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專利名稱：一種隧道襯砌裂縫測(cè)量方法及其測(cè)量裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及隧道襯砌裂縫測(cè)量技術(shù)，特別是涉及一種隧道襯砌裂縫測(cè)量方法及其
測(cè)量裝置。
背景技術(shù)：
裂縫等缺陷的定量化一直是無損檢測(cè)追求的目標(biāo)。隨著檢測(cè)技術(shù)的進(jìn)步，傳統(tǒng)的 通過人眼目視或使用簡單的的儀器如讀數(shù)放大鏡來進(jìn)行估測(cè)的測(cè)定裂縫寬度的方法，由于 其人員主觀性較大，且精度和效率較低，將逐漸被新的方法所代替。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅猛 發(fā)展和相關(guān)理論的不斷完善，數(shù)字圖像處理技術(shù)在許多應(yīng)用領(lǐng)域受到廣泛重視并取得了重 大的開拓性成就。而基于數(shù)字圖像處理的照相測(cè)量技術(shù)業(yè)已深入到裂縫寬度測(cè)量、變形監(jiān) 測(cè)、巖體碎石識(shí)別等土木工程領(lǐng)域中，并發(fā)揮著非接觸、相對(duì)便捷、直觀和精確的優(yōu)勢(shì)。2004年，天津大學(xué)的黃戰(zhàn)華、李蒙等人自主開發(fā)一套裂縫識(shí)別與分析軟件。同年， 北京航空航天大學(xué)的鄒軼群、侯貴倉、楊峰提出了一種基于數(shù)字圖像處理的表面裂紋檢測(cè) 方法。同年，張娟，沙愛民，高懷鋼，孫朝云分析了基于數(shù)字圖像處理的路面裂縫識(shí)別與評(píng)價(jià) 系統(tǒng)的工作原理。2005年，武漢理工大學(xué)劉清元，談橋提出了判斷混凝土裂紋的綜合方法。 2006年，東南大學(xué)尹蘭、何小元利用了基于光測(cè)法基礎(chǔ)上的數(shù)字圖像處理技術(shù)對(duì)混凝土表 面裂縫寬度特征進(jìn)行了測(cè)量和分析。然而，以上所研究的方法主要是針對(duì)通過接觸式掃描或近距離拍攝所采集的裂縫 放大圖像。而隧道中，對(duì)于不能觸及的高位裂縫圖像，手持接觸采集過程繁瑣。而遠(yuǎn)距離拍 攝的圖像對(duì)噪聲、光線敏感，嚴(yán)重影響圖像成像質(zhì)量，使后續(xù)的圖像預(yù)處理變得困難復(fù)雜。 裂縫在遠(yuǎn)距離拍攝圖像中的面積占有比例比在接觸式采集的圖片中的比例要小得多，余留 大面積復(fù)雜多變的背景圖像，再加上一些邊緣檢測(cè)方法的缺陷，使得近照中寬大裂縫的邊 緣提取方法不適用，需尋找一種合適的新方法。另外，與距離固定的接觸式量測(cè)不同，裂縫 出現(xiàn)部位的隨機(jī)性導(dǎo)致拍攝距離的隨機(jī)性，需尋找一種新標(biāo)定方法來代替?zhèn)鹘y(tǒng)的定距標(biāo) 定。因此，研究一種在隧道中能便捷、定量、快速、準(zhǔn)確地測(cè)量裂縫特征值的圖像檢測(cè) 方法以及檢測(cè)系統(tǒng)已成為隧道工程結(jié)構(gòu)無損檢測(cè)領(lǐng)域的迫切需要之一。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題就是為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷而提供一種 隧道襯砌裂縫測(cè)量方法及其測(cè)量裝置。本發(fā)明的目的可以通過以下技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn)一種隧道襯砌裂縫測(cè)量方法，其特 征在于，包括以下步驟(1)通過數(shù)碼相機(jī)采集裂縫的圖像，并通過激光測(cè)距儀測(cè)定采集的距離；(2)在采集到的圖像上選擇需測(cè)量的區(qū)域，以防止由于圖片太大目標(biāo)裂縫較小而 出現(xiàn)的處理偏差，并將選中的區(qū)域變成灰度圖像；
(3)為上述選中的灰度圖像確定閥值，并進(jìn)行二值化圖像分割，得到目標(biāo)區(qū)域；(4)在目標(biāo)區(qū)域中提取出只包含裂縫的白色區(qū)域；(5)提取裂縫的邊緣，得到邊緣圖；(6)采用最小距離法計(jì)算裂縫的像素寬度；(7)根據(jù)預(yù)先確定的像素實(shí)際尺寸與照相距離的標(biāo)定比例，得到裂縫的實(shí)際寬度。所述的步驟(1)對(duì)大裂縫進(jìn)行分段采集。所述的步驟(3)進(jìn)一步包括(31)根據(jù)下式求出整幅圖像的平均灰度值Tave = Σ Pixels/N,其中Σ Pixels為圖像中每個(gè)像素的灰度總和，N為總像素?cái)?shù)；將Tave設(shè)為初始閾 值Tk，此時(shí)k = 1 ；(32)根據(jù)T1將圖像分割成目標(biāo)和背景兩個(gè)部分，將灰度小于T1的區(qū)域稱為目標(biāo) 區(qū)域，大于T1的區(qū)域稱為背景區(qū)域，然后再求出兩區(qū)域的平均灰度分別為Tlw和Thigh ；(33)根據(jù)下式求出新閾值Tk+1 = (Tlow+Thigh)/2,若Tk+1不等于Tk，則將Tk+1代替Tk，返回步驟(32)，同時(shí)使k = k+Ι，直到Tk+1 = Tk, 執(zhí)行步驟{34}；(34)將Tk+1當(dāng)作最終的閾值，進(jìn)行二值化圖像分割，目標(biāo)區(qū)域中包含裂縫區(qū)域以 及噪聲點(diǎn)、灰度值與裂縫近似的小塊區(qū)域，將圖像黑白反轉(zhuǎn)。所述的步驟(4)進(jìn)一步包括(40)找出目標(biāo)區(qū)域中最大的白色部分，將其余部分處理為黑色，提取出包含裂縫 的區(qū)域；(41)通過一個(gè)n*n的正方形單位矩陣與步驟(40)提取出的區(qū)域進(jìn)行腐蝕操作，檢 測(cè)是否存在與其匹配的區(qū)域，若是，則對(duì)原圖像中對(duì)應(yīng)于所提取出的區(qū)域的所有的點(diǎn)進(jìn)行 灰度平均4 =Σ PiXelSgfe/Ngfe，再根據(jù)L將圖像二值分割成目標(biāo)和背景兩個(gè)部分，進(jìn)行 圖像黑白反轉(zhuǎn)后，再次進(jìn)行腐蝕操作，判斷其是否存在與其匹配的區(qū)域，如此循環(huán)，直到圖 像中沒有與單位矩陣匹配的區(qū)域?yàn)橹?，?zhí)行步驟(42)；若否，執(zhí)行步驟(42)；(42)運(yùn)用形態(tài)學(xué)方法對(duì)圖像進(jìn)行開、閉運(yùn)算、空洞填充以及剔除邊緣毛刺，尋找出 最大的白色區(qū)域，將其余區(qū)域處理為黑色，得到只包含裂縫的白色區(qū)域。所述的步驟(5)進(jìn)一步包括(51)通過7*7Zernike模板{M00，M11，M20}和圖像的每一個(gè)像素點(diǎn)進(jìn)行卷積運(yùn)算， 以得到相應(yīng)的圖像Zernike矩{Z00，Zll, Z20}，通過圖像的Zernike矩來計(jì)算每個(gè)像素點(diǎn) 的參數(shù)(Φ，h，1，k)，以判斷該像素點(diǎn)是否為邊緣點(diǎn)，MOO 模板
權(quán)利要求
一種隧道襯砌裂縫測(cè)量方法，其特征在于，包括以下步驟(1)通過數(shù)碼相機(jī)采集裂縫的圖像，并通過激光測(cè)距儀測(cè)定采集的距離；(2)在采集到的圖像上選擇需測(cè)量的區(qū)域，以防止由于圖片太大目標(biāo)裂縫較小而出現(xiàn)的處理偏差，并將選中的區(qū)域變成灰度圖像；(3)為上述選中的灰度圖像確定閥值，并進(jìn)行二值化圖像分割，得到目標(biāo)區(qū)域；(4)在目標(biāo)區(qū)域中提取出只包含裂縫的白色區(qū)域；(5)提取裂縫的邊緣，得到邊緣圖；(6)采用最小距離法計(jì)算裂縫的像素寬度；(7)根據(jù)預(yù)先確定的像素實(shí)際尺寸與照相距離的標(biāo)定比例，得到裂縫的實(shí)際寬度。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種隧道襯砌裂縫測(cè)量方法，其特征在于，所述的步驟(1)對(duì) 大裂縫進(jìn)行分段采集。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種隧道襯砌裂縫測(cè)量方法，其特征在于，所述的步驟 (3)進(jìn)一步包括(31)根據(jù)下式求出整幅圖像的平均灰度值Tave = Σ Pixels/N，其中Σ Pixels為圖像中每個(gè)像素的灰度總和，N為總像素?cái)?shù)；將Tare設(shè)為初始閾值Tk， 此時(shí)k = 1 ；(32)根據(jù)T1將圖像分割成目標(biāo)和背景兩個(gè)部分，將灰度小于T1的區(qū)域稱為目標(biāo)區(qū)域， 大于T1的區(qū)域稱為背景區(qū)域，然后再求出兩區(qū)域的平均灰度分別為T1m和Thigh ；(33)根據(jù)下式求出新閾值Tk+1 一 (Tlow+Thigh) /2,若Tk+1不等于Tk,則將Tk+1代替Tk,返回步驟(32)，同時(shí)使k = k+Ι，直到Tk+1 = Tk,執(zhí)行 步驟{34}；(34)將Tk+1當(dāng)作最終的閾值，進(jìn)行二值化圖像分割，目標(biāo)區(qū)域中包含裂縫區(qū)域以及噪 聲點(diǎn)、灰度值與裂縫近似的小塊區(qū)域，將圖像黑白反轉(zhuǎn)。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種隧道襯砌裂縫測(cè)量方法，其特征在于，所述的步驟(4)進(jìn) 一步包括(40)找出目標(biāo)區(qū)域中最大的白色部分，將其余部分處理為黑色，提取出包含裂縫的區(qū)域；(41)通過一個(gè)n*n的正方形單位矩陣與步驟(40)提取出的區(qū)域進(jìn)行腐蝕操作，檢測(cè)是 否存在與其匹配的區(qū)域，若是，則對(duì)原圖像中對(duì)應(yīng)于所提取出的區(qū)域的所有的點(diǎn)進(jìn)行灰度 平均Tj = Σ Pixels gfe/Ngfe，再根據(jù)1^_將圖像二值分割成目標(biāo)和背景兩個(gè)部分，進(jìn)行圖像 黑白反轉(zhuǎn)后，再次進(jìn)行腐蝕操作，判斷其是否存在與其匹配的區(qū)域，如此循環(huán)，直到圖像中 沒有與單位矩陣匹配的區(qū)域?yàn)橹?，?zhí)行步驟(42)；若否，執(zhí)行步驟(42)；(42)運(yùn)用形態(tài)學(xué)方法對(duì)圖像進(jìn)行開、閉運(yùn)算、空洞填充以及剔除邊緣毛刺，尋找出最大 的白色區(qū)域，將其余區(qū)域處理為黑色，得到只包含裂縫的白色區(qū)域。
5.根據(jù)權(quán)利要求1或4所述的一種隧道襯砌裂縫測(cè)量方法，其特征在于，所述的步驟 (5)進(jìn)一步包括(51)通過7*7Zernike模板{M00，Mil, M20}和圖像的每一個(gè)像素點(diǎn)進(jìn)行卷積運(yùn)算，以得到相應(yīng)的圖像Zernike矩{ZOO，Zll, Z20}，通過圖像的Zernike矩來計(jì)算每個(gè)像素點(diǎn)的 參數(shù)(Φ，h，1，k)，以判斷該像素點(diǎn)是否為邊緣點(diǎn)， MOO模板‘ 0 0.0287 0.0686 0.0807 0.0686 0.0287 0 、 0.0287 0.0815 0.0816 0.0816 0.0816 0.0815 0.0287 0.0686 0.0816 0.0816 0.0816 0.0816 0.0816 0.0686 ， 0.0807 0.0816 0.0816 0.0816 0.0816 0.0816 0.0807 0.0686 0.0816 0.0816 0.0816 0.0816 0.0816 0.0686 0.0287 0.0815 0.0816 0.0816 0.0816 0.0815 0.0287 、 0 0.0287 0.0686 0.0807 0.0686 0.0287 0Mll實(shí)數(shù)模板
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種隧道襯砌裂縫測(cè)量方法，其特征在于，所述的判斷閥值 kt為0. 3，所述的判斷閥值It為圖像灰度最大值的十分之一。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的一種隧道襯砌裂縫測(cè)量方法，其特征在于，所述的步驟(7)中 的標(biāo)定比例通過以下步驟確定(71)通過試驗(yàn)求得在固定鏡頭焦距下，拍攝距離為L時(shí)，圖像中每個(gè)像素對(duì)應(yīng)的實(shí)際 尺寸為a;(72)將L作為橫坐標(biāo)，a為縱坐標(biāo)，制作標(biāo)定曲線。
8.一種隧道襯砌裂縫測(cè)量裝置，其特征在于，包括數(shù)碼相機(jī)、激光測(cè)距儀、連接螺桿、測(cè) 量計(jì)算機(jī)以及裂縫數(shù)據(jù)庫，所述的數(shù)碼相機(jī)通過連接螺桿設(shè)于激光測(cè)距儀的上方，并通過 一數(shù)據(jù)線與測(cè)量計(jì)算機(jī)連接，所述的裂縫數(shù)據(jù)庫與測(cè)量計(jì)算機(jī)連接。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的一種隧道襯砌裂縫測(cè)量裝置，其特征在于，所述的數(shù)碼相機(jī) 采用sony α 350單反數(shù)碼相機(jī)，該數(shù)碼相機(jī)的鏡頭固定為300mm長度。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種隧道襯砌裂縫測(cè)量方法，通過數(shù)碼相機(jī)采集裂縫的圖像，并通過激光測(cè)距儀測(cè)定采集的距離；在采集到的圖像上選擇需測(cè)量的區(qū)域，以防止由于圖片太大目標(biāo)裂縫較小而出現(xiàn)的處理偏差，并將選中的區(qū)域變成灰度圖像；為上述選中的灰度圖像確定閥值，并進(jìn)行二值化圖像分割，得到目標(biāo)區(qū)域；在目標(biāo)區(qū)域中提取出只包含裂縫的白色區(qū)域；提取裂縫的邊緣，得到邊緣圖；采用最小距離法計(jì)算裂縫的像素寬度；根據(jù)預(yù)先確定的像素實(shí)際尺寸與照相距離的標(biāo)定比例，得到裂縫的實(shí)際寬度。本發(fā)明成本低、速度快、便攜方便，并且測(cè)量精度高。
文檔編號(hào)G01B11/02GK101957178SQ20091005504
公開日2011年1月26日 申請(qǐng)日期2009年7月17日 優(yōu)先權(quán)日2009年7月17日
發(fā)明者劉學(xué)增, 葉康, 羅仁立 申請(qǐng)人:上海同巖土木工程科技有限公司