基于無(wú)人機(jī)圖像分析的路面裂縫檢測(cè)探究

蘆海利，姚軍，劉善國(guó)，王國(guó)耀

中國(guó)人民解放軍95894部隊(duì)

隨著我國(guó)公路和機(jī)場(chǎng)建設(shè)的不斷發(fā)展，道路的管理、修護(hù)變得愈發(fā)重要。尤其是路面，因?yàn)樾熊囏?fù)載、自然等各方面因素影響，極易產(chǎn)生各類破損現(xiàn)象，從而對(duì)路面承載能力、耐久性等產(chǎn)生負(fù)面影響。針對(duì)道路路面裂縫檢測(cè)，本文開(kāi)展基于無(wú)人機(jī)圖像分析的檢測(cè)探究，通過(guò)無(wú)人機(jī)獲取的裂縫圖像展開(kāi)檢測(cè)，以坎尼邊緣檢測(cè)法展開(kāi)路面質(zhì)量檢測(cè)、評(píng)析，使裂縫檢測(cè)工作變得更加快捷、精準(zhǔn)。

根據(jù)交通運(yùn)輸部《2019年交通運(yùn)輸行業(yè)發(fā)展統(tǒng)計(jì)公告》統(tǒng)計(jì)，截止2019年末， 我國(guó)公路建設(shè)已達(dá)5.0125X106km；另?yè)?jù)中國(guó)民用航空局《2019年民航行業(yè)發(fā)展統(tǒng)計(jì)公報(bào)》中的數(shù)據(jù)，頒證的運(yùn)輸機(jī)場(chǎng)238座、通用機(jī)場(chǎng)246座，伴隨龐雜交通運(yùn)輸工程建設(shè)完成，與之而來(lái)的是道路管理、修護(hù)等問(wèn)題。自最初人工發(fā)現(xiàn)問(wèn)題到后來(lái)各種路面巡檢車的運(yùn)用，道路修護(hù)管理漸漸從人工向半自動(dòng)化方向發(fā)展。針對(duì)道路病害，特別是路面裂縫問(wèn)題，目前大多還是人工發(fā)覺(jué)、檢測(cè)裂縫病害程度。道路病害的自動(dòng)化檢測(cè)包含兩個(gè)環(huán)節(jié)，其一是表觀圖像的獲得，如今發(fā)展應(yīng)用以路面巡檢車為主，而隨著無(wú)人機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，無(wú)人機(jī)也漸漸被運(yùn)用到道路管理修護(hù)工作中，這是未來(lái)發(fā)展的必然趨勢(shì)；其二是病害圖像的智能化檢測(cè)，這主要依賴圖像處理技術(shù)的不斷發(fā)展。傳統(tǒng)圖像處理技術(shù)、基于機(jī)器學(xué)習(xí)的全新圖像處理技術(shù)都可以高效地運(yùn)用到道路病害檢測(cè)項(xiàng)目。

路面裂縫檢測(cè)的重要性

每一條道路都具有一定的養(yǎng)護(hù)年限，路面在應(yīng)用一段時(shí)間之后，會(huì)受各方面因素影響出現(xiàn)裂縫、隆起、沉陷、交通標(biāo)線被損壞等諸多病害。這些病害當(dāng)中，最嚴(yán)重的是路面裂縫，它不僅是最常見(jiàn)、最易引發(fā)路面破損的因素，而且也是很多其他病害最初的表現(xiàn)方式。道路路面裂縫一方面會(huì)讓道路變得更容易被損壞，發(fā)展為更加嚴(yán)重的道路病害，削弱道路的使用舒適性，降低道路使用壽命。另一方面也會(huì)對(duì)行駛工具造成不利影響。所以，預(yù)防路面產(chǎn)生嚴(yán)重性病害，在路面發(fā)生輕微裂縫時(shí)第一時(shí)間發(fā)現(xiàn)并予以處理解決，是一項(xiàng)非常重要的工作。

裂縫檢測(cè)顧名思義是指采用各類技術(shù)或者工具對(duì)道路路面裂縫進(jìn)行檢測(cè)的過(guò)程。路面裂縫檢測(cè)方法分為兩類，依次是破壞性測(cè)試、非破壞性測(cè)試，其中非破壞性測(cè)試又可以分為紅外熱成像測(cè)試、超聲波測(cè)試、圖像測(cè)試、激光測(cè)試等。路面裂縫檢測(cè)的可靠性逐漸成為衡量道路檢測(cè)體系是否優(yōu)良的指標(biāo)。

路面裂縫相關(guān)檢測(cè)技術(shù)發(fā)展

我國(guó)現(xiàn)在道路路面裂縫檢測(cè)使用的方法主要是人工檢測(cè)法，傳統(tǒng)的人工檢測(cè)缺點(diǎn)在于，費(fèi)時(shí)耗力、不夠精準(zhǔn)、會(huì)對(duì)交通產(chǎn)生危害性影響，安全性無(wú)法保障，且成本也越來(lái)越高。路面裂縫自動(dòng)檢測(cè)體系的分析研究還有待發(fā)展，唯有少數(shù)高等院校、科研機(jī)構(gòu)在跟進(jìn)研究。

我國(guó)N-1路面智能檢測(cè)車，包括車載樣品采集、線下檢測(cè)處理兩大系統(tǒng)；CICS路面檢測(cè)系統(tǒng)最高行駛速度達(dá)到100km/h，單次檢測(cè)路面寬度為3.6m，裂縫最高檢測(cè)精確度為1mm；ZOYON監(jiān)測(cè)系統(tǒng)最高行駛速度達(dá)到120km/h，檢測(cè)寬度最高為3.7m，自帶GPS定位系統(tǒng)，裂縫最高檢測(cè)精確度為1mm。

國(guó)外方面，比較有代表性的路面檢測(cè)系統(tǒng)有美國(guó)全自動(dòng)公路路況實(shí)時(shí)檢測(cè)系統(tǒng)，這一系統(tǒng)包含有多個(gè)子系統(tǒng)，其中攝像設(shè)備置于車的前后方，單次可拍攝路面寬度高達(dá)4.1m，對(duì)路面裂縫的檢測(cè)精確度最高為1mm；澳大利亞公路交通局自動(dòng)化路面破損檢測(cè)系統(tǒng)使用改裝車輛，把攝像機(jī)、補(bǔ)光體系安裝在檢測(cè)車底座，最高行駛速度為100km/h，攝像機(jī)拍攝速度為27000f/s，路面裂縫檢測(cè)精確度最高為1mm。

基于無(wú)人機(jī)圖像分析的路面裂縫檢測(cè)方案

隨著信息技術(shù)發(fā)展，無(wú)人機(jī)具有自由搭載多種任務(wù)載荷、操控靈活、維修方便、使用成本低等特點(diǎn)，開(kāi)始在生產(chǎn)、生活中廣泛運(yùn)用。因此，利用無(wú)人機(jī)進(jìn)行路面裂縫檢測(cè)的優(yōu)勢(shì)極為明顯。

圖1 無(wú)人機(jī)檢測(cè)路面裂縫的優(yōu)勢(shì)極為明顯。

無(wú)人機(jī)檢測(cè)路面裂縫解決方案

無(wú)人機(jī)檢測(cè)路面裂縫方法，即按照道路規(guī)定航線，搭載高倍變焦攝像頭獲取裂縫圖像，從而了解和掌握道路病害的相關(guān)信息。圖像獲得后，展開(kāi)圖像數(shù)據(jù)處理工作檢測(cè)裂縫的存在。裂縫檢測(cè)過(guò)程的主要步驟是，首先對(duì)圖像進(jìn)行預(yù)處理，包含灰度化、灰度變換、濾波去噪等。其次是對(duì)圖像的分割，即把裂縫圖像信息從復(fù)雜的原始圖像中割離出來(lái)，該步驟有兩種方法，依次是閾值分割、邊緣檢測(cè)。在圖像分割時(shí)一定會(huì)產(chǎn)生裂縫斷裂的狀況，針對(duì)這一情況，裂縫連接工作應(yīng)基于裂縫線段最相近的端點(diǎn)展開(kāi)，最后按照裂縫線性特征清除干擾元素，進(jìn)行裂縫提取。無(wú)人機(jī)檢測(cè)路面裂縫的方法更為智能化，技術(shù)更先進(jìn)，對(duì)路面信息的獲取更精準(zhǔn)全面，效率快、質(zhì)量高，這些優(yōu)勢(shì)使其容易獲得廣泛應(yīng)用。

圖像檢測(cè)算法流程

首先，圖像預(yù)處理過(guò)程包括三個(gè)步驟，分別是灰度化、灰度拉伸、圖像濾波。

（1）灰度化

由于在裂縫檢測(cè)期間，顏色信息并未應(yīng)用到，所以先要對(duì)RGB圖像予以灰度化處理，其公式為

v=0.299R+0.587G+0.114B，其中，v是轉(zhuǎn)化之后的灰度值，R是原圖像紅色通道值，G是原圖像綠色通道值，B是原圖像藍(lán)色通道值。

（2）灰度拉伸

為了讓目標(biāo)裂縫更為凸顯和明確，必須對(duì)圖像展開(kāi)增強(qiáng)操作?；叶茸儞Q可以令篩選的小

灰度區(qū)間拓展成大灰度區(qū)間，從而令裂縫更為突出和明顯。

（3）圖像濾波

本文選用一種非線性的濾波方法即雙邊濾波方法，是對(duì)比圖像空間的相近度以及像素值類似度的折衷處理方法。與此同時(shí)，還要關(guān)注空域信息、灰度相似性等，以達(dá)到保邊去噪的效果。

圖2 我國(guó)CICS路面檢測(cè)車。

圖3 澳大利亞自動(dòng)化路面破損檢測(cè)系統(tǒng)。

圖4 無(wú)人機(jī)正在檢測(cè)路面裂縫。

圖5 基于人工智能技術(shù)的無(wú)人機(jī)用于路面裂縫檢測(cè)。

第二個(gè)流程是邊緣檢測(cè)。一次良好的邊緣檢測(cè)需具備三條規(guī)則：優(yōu)質(zhì)的信噪比、優(yōu)質(zhì)的定位性、對(duì)單一邊緣具有唯一響應(yīng)性。而坎尼 (Canny)算法集合了上述所有規(guī)則，它先借助高斯濾波器平滑圖像獲得不錯(cuò)的信噪比，再運(yùn)用窗口計(jì)算灰度梯度的幅值、方向。為精準(zhǔn)確立定位邊緣，要將梯度幅值圖予以細(xì)化，只留存幅值的局部極大值，也就是非極大值遏制。然后運(yùn)用雙閾值方法自候選邊緣點(diǎn)處展開(kāi)檢測(cè)，并對(duì)邊緣予以鏈接。倘若點(diǎn)的梯度幅值超過(guò)大閾值，則表示其是邊緣；如果比小閾值還低，則表示非邊緣。梯度幅值居于兩大閾值間的像素點(diǎn)，可視為邊緣點(diǎn)，按照邊緣的連通化程度加以判定。

第三個(gè)流程是裂縫檢測(cè)。邊緣檢測(cè)會(huì)對(duì)裂縫的連續(xù)性造成一定的毀損和破壞，所以要把裂開(kāi)的裂縫予以鏈接?？梢韵冉柚覍ね拱姆绞?，找到每條選段的端點(diǎn)，獲得端點(diǎn)集合，然后對(duì)各個(gè)線段進(jìn)行計(jì)算，找尋相距最短的兩個(gè)點(diǎn)，小于閾值，則對(duì)兩線段進(jìn)行鏈接。

最后一個(gè)流程是線性檢測(cè)。因?yàn)榱芽p具有非常顯著的線性特征，如周長(zhǎng)面積比值，最小外接矩形長(zhǎng)寬比等，借助于鏈碼追蹤形式，可以獲得各個(gè)連通域的周長(zhǎng)以及面積。可將面積小于等于周長(zhǎng)平方除以30的線段予以保留，把面積小于20的區(qū)域進(jìn)行刪除。在找尋最小外接矩時(shí)，則把外接矩長(zhǎng)寬比大于3的區(qū)域予以保留，最終留下來(lái)的便是裂縫。

本文以坎尼邊緣檢測(cè)法為主展開(kāi)分析，這種方法對(duì)于比較簡(jiǎn)單的裂縫圖像有不錯(cuò)的檢測(cè)效果，而對(duì)于一些復(fù)雜背景的裂縫圖像，則需要采取其他高科技的方法來(lái)展開(kāi)探索和分析。

裂縫損壞是一種道路路面最為常見(jiàn)、最初期的病害現(xiàn)象，開(kāi)展較好的檢測(cè)、及時(shí)維護(hù)，防止其發(fā)展成比較嚴(yán)重的病害，降低各種資源成本，具有非常關(guān)鍵的現(xiàn)實(shí)意義。在人工智能、無(wú)人機(jī)技術(shù)高速發(fā)展的時(shí)代背景下，檢測(cè)手段、分析方式等越來(lái)越豐富完善。路面檢測(cè)會(huì)向智能化、科技化方向發(fā)展，未來(lái)還需進(jìn)行深層次探索和研究，以促進(jìn)我國(guó)道路建設(shè)健康發(fā)展。