CN106918598B - 基于数字图像的桥梁路面应变及裂纹检测分析系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于数字图像的桥梁路面应变及裂纹检测分析系统及方法，本发明方法利用采集车车身较大的自重对桥面施加载荷，使任意时刻两套数字图像采集设备所对应的车前或车后处、以及车身中部处于不同的载荷状态，进而处于不同的变形状态；通过两套数字图像采集设备分别对桥梁路面采集图像并保存，以桥梁路面的自然纹理作为路面变形信息的载体，结合高精度数字图像相关技术，对路面同一位置处于不同载荷及变形状态下的图像进行运算，利用裂纹产生和扩展处会在载荷发生变化的情况下位移变化不连续、局部应变急剧增大的规律，获得桥梁路面的变形和裂缝信息，为桥梁的健康监测、寿命预测以及桥梁的维修养护提供直观的数据参考。

Description

基于数字图像的桥梁路面应变及裂纹检测分析系统及方法

技术领域

本发明涉及路面检测技术领域，特别是一种基于数字图像的桥梁路面应变及裂纹检测分析系统及方法。

背景技术

随着我国公路交通基础设施不断完善，公路路面尤其是桥梁路面状况检测、养护和管理已成为我国公路建设领域的重要任务。路面应变和裂缝是桥面病害的早期特征，直接影响着桥梁寿命和通行安全，具有重大的现实意义。传统的应变测量等技术不能提供全场的变形数据，现有的非接触路面损伤检测技术注重检测速度、检测范围，却集中在单幅路面图像的处理技术，如采用形态学处理、结构光投影、小波分析等方法，对路面损伤进行识别和预测。然而基于单相机、单幅图像的损伤检测技术只能分析单一载荷状态下的路面图像，无法对不同载荷状态下的路面信息进行比较分析，难以发挥数字图像相关技术变形测量精度高的优势，且其信息来源单一且极易受到路面自身纹理的干扰，使得识别难度很大，识别精度难以满足要求。

发明内容

发明目的：为克服现有技术的不足，本发明目的在于提供一种基于数字图像的桥梁路面应变及裂纹检测分析系统及方法，使用该检测方法检测桥面时，可以获取不同载荷状态下桥面的数字图像，并进行数字图像相关运算，以得到桥面的应变场和裂纹位置。

技术方案：为实现上述发明目的，本发明采用以下技术方案：

一种基于数字图像的桥梁路面应变及裂纹检测分析系统，包括有一定自重的采集车、位于车前或车后且与车身有一定距离的第一套数字图像采集设备、位于车身中部的第二套数字图像采集设备、以及数据处理装置；其中，

两套数字图像采集设备，用来采集桥梁路面的数字图像；

采集车用来承载两套数字图像采集设备，在桥梁路面上一边行驶一边进行图像采集；

数据处理装置，用来对采集到的桥面图像进行运算，得到桥梁路面图像的位移场、应变场和裂纹信息。

进一步优选，所述数据处理装置包括预处理模块和相关运算模块，所述预处理模块用来对所采集到的两组处于不同载荷状态下桥面图像中的同一路段图像进行一一对应；所述相关运算模块用来将一一对应的图像进行相关运算，得到位移场、应变场和裂纹信息。

进一步优选，两套数字图像采集设备具有相同的规格，相同的照明设备，相同的分辨率，且观测方向相同。

所述数字图像采集设备为单相机、多相机、或相机阵列。

一种基于数字图像的桥梁路面应变及裂纹检测分析方法，包括如下步骤：

(1)将两套规格相同的数字图像采集设备安装于有一定自重的采集车上，第一套安装在车前或车后且与车身有一定距离，第二套安装于车身中部；

(2)将采集车以速度v匀速行驶通过待测桥面，两套数字图像采集设备以频率f连续采集桥面的数字图像，数字图像采集设备的视场大小为h；满足公式2fh>3v以使采集到的数字图像能够完整覆盖待测桥面。

(3)两套数字图像采集设备采集到两组处于不同载荷状态下桥面的数字图像后，将两组数字图像中，对桥面同一路段采集的图像进行一一对应；

(4)利用桥面的自然纹理作为路面变形信息的载体，将一一对应的图像进行数字图像相关运算，得到位移场和应变场，识别局部应变较大处或位移不连续处即为裂纹产生或扩展的位置。

有益效果：与现有技术相比，本发明具有以下技术效果：

(1)桥梁路面无损；与工业领域中以应变片为代表的传统接触式测量技术相比，本发明采用了光学测量技术，不需要与桥面直接接触，且对桥面没有损伤，不会限制桥面变形；

(2)能够获取全场信息；与传统的单点式测量相比，本发明涉及的图像采集设备能够覆盖整个桥面，实现桥面无遗漏的图像采集；利用桥面本身的纹理作为特征进行图像运算，获取整个桥面的全场信息；

(3)能够获取桥面处于不同的载荷水平下的数字图像；现有的桥面监测技术大多仅能够获取单一载荷状态下的路面图像，无法对不同载荷状态下的路面信息进行比较分析，极易受到路面自身纹理的干扰，使得识别难度很大，识别精度难以满足要求，且难以发挥数字图像相关技术变形测量精度高的优势；本发明使用规格相同的两套数字图像采集设备并调整其位置，使其能够采集处于不同载荷状态下的桥面图像，用于后续数据处理；

(4)高精度桥面应变测量和裂纹检测；本发明使用高精度的数字图像相关技术对处于不同载荷下的桥面图像进行分析，数字图像相关技术的位移精度能够达到0.01像素，因此本发明能够获得高精度桥面位移和应变场；对桥面高精度应变场进行分析，根据裂纹产生和扩展处会在载荷发生变化时产生位移变化不连续、局部应变急剧增大的现象，确定局部应变较大处或位移不连续处为裂纹产生或扩展的位置，显著提高裂纹检测效果。

附图说明

图1是本发明涉及的检测设备示意图。

图中：1-第一套数字图像采集设备的光源，2-第一套数字图像采集设备，3-第二套数字图像采集设备的光源，4-第二套数字图像采集设备，5-采集车，6-未变形的桥面，7-因采集车自重而轻微变形的桥面。

图2为本发明方法中裂纹识别的示意图，(a)不连续的位移场；(b)局部突变的应变场。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：

如图1所示，本发明实施例公开的一种基于数字图像的桥梁路面应变及裂纹检测分析系统，主要包括采集车5、第一套数字图像采集设备2、第二套数字图像采集设备4以及数据处理装置。其中采集车5有一定自重(桥梁负荷范围内2吨以上)，利用车身较大的自重对桥梁进行加载，还可根据需要对车身增加配重。两套数字图像采集设备2和4可以是单相机、多相机或相机阵列等，两套数字图像采集设备2和4距离桥面的高度相同，光轴与桥面垂直，且观测方向相同，具有相同的规格，相同的照明设备(光源1和3)，相同的分辨率。数据处理装置图中未示出，由采集车采集图像后再后期处理。采集车5承载两套数字图像采集设备，在桥梁路面上一边行驶一边进行图像采集。第一套数字图像采集设备2位于采集车5前方或后方，第二套数字图像采集设备4位于采集车5中部，两套数字图像采集设备相距不小于3米。两套数字图像采集设备由于位置不同且二者之间存在一定距离，所以二者拍摄的桥面在同一时刻处于不同的载荷水平，因而处于不同的变形状态。

本发明实施例公开的一种基于数字图像的桥梁路面应变及裂缝检测分析方法，包括以下步骤：

步骤1、将两套规格相同的数字图像采集设备安装于有一定自重的采集车上，第一套安装在车前或车后且与车身有一定距离，第二套安装于车身中部；两套设备规格相同，观测方向相同；

步骤2、将采集车以一定的速度匀速行驶通过待测桥面，两套数字图像采集设备以一定的频率连续采集桥面的数字图像；满足公式2fh>3v(v为采集车的速度，f为数字图像采集设备采集频率，h为数字图像采集设备的视场大小)，在采集两幅连续图像的时间间隔内，采集车行驶的距离不应超过任意一套数字图像采集设备的视场范围，以保证观测过程中不会因采集车速度过快而出现桥面漏检的现象，使采集到的数字图像能够完整覆盖待测桥面。

步骤3、两套数字图像采集设备能够采集两组处于不同载荷状态下桥面的数字图像；将两组数字图像中，对桥面同一路段采集的图像进行一一对应；采集车以速度v匀速行驶通过待测桥面，两套数字图像采集设备以频率f连续采集桥面的数字图像，两套数字图像采集设备间距为d；则第一套数字图像采集设备所采集到的图像序列中，第1幅图像A₁对应的桥梁路段，与第二套数字图像采集设备的图像序列中第1+df/v幅图像B_1+df/v的路段相对应，以此类推；若df/v不是整数，则A₁与其附近两幅相邻图像的部分分别对应。实际使用中可以通过合理设置车速v、两套数字图像采集设备间距d和采集频率f使采集到的两组图像的路段准确匹配。

步骤4、利用桥面的自然纹理作为路面变形信息的载体，将一一对应的图像进行数字图像相关运算，得到位移场和应变场；裂纹产生和扩展处会在载荷发生变化的情况下产生位移变化不连续、局部应变急剧增大的现象，因此对计算结果以局部应变较大处或位移不连续处为裂纹产生或扩展的位置。如图2所示，位移场中的不连续处和应变场中的局部突变处都可以对裂纹进行识别。

在步骤4中，数字图像相关算法为现有技术。例如，期刊名称为《光学学报》，2013年04期，公开了名称为《使用双远心镜头的高精度二维数字图像相关测量系统》的文章中公开了数字图像相关算法。

本发明使用数字图像采集设备对桥梁路面进行检测，天然具有光学测量方法的无损、非接触、全场、速度快的优点。采集车上安装有两套数字图像采集设备，通过采集车在桥面上行驶，数字图像采集设备可以完整地采集整个桥面的图像。利用路面本身的颗粒和纹理作为图像特征和路面信息的载体，不需要对桥面进行额外的处理。

现有的路面裂缝检测技术基本是以采集车搭载单相机的方案对路面实现图像采集，同时也存在以相机阵列代替单相机的技术方案，用以拓宽相机观测范围。无论采取何种方案，都只能采集路面在单一载荷状态下的数字图像，再采用形态学处理、结构光投影、小波分析等方法，对路面损伤进行识别和预测。首先信息来源比较单一，且极易受路面颗粒和纹理的干扰，使得识别难度较大，精度不能满足要求。更重要的是，由于缺乏不同载荷状态下的路面信息，无法对不同变形状态下的路面进行比较分析，难以发挥数字图像相关技术高精度的优势。

本发明利用采集车身作为载荷施加在桥梁路面上，桥梁的受力状态可简化为典型的四点弯梁。四点弯梁的纯弯曲段和横力弯曲段载荷大小不同，以采集车车轮为分界线，而两套数字图像采集设备则刚好分别处在纯弯曲段和横力弯曲段，因此两套数字图像采集设备能够采集到处于不同载荷状态下的桥面图像，等效于分别获取了只有初始载荷以及同时有初始载荷和增量载荷状态下的桥面图像。利用数字图像相关技术，充分发挥其位移和应变测量精度高的优势，对不同载荷状态下的桥面图像进行运算，得到桥面的全场位移和应变信息。由于裂纹产生和扩展处会在载荷发生变化的情况下产生位移变化不连续、局部应变急剧增大的现象，对观测结果进行分析，可以确定局部应变较大处或位移不连续处为裂纹产生或扩展的位置。本发明利用车身对桥梁施加载荷，获取更多与桥梁损伤有关的信息，再结合数字图像相关技术精度高的优势，因而能够更加准确地检测桥梁路面的损伤，显著提高裂纹检测效果，为桥梁的健康监测、寿命预测以及桥梁的维修养护提供直观的数据参考。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替代，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种基于数字图像的桥梁路面应变及裂纹检测分析系统，其特征在于，包括有一定自重的采集车、位于车前或车后且与车身有一定距离的第一套数字图像采集设备、位于车身中部的第二套数字图像采集设备、以及数据处理装置；其中，

两套数字图像采集设备，用来采集桥梁路面的数字图像；

采集车用来承载两套数字图像采集设备，在桥梁路面上一边行驶一边进行图像采集；

数据处理装置，用来对采集到的桥面图像进行运算，得到桥梁路面图像的位移场、应变场和裂纹信息；

所述数据处理装置包括预处理模块和相关运算模块，所述预处理模块用来对所采集到的两组处于不同载荷状态下桥面图像中的同一路段图像进行一一对应；采集车以速度v匀速行驶通过待测桥面，两套数字图像采集设备以频率f连续采集桥面的数字图像，两套数字图像采集设备间距为d；则第一套数字图像采集设备所采集到的图像序列中，第1幅图像A₁对应的桥梁路段，与第二套数字图像采集设备的图像序列中第1+df/v幅图像B_1+df/v的路段相对应，以此类推；若df/v不是整数，则A₁与其附近两幅相邻图像的部分分别对应；所述相关运算模块用来将一一对应的图像进行相关运算，得到位移场、应变场和裂纹信息。

2.根据权利要求1所述的一种基于数字图像的桥梁路面应变及裂纹检测分析系统，其特征在于，两套数字图像采集设备具有相同的规格，相同的照明设备，相同的分辨率，且观测方向相同。

3.根据权利要求1所述的一种基于数字图像的桥梁路面应变及裂纹检测分析系统，其特征在于，所述数字图像采集设备为单相机或多相机。

4.一种基于数字图像的桥梁路面应变及裂纹检测分析方法，其特征在于，包括如下步骤：

（1）将两套规格相同的数字图像采集设备安装于有一定自重的采集车上，第一套安装在车前或车后且与车身有一定距离，第二套安装于车身中部；

（2）将采集车以速度v匀速行驶通过待测桥面，两套数字图像采集设备以频率f连续采集桥面的数字图像，数字图像采集设备的视场大小为h；满足公式2fh>3v以使采集到的数字图像能够完整覆盖待测桥面；

（3）两套数字图像采集设备采集到两组处于不同载荷状态下桥面的数字图像后，将两组数字图像中，对桥面同一路段采集的图像进行一一对应；采集车以速度v匀速行驶通过待测桥面，两套数字图像采集设备以频率f连续采集桥面的数字图像，两套数字图像采集设备间距为d；则第一套数字图像采集设备所采集到的图像序列中，第1幅图像A₁对应的桥梁路段，与第二套数字图像采集设备的图像序列中第1+df/v幅图像B_1+df/v的路段相对应，以此类推；若df/v不是整数，则A₁与其附近两幅相邻图像的部分分别对应；

（4）利用桥面的自然纹理作为路面变形信息的载体，将一一对应的图像进行数字图像相关运算，得到位移场和应变场，识别局部应变较大处或位移不连续处即为裂纹产生或扩展的位置。