专利名称：一种盾构隧道衬砌管片渗漏水面积的测量方法及装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种盾构隧道衬砌管片渗漏水测量技术，尤其是涉及一种盾构隧道衬砌管片渗漏水面积的测量方法及装置。
背景技术：
高精度、高效率、数字化和自动化病害检测模式，是实现高质量盾构隧道运营维护的前提。随着检测技术的进步，传统的通过人眼目视来进行估测的 管片渗漏水面积测量方法，由于存在结果主观性较大、精度和效率较低、且结果不易保存和管理等缺点，将逐渐被新的方法所代替。随着计算机技术的迅猛发展和相机硬件质量的不断提升，数字图像技术以其方便灵活、非接触式数据获取、图像易于处理等特点迅速渗透到各个学科领域并取得了重大的开拓性成就。而基于数字图像处理的照相测量技术业已深入到边坡变形监测、岩体碎石识别、隧道病害识别量测等土木工程领域中，并发挥着非接触、高效、直观和精确的优势。2004年，邹轶群、侯贵仓、杨峰提出了一种基于数字图像处理的表面裂纹检测方法。同年，张娟，沙爱民，高怀钢，孙朝云分析了基于数字图像处理的路面裂缝识别与评价系统的工作原理。2005年，上海交通大学的田胜利对采用数字图像技术观测结构变形的方法进行了深入的研究，并使用小波变换、神经网络等人工智能手段对观测结果进行了处理。2006年，东南大学尹兰、何小元利用了基于光测法基础上的数字图像处理技术对混凝土表面裂缝宽度特征进行了测量和分析。2008年，桑中顺将红外摄影技术引入隧道监测，以解决施工中的隧道粉尘严重的问题并针对非量测相机镜头畸变较大的缺陷，研究了相机的快速标定方法。2009年，周春霖使用数字图像技术结合人工神经网络实现岩体节理的识别和精细描述。2010年，叶康针对现有的公路隧道裂缝检测方法的不足，提出了采用数字图像技术进行裂缝特征无接触的测量方法。虽然之前学者们对数字图像技术在地下工程和隧道病害检测领域做了较多研究，但专门针对盾构隧道管片渗漏水面积的数字图像检测技术却没有人涉及到。此外，以上所研究的大多数方法主要是针对通过接触式扫描或近距离拍摄所采集的放大图像进行，并且假设所获取的照片所受的干扰少，成像质量高。而在实际盾构隧道中，光线、遮挡、各种污溃刮痕都会对成像质量照成严重影响，使得针对近照中理想宽大目标对象的识别量测方法不适用，需寻找一种合适的新方法，以提高盾构隧道管片渗漏水病害检测的准确度。因此，研究一种在盾构隧道中能便捷、高效、准确地测量管片渗漏水面积的图像检测方法已成为提高盾构隧道运营维护质量的迫切需求之一。

发明内容
本发明的目的在于提供一种低成本、快速便捷、高精度的盾构隧道衬砌管片渗漏水面积的测量方法及装置。本发明的目的可以通过以下技术方案来实现一种盾构隧道衬砌管片渗漏水面积的测量方法，具体步骤如下
(1)采用计算机视觉工具包HALCON标定方法对相机进行标定，获取相机内部参数；
(2)保持相机内部参数不变，利用本发明的装置在管片正面拍摄渗漏水病害图像，测定拍摄距尚和拍摄倾角；
(3)采用除法畸变模型，对采集到的渗漏水病害图像进行镜头畸变校正；
(4)将采集到的图像转化为灰度图像，在转化后的灰度图像上选择需测量的感兴趣区
域；
(5)对ROI进行Blob分析确定ROI的最大阈值和最小阈值，进行阈值分割得到图像中包括管片渗漏水区域在内的区域特征；对初步分割得到的图像进行连接Blob分析，将所有被判断为渗漏水区域的目标像素连接成块；
(6 )根据数学形态学理论，采用开操作和闭操作对步骤(5 )中渗漏水区域进行填充和滤除得到最终的渗漏水区域对于干扰较小的简单图像，直接对其进行数学形态学处理得到目标渗漏水区域图像；对于常见干扰的复杂图像，在数学形态学处理的基础上采用筛选、膨胀和组合的方式得到最终的目标渗漏水区域；
(7)根据最终渗漏水区域图像计算渗漏水区域的面积；
(8)根据拍摄倾角与面积比例的关系修正管片渗漏水区域的面积；
(9)根据经验标定的每平方像素的实际面积与拍摄距离的关系，计算得到管片渗漏水区域的实际面积。本发明中，步骤(I)的操作方法如下
①选取大小合适的HALCON特制标定板(有从2500u m到800mm的各种不同尺寸)；
②将准备好的标定板张贴到有一定刚度的平板上，保证表面平滑；
③拍摄1(T20张标定板的图像，拍摄过程需注意如下事项
在每张照片中整个标定板必须保持全部可见；
拍摄过程中需变换标定板的位置、朝向、距离；
标定板需占尽量大的图幅(至少1/4)以保证标定点识别的精度；
在各次拍摄中标定板尽量依次覆盖整个图像范围，以获取精确的相机内部参数；
④用HALCON标定程序对所采集的标定板图像进行处理，获取相机内部参数。本发明中，步骤(3 )的操作方法如下
①利用全标定方法对相机内部参数进行标定，由步骤(I)相机标定获得镜头畸变参
数；
②采用除法镜头畸变模型，对采集到的管片渗漏水病害图像进行镜头畸变校正，径向畸变校正公式如下
权利要求
1.一种盾构隧道衬砌管片渗漏水面积的测量方法，其特征在于，具体步骤如下 (1)采用计算机视觉工具包HALCON标定方法对相机进行标定，获取相机内部參数； (2)保持相机内部參数不变，在管片正面拍摄渗漏水病害图像，测定拍摄距离和拍摄倾角； (3)采用除法畸变模型，对采集到的渗漏水病害图像进行镜头畸变校正； (4)将采集到的图像转化为灰度图像，在转化后的灰度图像上选择需测量的感兴趣区域； (5)对ROI进行Blob分析确定ROI的最大阈值和最小阈值，进行阈值分割，得到图像中包括管片渗漏水区域在内的区域特征；对初步分割得到的图像进行连接Blob分析，将所有被判断为渗漏水区域的目标像素连接成块； (6 )根据数学形态学理论，采用开操作和闭操作对步骤(5 )中渗漏水区域进行填充和滤除得到最終的渗漏水区域对于干扰较小的简单图像，直接对其进行数学形态学处理得到目标渗漏水区域图像；对于盾构隧道管线、设备支撑架等常见干扰的复杂图像，在数学形态学处理的基础上采用筛选、膨胀和组合的方式得到最終的目标渗漏水区域； (7)根据最终渗漏水区域图像计算渗漏水区域的面积； (8)根据拍摄倾角与面积比例的关系修正管片渗漏水区域的面积； (9)根据经验标定的每平方像素的实际面积与拍摄距离的关系，计算得到管片渗漏水区域的实际面积。
2.根据权利要求I所述的ー种盾构隧道衬砌管片渗漏水面积的测量方法，其特征在于，步骤(I)中的操作方法如下 ①选取大小合适的HALCON特制标定板； ②将准备好的标定板张贴到有一定刚度的平板上，保证表面平滑； ③拍摄1(Γ20张标定板的图像； ④用HALCON标定程序对所采集的标定板图像进行处理，获取相机内部參数。
3.根据权利要求I所述的ー种盾构隧道衬砌管片渗漏水面积的测量方法，其特征在于，步骤(3)的操作方法如下 ①利用全标定方法对相机内部參数进行标定，由步骤(I)相机标定获得镜头畸变參数； ②采用除法镜头畸变模型，对采集到的管片渗漏水病害图像进行镜头畸变校正，径向畸变校正公式如下 I f 、'レ J — l+r(fi2 +V2) [v,式中 ,分表示镜头畸变后的投影点/7 ( ,9)在成像平面坐标系下的行坐标和列坐标；镜头径向畸变參数％表示径向畸变量级，如果％为负，畸变为桶型畸变，如果％为正，畸变为枕型畸变；"，r表示投影点/7( ，K)在成像平面坐标系下的行坐标和列坐标。
4.根据权利要求I所述的ー种盾构隧道衬砌管片渗漏水面积的测量方法，其特征在于，步骤(4)的操作方法如下 ①根据下式将整幅彩色图像转化成灰度图
5.根据权利要求I所述的ー种盾构隧道衬砌管片渗漏水面积的测量方法，其特征在于，步骤(5)的操作方法如下 ①根据图像的拍摄质量和噪声程度确定阈值分割的最小阈值ら ，最大阈值thigh； ②根据选定的最小阈值tlow,最大阈值thigh对图像阈值化，即将输入图像/做如下变换输出图像ダ
6.根据权利要求I所述的ー种盾构隧道衬砌管片渗漏水面积的测量方法，其特征在于，步骤(6)的操作方法如下 ①对于干扰较小的简单图像，采用对图像先进行开操作再进行闭操作，同时为两次操作选择合适的结构元素半径用B对A进行开操作如下式，
7.根据权利要求I所述的ー种盾构隧道衬砌管片渗漏水面积的测量方法，其特征在于，步骤(8)的操作方法如下①预先室内试验得到射影畸变图像和原图像之间的面积比例随拍摄倾角的关系，公式如下
8.根据权利要求I所述的ー种盾构隧道衬砌管片渗漏水面积的测量方法，其特征在于，步骤(9)的操作方法如下 ①预先室内试验得到固定焦距下，每平方像素的实际面积与拍摄距离的关系，50mm焦距下的公式如下
9.一种盾构隧道衬砌管片渗漏水面积的测量装置，其特征在于包括相机(I)、激光测距仪(2)、连接螺杆(3)以及笔记本工作站(4)，其中所述的相机⑴通过连接螺杆(3)固定于激光测距仪(2)的上方，相机(I)通过数据线(5)与笔记本工作站(4)连接。
10.根据权利要求9所述的ー种盾构隧道衬砌管片渗漏水面积的测量装置，其特征在于，所述的相机(I)米用Sony α 550单反数码相机,该数码相机的镜头固定为18 55mm长度，激光测距仪(2)采用徕卡迪士通D3a激光测距仪，该激光测距仪(2)距离测量范围为O.05 100m，倾角测量范围为-45° 45°。
全文摘要
本发明涉及一种盾构隧道衬砌管片渗漏水面积的测量方法及装置，具体步骤为采用计算机视觉工具包对相机进行标定；采集管片渗漏水的图像，通过激光测距仪测定拍摄距离和拍摄倾角；采用除法畸变模型，对采集到的渗漏水病害图像进行镜头畸变校正；将采集到的图像转化为灰度图像；对ROI进行Blob分析确定ROI最大、最小阈值，进行阈值分割得到图像中包括管片渗漏水区域在内的区域特征；对初步分割得到的图像进行连接Blob分析，将所有被判断为渗漏水区域的目标像素连接成块；采用开操作和闭操作对渗漏水病害区域进行填充和滤除得到最终的渗漏水区域；计算渗漏水区域的面积；修正管片渗漏水区域的面积；计算得到管片渗漏水区域的实际面积。本发明具有低成本、高精度、快速便捷等优点。
文档编号G01B11/28GK102679914SQ201210146440
公开日2012年9月19日 申请日期2012年5月14日 优先权日2012年5月14日
发明者孙仕敏, 朱合华, 李晓军, 牛耘诗, 胡传鹏 申请人:同济大学