专利名称：一种隧道衬砌裂缝测量方法及其测量装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及隧道衬砌裂缝测量技术，特别是涉及一种隧道衬砌裂缝测量方法及其
测量装置。
背景技术：
裂缝等缺陷的定量化一直是无损检测追求的目标。随着检测技术的进步，传统的 通过人眼目视或使用简单的的仪器如读数放大镜来进行估测的测定裂缝宽度的方法，由于 其人员主观性较大，且精度和效率较低，将逐渐被新的方法所代替。随着计算机技术的迅猛 发展和相关理论的不断完善，数字图像处理技术在许多应用领域受到广泛重视并取得了重 大的开拓性成就。而基于数字图像处理的照相测量技术业已深入到裂缝宽度测量、变形监 测、岩体碎石识别等土木工程领域中，并发挥着非接触、相对便捷、直观和精确的优势。2004年，天津大学的黄战华、李蒙等人自主开发一套裂缝识别与分析软件。同年， 北京航空航天大学的邹轶群、侯贵仓、杨峰提出了一种基于数字图像处理的表面裂纹检测 方法。同年，张娟，沙爱民，高怀钢，孙朝云分析了基于数字图像处理的路面裂缝识别与评价 系统的工作原理。2005年，武汉理工大学刘清元，谈桥提出了判断混凝土裂纹的综合方法。 2006年，东南大学尹兰、何小元利用了基于光测法基础上的数字图像处理技术对混凝土表 面裂缝宽度特征进行了测量和分析。然而，以上所研究的方法主要是针对通过接触式扫描或近距离拍摄所采集的裂缝 放大图像。而隧道中，对于不能触及的高位裂缝图像，手持接触采集过程繁琐。而远距离拍 摄的图像对噪声、光线敏感，严重影响图像成像质量，使后续的图像预处理变得困难复杂。 裂缝在远距离拍摄图像中的面积占有比例比在接触式采集的图片中的比例要小得多，余留 大面积复杂多变的背景图像，再加上一些边缘检测方法的缺陷，使得近照中宽大裂缝的边 缘提取方法不适用，需寻找一种合适的新方法。另外，与距离固定的接触式量测不同，裂缝 出现部位的随机性导致拍摄距离的随机性，需寻找一种新标定方法来代替传统的定距标 定。因此，研究一种在隧道中能便捷、定量、快速、准确地测量裂缝特征值的图像检测 方法以及检测系统已成为隧道工程结构无损检测领域的迫切需要之一。
发明内容
本发明所要解决的技术问题就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种 隧道衬砌裂缝测量方法及其测量装置。本发明的目的可以通过以下技术方案来实现一种隧道衬砌裂缝测量方法，其特 征在于，包括以下步骤(1)通过数码相机采集裂缝的图像，并通过激光测距仪测定采集的距离；(2)在采集到的图像上选择需测量的区域，以防止由于图片太大目标裂缝较小而 出现的处理偏差，并将选中的区域变成灰度图像；
(3)为上述选中的灰度图像确定阀值，并进行二值化图像分割，得到目标区域；(4)在目标区域中提取出只包含裂缝的白色区域；(5)提取裂缝的边缘，得到边缘图；(6)采用最小距离法计算裂缝的像素宽度；(7)根据预先确定的像素实际尺寸与照相距离的标定比例，得到裂缝的实际宽度。所述的步骤(1)对大裂缝进行分段采集。所述的步骤(3)进一步包括(31)根据下式求出整幅图像的平均灰度值Tave = Σ Pixels/N,其中Σ Pixels为图像中每个像素的灰度总和，N为总像素数；将Tave设为初始阈 值Tk，此时k = 1 ；(32)根据T1将图像分割成目标和背景两个部分，将灰度小于T1的区域称为目标 区域，大于T1的区域称为背景区域，然后再求出两区域的平均灰度分别为Tlw和Thigh ；(33)根据下式求出新阈值Tk+1 = (Tlow+Thigh)/2,若Tk+1不等于Tk，则将Tk+1代替Tk，返回步骤(32)，同时使k = k+Ι，直到Tk+1 = Tk, 执行步骤{34}；(34)将Tk+1当作最终的阈值，进行二值化图像分割，目标区域中包含裂缝区域以 及噪声点、灰度值与裂缝近似的小块区域，将图像黑白反转。所述的步骤(4)进一步包括(40)找出目标区域中最大的白色部分，将其余部分处理为黑色，提取出包含裂缝 的区域；(41)通过一个n*n的正方形单位矩阵与步骤(40)提取出的区域进行腐蚀操作，检 测是否存在与其匹配的区域，若是，则对原图像中对应于所提取出的区域的所有的点进行 灰度平均4 =Σ PiXelSgfe/Ngfe，再根据L将图像二值分割成目标和背景两个部分，进行 图像黑白反转后，再次进行腐蚀操作，判断其是否存在与其匹配的区域，如此循环，直到图 像中没有与单位矩阵匹配的区域为止，执行步骤(42)；若否，执行步骤(42)；(42)运用形态学方法对图像进行开、闭运算、空洞填充以及剔除边缘毛刺，寻找出 最大的白色区域，将其余区域处理为黑色，得到只包含裂缝的白色区域。所述的步骤(5)进一步包括(51)通过7*7Zernike模板{M00，M11，M20}和图像的每一个像素点进行卷积运算， 以得到相应的图像Zernike矩{Z00，Zll, Z20}，通过图像的Zernike矩来计算每个像素点 的参数(Φ，h，1，k)，以判断该像素点是否为边缘点，MOO 模板
权利要求
一种隧道衬砌裂缝测量方法，其特征在于，包括以下步骤(1)通过数码相机采集裂缝的图像，并通过激光测距仪测定采集的距离；(2)在采集到的图像上选择需测量的区域，以防止由于图片太大目标裂缝较小而出现的处理偏差，并将选中的区域变成灰度图像；(3)为上述选中的灰度图像确定阀值，并进行二值化图像分割，得到目标区域；(4)在目标区域中提取出只包含裂缝的白色区域；(5)提取裂缝的边缘，得到边缘图；(6)采用最小距离法计算裂缝的像素宽度；(7)根据预先确定的像素实际尺寸与照相距离的标定比例，得到裂缝的实际宽度。
2.根据权利要求1所述的一种隧道衬砌裂缝测量方法，其特征在于，所述的步骤(1)对 大裂缝进行分段采集。
3.根据权利要求1或2所述的一种隧道衬砌裂缝测量方法，其特征在于，所述的步骤 (3)进一步包括(31)根据下式求出整幅图像的平均灰度值Tave = Σ Pixels/N，其中Σ Pixels为图像中每个像素的灰度总和，N为总像素数；将Tare设为初始阈值Tk， 此时k = 1 ；(32)根据T1将图像分割成目标和背景两个部分，将灰度小于T1的区域称为目标区域， 大于T1的区域称为背景区域，然后再求出两区域的平均灰度分别为T1m和Thigh ；(33)根据下式求出新阈值Tk+1 一 (Tlow+Thigh) /2,若Tk+1不等于Tk,则将Tk+1代替Tk,返回步骤(32)，同时使k = k+Ι，直到Tk+1 = Tk,执行 步骤{34}；(34)将Tk+1当作最终的阈值，进行二值化图像分割，目标区域中包含裂缝区域以及噪 声点、灰度值与裂缝近似的小块区域，将图像黑白反转。
4.根据权利要求3所述的一种隧道衬砌裂缝测量方法，其特征在于，所述的步骤(4)进 一步包括(40)找出目标区域中最大的白色部分，将其余部分处理为黑色，提取出包含裂缝的区域；(41)通过一个n*n的正方形单位矩阵与步骤(40)提取出的区域进行腐蚀操作，检测是 否存在与其匹配的区域，若是，则对原图像中对应于所提取出的区域的所有的点进行灰度 平均Tj = Σ Pixels gfe/Ngfe，再根据1^_将图像二值分割成目标和背景两个部分，进行图像 黑白反转后，再次进行腐蚀操作，判断其是否存在与其匹配的区域，如此循环，直到图像中 没有与单位矩阵匹配的区域为止，执行步骤(42)；若否，执行步骤(42)；(42)运用形态学方法对图像进行开、闭运算、空洞填充以及剔除边缘毛刺，寻找出最大 的白色区域，将其余区域处理为黑色，得到只包含裂缝的白色区域。
5.根据权利要求1或4所述的一种隧道衬砌裂缝测量方法，其特征在于，所述的步骤 (5)进一步包括(51)通过7*7Zernike模板{M00，Mil, M20}和图像的每一个像素点进行卷积运算，以得到相应的图像Zernike矩{ZOO，Zll, Z20}，通过图像的Zernike矩来计算每个像素点的 参数(Φ，h，1，k)，以判断该像素点是否为边缘点， 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实数模板
6.根据权利要求5所述的一种隧道衬砌裂缝测量方法，其特征在于，所述的判断阀值 kt为0. 3，所述的判断阀值It为图像灰度最大值的十分之一。
7.根据权利要求6所述的一种隧道衬砌裂缝测量方法，其特征在于，所述的步骤(7)中 的标定比例通过以下步骤确定(71)通过试验求得在固定镜头焦距下，拍摄距离为L时，图像中每个像素对应的实际 尺寸为a;(72)将L作为横坐标，a为纵坐标，制作标定曲线。
8.一种隧道衬砌裂缝测量装置，其特征在于，包括数码相机、激光测距仪、连接螺杆、测 量计算机以及裂缝数据库，所述的数码相机通过连接螺杆设于激光测距仪的上方，并通过 一数据线与测量计算机连接，所述的裂缝数据库与测量计算机连接。
9.根据权利要求8所述的一种隧道衬砌裂缝测量装置，其特征在于，所述的数码相机 采用sony α 350单反数码相机，该数码相机的镜头固定为300mm长度。
全文摘要
本发明涉及一种隧道衬砌裂缝测量方法，通过数码相机采集裂缝的图像，并通过激光测距仪测定采集的距离；在采集到的图像上选择需测量的区域，以防止由于图片太大目标裂缝较小而出现的处理偏差，并将选中的区域变成灰度图像；为上述选中的灰度图像确定阀值，并进行二值化图像分割，得到目标区域；在目标区域中提取出只包含裂缝的白色区域；提取裂缝的边缘，得到边缘图；采用最小距离法计算裂缝的像素宽度；根据预先确定的像素实际尺寸与照相距离的标定比例，得到裂缝的实际宽度。本发明成本低、速度快、便携方便，并且测量精度高。
文档编号G01B11/02GK101957178SQ20091005504
公开日2011年1月26日 申请日期2009年7月17日 优先权日2009年7月17日
发明者刘学增, 叶康, 罗仁立 申请人:上海同岩土木工程科技有限公司