基于圖像處理技術(shù)的隧道裂縫檢測(cè)綜述

艾海波

（上海海事大學(xué)信息工程學(xué)院，上海 201306）

0 引言

截至2015年底，中國已完成鐵路隧道13038km，其中高速鐵路隧道3200km；修建高速公路隧道12683.9km；城市軌道交通 3286km；水底隧道11000km；并且還有大量的市政隧道和地鐵隧道的在建項(xiàng)目[1]。同時(shí)，很大一部分隧道進(jìn)入了養(yǎng)護(hù)和維修階段。隨著世界隧道數(shù)量的不斷增加，對(duì)隧道結(jié)構(gòu)、隧道病害的監(jiān)測(cè)和檢查變得尤為重要[2]。

裂縫是最常見的隧道病害之一，是襯砌結(jié)構(gòu)倒塌的重要原因[3]。設(shè)計(jì)中由于圍巖水平和襯砌類型的分類不當(dāng)，襯砌結(jié)構(gòu)和圍巖與實(shí)際荷載不適宜，形成裂縫。并且施工時(shí)間受到技術(shù)條件的限制，方法不當(dāng)，管理不善等也是造成裂縫形成的重要原因。裂縫會(huì)降低鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的承載力，甚至導(dǎo)致襯砌的不穩(wěn)定和突然坍塌，威脅隧道結(jié)構(gòu)的安全。當(dāng)裂縫長度或?qū)挾瘸^允許范圍時(shí)，會(huì)帶來嚴(yán)重的安全隱患，給人生命和財(cái)產(chǎn)的巨大威脅。在1996年，在日本北海道，一個(gè)下坡隧道發(fā)生坍塌，導(dǎo)致一輛公共汽車以及許多汽車被埋沒了，20人身亡。2012年12月2日，日本山梨縣公路隧道發(fā)生坍塌，9人在事故中喪生。多起交通事故表明，隧道裂縫的檢測(cè)是事關(guān)公眾安全的重要和緊迫的問題。

目前我國城市隧道安全檢測(cè)仍主要以人工和靜態(tài)檢測(cè)方式為主，少量動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)作為補(bǔ)充。

傳統(tǒng)的裂縫檢測(cè)方法是檢測(cè)人員用錘子錘墻（圖1），通過肉眼仔細(xì)觀察裂縫的趨勢(shì)和形狀，利用膠帶和裂縫寬度測(cè)量儀測(cè)量裂縫的特征值。檢測(cè)人員根據(jù)自己的經(jīng)驗(yàn)確定其危險(xiǎn)性。這種檢測(cè)方法效率很低并且檢測(cè)結(jié)果受到光照的嚴(yán)重影響，一天一個(gè)人只1km左右的隧道。檢測(cè)的結(jié)果的決定因素為主觀判斷，缺乏客觀性。

圖1 檢測(cè)人員使用錘子檢測(cè)裂縫

目前，在軌道平整、鋼軌磨損、鋼軌探傷等方面，市場具有較為成熟的技術(shù)和設(shè)備。然而，在隧道裂縫檢測(cè)中，相關(guān)技術(shù)仍處于起步階段，少有成熟的產(chǎn)品進(jìn)入應(yīng)用領(lǐng)域。

隧道表面圖像不同于混凝土墻面、瀝青路面和橋底表面圖像等傳統(tǒng)裂縫圖像。隧道內(nèi)表面裂縫圖像檢測(cè)有許多復(fù)雜的特征[4-8]。隧道墻面環(huán)境惡劣，裂縫圖像對(duì)比度低，分布和不規(guī)則噪聲較大，對(duì)裂縫的識(shí)別產(chǎn)生了很大的干擾。此外，隧道壁面上還存在各種結(jié)構(gòu)。如污水、劃痕、電線、管道、配電箱、消火栓、廣告牌等

近年來，數(shù)字圖像處理技術(shù)在人臉識(shí)別[9]、字符識(shí)別[10]、簽名驗(yàn)證[11]、指紋[12]等生物特征識(shí)別、無損檢測(cè)[13]得到了充分的研究和應(yīng)用。數(shù)字圖像處理技術(shù)在裂縫的檢測(cè)中具有越來越重要的地位。目前流行的裂縫檢測(cè)技術(shù)還有基于結(jié)構(gòu)光的裂縫檢測(cè)技術(shù)、基于計(jì)算機(jī)層析成像的裂縫檢測(cè)技術(shù)（計(jì)算機(jī)斷層掃描），基于超聲波的裂縫檢測(cè)技術(shù)[14]等。

1 歷史發(fā)展

在2007年，日本的Ukai開發(fā)了一個(gè)隧道裂縫自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)[15]。它能夠以30公里/小時(shí)的速度探測(cè)裂縫。檢測(cè)精度約為0.8mm。根據(jù)特征點(diǎn)拼接圖像，根據(jù)“滯后閾值”識(shí)別裂縫。圖2顯示了機(jī)器識(shí)別出的裂縫，有一部分的地方?jīng)]有裂縫，但被標(biāo)記為裂縫了。雖然有一部分誤識(shí)率，但相對(duì)于人工檢測(cè)而言，是一個(gè)巨大的進(jìn)步。

圖2 真實(shí)墻體中的檢測(cè)結(jié)果[15]

在2007年Seuguam在漢陽大學(xué)開發(fā)了裂縫（隧道裂縫自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)）[16]裝備了4096像素/線陣的CCD照相機(jī)、光源、減震器和編碼器。檢測(cè)速度為5公里/小時(shí)，可檢測(cè)寬度在0.3mm以上的裂縫。作者利用Sobel和Laplacian算子對(duì)邊緣進(jìn)行檢測(cè)，然后利用高斯濾波器對(duì)噪聲進(jìn)行濾波，最終得到裂縫。為了檢測(cè)裂縫的大小，系統(tǒng)使用了一個(gè)帶有黑點(diǎn)的0.5mm白板來校準(zhǔn)系統(tǒng)。系統(tǒng)需要手動(dòng)選擇裂縫的起始點(diǎn)和終止點(diǎn)。最后的識(shí)別效果如圖3和圖4所示。

圖3 鐵路隧道內(nèi)壁圖片[16]

圖4 隧道內(nèi)壁檢測(cè)出的裂縫[16]

日本勘測(cè)檢驗(yàn)公司于2010年8月開發(fā)了MIMM公路隧道檢測(cè)車[17]，由兩部分MIS（移動(dòng)成像技術(shù)系統(tǒng)）和MMS（移動(dòng)地圖系統(tǒng)）組成。其中，MIS檢測(cè)系統(tǒng)由CCD攝像機(jī)、LED照明設(shè)備組成。可以識(shí)別0.2mm以上的滲水和裂縫。在普通公路隧道中，探測(cè)速度可達(dá)50公里/小時(shí)，高速公路隧道可達(dá)80公里/小時(shí)。MMS部分配備了激光掃描儀、數(shù)碼相機(jī)、編碼器和GPS定位系統(tǒng)。MIMM可進(jìn)行圖像拼接，獲得3維圖像，繪制隧道病害擴(kuò)展圖。

在2013年，同濟(jì)大學(xué)的王平讓、黃宏偉等開發(fā)了隧道襯砌病害集成檢測(cè)車[18]，可同時(shí)檢測(cè)裂縫、滲漏水和空隙等隧道病害。檢測(cè)速度可達(dá)5公里/小時(shí)，檢測(cè)精度可達(dá)0.3mm。

在2013年，西班牙的Euroconsult公司開發(fā)了隧道檢查設(shè)備Tunnelings[19-20]。它能以30公里/小時(shí)的速度探測(cè)公路隧道，檢測(cè)精度為1mm。它可以運(yùn)作在所有類型的照明條件下，提供高品質(zhì)的數(shù)據(jù)。此外，Tunnel?ings使用高速相機(jī)，自定義光學(xué)和激光線投影機(jī)，以獲取2D圖像和高分辨率3D剖面以檢查隧道。目前，該裝置已成功地在西班牙和日本的部分地區(qū)運(yùn)營。

瑞士的Terra裂縫檢測(cè)設(shè)備tCrack[21]可用于城市軌道交通隧道裂縫檢測(cè)，可檢測(cè)0.3mm寬度以上的裂縫，檢測(cè)速度大約為2.5km/小時(shí)。它可以記錄每一個(gè)裂縫的三維坐標(biāo)。tCrack產(chǎn)生的文件為裂縫檢查和養(yǎng)護(hù)工作的規(guī)劃、執(zhí)行和記錄提供了依據(jù)。

2017年，中國同濟(jì)大學(xué)的黃宏偉研制出了隧道檢測(cè)系統(tǒng)MTI-100[21]。這臺(tái)機(jī)器最快的檢測(cè)速度是8.4km/小時(shí)，識(shí)別精度為0.3mm。該系統(tǒng)需要一定的人工輔助來進(jìn)行裂縫的檢測(cè)。

2 難點(diǎn)和展望

裂縫是隧道中常見的疾病，如果不加監(jiān)測(cè)和修復(fù)，它會(huì)繼續(xù)增長，可能存在嚴(yán)重的安全風(fēng)險(xiǎn)。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)，圖像處理和模式識(shí)別技術(shù)的飛速發(fā)展，人們開始關(guān)注圖像處理技術(shù)在裂縫以及其他病害的自動(dòng)檢測(cè)中的應(yīng)用。

目前，雖然路面裂縫檢測(cè)的研究取得了很大進(jìn)展，但仍存在一些問題。

2.1 裂縫檢測(cè)的難點(diǎn)

裂縫圖像的特征主要是灰色和形狀特征。對(duì)于灰度特征，當(dāng)局部裂縫較小且不明顯時(shí)，裂縫的灰度值與背景的差異不大。還有噪音干擾，噪音很容易被誤認(rèn)為是裂縫，或者很容易將裂縫作為噪音去除，從而導(dǎo)致不準(zhǔn)確的檢測(cè)。

振動(dòng)，應(yīng)力不均勻等因素，導(dǎo)致混凝土表面受到不同程度的損傷，呈現(xiàn)不同的裂縫形狀。就裂縫形狀特征而言，主要有水平、垂直，對(duì)角線和網(wǎng)狀類型。其中前三個(gè)是早期形成的裂縫，寬度較小；等裂縫繼續(xù)發(fā)展就很可能出現(xiàn)網(wǎng)狀裂縫。目前，提出可檢測(cè)各種形狀的算法是裂縫檢測(cè)領(lǐng)域的一個(gè)熱點(diǎn)。

目前，大部分隧道裂縫自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)都是在現(xiàn)場采集的，圖像是離線處理的。許多算法計(jì)算時(shí)間短，可以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)處理，但精度達(dá)不到要求。一些能達(dá)到更高精度的算法處理時(shí)間長，不能滿足實(shí)時(shí)處理的要求。缺少運(yùn)算時(shí)間短，精度高的算法也是該領(lǐng)域目前的一個(gè)難點(diǎn)。

2.2 展望

由于隧道內(nèi)光線嚴(yán)重不足，加上管道、涂鴉、廣告牌等惡劣環(huán)境，隧道裂縫比路面、橋梁、地面更難檢測(cè)到。近年來，隨著自動(dòng)檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展，在基于圖像處理的裂縫檢測(cè)方面取得了很多成果。然而，隧道裂縫的識(shí)別還沒有完全自動(dòng)化，并且能夠高效準(zhǔn)確地檢測(cè)裂縫。國際主流檢測(cè)方法仍然需要人工輔助才能達(dá)到合理的精度。但這種做法不可避免地會(huì)導(dǎo)致技術(shù)人員工作量的增加。隨著研究的發(fā)展，未來全自動(dòng)化必為主流的檢測(cè)手段。

由于隧道內(nèi)部疾病不僅只有裂縫，需要一種解決方案，可以根據(jù)用戶的需要方便地檢測(cè)出包括裂縫在內(nèi)的各種病害。因此，未來裂縫的檢測(cè)可能與其他疾病檢測(cè)相結(jié)合，形成綜合檢測(cè)。

隨著硬件和網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，以及研究人員在算法上的不斷突破，不能實(shí)時(shí)隧道裂縫檢測(cè)問題一定能夠得到解決。

在高速公路路面、公路隧道、鐵路隧道、橋底、大壩等環(huán)境中，都需要檢測(cè)出裂縫。因此，裂縫檢測(cè)具有廣泛的應(yīng)用，但由于環(huán)境的不同，會(huì)面臨許多不同的問題，所以相關(guān)領(lǐng)域的研究人員需要不懈的努力以攻克技術(shù)難關(guān)。