公路隧道襯砌表觀病害識別與標注系統(tǒng)研究

段英杰

（山西省交通科技研發(fā)有限公司，山西 太原 030032）

0 引言

計算機視覺最早被應用于公路路面智能化檢測中[1]，隨著國內(nèi)外路面自動檢測技術的飛速發(fā)展，該技術被逐漸引入地鐵隧道檢測[2]、公路隧道檢測[3-5]中。近年來公路隧道養(yǎng)護需求不斷提高，應用機器視覺技術實現(xiàn)公路隧道的快速檢測可大幅降低檢測時間和檢測成本[6]，便于對公路隧道進行定期檢測和數(shù)據(jù)管理，從而在保障公路隧道安全運營、及時發(fā)現(xiàn)公路初期病害、降低維護費用等多方面發(fā)揮不可替代的作用。

針對自主研制的隧道智能檢測車[7-8]，采用機器視覺技術[9]，開展公路隧道襯砌表觀病害識別與標注系統(tǒng)研究工作，實現(xiàn)隧道襯砌病害數(shù)據(jù)管理[10]，對提高數(shù)據(jù)處理效率，降低檢測時間和檢測成本具有重大意義。

1 病害識別與標注系統(tǒng)總體結(jié)構

公路隧道襯砌表觀病害識別與標注系統(tǒng)主要包括任務管理模塊、圖像瀏覽模塊、圖像標注模塊和報告生成模塊，各個模塊之間功能有銜接也有交叉。其中任務管理模塊可實現(xiàn)任務信息、隧道信息和圖像數(shù)據(jù)的管理；圖像瀏覽模塊可實現(xiàn)圖像分層、病害識別、圖像對比等功能；病害標注模塊可實現(xiàn)隧道襯砌表觀病害標注、病害信息錄入等功能；報告生成模塊可實現(xiàn)隧道襯砌表觀病害的統(tǒng)計以及隧道襯砌表觀病害圖和隧道襯砌表觀病害統(tǒng)計表的導出功能。系統(tǒng)總體結(jié)構如圖1所示。

圖1 公路隧道襯砌表觀病害識別與標注系統(tǒng)

2 病害識別與標注系統(tǒng)設計

2.1 任務管理

為實現(xiàn)任務信息、隧道信息和圖像數(shù)據(jù)的管理，需規(guī)定圖像數(shù)據(jù)存儲所在文件夾的命名方式，從而自動讀取被檢測隧道所在路段的名稱、隧道名稱、檢測時間、隧道長度、隧道樁號、是否為三車道隧道等信息。命名方式如下所示：

a）一級目錄 XX高速公路_XX隧道（上行/下行）_ZK50+680—ZK50+53_627m_通往XX方向_XX年XX月XX日。

b）二級目錄 ‘左’‘右’（兩車道、三車道隧道）為單圖文件夾；‘10 m拼接圖’（該目錄下為10 000×21 000的10 m拼接圖，格式為PNG，命名規(guī)則為1、2、3…）。

c）三級目錄 二級目錄‘左’下三級目錄名為01，02，03，二級目錄‘右’下三級目錄名為 01，02，03（兩車道隧道）或 00，01，02，03（三車道隧道），格式為JPG，命名規(guī)則為 1、2、3…。

d）起止樁號（分增大或減小兩種情況，需要判定）：ZK50+680—ZK50+53，ZK為左洞，樁號減小；YK（或K）為右洞，樁號增大；上行或下行的判定方法：上行為樁號增大，下行為樁號減小。

e）隧道長度 起止樁號相減，并取絕對值，單位：m。例：ZK50+680—ZK50+53，隧道長度為 |(50×1000+680)-(50×1000+53)|=627 m；另外，起止樁號可能為小數(shù)，例如ZK50+580.24。

根據(jù)以上命名規(guī)則，系統(tǒng)便可通過讀取文件夾名稱來獲取任務信息、隧道信息，實現(xiàn)圖像數(shù)據(jù)的管理。

2.2 圖像瀏覽

大圖圖像像素大小為10 000×21 000（W×H，W固定為10 000，H為21 000左右）；小圖圖像像素為2 500×4 500（W×H），格式為 PNG，24位。10 m大圖的寬度方向?qū)@示屏的寬度方向，10 m大圖的高度方向?qū)@示屏的高度方向。圖像瀏覽模塊包括以下功能。

2.2.1 圖像的順序瀏覽

圖像瀏覽窗口上方可按照單張進行上下張切換、跳轉(zhuǎn)；利用圖像瀏覽窗口下方快捷鍵“↑”“↓”“←”“→”進行圖像區(qū)域切換，鼠標停留時顯示縮略圖。

2.2.2 圖像的縮放

圖像可隨“滾輪”縮放，縮放比例不受限制；可以通過“下拉菜單”選擇固定的縮放比例，分為12.5%、50%、100%、200%。

2.2.3 圖像對比功能

圖像對比功能是通過調(diào)用已標定好含有0.2 mm、0.4 mm、0.6 mm、0.8 mm、1 mm、2 mm、3 mm 裂縫寬度信息的對比卡（對比卡為一張圖片）與已標注的襯砌裂縫進行對比，進一步復核所標注襯砌裂縫的精度。

點選“圖像對比”按鈕，在圖像瀏覽區(qū)域內(nèi)，以鼠標位置為中心，從當前瀏覽圖片中裁出400×300像素的原圖，以100%的縮放比例在新的彈出窗口中顯示，彈出窗口跟隨鼠標移動。同時加載對比卡圖片，并與調(diào)出的原圖并排查看。

2.3 病害標注

病害標注有分區(qū)域標注與不分區(qū)域標注兩個模式，系統(tǒng)操作人員可根據(jù)具體情況來選擇所需模式進行病害標注。

2.3.1 不分區(qū)域標注流程

a）在瀏覽模式下對裂縫進行描點，鼠標右鍵結(jié)束描點，彈出病害信息屬性對話框，鼠標光標放在該裂縫最寬處。

b）點選“圖像對比”按鈕，彈出圖像對比卡，識別出該條裂縫寬度后，在圖像處理軟件界面左側(cè)單擊選擇裂縫寬度，點擊病害屬性信息對話框確定按鈕，結(jié)束此條裂縫的標注。

2.3.2 分區(qū)域標注流程

a）在進行病害標注之前，在圖像處理軟件左上角依次選擇“襯砌材質(zhì)”和“縮放比例”。襯砌材質(zhì)分為水泥和防火涂料；縮放比例基準比例（縮放比例為100%）下的圖片區(qū)域大小為5 000×2 200（W×H，在W方向上固定為5 000，H方向上前9個區(qū)域大小為2 200，第10個區(qū)域大小為10 m大圖寬度2 200×4，基準比例根據(jù)軟件完成后的測試結(jié)果作小幅度更改）。

b）按照基準比例，10 m大圖劃分為20個區(qū)域，各個區(qū)域間做虛擬分隔處置，分割線為黃色虛線。各個區(qū)域命名為Aij（i為寬度方向，j為高度方向）。

c）以裂縫標注為例，點擊A11，開始進行標注，該區(qū)域內(nèi)圖片全屏顯示，所有任務欄隱藏，如若裂縫跨越A11、A12、A22三個區(qū)域，依次單擊選擇裂縫起始點、拐點、終止點，終止點選擇后點擊鼠標右鍵結(jié)束選點，彈出病害屬性對話框，圖像處理軟件界面任務欄出現(xiàn)，軟件界面顯示所有區(qū)域，在圖像處理軟件界面左側(cè)選擇裂縫寬度，點擊病害屬性信息對話框確定按鈕，結(jié)束此條裂縫的標注，光標自動返回A11。注：病害標注過程中區(qū)域切換使用“↑”“↓”“←”“→”快捷鍵或鼠標單擊選擇區(qū)域。在沒有選點的情況進行區(qū)域切換，則表示上一個區(qū)域已經(jīng)標注完成。

d）為剔除病害數(shù)據(jù)庫里的無用信息，提高軟件運行效率，在病害標注時僅記錄標注元素的相關信息，不對原始大圖進行修改。例如在標注裂縫時，只是以原始大圖為背景進行標注，同時記錄裂縫線段的描點；在標注滲水等病害時，只記錄矩形框中心點的位置及矩形框大小等信息，在生成報告壓縮小圖時需經(jīng)過一定的計算，考慮由于圖像壓縮之后標注元素的位置信息變化，再將變換過的標注元素畫在壓縮之后的小圖上。

2.4 報告生成

報告生成模塊的主要功能是實現(xiàn)隧道襯砌表觀病害的統(tǒng)計以及隧道襯砌表觀圖和隧道襯砌表觀病害統(tǒng)計表的導出。

a）隧道襯砌表觀圖為 30 m、50 m、100 m三種；隧道襯砌區(qū)域分為左邊墻、左拱腰、拱頂、右拱腰、右邊墻，并根據(jù)相關規(guī)范繪出分界線，分界線為藍色虛線；刻度間隔為10 m，刻度名稱為對應樁號，并描繪出分界線，分界線為黃色虛線；調(diào)用之前保存信息，將該張隧道襯砌表觀圖命名為“XX隧道（XX方向）第n張/共m張 檢測時間：自行輸入”；圖片格式為JPG。

b）隧道襯砌表觀病害統(tǒng)計表：該表的輸出格式為Excel，命名規(guī)則為“XX隧道（XX方向）外觀缺陷檢查結(jié)果表”；該表應包含有樁號、距洞口距離、病害位置、病害類型、病害定量描述等相關信息。

3 病害識別與標注系統(tǒng)軟件實現(xiàn)

隧道襯砌表觀病害識別與標注系統(tǒng)主要包括主界面、導入任務、任務管理、病害識別與標注和報告生成等界面，實現(xiàn)了隧道襯砌表觀病害的識別與標注。

3.1 系統(tǒng)主界面及導入任務界面

公路隧道襯砌表觀病害識別與標注系統(tǒng)主界面主要包括任務管理、導入任務、病害識別與標注等功能模塊。

導入任務界面包括任務管理信息導入模塊和任務管理數(shù)據(jù)庫模塊。任務管理信息導入模塊通過讀取隧道襯砌圖片所在文件夾，可實現(xiàn)隧道檢測時間、隧道名稱、隧道長度、隧道起止樁號、路段信息、圖像數(shù)據(jù)等的導入功能；任務管理數(shù)據(jù)庫模塊可實現(xiàn)上述信息的智能管理并可根據(jù)客戶需求導出相應報表，也可人工進行數(shù)據(jù)庫內(nèi)容的修改。

3.2 病害識別與標注界面

病害識別與標注界面（如圖2所示）包括快捷鍵導航（區(qū)域 1）、病害標注（區(qū)域 2）、任務選擇（區(qū)域3）、圖像瀏覽（區(qū)域 4）、數(shù)據(jù)統(tǒng)計（區(qū)域 5）等模塊。

圖2 病害識別與標注界面

快捷鍵導航模塊為操作人員提供快捷鍵操作功能，可以提高病害識別與標注效率。

病害標注模塊可實現(xiàn)瀏覽模式與標注模式的手動切換，標注模式的自由選擇：分區(qū)域標注和不分區(qū)域標注，襯砌裂縫、襯砌起層、襯砌剝落、滲水、蓋板缺失與破損等隧道襯砌表觀病害的標注，標準對比卡的調(diào)用，病害數(shù)據(jù)的保存、撤銷及返回上一步等功能。

任務選擇模塊可實現(xiàn)不同檢測任務的切換。圖像瀏覽模塊可在瀏覽模式和標注模式下實現(xiàn)隧道襯砌表觀圖像的自由瀏覽，包括按光標位置中心的自由縮放、圖像瀏覽區(qū)域變換等。另外操作人員可同時放大局部圖和圖像對比卡復核襯砌病害相關數(shù)據(jù)，并可根據(jù)檢測現(xiàn)場實際情況對數(shù)據(jù)進行調(diào)整。

數(shù)據(jù)統(tǒng)計模塊可實現(xiàn)隧道襯砌表觀病害的統(tǒng)計功能，還可實現(xiàn)病害數(shù)據(jù)庫與隧道襯砌表觀圖所包含的病害數(shù)據(jù)的統(tǒng)一增加、統(tǒng)一刪除和統(tǒng)一合并。病害數(shù)據(jù)包括裂縫長度、寬度和位置，襯砌剝落面積和位置，襯砌起層面積和位置，蓋板缺失與破損的面積和位置等。

3.3 報告導出界面

報告導出界面包括全幅圖生成模塊（如圖3所示）和報表導出模塊（如圖4所示）。其中全幅圖生成模塊可實現(xiàn)隧道襯砌表觀圖的按需拼接（30 m拼接、50 m拼接、100 m拼接等）、病害標注信息與隧道襯砌表觀背景圖的智能融合與導出；報表導出模塊可實現(xiàn)隧道襯砌表觀病害統(tǒng)計表按需生成在特定的文件目錄下。

圖3 隧道襯砌表觀圖展示界面

圖4 隧道襯砌表觀病害統(tǒng)計表

4 結(jié)語

公路隧道襯砌表觀病害識別與標注系統(tǒng)具有任務管理、圖像瀏覽、圖像標注和報告生成等功能。任務管理模塊實現(xiàn)了隧道長度、隧道樁號等相關信息和隧道襯砌表觀圖像數(shù)據(jù)的管理；圖像瀏覽模塊實現(xiàn)了10 m拼接圖的順序瀏覽、圖像縮放、圖像對比等功能；圖像標注模塊實現(xiàn)了隧道襯砌表觀病害的識別與標注；報告生成模塊實現(xiàn)了隧道襯砌表觀圖和隧道襯砌表觀病害統(tǒng)計表的自動生成。下一步將繼續(xù)基于自主研制的隧道智能檢測系統(tǒng)，結(jié)合工程檢測實際優(yōu)化對隧道襯砌表觀病害數(shù)據(jù)處理流程。