CN108596869A - 一种隧道衬砌裂缝快速检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于隧道衬砌内表面记录修复技术领域，具体涉及一种隧道衬砌裂缝快速检测方法。该方法只需要快速对隧道内表面沿隧道沿轴线进行拍摄，根据拍照结果，获得隧道衬砌内表面图像，结合拍照的位置以及方位角信息，以及隧道内净空断面形式，通过建立拍摄坐标模型，对拍摄的图像分析，建立拍摄图像上像素点与实际隧道模型中对应空间点的数学映射关系，根据这种映射关系对拍照结果进行还原展开。本发明设备简单，易操作，用调整后的照片进行隧道衬砌内表面的破坏事实反映出来，方便有关人员进行隧道的及时维护和保养。

Description

一种隧道衬砌裂缝快速检测方法

技术领域

本发明属于隧道衬砌内表面记录修复技术领域，具体涉及一种隧道衬砌内表面拍摄图还原展开成实物进行隧道衬砌裂缝快速检测方法。

背景技术

近年来，随着我国铁路大规模、高标准地建设，在全国范围内呈现出大量的铁路隧道，隧道衬砌破裂的发生和发展会造成隧道衬砌变形和破坏，从而影响铁路正常运行，甚至危及铁路安全。及早发现隧道衬砌裂缝，及早治理能够降低铁路安全运行风险，防患于未然。正常运行的隧道靠人力和简单设备检查衬砌裂缝不光费时费力，还会干扰铁路运行，检查结果也不全面，检查人员也不安全。怎样才能提高检查效率，增加检查面，降低安全风险是我们面临的一个重大课题。

目前采用数字图像技术对隧道衬砌裂缝检测的研究越来越多，利用图像处理技术的隧道衬砌裂缝检测，从收集图像、数字化处理、分析生成衬砌展开图，到得出隧道衬砌裂缝里程位置、范围、规模、破坏程度等因素，检测方法安全可靠，检测效率高，可以为下一步隧道整治提供依据，但通过摄像机拍摄收集的照片图像存在镜头畸变的失真效果，同时因为拍摄的是曲面，存在扭曲变形，所以如何有效收集图像、并进行图像处理分析生成衬砌展开图成为隧道衬砌裂缝检测函待解决的技术难题。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提供了一种隧道衬砌裂缝快速检测方法。本方法只需要快速对隧道内表面沿隧道沿轴线进行拍摄，根据拍照结果，获得隧道衬砌内表面图像，结合拍照的位置以及方位角信息，以及隧道内净空断面形式，对拍摄的图像进行图像分析，建立拍摄照片图像上的像素点与实际隧道模型中对应空间点的数学映射关系，根据这种映射关系对拍照结果进行还原展开。

本发明采用了以下技术方案：

一种隧道衬砌裂缝快速检测方法，步骤如下：

(1)拍摄采集隧道的衬砌内表面图像

摄像机安装在带有GPS定位功能的车上，沿隧道轴线方向，对隧道的衬砌内表面进行移动连续拍摄，拍摄范围覆盖隧道断面全部内表面；

可将多个摄像机分别安装在检查轨道车或指定列车固定位置进行移动连续拍摄，从而达到摄像范围覆盖隧道断面全部内表面。

所述的多个摄像机分别安装在检查轨道车或指定列车固定位置，所述的固定位置为摄像机车两侧或车顶。

(2)建立拍摄坐标模型

假定摄像机架设在隧道圆心正下方O点，建立拍摄坐标模型，其中β为摄像机工作时镜头轴心与其所处水平面所成夹角，θ为摄像机所拍摄的角度，以摄像机架设的位置作为坐标原点建立如下直角坐标系，摄像机位置0点的坐标为O(0,0)，则隧道圆弧CD上的任意点坐标(x、y)所对应的圆的参数可知；

(3)隧道的衬砌内表面轴向图像处理

①拍摄图片的选取拼合

由于拍摄的照片的中心部位的镜头畸变远小于两侧，因此决定采用大密度拍摄，截取拍摄照片中间部位重新拼合的方法，依据在拍摄的照片的中心部位宽度小于总体宽度的5％时镜头畸变将得到很好控制，根据此原理将截取所拍摄照片最中心的3.7％的图像进行无缝拼合，消除图像的横向扭曲变形；

②隧道曲面图转化为平面图

根据以上建立的拍摄坐标模型，摄像机位置0点的坐标为O(0,0)，则隧道圆弧CD上的任意点坐标(x、y)可由下式得到：

式中：R为圆弧的半径，k为通过圆心和隧道圆弧CD上的任意点的直线的斜率，a、b隧道圆心的坐标点为(a，b)；

假设摄像机所拍摄的隧道衬砌内表面图像在竖直方向有n个像素点，将θ平均分为n份，并将θ对应圆弧CD上n分点的坐标(x_n,y_n)，为圆心与圆弧CD上的任意点坐标(x、y)的连线所在直线与X轴夹角，用下式计算：

解得

所求得y有两个值，根据点在图中位置取y＝y_max；

最后，圆弧CD上任意两像素点(x₁,y₁)(x₂,y₂)间弧长S可用以下公式计算得到:

得出：

将得到的弧长s与θ所对应隧道圆弧CD上按弧长平均分成n份的像素点进行一一对应，并还原成非扭曲图像；

(4)隧道的衬砌内表面纵向图像处理

为消除因圆弧所造成的图像竖向扭曲，重新排列拍摄的隧道的衬砌内表面图像的像素点，使其密度由曲面密度转化为平面密度；

步骤(1)拍摄采集隧道圆弧CD的原始图像上，纵向即y方向上有n个像素点，依次记为P₁、P₂、P₃……P_n′，各像素点距E的竖直距离记为y₁、y₂、y₃……y_n，，由于隧道为曲面，各像素点的分布在竖直方向并不均匀；

将步骤(1)拍摄采集隧道圆弧CD的原始图像展开到平面，纵向y方向上图像的像素点依次记为P₁′、P₂′、P₃′……P_n′，其间距应当是均匀的，可由该段弧长与像素点数量之比解出，各像素点距E′点距离为y₁′、y₂′、y₃′……y_n′，第n个像素点距E点的距离为y_m′(0﹤m﹤n)

查找所有满足如下条件的点：

y'_m-1<y_n

y,_m>y_n

m∈(2,n)；q∈(1,n)

将求好的m，q值以数组(m，q)形式保存，依次记为S₁′,S₂′,……，对应任一数组S′(m，q)，对步骤(1)拍摄采集隧道圆弧CD的未处理前的原始图像，设P_m-1点的灰度值为H_m-1，P_m点的灰度值为H_m，对平面展开处理后的图像，设P′_m-1点的灰度值为H′_m-1，P′_m点的灰度值为H′_m，则P_m-1点与P_m点之间的一点P_m0的灰度值可由下式得到：

将拍摄得的照片中的像素对应点的灰度值与像素点所对应坐标的改变进行灰度值的调整，做并对图片进行自动还原处理，还原成非扭曲图像。

本发明与现有技术相比的有益效果是：设备简单，易操作，只需要用较短的时间对隧道进行拍摄就能得到隧道衬砌内表面的图像采集，通过建立拍摄坐标模型，建立照片上像素点与实际隧道模型中对应空间点的数学映射关系，根据这种映射关系对拍照结果进行还原展开。用调整后的照片进行隧道衬砌内表面的破坏事实反映出来，方便有关人员进行隧道的及时维护和保养。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例1中模型隧道中摄影机工作状态图；

图2为本发明实施例1中建立拍摄坐标模型的隧道断面图；

图3为本发明实施例1中隧道曲面图转化为平面图的隧道断面图。

图4为本发明实施例1中拍摄的部分衬砌内表面图片处理前后的效果对比图,图4(a)为拍摄的图片，图4(b)为处理后的照片。

具体实施方式

下面结合实例对本发明的技术方案作进一步具体说明。

实施例1

一种隧道衬砌裂缝快速检测方法，步骤如下：

(1)拍摄采集隧道的衬砌内表面图

如图1所示，将多个摄像机分别安装在检查轨道车或指定列车的两侧或车顶进行移动连续拍摄，安装摄像机的检查轨道车或指定列车带有GPS定位功能，并沿隧道轴线方向行进，从而达到摄像范围覆盖隧道断面全部内表面。

(2)建立拍摄坐标模型

如图2所示，假定摄像机架设在隧道圆心正下方O点，建立拍摄坐标模型，其中β为摄像机工作时镜头轴心与其所处水平面所成夹角，θ为摄像机所拍摄的角度，以摄像机架设的位置作为坐标原点建立如下直角坐标系，摄像机位置0点的坐标为O(0,0)，则隧道圆弧CD上的任意点坐标(x、y)所对应的圆的参数可知；

(3)隧道的衬砌内表面轴向图像处理

①拍摄图片的选取拼合

由于拍摄的照片的中心部位的镜头畸变远小于两侧，因此决定采用大密度拍摄，截取拍摄照片中间部位重新拼合的方法，依据在拍摄的照片的中心部位宽度小于总体宽度的5％时镜头畸变将得到很好控制，根据此原理将截取所拍摄照片最中心的3.7％的图像进行无缝拼合，消除图像的横向扭曲变形；

②隧道曲面图转化为平面图

根据以上建立的拍摄坐标模型，摄像机位置0点的坐标为O(0,0)，则隧道圆弧CD上的任意点坐标(x、y)可由下式得到：

式中：R为圆弧的半径，k为通过圆心和隧道圆弧CD上的任意点的直线的斜率，a、b隧道圆心的坐标点为(a，b)；

如图2和图3所示，假设摄像机所拍摄的隧道衬砌内表面图像在竖直方向有n个像素点，将θ平均分为n份，并将θ对应圆弧CD上n分点的坐标(x_n,y_n)，为圆心与圆弧CD上的任意点坐标(x、y)的连线所在直线与X轴夹角，用下式计算：

解得

所求得y有两个值，根据点在图中位置取y＝y_max；

最后，圆弧CD上任意两像素点(x₁,y₁)(x₂,y₂)间弧长S可用以下公式计算得到:

得出：

将得到的弧长s与θ所对应隧道圆弧CD上按弧长平均分成n份的像素点进行一一对应，并还原成非扭曲图像。

(4)隧道的衬砌内表面纵向图像处理

为消除因圆弧所造成的图像竖向扭曲，重新排列拍摄的隧道的衬砌内表面图像的像素点，使其密度由曲面密度转化为平面密度；

步骤(1)拍摄采集隧道圆弧CD的原始图像上，纵向即y方向上有n个像素点，依次记为P₁、P₂、P₃……P_n′，各像素点距E的竖直距离记为y₁、y₂、y₃……y_n，，由于隧道为曲面，各像素点的分布在竖直方向并不均匀；

将步骤(1)拍摄采集隧道圆弧CD的原始图像展开到平面，纵向y方向上图像的像素点依次记为P₁′、P₂′、P₃′……P_n′，其间距应当是均匀的，可由该段弧长与像素点数量之比解出，各像素点距E′点距离为y₁′、y₂′、y₃′……y_n′，第n个像素点距E点的距离为y_m′(0﹤m﹤n)

查找所有满足如下条件的点：

y'_m-1<y_n

y,_m>y_n

m∈(2,n)；q∈(1,n)

将求好的m，q值以数组(m，q)形式保存，依次记为S₁′,S₂′,……，对应任一数组S′(m，q)，对步骤(1)拍摄采集隧道圆弧CD的未处理前的原始图像，设P_m-1点的灰度值为H_m-1，P_m点的灰度值为H_m，对平面展开处理后的图像，设P′_m-1点的灰度值为H′_m-1，P′_m点的灰度值为H′_m，则P_m-1点与P_m点之间的一点P_m0的灰度值可由下式得到：

将拍摄得的照片中的像素对应点的灰度值与像素点所对应坐标的改变进行灰度值的调整，做并对图片进行自动还原处理，还原成非扭曲图像。

如图4所示，拍摄的部分衬砌内表面图片处理前后的效果对比，将大量连续拍摄的图像按上述步骤先进行轴向的选取拼合后，再对拼接好的图像进行纵向拉伸还原处理，以消除图像的横向和竖向扭曲变形，将拍摄的隧道衬砌内表面曲面图转化为平面图，较好的反映了隧道原衬砌表面的裂纹情况。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种隧道衬砌裂缝快速检测方法，其特征在于，步骤如下：

(1)拍摄采集隧道的衬砌内表面图像

摄像机安装在带有GPS定位功能的车上，沿隧道轴线方向，对隧道的衬砌内表面进行移动连续拍摄，拍摄范围覆盖隧道断面全部内表面；

(2)建立拍摄坐标模型

假定摄像机架设在隧道圆心正下方O点，建立拍摄坐标模型，其中β为摄像机工作时镜头轴心与其所处水平面所成夹角，θ为摄像机所拍摄的角度，以摄像机架设的位置作为坐标原点建立如下直角坐标系，摄像机位置0点的坐标为O(0,0)，则隧道圆弧CD上的任意点坐标(x、y)所对应的圆的参数可知；

(3)隧道的衬砌内表面轴向图像处理

①拍摄图片的选取拼合

由于拍摄的照片的中心部位的镜头畸变远小于两侧，因此决定采用大密度拍摄，截取拍摄照片中间部位重新拼合的方法，依据在拍摄的照片的中心部位宽度小于总体宽度的5％时镜头畸变将得到很好控制，根据此原理将截取所拍摄照片最中心的3.7％的图像进行无缝拼合，消除图像的横向扭曲变形；

②隧道曲面图转化为平面图

根据以上建立的拍摄坐标模型，摄像机位置0点的坐标为O(0,0)，则隧道圆弧CD上的任意点坐标(x、y)可由下式得到：

式中：R为圆弧的半径，k为通过圆心和隧道圆弧CD上的任意点的直线的斜率，a、b隧道圆心的坐标点为(a，b)；

假设摄像机所拍摄的隧道衬砌内表面图像在竖直方向有n个像素点，将θ平均分为n份，并将θ对应圆弧CD上n分点的坐标(x_n,y_n)，为圆心与圆弧CD上的任意点坐标(x、y)的连线所在直线与X轴夹角，用下式计算：

解得

所求得y有两个值，根据点在图中位置取y＝y_max；

最后，圆弧CD上任意两像素点(x₁,y₁)(x₂,y₂)间弧长S可用以下公式计算得到:

得出：

将得到的弧长s与θ所对应隧道圆弧CD上按弧长平均分成n份的像素点进行一一对应，并还原成非扭曲图像；

(4)隧道的衬砌内表面纵向图像处理

为消除因圆弧所造成的图像竖向扭曲，重新排列拍摄的隧道的衬砌内表面图像的像素点，使其密度由曲面密度转化为平面密度；

步骤(1)拍摄采集隧道圆弧CD的原始图像上，纵向即y方向上有n个像素点，依次记为P₁、P₂、P₃……P_n′，各像素点距E的竖直距离记为y₁、y₂、y₃……y_n，，由于隧道为曲面，各像素点的分布在竖直方向并不均匀；

将步骤(1)拍摄采集隧道圆弧CD的原始图像展开到平面，纵向y方向上图像的像素点依次记为P₁′、P₂′、P₃′……P_n′，其间距应当是均匀的，可由该段弧长与像素点数量之比解出，各像素点距E′点距离为y₁′、y₂′、y₃′……y_n′，第n个像素点距E点的距离为y_m′(0﹤m﹤n)

查找所有满足如下条件的点：

y′_m-1<y_n

y’_m>y_n

`m∈(2,n)；q∈(1,n)

将求好的m，q值以数组(m，q)形式保存，依次记为S₁′,S₂′,……，对应任一数组S′(m，q)，对步骤(1)拍摄采集隧道圆弧CD的未处理前的原始图像，设P_m-1点的灰度值为H_m-1，P_m点的灰度值为H_m，对平面展开处理后的图像，设P′_m-1点的灰度值为H′_m-1，P′_m点的灰度值为H′_m，则P_m-1点与P_m点之间的一点P_m0的灰度值可由下式得到：

将拍摄得的照片中的像素对应点的灰度值与像素点所对应坐标的改变进行灰度值的调整，做并对图片进行自动还原处理，还原成非扭曲图像。

2.根据权利要求1所述的一种隧道衬砌裂缝快速检测方法，其特征在于，所述的拍摄采集隧道的衬砌内表面图像，可将多个摄像机分别安装在检查轨道车或指定列车固定位置进行移动连续拍摄，从而达到摄像范围覆盖隧道断面全部内表面。

3.根据权利要求2所述的一种隧道衬砌裂缝快速检测方法，其特征在于，所述的多个摄像机分别安装在检查轨道车或指定列车固定位置，所述的固定位置为摄像机车两侧或车顶。