基于數(shù)字圖像處理技術的城墻裂縫變形監(jiān)測研究

聶紅林，胡伍生

（東南大學交通學院，江蘇南京 210096）

基于數(shù)字圖像處理技術的城墻裂縫變形監(jiān)測研究

聶紅林，胡伍生

（東南大學交通學院，江蘇南京 210096）

為了改變傳統(tǒng)的變形監(jiān)測方法存在的費工、費時與危險等弊端，將數(shù)字圖像處理技術應用于變形監(jiān)測是一種行之有效的方法。通過對南京明城墻裂縫變形監(jiān)測圖像進行創(chuàng)新的像素標定以及灰度轉(zhuǎn)換等一系列巧妙的圖像處理后，獲得了裂縫的變形值。實驗結果表明，基于數(shù)字圖像處理技術的變形監(jiān)測方法，不僅具有較高的精度和可操作性，而且與傳統(tǒng)測量方法相比能夠顯著提高工作效率，對裂縫的定量化變形監(jiān)測實現(xiàn)非接觸式無損測量的目標具有重要的意義。

數(shù)字圖像處理；變形監(jiān)測；裂縫；像素標定；無損測量

在大型建筑工程中，由于設計、施工和使用過程中的各種荷載作用等方面原因都會使建筑物結構產(chǎn)生裂縫，嚴重影響其美觀、使用和耐久性，當裂縫寬度達到一定的數(shù)值時，還可能危及結構的安全。長期以來，在變形觀測中都是采用測量距離、角度和高程的方法獲取數(shù)據(jù)，但用這種方法不僅費工、費時，觀測人員主觀性較大，而且對于某些大型建筑物不易達到的危險部位，觀測將變得十分困難甚至無法實現(xiàn)，而采用基于數(shù)字圖像處理技術的觀測方法，將可以有效地克服上述弊端，并且能顯著提高作業(yè)的精度、效率以及觀測成果的可靠性。

南京明城墻是我國乃至世界上至今保存最完整的古代城垣之一 ，是南京歷史文化遺產(chǎn)和傳統(tǒng)風貌相結合的載體，具有較高的科學、文化和藝術價值。南京明城墻表面的裂縫變形一直是人們普遍關心的問題，大量科研和實踐都證明了城墻結構出現(xiàn)裂縫是不可避免的，問題是如何使其有害程度控制在允許的范圍之內(nèi)。研究表明，城墻裂縫的位置和形態(tài)近似反映了城墻結構內(nèi)拉應力的方向和集中部位，與產(chǎn)生拉應力的原因之間存在比較確定的對應關系。如果利用這一特性初步判斷結構上出現(xiàn)裂縫的原因，評判裂縫的危害，從而采取相應的解決措施，這無疑對進行南京明城墻結構的安全性評估、鑒定和后期的運營維護都具有非常重要的現(xiàn)實意義。

1 數(shù)字圖像處理技術

1.1 數(shù)字圖像處理技術簡介

數(shù)字圖像處理技術是一種將圖像信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號并利用計算機進行分析處理的技術。數(shù)字圖像處理技術主要包括幾何處理、算術處理、圖像增強、圖像復原、圖像重建、圖像編碼、圖像識別、圖像理解等幾個方面的內(nèi)容。數(shù)字圖像處理技術的發(fā)展涉及信息科學、計算機科學、數(shù)學、物理學以及生物學等學科，因此，數(shù)理及相關的邊緣學科對圖像處理科學的發(fā)展有越來越大的影響。

近年來，隨著數(shù)字圖像處理、計算機視覺及數(shù)字攝影測量等技術的快速發(fā)展，高精度影像匹配和相應的數(shù)字圖像處理技術可達到子像素的精度，使數(shù)字圖像處理技術廣泛應用于精密測量、空間探測、遙感、生物醫(yī)學、人工智能以及工業(yè)檢測等許多領域，并促使這些學科產(chǎn)生了新的發(fā)展。

1.2 數(shù)字圖像處理技術的特點及優(yōu)勢

為了解決南京明城墻裂縫變形監(jiān)測中所面臨的困難，本文提出了一種基于數(shù)字圖像處理技術的非接觸式無損測量方法。該方法使用非量測數(shù)碼相機，不需在現(xiàn)場布設像控點，完全自由設站，可獲得大量裂縫監(jiān)測點在同一時刻變形的整體信息，與傳統(tǒng)的測量方法相比，該方法具有現(xiàn)場作業(yè)時間短、觀測信息量大、作業(yè)安全等優(yōu)點。現(xiàn)場試驗表明，其觀測精度已達到較高的水平，是一種具有較大發(fā)展?jié)摿Φ慕Y構變形監(jiān)測手段。數(shù)字圖像處理技術作為本文探討的核心技術，能夠真正意義上實現(xiàn)對南京明城墻表面的裂縫變形進行非接觸無損測量，這是在于數(shù)字圖像處理技術具有許多模擬圖像處理技術無可比擬的優(yōu)點。

1）再現(xiàn)性好。數(shù)字圖像處理技術與模擬圖像處理技術的根本不同在于，它不會因圖像的存儲、傳輸或復制等一系列變換操作而導致圖像質(zhì)量的退化。只要圖像在數(shù)字化時準確地表現(xiàn)了原稿，數(shù)字圖像處理過程就能始終保持圖像的真實再現(xiàn)。

2）處理精度高。按目前的技術，幾乎可將一幅模擬圖像數(shù)字化為任意大小的二維數(shù)組，這主要取決于圖像數(shù)字化設備的能力。現(xiàn)代掃描儀可以把每個像素的灰度等級量化為16位甚至更高，這意味著圖像的數(shù)字化精度可以滿足應用需求。從原理上講不論圖像的精度有多高，處理總是能實現(xiàn)的，只要在處理時改變程序中的數(shù)組參數(shù)就可以了。

3）適用面寬。圖像可以來自多種信息源。從圖像反映的客觀實體尺度看，可以小到電子顯微鏡圖像，大到航空照片、遙感圖像甚至天文望遠鏡圖像。這些來自不同信息源的圖像只要被變換為數(shù)字編碼形式后，均是用二維數(shù)組表示的灰度圖像組合而成，因而均可用計算機來處理。

4）靈活性高。由于圖像的光學處理從原理上講只能進行線性運算，極大地限制了光學圖像處理能實現(xiàn)的目標，而數(shù)字圖像處理不僅能完成線性運算，且能實現(xiàn)非線性處理，即凡是可以用數(shù)學公式或邏輯關系來表達的一切運算均可用數(shù)字圖像處理技術實現(xiàn)。

2 裂縫的常規(guī)測量方法

2.1 鋼尺測量方法

在城墻墻體裂縫部位沿水平方向埋設鋼尺，埋設鋼尺時只需固定其中一端即可，把埋設鋼尺與裂縫兩邊邊緣的相交點作為裂縫的2個監(jiān)測點。測量裂縫寬度時，將超站儀架設在離開城墻裂縫部位前方的合適位置，先瞄準鋼尺固定端的裂縫監(jiān)測點，通過調(diào)整超站儀架設的位置和高度，并確保鋼尺固定端的裂縫監(jiān)測點讀數(shù)與第一次讀數(shù)在誤差允許范圍內(nèi)相同，然后讀取鋼尺另一端的裂縫監(jiān)測點處的鋼尺讀數(shù)，裂縫的2個監(jiān)測點處鋼尺的讀數(shù)差即為測量裂縫的寬度。

本文采用鋼尺測量城墻裂縫寬度，不僅需要最小刻度為0.5 mm的小鋼尺，還配置了一臺測量精度較高的徠卡TP1200電子超站儀。超站儀的測角精度為±1″；測距精度為±（1 mm＋1 ppm×D），式中ppm＝10－6，D為測量水平距離。

2.2 裂縫儀測量方法

采用江蘇海巖工程材料有限公司生產(chǎn)的振弦式裂縫儀，安裝時先在城墻出現(xiàn)裂縫的位置打孔，然后用2個帶螺紋的錨頭（圓球鉸合）固定于裂縫的兩側，將儀器的兩端連接在兩錨頭上，最后將電纜按設計走向埋設固定好，集中引出。每次裂縫測量時，將引出電纜的兩端接到裂縫采集儀器上即可讀出城墻裂縫的寬度，限于篇幅，具體讀數(shù)原理不再詳述。振弦式裂縫儀的性能參數(shù)如表1所示。

表1 振弦式裂縫儀的性能參數(shù)

3 基于數(shù)字圖像處理技術的裂縫測量方法

3.1 圖像采集

南京明城墻表面裂縫寬度一些地方比較小，導致裂縫寬度方向在數(shù)碼圖像中所占的像素一般較少，所以圖像的采集質(zhì)量對提高裂縫的監(jiān)測精度就尤為關鍵。為了有效地提高裂縫寬度識別的準確性，應采用高像素的數(shù)碼相機，使裂縫在寬度方向上獲得更多的像素。拍攝時，采用帶有調(diào)平功能的三腳架將數(shù)碼相機固定在裂縫的兩個監(jiān)測點的正前方，盡量使裂縫處于屏幕中央位置，且成豎直狀態(tài)，選擇正焦模式進行拍攝減少畸變。同時，盡量保證與第一次圖像采集時三腳架的位置和高度相同。圖1即為采集到的南京明城墻裂縫監(jiān)測圖。

圖1 南京明城墻裂縫監(jiān)測圖

3.2 灰度轉(zhuǎn)換

在裂縫圖像信息中，含有大量色彩信息，這不利于對裂縫圖像的計算，因此要把含有豐富色彩內(nèi)容的圖像轉(zhuǎn)化為由亮度表示的灰度圖像。裂縫圖像的裂縫區(qū)域一般很窄，一般的圖像增強處理可能丟失裂縫信息，裂縫圖像由真彩圖轉(zhuǎn)為灰度圖后，圖像損失微小。本文直接對南京明城墻裂縫監(jiān)測圖像進行灰度形態(tài)學腐蝕處理，設灰度圖像為f（x，y），結構單元為b（x，y），用移位形式表示腐蝕運算為

通過對南京明城墻裂縫監(jiān)測圖像進行灰度形態(tài)學腐蝕處理后，城墻裂縫更為清晰，圖2即為處理后的南京明城墻裂縫灰度轉(zhuǎn)換圖。

圖2 南京明城墻裂縫灰度轉(zhuǎn)換圖

3.3 圖像增強除噪

通常對于傳統(tǒng)的裂縫圖像處理方法，可以根據(jù)裂縫圖像的灰度直方圖，選取一個合適的灰度值，稱之為閾值，然后將每個像素的灰度與其比較，當小于閾值時，灰度全變?yōu)?，當大于閾值時，灰度變?yōu)?55，就可以對圖像進行二值化處理，使圖像只有黑和白2種顏色，直接將裂縫從背景中分離出來。由于本文中城墻裂縫寬度較小的僅為毫米級，數(shù)碼相機拍攝的城墻裂縫圖片中裂縫區(qū)域可能只有幾個像素寬度，裂縫區(qū)域的灰度發(fā)布很不均勻，一般其灰度直方圖存在多個峰值，采用一般的全局閾值分割往往會導致裂縫細節(jié)信息丟失，難以得到完整的裂縫區(qū)域的二值圖，所以必須放棄這些可能丟失細節(jié)的方法。為了獲得能夠保留詳細裂縫細節(jié)信息且比較清晰的裂縫二值圖像，本文嘗試了一種新的圖像二值化算法。這種算法的基本原理是通過選取裂縫的大概中心線位置點作為起始點，然后參照一定的條件，向裂縫的兩邊邊緣進行搜索，搜索距離依據(jù)裂縫大體寬度來決定，其原理如圖3所示。

圖3中，L1為搜索邊緣，L2為裂縫實際邊緣，L3為裂縫中心線，S為搜索寬度，C為裂縫實際寬度。城墻裂縫圖像二值化算法具體步驟如下：

1）將南京明城墻裂縫圖像中裂縫中心點的坐標按從左到右的順序依次存入數(shù)組P，P大小為n×2。

圖3 圖像二值化算法原理

2）確定搜索寬度S和閾值T，注意W＞C，但是W 也不能取得太大，太大將延長運算的時間。其中T＝｜f（x，y）－f（x±S，y）｜，為了得到最好的效果T要依據(jù)反饋的結果不斷地加以修正。

3）順序在數(shù)組P中取值，每點依次與f（x，y）同列的上下W個點比較，差的絕對值小于或等于T的點設為1。

4）查看結果圖，如果效果不滿足要求，重復步驟2）、步驟3），直到獲得理想的二值圖像，結束循環(huán)。

通過采用上述方法對南京明城墻裂縫圖像經(jīng)過二值化處理后，背景中可能會有一些大大小小的噪點和空洞，此時只需采用查找表的方法消除噪點和形態(tài)學的填充操作填充空洞，就可以得到保留了詳細裂縫細節(jié)信息且比較清晰的裂縫二值圖像，如圖4所示。

圖4 南京明城墻裂縫二值圖

3.4 裂縫寬度識別

經(jīng)過灰度轉(zhuǎn)換、增強除噪等處理后，利用十字光標可以直接在保留了詳細裂縫細節(jié)信息且比較清晰的裂縫二值圖像上精確獲取裂縫的左右兩個監(jiān)測點的坐標L1（x1，y1），L2（x2，y2）。由于數(shù)字圖像處理的度量單位為像素，而要求的是實際數(shù)據(jù)，所以必須將以像素為單位的結果轉(zhuǎn)換為實際的測量值，也就是進行像素標定，以確定每個像素對應的實際長度。本文在拍攝城墻裂縫時，已經(jīng)將已知刻度的小鋼尺包含進去，因此圖像中的一個像素所代表的實際長度δ可以通過鋼尺上任意兩點間的實際長度除以由兩點的像素坐標求得的歐式距離獲得。最終，可以通過由兩個裂縫監(jiān)測點的像素坐標求得的歐式距離L圖與δ相乘得到城墻裂縫的實際寬度L實。

3.5 對比分析

考慮到南京明城墻裂縫變形監(jiān)測存在裂縫分布范圍較廣、裂縫大小差異明顯、城墻周圍草木生長旺盛、監(jiān)測點離地面較高且觀測仰角較大等一系列特點，所以在城墻裂縫監(jiān)測點布設時有些裂縫既布設了小鋼尺又布設了裂縫儀，這就對采用不同測量方法得到的測量精度進行比較提供了條件。由于本文研究的基于數(shù)字圖像處理技術的城墻裂縫變形監(jiān)測方法只適用于布設了小鋼尺的裂縫，并且布設了小鋼尺的裂縫監(jiān)測點又不可能再布設裂縫儀，同時經(jīng)過實踐論證當裂縫長度較小時同一條裂縫的不同部位具有相同的變形值，因此，在表2中裂縫儀測量的裂縫寬度是由鋼尺測量的裂縫寬度加上同一條裂縫上裂縫儀測得的變形值計算獲得。

表2 3種測量方法測得裂縫寬度比較 mm

4 結束語

本文針對常規(guī)的裂縫變形監(jiān)測方法在城墻裂縫變形監(jiān)測中存在費工、費時、危險、成本較高等弊端，提出了一種基于數(shù)字圖像處理技術的南京明城墻裂縫變形監(jiān)測方法。通過在MATLAB7.0開發(fā)環(huán)境下，運用文中的算法編寫相應的程序?qū)α芽p圖像進行一系列處理后，結果表明基于數(shù)字圖像處理技術的裂縫監(jiān)測方法不僅具有較高的精度和可操作性，而且與傳統(tǒng)測量方法相比能夠顯著地提高工作效率和降低監(jiān)測成本，有較好的應用前景。本文的研究成果對實現(xiàn)南京明城墻裂縫非接觸式的定量化無損變形監(jiān)測具有重要意義，但是如何利用數(shù)字圖像處理技術對裂縫圖像進行批量、智能化的精確處理還值得我們進一步深入研究。

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Research on deformation monitoring of wall cracks based on digital image processing technology

NIE Hong－lin，HU Wu－sheng
（School of Transportation，Southeast University，Nanjing 210096，China）

In order to overcome the shortcoming of the traditional deformation monitoring methods which take a lot of work，time and risks，it’s an effective way to apply the digital image processing technology into deformation monitoring.Experimental analyses combined with specific project examples are carried out for the new method.After using a series of pixel calibration，grayscale conversion and other image processing procedures in the cracks deformation monitoring images of Nanjing Ming city wall，the deformation value of cracks can be got.Experiment results show that the new method of deformation monitoring based on digital image processing technology not only has high accuracy and operability，but also improves efficiency significantly compared with traditional measurement methods.It is of great significance to achieve non－contact and non－destructive measurement of the quantitative deformation monitoring of cracks.

digital image processing；deformation monitoring；cracks；pixel calibration；non－destructive measurement

TU196

A

1006－7949（2012）04－0061－04

2011－09－22

國家863計劃資助項目（2007AA12Z228）；江蘇省科技支撐計劃（社會發(fā)展）項目（BE2009663）；江蘇省測繪科研基金項目（JSCHKY200809）

聶紅林（1985－），男，碩士研究生.

[責任編輯:張德福］