一種盾構隧道襯砌管片接縫張開寬度的測量方法及裝置的製作方法

2023-05-26 10:52:51

專利名稱：一種盾構隧道襯砌管片接縫張開寬度的測量方法及裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種盾構隧道襯砌管片接縫測量技術，尤其是涉及一種盾構隧道襯砌管片接縫張開寬度的測量方法及裝置。
背景技術：
高精度、高效率、數位化和自動化病害檢測模式，是實現高質量盾構隧道運營維護的前提。隨著檢測技術的進步，傳統的通過人眼目視或使用簡單的儀器如直尺、讀數放大鏡等來進行估測的管片接縫寬度測量方法，由於存在結果主觀性較大、精度和效率較低、且結果不易保存和管理等缺點，將逐漸被新的方法所代替。隨著計算機技術的迅猛發展和相機硬體質量的不斷提升，數字圖像技術以其方便靈活、非接觸式數據獲取、圖像易於處理等特點迅速滲透到各個學科領域並取得了重大的開拓性成就。而基於數字圖像處理的照相測量技術業已深入到邊坡變形監測、巖體碎石識別、隧道病害識別量測等土木工程領域中，並發揮著非接觸、高效、直觀和精確的優勢。2004年，鄒軼群、侯貴倉、楊峰提出了一種基於數字圖像處理的表面裂紋檢測方法。同年，張娟，沙愛民，高懷鋼，孫朝雲分析了基於數字圖像處理的路面裂縫識別與評價系統的工作原理。2005年，上海交通大學的田勝利對採用數字圖像技術觀測結構變形的方法進行了深入的研究，並使用小波變換、神經網絡等人工智慧手段對觀測結果進行了處理。 2006年，東南大學尹蘭、何小元利用了基於光測法基礎上的數字圖像處理技術對混凝土表面裂縫寬度特徵進行了測量和分析。2008年，桑中順將紅外攝影技術引入隧道監測，以解決施工中的隧道粉塵嚴重的問題並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，周春霖使用數字圖像技術結合人工神經網絡實現巖體節理的識別和精細描述。2010年，葉康針對現有的公路隧道裂縫檢測方法的不足，提出了採用數字圖像技術進行裂縫特徵無接觸的測量方法。雖然之前學者們對數字圖像技術在地下工程和隧道病害檢測領域做了較多研究， 但專門針對盾構隧道管片接縫張開數字圖像檢測技術卻沒有人涉及到。此外，以上所研究的大多數方法主要是針對通過接觸式掃描或近距離拍攝所採集的放大圖像進行，並且假設所獲取的照片所受的幹擾少，成像質量高。而在實際盾構隧道中，光線、遮擋、各種汙漬刮痕都會對成像質量照成嚴重影響，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。因此，研究一種在盾構隧道中能便捷、高效、準確地測量管片接縫張開特徵值的圖像檢測方法已成為提高盾構隧道運營維護質量的迫切需求之一。

發明內容
本發明的目的在於提供一種低成本、快速便捷、高精度的盾構隧道襯砌管片接縫張開寬度的測量方法及裝置。本發明的目的可以通過以下技術方案來實現一種盾構隧道襯砌管片接縫張開寬度的測量方法，具體步驟如下
(1)採用計算機視覺工具包HALCON標定方法對相機進行標定，獲取相機內部參數；
(2)通過數位相機採集管片接縫的圖像，並通過雷射測距儀測定拍攝距離；
(3)將採集到得圖像轉化為灰度圖像，在轉化後的灰度圖像上選擇需測量的感興趣區域(Region Of Interest，以下簡稱 ROI)；
(4)選擇合適的濾波參數，採用Gauss濾波器對(3)中選中的ROI區域圖像進行平滑；
(5)確定平滑後圖像的最大閾值和最小閾值，進行Carmy滯後閾值分割得到圖像中包括管片接縫邊緣在內的亞像素線性特徵；
(6)從步驟(5)中所得的亞像素線性特徵中篩選出所需的亞像素管片接縫邊緣圖像 對於幹擾較小的簡單圖像，可直接根據接縫邊緣圖像呈直線且貫穿ROI區域這一特點來獲得目標接縫邊緣圖像；對於幹擾較大的複雜圖像，可採用神經網絡的方法識別；
(7)根據步驟(6)中所得的兩條亞像素管片接縫邊緣圖像，採用法向垂直最小距離法分別計算最大寬度及平均寬度；
(8)根據預先確定相機內參確定像素尺寸與實際尺寸之間的換算比例(mm/pixel)，並計算得到管片接縫的實際寬度。本發明中，步驟(1)操作方式如下
①選取大小合適的Halcon特製標定板(有從2500 μ 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(Γ20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；
標定板需佔儘量大的圖幅(至少1/4)以保證標定點識別的精度；
在各次拍攝中標定板儘量依次覆蓋整個圖像範圍，以獲取精確的相機內參。④用Halcon標定程序對所採集的標定板圖像進行處理，獲取相機內參。本發明中，步驟(3)的操作方法如下
①根據下式將整幅彩色圖像轉化成灰度圖
其中 為彩色圖像中第 個像素點轉換後的灰度值，4為彩色圖像中第i個像素點紅
色通道的值；為彩色圖像中第i個像素點綠色通道的值；馬為彩色圖像中第f個像素點藍色通道的值；
②計算出每一點對應的灰度值後即可生成彩色圖像對應的灰度圖。③採用圓形窗口來選擇相應的ROI區域，注意儘量是目標接縫位於ROI區域中央。本發明中，步驟(4)的操作方法如下
根據下述二維高斯濾波函數對ROI區域進行平滑
2πσ
將上式分別對X , ^求偏導，得到兩個一維濾波器，
權利要求
1.一種盾構隧道襯砌管片接縫張開寬度的測量方法，其特徵在於具體步驟如下(1)採用計算機視覺工具包HALCON標定方法對相機進行標定，獲取相機內部參數；(2)通過數位相機採集管片接縫的圖像，並通過雷射測距儀測定拍攝距離；(3)將採集到得圖像轉化為灰度圖像，在轉化後的灰度圖像上選擇需測量的感興趣區域；(4)選擇合適的濾波參數，採用Gauss濾波器對步驟(3)中選中的ROI區域圖像進行平滑；(5)確定平滑後圖像的最大閾值和最小閾值，進行Carmy滯後閾值分割得到圖像中包括管片接縫邊緣在內的亞像素線性特徵；(6)從步驟(5)中所得的亞像素線性特徵中篩選出所需的亞像素管片接縫邊緣圖像 對於幹擾較小的簡單圖像，直接根據接縫邊緣圖像呈直線且貫穿ROI區域這一特點來獲得目標接縫邊緣圖像；對於幹擾較大的複雜圖像，採用神經網絡的方法識別；(7)根據步驟(6)中所得的兩條亞像素管片接縫邊緣圖像，採用法向垂直最小距離法分別計算最大寬度及平均寬度；(8)根據預先確定相機內參確定像素尺寸與實際尺寸之間的換算比例，並計算得到管片接縫的實際寬度。
2.根據權利要求1所述的一種盾構隧道襯砌管片接縫張開寬度的測量方法，其特徵在於，步驟(1)的操作方法如下①選取大小合適的Halcon特製標定板；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標定程序對所採集的標定板圖像進行處理，獲取相機內參。
3.根據權利要求1所述的一種盾構隧道襯砌管片接縫張開寬度的測量方法，其特徵在於，步驟(3)的操作方法如下①根據下式將整幅彩色圖像轉化成灰度圖
4.根據權利要求1所述的一種盾構隧道襯砌管片接縫張開寬度的測量方法，其特徵在於，步驟(4)的操作方法如下根據下述二維高斯濾波函數對ROI區域進行平滑
5.根據權利要求1所述的一種盾構隧道襯砌管片接縫張開寬度的測量方法，其特徵在於，步驟(5)的操作方法如下①根據下式計算每個像素點的梯度幅值和梯度方向
6.根據權利要求1所述的一種盾構隧道襯砌管片接縫張開寬度的測量方法，其特徵在於，步驟(6)的操作方法如下①對於幹擾較小的簡單圖像採用幾何特徵篩選法來獲取目標接縫邊緣特徵由於接縫邊緣貫穿整個ROI區域且呈直線，故可根據長度特徵來進行篩選，此處採用1. 5倍和2倍的 ROI區域半徑分別為上下閾值，長度在此閾值範圍內的邊緣保留，其餘的邊緣去除；②對於幹擾較大的複雜圖像採用神經網絡法來獲取目標接縫邊緣特徵(I)選擇典型的三層神經網絡模型，其中隱層節點數按下式計算，
7.根據權利要求1所述的一種盾構隧道襯砌管片接縫張開寬度的測量方法，其特徵在於，步驟(7)的操作方法如下裂縫像素寬度計算採用最小距離法，具體為區分裂縫的上下邊緣，分別選中上邊緣的各點，採用最小距離法計算目標裂縫的寬度；根據豎直方向上下邊緣點的坐標，先從上邊緣首個點開始，用上邊緣點的坐標分別與下邊緣的各坐標點利用兩點間的距離公式計算，算得的最小值作為該點到下邊緣的距離，表示為
8.一種盾構隧道襯砌管片接縫張開寬度的測量裝置，其特徵在於包括數位相機(1)、 雷射測距儀O)、連接螺杆C3)以及筆記本工作站，其中所述的數位相機(1)通過連接螺杆( 固定於雷射測距儀( 的上方，數位相機(1)通過數據線( 與筆記本工作站(4) 連接。
9.根據權利要求8所述的一種盾構隧道襯砌管片接縫張開寬度的測量裝置，其特徵在於，所述的數位相機(1)採用sonyA550單反數位相機，該數位相機的鏡頭固定為18飛5_ 長度。
全文摘要
本發明涉及一種盾構隧道襯砌接縫張開寬度的測量方法及裝置，具體步驟為採用計算機視覺工具包對相機進行標定，通過數位相機採集管片接縫的圖像，通過雷射測距儀測定拍攝距離；將採集到得圖像轉化為灰度圖像，選擇合適的濾波參數，採用Gauss濾波器對選中的ROI區域圖像進行平滑；確定平滑後圖像的最大閾值和最小閾值，進行Canny滯後閾值分割得到圖像中包括管片接縫邊緣在內的亞像素線性特徵；從亞像素線性特徵中篩選出所需的亞像素管片接縫邊緣圖像根據所得的兩條亞像素管片接縫邊緣圖像，採用法向垂直最小距離法分別計算最大寬度及平均寬度；根據預先確定相機內參確定像素尺寸與實際尺寸之間的換算比例，並計算得到管片接縫的實際寬度。本發明具有低成本、高精度、快速便捷等優點。
文檔編號G06N3/08GK102297660SQ20111013120
公開日2011年12月28日 申請日期2011年5月20日 優先權日2011年5月20日
發明者朱合華, 李曉軍, 胡傳鵬 申請人:同濟大學