专利名称：识别隧道已铺设段防水板孔洞的系统和方法
技术领域：
本发明涉及一种防水板孔洞的检测设备，具体涉及一种识别隧道已铺设段防水板孔洞的系统和方法。
背景技术：
隧道工程防水问题一直是技术难题。渗漏水是隧道的常见病害之一。隧道渗漏水的长期作用将极大的降低隧道内各种设施的使用寿命和功能，恶化隧道的运营条件。我国隧道现在的防排水结构多采用复合式衬砌防排水结构，该结构在开挖后，采用锚喷网支护体系，完成一次支护，在一次支护上铺设防水板，在防水板表面再浇注二次衬砌结构。完成了将防水板夹在一次支护和二次衬砌中间，成为复合式衬砌结构。其中防水板在结构防水方面起了非常重要的作用，由于一次支护一般不具有防水性能，所以地下水主要靠防水板来隔离到二次衬砌之外。但是现有的防水板施工工艺和方法存在以下几个问题
1、已铺设好的防水板很容易被后续施工用的钢筋头刺穿，而出现孔洞；
2、已铺设好的防水板检查全靠人工识别，但是人工识别方法的劳动强度大、安全性低、工作效率低和识别结果精确度较低；
3、一些没有被发现的孔洞成为地下水从一次支护到二次衬砌的渗水通道，给隧道防排水系统造成了隐患。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是克服上述不足，提供一种识别隧道已铺设段防水板孔洞的系统和方法，从而实现对隧道已铺设段防水板孔洞的自动识别和标记，识别结果精度高。本发明的技术方案一种识别隧道已铺设段防水板孔洞的系统，该系统包括小车101，小车101上面集成有供电模块102、测距模块103、图像采集模块104、图像处理模块105、孔洞识别模块106、孔洞标记模块107和小车转向模块108 ;其中
所述的小车101能吸附到已挂设的隧道防水板表面，并沿隧道防水板做环向移动、纵向移动或停止的动作；
所述的供电模块102用于对系统中小车101、测距模块103、图像采集模块104、图像处理模块105、孔洞识别模块106、孔洞标记模块107和小车转向模块108进行供电；
所述的测距模块103用于记录小车101的车轮转数，根据车轮转数实时计算小车行驶距离，并且在承载车每行驶一个设定的路程单元长度和小车行驶到防水板边缘时，向图像采集模块104输出距离触发信号；
所述的图像采集模块104用于接收测距模块103发来的触发信号，对防水板表面进行图像拍摄，并将拍摄的图像输出到图像处理模块105 ；所述的图像处理模块105用于将拍摄到的彩色图像转换为数字图像，把数字图像转换为灰度图，并使用边缘检测算子对转换后的灰度图进行图像增强，通过灰度图来判断图像是否有孔洞；
所述的孔洞识别模块106用于接收图像处理模块105处理后的图像，并对处理后图像进行识别，并对孔洞进行定位，根据定位结果进行分类；
所述的孔洞标记模块107用于对孔洞的坐标进行标记并存储标记结果，也洞的标记是根据图像处理模块106定位的的孔洞坐标进行的；
所述的小车转向模块108用于改变小车101的行驶方向以及图像采集模块104和孔洞标记模块107的相对位置。所述的路程单元长度为所述图像采集模块104拍摄出的一帧图片所覆盖的路程长度。 上述识别隧道已铺设段防水板孔洞的方法，包括以下步骤
(1)先使小车沿隧道环向防水板表面行驶，并实时判断计算出小车行驶距离是否等于设定的路程单元长度，如果是，则执行步骤(2)，否则，返回步骤(I)；
(2)当测距模块103中测量的小车101所行驶的路程长度等于系统预先设定的路程单元长度时，向图像采集模块104发出距离触发信号，图像采集模块104对防水板表面图像进行拍摄，并将拍摄的图像传输给图像处理模块105 ；
(3)图像处理模块105将彩色图像转换为数字图像，将数字图像转换为灰度图，并使用边缘检测算子对转换后的灰度图进行图像增强，通过对灰度图中每个像素的灰度值进行归一化运算，通过判断灰度值是否有突变，和突变点的分布范围和连续分布大小来判断图像是否有孔洞，如果图像区域内无孔洞，则小车正常行驶，其他模块无响应，如果图像区域内有孔洞，则执行步骤(4)；
(4)孔洞识别模块106接收到图像处理模块105发来的处理后的图像后，对图像进行识另IJ，并对孔洞进行定位，根据定位结果进行分类；分类为正常的孔洞，则执行步骤(5);分类为小车行驶至防水板纵向边缘，则执行步骤(6);分类为小车行驶至防水板环向边缘，则执行步骤⑵；
(5)孔洞标记模块107根据图像处理模块105的孔洞坐标完成定位并标记，同时将孔洞在单帧图像中以图像左下角点为原点，小车前进方向拍摄图片长度为X轴长度，垂直于小车前进方向拍摄图片宽度为y轴长度的局部坐标系下的坐标值，转换到以检测小车起点为原点，防水板纵向长度为Y轴长度，防水板环向长度为X轴长度的整体坐标系下的坐标值，存储到孔洞标记模块107中，待一幅防水板检测完毕后进行导出；
(6)触发小车转向模块108，改变小车101行驶方向以及图像采集模块104和孔洞标记模块107的相对位置；
(7)孔洞标记模块107完成当前所检测防水板孔洞的检测，并对所检测防水板的整幅孔洞坐标储存，触发小车供电模块102，停止供电，识别过程结束。步骤⑷中孔洞的识别过程为先将灰度图像二值化，去除图像中面积过小的，可以肯定不是孔洞的区域，如为定位孔洞，将背景区域膨胀，腐蚀去无关的小颗粒，查找连通域边界，并用傅立叶变换通过孔洞模板与待处理白色连通区域图像匹配的思想来找出所有连通域中最可能是孔洞的那一个。
步骤⑷中对图像中的孔洞进行定位的过程为将图像的扫描方向即与小101行驶方向作为X轴，与X轴正交方向上存在的图像的灰度值总和作为纵轴y轴，确定出一个坐标区域，孔洞识别模块106将二值图中的裂缝区域在该坐标区域内进行投影，在X轴上投影为曲线A’B’所确定的区域，在y轴上投影为曲线C’D’所确定的区域；至此，界定一个矩形区域abcd，从而确定了孔洞在原二值图中的大致位置，也就确定了在原始图像中的位置。步骤(4)中所述对孔洞信息进行分类的过程为判定投影分布在X轴和y轴的投影分布形状相差不大的为正常孔洞情况；投影分布在I轴长度远大于X轴长度的为小车行驶至防水板纵向边缘附近情况；投影分布在X轴长度远大于y轴长度的为小车行驶至防水板环向边缘附近情况。步骤(5)中所述根据投影图初步定位孔洞在图像中的位置包括将图像的扫描方向作为横轴，与横轴正交方向上存在的图像的灰度值总和作为纵轴，确定出一个坐标区域，将二值图中的孔洞区域分别投影在该坐标区域内的横轴和纵轴上，得到两条一维曲线，从横轴上一维曲线投影图的左右两个端点分别作垂直于横轴的直线，从纵轴上一维曲线的投影图的上下两个端点分别作垂直于纵轴的直线，将该4条直线所界定的矩形区域abed中a点坐标作为孔洞在原二值图中的位置。步骤(6)中所述小车转向模块108触发时将关闭小车前进电机M1，开启驱动小车沿前进垂直方向移动电机M2，移动小车原前进方向拍摄图片宽度距离，并关闭该电机M2 ；同时，开启小车顶部控制图像采集Al与孔洞标记BI前后位置的电机M3旋转180度；重启电机Ml，并使小车沿原前进方向的反方向移动。 本发明与现有技术相比具有以下有益效果1、实现了全自动检测和识别标记已铺设段防水板孔洞，整个识别标记过程不需要人工参与，从而克服了人工识别方法具有的劳动强度大、安全性低、识别精度低和工作效率低的缺点；
2、可以将采集到的防水板孔洞图像进行处理，大大提高了检测工作效率。3、可以对整个隧道防水板孔洞信息进行系统化储存，为将来隧道运营过程中渗漏水处置提供依据。使处置有源可寻，大大降低隧道渗漏水处置费用。4、可以为我国的智能交通系统提供一定的数据基础，有助于提高我国的交通信息技术水平。
图I是本发明的结构示意图2是实现本发明中实施例的流程图3是实现本发明的实施例中利用投影技术对孔洞进行定位的示意图4是本发明实施例中判别小车转向的示意图。
具体实施例方式一种识别隧道已铺设段防水板孔洞的系统，如图I所示，该系统包括小车101，小车101上面集成有供电模块102、测距模块103、图像采集模块104、图像处理模块105、孔洞识别模块106、孔洞标记模块107和小车转向模块108 ;其中
所述的小车101能吸附到已挂设的隧道防水板表面，并沿隧道防水板做环向移动、纵向移动或停止的动作；
所述的供电模块102用于对系统中小车101、测距模块103、图像采集模块104、图像处理模块105、孔洞识别模块106、孔洞标记模块107和小车转向模块108进行供电；
所述的测距模块103用于记录小车101的车轮转数，根据车轮转数实时计算小车行驶距离，并且在承载车每行驶一个设定的路程单元长度和小车行驶到防水板边缘时，向图像采集模块104输出距离触发信号；
所述的图像采集模块104用于接收测距模块103发来的触发信号，对防水板表面进行图像拍摄，并将拍摄的图像输出到图像处理模块105 ；
所述的图像处理模块105用于将拍摄到的彩色图像转换为数字图像，把数字图像转换为灰度图，并使用边缘检测算子对转换后的灰度图进行图像增强，通过灰度图来判断图像是否有孔洞；
所述的孔洞识别模块106用于接收图像处理模块105处理后的图像，并对处理后图像进行识别，并对孔洞进行定位，根据定位结果进行分类；
所述的孔洞标记模块107用于对孔洞的坐标进行标记并存储标记结果，也洞的标记是根据图像处理模块106定位的的孔洞坐标进行的；
所述的小车转向模块108用于改变小车101的行驶方向以及图像采集模块104和孔洞标记模块107的相对位置。一种识别隧道已铺设段防水板孔洞的方法，包括以下步骤
(1)开启小车101，并使用供电模块102向系统中的其它各个模块供电。承载小车101能吸附到已挂设的隧道防水板表面，并且能提供稳定的行驶速度，实时判断计算出小车行驶距离是否等于设定的路程单元长度，如果是，则执行步骤(2)，否则，返回步骤(I)；
(2)当测距模块103测量的小车101所行驶的路程长度等于系统预先设定的路程单元长度时，向图像采集模块104发出距离触发信号，图像采集模块104对防水板表面图像进行拍摄，并将拍摄的图像传输给图像处理模块105 ；
测距模块103根据其记录的小车101行驶时的车轮转数计算小车101行驶的距离。系统预先设置的路程单元长度则是根据图像采集模块104采集到的每幅图像所能覆盖的路程长度确定的。(3)图像处理模块105将彩色图像转换为数字图像，将数字图像转换为灰度图，并使用边缘检测算子对转换后的灰度图进行图像增强，通过对灰度图中每个像素的灰度值进行归一化运算，通过判断灰度值是否有突变，和突变点的分布范围和连续分布大小来判断图像是否有孔洞，如果图像区域内无孔洞，则小车正常行驶，其他模块无响应，如果图像区域内有孔洞，则执行步骤⑷；
图像采集模块104包括高速电荷耦合器件(CCD)摄像机和辅助照明设备。其中，高速CCD摄像机具有较高的分辫率，以及速度极高的快门，每当接收到测距模块103发来的距离触发信号后，高速CCD摄像机则对路面进行图像拍摄，然后将拍摄出的24位彩色图像输出到图像处理模块105。辅助照明设备为高速CCD摄像机提供充足且均匀的光照条件，保证高速CCD摄像机拍摄的图像质量。图像处理模块105对接收到的彩色图像进行图像处理，这里，图像处理模块105内部可包括一个视频采集卡，因为高速CCD摄像机拍摄出的图像为视频信号，使用内部的视、频采集卡将视频信号转换为数字信号，从而使本发明的系统可对转换后的数字图像进行图像处理。将数字图像转换为灰度图，并使用边缘检测算子对转换后的灰度图进行图像增强，通过对灰度图中每个像素的灰度值进行归一化运算，通过判断灰度值是否有突变，和突变点的分布范围和连续分布大小来判断当前图像有无孔洞，如果有连续分布的灰度值突变，说明图像区域内有孔洞，则执行步骤205。(4)孔洞识别模块106接收到图像处理模块105发来的处理后的图像后，对图像进行识别，并对孔洞进行定位，根据定位结果进行分类；分类为正常的孔洞，则执行步骤5 ;分类为小车行驶至防水板纵向边缘，则执行步骤6;分类为小车行驶至防水板环向边缘，则执行步骤⑵；
孔洞识别模块106接收到图像处理模块105发来的处理后的图像后，先将灰度图像二值化，去除图像中面积过小的，可以肯定不是孔洞的区域。为定位孔洞，将背景区域膨胀，腐蚀去无关的小颗粒，查找连通域边界，并用傅立叶变换通过孔洞模板与待处理白色连通区 域图像匹配的思想来找出所有连通域中最可能是孔洞的那一个。并对处理后的孔洞进行定位，根据定位结果进行分类。第一类为正常的孔洞，孔洞识别模块106将激发孔洞标记模块107，孔洞标记模块记录下孔洞的坐标位置，并进行标记。第二类为小车行驶至防水板纵向边缘附近时拍摄图片，孔洞识别模块106将激发小车转向模块108，使小车改变形式方向以及图像采集模块和孔洞标记模块的相对位置。第三类为小车行驶至防水板环向边缘附近时拍摄图片，孔洞识别模块106将激发小车供电模块102，停止供电，识别结束。孔洞的识别过程为先将灰度图像二值化，去除图像中面积过小的，可以肯定不是孔洞的区域，如为定位孔洞，将背景区域膨胀，腐蚀去无关的小颗粒，查找连通域边界，并用傅立叶变换通过孔洞模板与待处理白色连通区域图像匹配的思想来找出所有连通域中最可能是孔洞的那一个。对图像中的孔洞进行定位的过程为将图像的扫描方向即与小车101行驶方向作为横轴(X轴)，与X轴正交方向上存在的图像的灰度值总和作为纵轴(y轴)，确定出一个坐标区域。孔洞识别模块106将二值图中的裂缝区域(曲线ABCD所确定的区域)在该坐标区域内进行投影，在X轴上投影为曲线A’ B’所确定的区域，在y轴上投影为曲线C’ D’所确定的区域。至此，界定一个矩形区域abcd，从而确定了孔洞在原二值图中的大致位置，也就确定了在原始图像中的位置。对孔洞信息进行分类的过程为判定投影分布在X轴和y轴的投影分布形状相差不大的为正常孔洞情况；投影分布在I轴长度远大于X轴长度的为小车行驶至防水板纵向边缘附近情况；投影分布在X轴长度远大于y轴长度的为小车行驶至防水板环向边缘附近情况。(5)孔洞标记模块107根据图像处理模块105的孔洞坐标完成定位并标记，同时将孔洞在单帧图像中以图像左下角点为原点，小车前进方向拍摄图片长度为X轴长度，垂直于小车前进方向拍摄图片宽度为y轴长度的局部坐标系下的坐标值，转换到以检测小车起点为原点，防水板纵向长度为Y轴长度，防水板环向长度为X轴长度的整体坐标系下的坐标值，存储到孔洞标记模块107中，待一幅防水板检测完毕后进行导出；
孔洞标记模块107在步骤205中孔洞识别模块106将图像判定为第一类时触发。并将孔洞识别模块确定的孔洞矩形区域abcd四个点中的a点坐标(xO，y0)进行存储，同时驱动标记喷头沿小车表面的运动轨迹，y方向即小车前进的法线方向，先移动dy, dy=yOo x方向即小车前进方向，移动dx，dx=xO,由于小车移动速度远小于喷头移动速度，故X方向由于小车移动导致的误差不计。同时将孔洞在单帧图像中以图像左下角点为原点，小车前进方向拍摄图片长度为X轴长度，垂直于为小车前进方向拍摄图片宽度为y轴长度的局部坐标系下的坐标值转换到以检测小车起点(已铺设防水板左下角)为原点，防水板纵向长度为Y轴长度，防水板环向长度为X轴长度的整体坐标系下的坐标值。存储到孔洞标记模块中，待一幅防水板检测完毕后进行导出，如图3所示。(6)触发小车转向模块108，改变小车101行驶方向以及图像采集模块104和孔洞标记模块107的相对位置；所述小车转向模块108触发时将关闭小车前进电机M1，开启驱动小车沿前进垂直方向移动电机M2，移动小车原前进方向拍摄图片宽度距离，并关闭该电机M2 ;同时，开启小车顶部控制图像采集Al与孔洞标记BI前后位置的电机M3旋转180度；重启电机Ml,并使小车沿原前进方向的反方向移动,如图4所示。(7)孔洞标记模块107完成当前所检测防水板孔洞的检测，并对所检测防水 板的整幅孔洞坐标储存，触发小车供电模块102，停止供电，识别过程结束。
权利要求
1.一种识别隧道已铺设段防水板孔洞的系统，其特征是该系统包括小车(101)，小车(101)上面集成有供电模块(102)、测距模块(103)、图像采集模块(104)、图像处理模块(105)、孔洞识别模块(106)、孔洞标记模块(107)和小车转向模块(108);其中 所述的小车(101)能吸附到已挂设的隧道防水板表面，并沿隧道防水板做环向移动、纵向移动或停止的动作； 所述的供电模块(102)用于对系统中小车(101)、测距模块(103)、图像采集模块(104)、图像处理模块(105)、孔洞识别模块(106)、孔洞标记模块(107)和小车转向模块(108)进行供电； 所述的测距模块(103)用于记录小车(101)的车轮转数，根据车轮转数实时计算小车行驶距离，并且在承载车每行驶一个设定的路程单元长度和小车行驶到防水板边缘时，向图像采集模块(104)输出距离触发信号； 所述的图像采集模块(104)用于接收测距模块(103)发来的触发信号，对防水板表面进行图像拍摄，并将拍摄的图像输出到图像处理模块(105); 所述的图像处理模块(105)用于将拍摄到的彩色图像转换为数字图像，把数字图像转换为灰度图，并使用边缘检测算子对转换后的灰度图进行图像增强，通过灰度图来判断图像是否有孔洞； 所述的孔洞识别模块(106)用于接收图像处理模块(105)处理后的图像，并对处理后图像进行识别，并对孔洞进行定位，根据定位结果进行分类； 所述的孔洞标记模块(107)用于对孔洞的坐标进行标记并存储标记结果，也洞的标记是根据图像处理模块(106)定位的的孔洞坐标进行的； 所述的小车转向模块(108)用于改变小车(101)的行驶方向以及图像采集模块(104)和孔洞标记模块(107)的相对位置。
2.根据权利要求I所述的识别隧道已铺设段防水板孔洞的系统，其特征是所述的路程单元长度为所述图像采集模块(104)拍摄出的一帧图片所覆盖的路程长度。
3.一种识别隧道已铺设段防水板孔洞的方法，其特征是它包括以下步骤 (1)先使小车沿隧道环向防水板表面行驶，并实时判断计算出小车行驶距离是否等于设定的路程单元长度，如果是，则执行步骤(2)，否则，返回步骤(I)；(2)当测距模块103中测量的小车101所行驶的路程长度等于系统预先设定的路程单元长度时，向图像采集模块104发出距离触发信号，图像采集模块(104)对防水板表面图像进行拍摄，并将拍摄的图像传输给图像处理模块(105)；(3)图像处理模块(105)将彩色图像转换为数字图像，将数字图像转换为灰度图，并使用边缘检测算子对转换后的灰度图进行图像增强，通过对灰度图中每个像素的灰度值进行归一化运算，通过判断灰度值是否有突变，和突变点的分布范围和连续分布大小来判断图像是否有孔洞，如果图像区域内无孔洞，则小车正常行驶，其他模块无响应，如果图像区域内有孔洞，则执行步骤⑷；(4)孔洞识别模块(106)接收到图像处理模块(105)发来的处理后的图像后，对图像进行识别，并对孔洞进行定位，根据定位结果进行分类；分类为正常的孔洞，则执行步骤(5);分类为小车行驶至防水板纵向边缘，则执行步骤(6);分类为小车行驶至防水板环向边缘，则执行步骤(7)；(5)孔洞标记模块(107)根据图像处理模块(105)的孔洞坐标完成定位并标记，同时将孔洞在单帧图像中以图像左下角点为原点，小车前进方向拍摄图片长度为X轴长度，垂直于小车前进方向拍摄图片宽度为y轴长度的局部坐标系下的坐标值，转换到以检测小车起点为原点，防水板纵向长度为Y轴长度，防水板环向长度为X轴长度的整体坐标系下的坐标值，存储到孔洞标记模块(107)中，待一幅防水板检测完毕后进行导出；(6)触发小车转向模块(108)，改变小车(101)行驶方向以及图像采集模块(104)和孔洞标记模块(107)的相对位置；(7)孔洞标记模块(107)完成当前所检测防水板孔洞的检测，并对所检测防水板的整幅孔洞坐标储存，触发小车供电模块(102)，停止供电，识别过程结束。
4.根据权利要求3所述的识别隧道已铺设段防水板孔洞的方法，其特征是步骤(4)中孔洞的识别过程为先将灰度图像二值化，去除图像中面积过小的，可以肯定不是孔洞的区域，如为定位孔洞，将背景区域膨胀，腐蚀去无关的小颗粒，查找连通域边界，并用傅立叶变换通过孔洞模板与待处理白色连通区域图像匹配的思想来找出所有连通域中最可能是孔洞的那一个。
5.根据权利要求3所述的识别隧道已铺设段防水板孔洞的方法，其特征是步骤(4)中对图像中的孔洞进行定位的过程为将图像的扫描方向即与小(101)行驶方向作为X轴，与X轴正交方向上存在的图像的灰度值总和作为纵轴y轴，确定出一个坐标区域，孔洞识别模块(106)将二值图中的裂缝区域在该坐标区域内进行投影，在X轴上投影为曲线A’B’所确定的区域，在I轴上投影为曲线C’ D’所确定的区域；至此，界定一个矩形区域abcd，从而确定了孔洞在原二值图中的大致位置，也就确定了在原始图像中的位置。
6.根据权利要求3所述的识别隧道已铺设段防水板孔洞的方法，其特征是步骤(4)中所述对孔洞信息进行分类的过程为判定投影分布在X轴和y轴的投影分布形状相差不大的为正常孔洞情况；投影分布在I轴长度远大于X轴长度的为小车行驶至防水板纵向边缘附近情况；投影分布在X轴长度远大于y轴长度的为小车行驶至防水板环向边缘附近情况。
7.根据权利要求3所述的识别隧道已铺设段防水板孔洞的方法，其特征是步骤(5)中所述根据投影图初步定位孔洞在图像中的位置包括将图像的扫描方向作为横轴，与横轴正交方向上存在的图像的灰度值总和作为纵轴，确定出一个坐标区域，将二值图中的孔洞区域分别投影在该坐标区域内的横轴和纵轴上，得到两条一维曲线，从横轴上一维曲线投影图的左右两个端点分别作垂直于横轴的直线，从纵轴上一维曲线的投影图的上下两个端点分别作垂直于纵轴的直线，将该4条直线所界定的矩形区域abed中a点坐标作为孔洞在原二值图中的位置。
8.根据权利要求3所述的识别隧道已铺设段防水板孔洞的方法，其特征是步骤(6)中所述小车转向模块(108)触发时将关闭小车前进电机Ml，开启驱动小车沿前进垂直方向移动电机M2，移动小车原前进方向拍摄图片宽度距离，并关闭该电机M2 ;同时，开启小车顶部控制图像采集Al与孔洞标记BI前后位置的电机M3旋转180度；重启电机M1，并使小车沿原前进方向的反方向移动。
全文摘要
本发明公开了一种识别隧道已铺设段防水板表面孔洞的系统和方法，利用数字成像技术获取已铺设段防水板表面数据信息，通过数字图像处理及模式识别技术对防水板表面孔洞进行精确定位，同时进行标记。本发明提出的系统和方法实现了全自动检测和识别并标记已铺设段防水板表面孔洞，从而克服了人工识别方法的劳动强度大、安全性低、工作效率低和识别结果精确度较低的缺点，同时，大大提高了工作效率。从而大大提高了防水板的防水性能。
文档编号G01N21/88GK102706883SQ20121013654
公开日2012年10月3日 申请日期2012年5月6日 优先权日2012年5月6日
发明者刘海, 孙志杰, 宿钟鸣, 张翛, 申俊敏, 董立山 申请人:山西交科公路勘察设计院, 山西省交通科学研究院