统、方法和计算机程序产品的可能具体实施的架构、功能和操作。就这一点而言，流程图或框图中的每个框可表示指令的模块、段或部分，其包括用于实现所指定逻辑功能的一个或多个可执行指令。

在一些另选的具体实施中，框中所示的功能可以不按附图中所示的顺序进行。例如，连接示出的两个框实际上可基本上同时执行，或者这些框有时可根据所涉及的功能以相反顺序执行。还应当指出的是，框图和/或流程图图示的每个块和框图和/或流程图图示中的块的组合可由执行指定功能或操作或者执行专用硬件和计算机指令的组合的基于专用硬件的系统来实现。

本文参考表面穿透雷达(spr)和探地雷达(gpr)。如本文所用，spr是指被配置为从地表下区域采集数据的任何雷达系统。spr可被配置和取向为获得在墙壁、天花板、地板的表面或围绕隧道或通道的表面后面的地表下区域的数据。在一些情况下，spr还可获得表面的数据。应当理解，gpr系统是一种spr系统，其被配置为从地表下方的区域采集数据并且还可采集地表的数据。还应理解，探地雷达定位(lgpr)只是spr的最近形式和应用。如本文所用，“地表下区域”是指表层后面的区域，诸如地表后面的地下区域。另选地，地表下区域可为结构表面后面的区域，诸如墙壁或天花板结构内部和/或后面的区域。

参考图1，其示出了根据执行本发明的实施方案可被包括的部件的系统图100。车辆110可包括用于沿道路穿透和捕获地表下区域的图像的探地雷达115、用于执行成像(即，捕获和处理gpr图像)并将捕获图像转换为地表下图像的移动数据处理器117，以及用于存储包括地表下图像的计算机可读数据的存储器120，以及用于使车辆能够通过通信网络150与远程服务器130进行无线通信的通信硬件125。远程服务器130还包括通信硬件135和用于处理从车辆110接收的数据的处理器137，用于存储使得用户注册和远程注册用户对所存储的计算机可读数据的访问所必需的代码或编程指令的存储器140，以及数据库160。车辆110可为由人驾驶的或自主的车辆。当自主操作时，可通过探地雷达115的协助来导航车辆110。

参考图2，其示出了另选的系统200，其中车辆110配备有包括gps201和成像相机202的附加系统。gps和成像相机可用于帮助对车辆110进行导航，尤其是在车辆自主操作的情况下。gps101和成像202还可用于提供附加信息(例如，位置和图片/视频)以及与地表下图像一起提供给远程服务器的计算机可读数据，其可用于计算机可读数据的用户以在基础结构评估和管理中使用。

参考图3，其示出了可由车辆110编译并通过通信网络150提供给远程服务器130以用于基础结构管理的计算机可读数据310的类型的框图300。计算机可读数据310可包括由地面成像雷达115捕获的地表下图像311、提供与所捕获的地表下图像311相关联的车辆位置信息的gps数据312、由相机捕获的图片/视频313，以及传感器数据314。传感器数据可包括可被认为用于与计算机可读数据相关联的其他参数，该计算机可读数据与评估的位置和基础结构相关联。例如，温度、湿度/湿气、可见度、天气、声音和光照可为车辆110可同时捕获并提供给远程服务器130以与计算机可读数据310一起进行评估的数据。

参考图4，其示出了根据实施方案的用于提供基础结构信息的方法的流程图400。参考框410，包括由车辆携带的探地雷达所捕获并且由与车辆相关联并可通信地耦接到探地雷达的移动数据处理设备进行处理的地表下图像的计算机可读数据由远程服务器通过通信网络接收。参考框420，基于在捕获地表下信息时车辆的位置的地表下图像的位置信息与计算机可读数据一起提供给远程服务器。参考框430，计算机可读数据由远程服务器存储在数据库中供远程服务器的注册用户检索。计算机可读数据例如可作为基础结构信息显示在显示设备上。

参考图5，其示出了根据另一实施方案的用于向基础结构管理器提供地表下基础结构信息的方法的流程图500。参见图510，包括由车辆携带并可通信地耦接到与车辆相关联的移动数据处理设备的探地雷达所捕获的地表下图像的计算机可读数据被接收到移动数据处理设备中并被处理。参考框520，所提供的计算机可读数据包括基于在捕获地表下图像时的车辆的位置的地表下图像的位置信息。参考框530，计算机可读数据被传输到远程服务器以存储在数据库中并且由基础结构管理器检索。计算机可读数据中所包含的地表下图像可与位置信息一起显示在能够显示在显示设备上的地图上，如框540所示。

参考图6，其示出了根据另一实施方案的用于向远程服务器的注册用户提供地表下基础结构信息的方法的流程图600。如框610所示，包括由车辆携带并可通信地耦接到与车辆相关联的移动数据处理设备的探地雷达所捕获的地表下图像的计算机可读数据被接收到移动数据处理设备中并被处理。参考框620，所提供的计算机可读数据包括基于在捕获地表下图像时的车辆的位置的地表下图像的位置信息。参考框630，计算机可读数据被传输到远程服务器以存储在数据库中并且由基础结构管理器检索。然后，如框640所示，基于与探地雷达捕获的地表下图像的位置相关的先前存储的基础结构信息，提供针对检测到变化的基础结构的地表下图像和位置信息。如框650所示，计算机可读数据中所包含的地表下图像继而可与位置信息一起显示在能够显示在显示设备上的地图上。

本文所述的实施方案的一个方面是，可将用于自动驱动汽车的导航的lpgr用于其他有用的用途。本发明人认识到，即使适度地实施lpgr技术也可产生大量数据，这些数据对于评估和监测道路表面处和路面下方的基础结构的状态可具有巨大效用。用于获得基础结构数据的有益实施程度可涵盖从纽约市出租车或长途运输卡车等单一车队的车辆到私家车辆的普遍应用的任何地方。基础结构成像可帮助市政当局和政府机构更彻底地评估公共事业。可采集探地雷达所捕获的数据，然后可从诸如林肯实验室或wavesense之类的实体进行众包供基础结构管理器使用。车辆中使用的其他传感器所采集的数据可也用于基础结构信息。数据也可由漫游车辆进行访问，存储在云端中并供市政当局(等等)在订阅的基础上检索。

本发明可利用探地雷达定位(lpgr)来导航自动驾驶车辆。本发明的有益效果包括采集可销售给城市、州和联邦机构以用于调度和执行基础结构维护的地表和地表下数据。本发明对市政当局以及运输和工程企业很有价值。

本发明提供了一种用于报告地表下基础结构状态的系统和方法，该系统和方法可用于指导或警告注册用户关于被监测或评估的基础结构的事件或未来风险。当装有gpr系统的车辆通过基础结构位于其下方的道路时，基础结构数据可通过探地雷达连续或周期性地获得。车辆可通过无线通信网络将数据无线地发送至事件服务器来容易地向远程服务器报告基础结构状态。可包括辅助信息，诸如与雷达成像基础结构相关联的位置的图像、音频和视频。服务器存储捕获的信息，包括基于传输移动单元的报告位置的位置，并且使得该信息可用以允许其他用户响应监测或响应数据中识别的基础结构问题。

由车辆生成并发送以存储在服务器中的数据可作为服务条款提供给负责管理或维护受监测的基础结构的市政当局或联系人。提供数据的服务可以识别数据的来源。gpr数据将使基础结构管理和维护更有效且更高效。

根据实施方案的一个方面，配备有探地雷达的移动车辆可采集包括地表下图像以及gps和其他定位信息(例如，图像、视频)的数据，包含位置的信息可用于精确地确定车辆的位置。集中式地图数据库可允许车辆在未绘制出路线本身的情况下使用数据来导航路线。基础结构管理器还可分析地图和数据库，以评估路基和相关基础结构的当前状态。随时间的变化可用于监测渐进式或突发性损坏。可集中完成分析，也可在车辆上对数据进行预处理。

从一组车辆上的gpr成像所提供的采集数据和/或分析可用于评估、监测和绘制基础结构和基础结构问题，包括但不限于管道、下水道、电缆、护线管、隧道、涵洞、桥梁、路基和停车甲板的状态。也可使用数据来检测包括但不限于是否存在渗漏、移位、空隙、根部、地下水、腐蚀和障碍物的状况。数据可帮助确定维护需求、设置优先顺序、规划项目(例如，在何处进行挖掘以维护现有基础结构、在何处设计新的基础结构、为新建筑设计地基)、获得对即将发生的威胁的警告(例如，自动规划突发变化周围的交通路线)、模拟资源可用性(例如，地下水位)、释放其他检测资源以专注于未与道路位于相同位置的基础结构，以及完成科学研究(例如，地震引起的地面移动)。