專利名稱：一種盾構(gòu)隧道襯砌管片滲漏水面積的測量方法及裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種盾構(gòu)隧道襯砌管片滲漏水測量技術(shù)，尤其是涉及一種盾構(gòu)隧道襯砌管片滲漏水面積的測量方法及裝置。
背景技術(shù)：
高精度、高效率、數(shù)字化和自動化病害檢測模式，是實現(xiàn)高質(zhì)量盾構(gòu)隧道運營維護的前提。隨著檢測技術(shù)的進步，傳統(tǒng)的通過人眼目視來進行估測的 管片滲漏水面積測量方法，由于存在結(jié)果主觀性較大、精度和效率較低、且結(jié)果不易保存和管理等缺點，將逐漸被新的方法所代替。隨著計算機技術(shù)的迅猛發(fā)展和相機硬件質(zhì)量的不斷提升，數(shù)字圖像技術(shù)以其方便靈活、非接觸式數(shù)據(jù)獲取、圖像易于處理等特點迅速滲透到各個學科領(lǐng)域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量技術(shù)業(yè)已深入到邊坡變形監(jiān)測、巖體碎石識別、隧道病害識別量測等土木工程領(lǐng)域中，并發(fā)揮著非接觸、高效、直觀和精確的優(yōu)勢。2004年，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別與評價系統(tǒng)的工作原理。2005年，上海交通大學的田勝利對采用數(shù)字圖像技術(shù)觀測結(jié)構(gòu)變形的方法進行了深入的研究，并使用小波變換、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等人工智能手段對觀測結(jié)果進行了處理。2006年，東南大學尹蘭、何小元利用了基于光測法基礎(chǔ)上的數(shù)字圖像處理技術(shù)對混凝土表面裂縫寬度特征進行了測量和分析。2008年，桑中順將紅外攝影技術(shù)引入隧道監(jiān)測，以解決施工中的隧道粉塵嚴重的問題并針對非量測相機鏡頭畸變較大的缺陷，研究了相機的快速標定方法。2009年，周春霖使用數(shù)字圖像技術(shù)結(jié)合人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)巖體節(jié)理的識別和精細描述。2010年，葉康針對現(xiàn)有的公路隧道裂縫檢測方法的不足，提出了采用數(shù)字圖像技術(shù)進行裂縫特征無接觸的測量方法。雖然之前學者們對數(shù)字圖像技術(shù)在地下工程和隧道病害檢測領(lǐng)域做了較多研究，但專門針對盾構(gòu)隧道管片滲漏水面積的數(shù)字圖像檢測技術(shù)卻沒有人涉及到。此外，以上所研究的大多數(shù)方法主要是針對通過接觸式掃描或近距離拍攝所采集的放大圖像進行，并且假設(shè)所獲取的照片所受的干擾少，成像質(zhì)量高。而在實際盾構(gòu)隧道中，光線、遮擋、各種污潰刮痕都會對成像質(zhì)量照成嚴重影響，使得針對近照中理想寬大目標對象的識別量測方法不適用，需尋找一種合適的新方法，以提高盾構(gòu)隧道管片滲漏水病害檢測的準確度。因此，研究一種在盾構(gòu)隧道中能便捷、高效、準確地測量管片滲漏水面積的圖像檢測方法已成為提高盾構(gòu)隧道運營維護質(zhì)量的迫切需求之一。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種低成本、快速便捷、高精度的盾構(gòu)隧道襯砌管片滲漏水面積的測量方法及裝置。本發(fā)明的目的可以通過以下技術(shù)方案來實現(xiàn)一種盾構(gòu)隧道襯砌管片滲漏水面積的測量方法，具體步驟如下
(1)采用計算機視覺工具包HALCON標定方法對相機進行標定，獲取相機內(nèi)部參數(shù)；
(2)保持相機內(nèi)部參數(shù)不變，利用本發(fā)明的裝置在管片正面拍攝滲漏水病害圖像，測定拍攝距尚和拍攝傾角；
(3)采用除法畸變模型，對采集到的滲漏水病害圖像進行鏡頭畸變校正；
(4)將采集到的圖像轉(zhuǎn)化為灰度圖像，在轉(zhuǎn)化后的灰度圖像上選擇需測量的感興趣區(qū)
域；
(5)對ROI進行Blob分析確定ROI的最大閾值和最小閾值，進行閾值分割得到圖像中包括管片滲漏水區(qū)域在內(nèi)的區(qū)域特征；對初步分割得到的圖像進行連接Blob分析，將所有被判斷為滲漏水區(qū)域的目標像素連接成塊；
(6 )根據(jù)數(shù)學形態(tài)學理論，采用開操作和閉操作對步驟(5 )中滲漏水區(qū)域進行填充和濾除得到最終的滲漏水區(qū)域?qū)τ诟蓴_較小的簡單圖像，直接對其進行數(shù)學形態(tài)學處理得到目標滲漏水區(qū)域圖像；對于常見干擾的復(fù)雜圖像，在數(shù)學形態(tài)學處理的基礎(chǔ)上采用篩選、膨脹和組合的方式得到最終的目標滲漏水區(qū)域；
(7)根據(jù)最終滲漏水區(qū)域圖像計算滲漏水區(qū)域的面積；
(8)根據(jù)拍攝傾角與面積比例的關(guān)系修正管片滲漏水區(qū)域的面積；
(9)根據(jù)經(jīng)驗標定的每平方像素的實際面積與拍攝距離的關(guān)系，計算得到管片滲漏水區(qū)域的實際面積。本發(fā)明中，步驟(I)的操作方法如下
①選取大小合適的HALCON特制標定板(有從2500u m到800mm的各種不同尺寸)；
②將準備好的標定板張貼到有一定剛度的平板上，保證表面平滑；
③拍攝1(T20張標定板的圖像，拍攝過程需注意如下事項
在每張照片中整個標定板必須保持全部可見；
拍攝過程中需變換標定板的位置、朝向、距離；
標定板需占盡量大的圖幅(至少1/4)以保證標定點識別的精度；
在各次拍攝中標定板盡量依次覆蓋整個圖像范圍，以獲取精確的相機內(nèi)部參數(shù)；
④用HALCON標定程序?qū)λ杉臉硕ò鍒D像進行處理，獲取相機內(nèi)部參數(shù)。本發(fā)明中，步驟(3 )的操作方法如下
①利用全標定方法對相機內(nèi)部參數(shù)進行標定，由步驟(I)相機標定獲得鏡頭畸變參
數(shù)；
②采用除法鏡頭畸變模型，對采集到的管片滲漏水病害圖像進行鏡頭畸變校正，徑向畸變校正公式如下
權(quán)利要求
1.一種盾構(gòu)隧道襯砌管片滲漏水面積的測量方法，其特征在于，具體步驟如下 (1)采用計算機視覺工具包HALCON標定方法對相機進行標定，獲取相機內(nèi)部參數(shù)； (2)保持相機內(nèi)部參數(shù)不變，在管片正面拍攝滲漏水病害圖像，測定拍攝距離和拍攝傾角； (3)采用除法畸變模型，對采集到的滲漏水病害圖像進行鏡頭畸變校正； (4)將采集到的圖像轉(zhuǎn)化為灰度圖像，在轉(zhuǎn)化后的灰度圖像上選擇需測量的感興趣區(qū)域； (5)對ROI進行Blob分析確定ROI的最大閾值和最小閾值，進行閾值分割，得到圖像中包括管片滲漏水區(qū)域在內(nèi)的區(qū)域特征；對初步分割得到的圖像進行連接Blob分析，將所有被判斷為滲漏水區(qū)域的目標像素連接成塊； (6 )根據(jù)數(shù)學形態(tài)學理論，采用開操作和閉操作對步驟(5 )中滲漏水區(qū)域進行填充和濾除得到最終的滲漏水區(qū)域?qū)τ诟蓴_較小的簡單圖像，直接對其進行數(shù)學形態(tài)學處理得到目標滲漏水區(qū)域圖像；對于盾構(gòu)隧道管線、設(shè)備支撐架等常見干擾的復(fù)雜圖像，在數(shù)學形態(tài)學處理的基礎(chǔ)上采用篩選、膨脹和組合的方式得到最終的目標滲漏水區(qū)域； (7)根據(jù)最終滲漏水區(qū)域圖像計算滲漏水區(qū)域的面積； (8)根據(jù)拍攝傾角與面積比例的關(guān)系修正管片滲漏水區(qū)域的面積； (9)根據(jù)經(jīng)驗標定的每平方像素的實際面積與拍攝距離的關(guān)系，計算得到管片滲漏水區(qū)域的實際面積。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的ー種盾構(gòu)隧道襯砌管片滲漏水面積的測量方法，其特征在于，步驟(I)中的操作方法如下 ①選取大小合適的HALCON特制標定板； ②將準備好的標定板張貼到有一定剛度的平板上，保證表面平滑； ③拍攝1(Γ20張標定板的圖像； ④用HALCON標定程序?qū)λ杉臉硕ò鍒D像進行處理，獲取相機內(nèi)部參數(shù)。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的ー種盾構(gòu)隧道襯砌管片滲漏水面積的測量方法，其特征在于，步驟(3)的操作方法如下 ①利用全標定方法對相機內(nèi)部參數(shù)進行標定，由步驟(I)相機標定獲得鏡頭畸變參數(shù)； ②采用除法鏡頭畸變模型，對采集到的管片滲漏水病害圖像進行鏡頭畸變校正，徑向畸變校正公式如下 I f 、'レ J — l+r(fi2 +V2) [v,式中 ,分表示鏡頭畸變后的投影點/7 ( ,9)在成像平面坐標系下的行坐標和列坐標；鏡頭徑向畸變參數(shù)％表示徑向畸變量級，如果％為負，畸變?yōu)橥靶突儯绻檎優(yōu)檎硇突儯?，r表示投影點/7( ，K)在成像平面坐標系下的行坐標和列坐標。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的ー種盾構(gòu)隧道襯砌管片滲漏水面積的測量方法，其特征在于，步驟(4)的操作方法如下 ①根據(jù)下式將整幅彩色圖像轉(zhuǎn)化成灰度圖
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的ー種盾構(gòu)隧道襯砌管片滲漏水面積的測量方法，其特征在于，步驟(5)的操作方法如下 ①根據(jù)圖像的拍攝質(zhì)量和噪聲程度確定閾值分割的最小閾值ら ，最大閾值thigh； ②根據(jù)選定的最小閾值tlow,最大閾值thigh對圖像閾值化，即將輸入圖像/做如下變換輸出圖像ダ
6.根據(jù)權(quán)利要求I所述的ー種盾構(gòu)隧道襯砌管片滲漏水面積的測量方法，其特征在于，步驟(6)的操作方法如下 ①對于干擾較小的簡單圖像，采用對圖像先進行開操作再進行閉操作，同時為兩次操作選擇合適的結(jié)構(gòu)元素半徑用B對A進行開操作如下式，
7.根據(jù)權(quán)利要求I所述的ー種盾構(gòu)隧道襯砌管片滲漏水面積的測量方法，其特征在于，步驟(8)的操作方法如下①預(yù)先室內(nèi)試驗得到射影畸變圖像和原圖像之間的面積比例隨拍攝傾角的關(guān)系，公式如下
8.根據(jù)權(quán)利要求I所述的ー種盾構(gòu)隧道襯砌管片滲漏水面積的測量方法，其特征在于，步驟(9)的操作方法如下 ①預(yù)先室內(nèi)試驗得到固定焦距下，每平方像素的實際面積與拍攝距離的關(guān)系，50mm焦距下的公式如下
9.一種盾構(gòu)隧道襯砌管片滲漏水面積的測量裝置，其特征在于包括相機(I)、激光測距儀(2)、連接螺桿(3)以及筆記本工作站(4)，其中所述的相機⑴通過連接螺桿(3)固定于激光測距儀(2)的上方，相機(I)通過數(shù)據(jù)線(5)與筆記本工作站(4)連接。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的ー種盾構(gòu)隧道襯砌管片滲漏水面積的測量裝置，其特征在于，所述的相機(I)米用Sony α 550單反數(shù)碼相機,該數(shù)碼相機的鏡頭固定為18 55mm長度，激光測距儀(2)采用徠卡迪士通D3a激光測距儀，該激光測距儀(2)距離測量范圍為O.05 100m，傾角測量范圍為-45° 45°。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種盾構(gòu)隧道襯砌管片滲漏水面積的測量方法及裝置，具體步驟為采用計算機視覺工具包對相機進行標定；采集管片滲漏水的圖像，通過激光測距儀測定拍攝距離和拍攝傾角；采用除法畸變模型，對采集到的滲漏水病害圖像進行鏡頭畸變校正；將采集到的圖像轉(zhuǎn)化為灰度圖像；對ROI進行Blob分析確定ROI最大、最小閾值，進行閾值分割得到圖像中包括管片滲漏水區(qū)域在內(nèi)的區(qū)域特征；對初步分割得到的圖像進行連接Blob分析，將所有被判斷為滲漏水區(qū)域的目標像素連接成塊；采用開操作和閉操作對滲漏水病害區(qū)域進行填充和濾除得到最終的滲漏水區(qū)域；計算滲漏水區(qū)域的面積；修正管片滲漏水區(qū)域的面積；計算得到管片滲漏水區(qū)域的實際面積。本發(fā)明具有低成本、高精度、快速便捷等優(yōu)點。
文檔編號G01B11/28GK102679914SQ201210146440
公開日2012年9月19日 申請日期2012年5月14日 優(yōu)先權(quán)日2012年5月14日
發(fā)明者孫仕敏, 朱合華, 李曉軍, 牛耘詩, 胡傳鵬 申請人:同濟大學