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摘要:隧道(dào)病害是威脅隧道內行車安(ān)全運行(háng)和縮短使(shǐ)用壽命的主要原因,因(yīn)此如何高效率、準確地進行隧道檢測,及時(shí)發現隧道病害,是隧(suì)道工程研究的一大熱點。本文(wén)通過對(duì)基於攝像測量和激光掃描的隧道病害(hài)快速檢測技(jì)術進行分析總結,分析兩種類型的隧道病害快速檢測技術的優缺點,提出隧道檢測技術的發展方向,對隧道工(gōng)程的檢測工(gōng)作和建立(lì)完善的(de)檢測係統具有重要指導意義。
關鍵詞:隧道危害;檢測技術;研究(jiū)現狀
我國經濟迅速發展,已經成為世界上隧道工程數量最多(duō)、增長最(zuì)快的國(guó)家(jiā),據調查(chá)研究發現,公道工程中的隧道病害在生活(huó)中(zhōng)普遍(biàn)存在(zài),嚴重威脅隧道內的(de)行車安全和乘客的(de)人身安全,對(duì)隧道的運營造成不便。因此需要對隧道病害進(jìn)行檢(jiǎn)測。傳統(tǒng)的檢(jiǎn)測技術已經(jīng)不能滿足人們的對隧道病側檢測的需求。隧道病害快速檢(jiǎn)測技術是利用各種形式的傳感器探測隧道(dào)襯(chèn)砌的情(qíng)況,形成影像(xiàng)圖,再通(tōng)過圖像處理技術對(duì)隧道病害進行詳細(xì)的檢測和(hé)病害分類[1]。由於探測(cè)的傳感器不同,可以(yǐ)分為(wéi)攝像測(cè)量快速檢驗技術和激光掃描快速檢測技(jì)術這(zhè)兩類(lèi)。
1攝像測量快速檢測技術
攝像測量快速檢(jiǎn)測技術是利用工(gōng)業相機等設備對隧道襯砌(qì)表麵(miàn)進行快速(sù)連續的(de)掃描,形成(chéng)隧道襯砌表麵(miàn)影(yǐng)像圖,然後利用圖像處理技術和圖像識別功能從襯砌影像圖中提取病害信息,並繪製病害展開圖。攝像測(cè)量快(kuài)速檢測技術是一種基於數字信息和數字影像技術及自動控(kòng)製手段的非接觸(chù)式(shì)快速檢測技術,具有檢測速度快,效率高,精度高,數據自動化處理等(děng)優(yōu)點。下麵介紹的是在隧(suì)道病害(hài)監測領域內(nèi)利用(yòng)攝像測量(liàng)快速檢測技術比較典型的機構及其測(cè)量係統。
1.1隧道病害快速無損檢測係統
日本計測檢查株式會社提出的隧道病害快速無損檢測係統比較典型,現(xiàn)在廣泛(fàn)的應用在隧道病害的檢(jiǎn)測中。它包括CCD工業相機、移動高亮度光源、台架、發電設備等組成。它(tā)的相機圖像分(fèn)辨率是0.3mm/像素,采用的是商業化軟件Crack-Draw21作為病害識別分析用係統,在Crack-Draw21軟件中看到(dào)病害沿著隧道拱頂的展開圖,並依據展開圖評估隧道內的安全狀況和病害位置。這種係統本能完全自動(dòng)識別病害,需要(yào)人工修正和計算機自動識別相結合才能全麵識別病害,從而(ér)使人工修正有較大的工作量。近年來,隧道病(bìng)害快速無(wú)損檢測係統在隧道病(bìng)害檢測和施工質(zhì)量(liàng)控製上應用廣泛。
1.2日本鐵道技術研(yán)究所研發的公路(lù)隧道病害快速檢測係統
該係統利用車載線掃描相機(圖(tú)像分辨率為5000像素/行)沿著線(xiàn)掃描方向對(duì)隧道進(jìn)行掃描檢(jiǎn)測。它所使用(yòng)的(de)圖(tú)像分析方法是對源圖像進行中值濾(lǜ)波和直方圖歸一化處理,並將陰影進行修正,通過應用動態閥門值得方法進行圖像(xiàng)二值化處理(lǐ),再利用膨脹和(hé)腐蝕等數學(xué)形態學運算方(fāng)法(fǎ)除去孤立(lì)點並將連續裂縫提取出(chū)來。它包括工業(yè)相機、高(gāo)能金屬鹵化物、編碼器和自動對焦係統等組成。由於這個方法的工業相機圖(tú)像分辨率不佳和(hé)沒有考慮裂縫(féng)的幾何形態(tài),導致檢測的(de)裂縫最小寬度比實際值(zhí)大。
1.3移動式機器人(rén)係統
移動式機器人係統是韓國漢(hàn)陽大(dà)學機械工程係首先應用於檢測(cè)隧道襯砌病害。它是由圖像采集係統、自(zì)動調(diào)焦(jiāo)係(xì)統、光學係統、掃描係統、防(fáng)震(zhèn)係統、圖像存儲係統、圖像處理係統和病害識別係統組(zǔ)成。機器人係統(tǒng)帶著CCD工業相機、減振器(qì)、編碼(mǎ)器等(děng)設備對隧(suì)道進行(háng)連續掃描,得到襯砌影像,通過圖像處理係統和病害識別係統,形成病害展開圖並得到(dào)病害幾何信息。該係統的圖像分析係統(tǒng)是應用Sobel和 Laplacion算子識別隧道的裂縫邊(biān)緣,再應用Gaussian濾波器(qì)降(jiàng)噪,通過設定的閾值識別裂縫,最後應用圖搜索算(suàn)法提取裂縫(féng)[2]。這個係統能夠檢測隧道裂縫的(de)長度和寬度等參數,但由於采用的是普通圖像處理技術,沒(méi)有注意(yì)到裂縫的幾何形態,所以導致了病害識別準確度較低。工業相機CCD的分辨率很高,因此隧道病(bìng)害檢測進度也很高。
2激光掃描(miáo)快速檢(jiǎn)測技術
激光掃描快速檢測技術是利用激光掃描器和紅外(wài)線距離傳感器對目標表麵形態進行采集,主要是通過掃描有一(yī)定分辨率的(de)空間點組成的雲點,利用圖像傳感器將掃描完的雲點信息轉化為數字信號,將(jiāng)數字信號直接傳遞(dì)給(gěi)計(jì)算機係統,經(jīng)過處理(lǐ)後,得到目標表麵三維坐標數據,經過建立立體模(mó)型或者量算後,形成三維視頻圖像,這一係列的工作過程是熟路采集和處理的不斷重複的過程。隧道病害激光掃描快速檢測技(jì)術是通過(guò)激光器(qì)連續掃描隧道襯砌,得到隧道襯砌表麵影像圖。許多國家都在研究者方麵,並取得很大進(jìn)展,一些公司已研發出商業(yè)化檢(jiǎn)測係統。
2.1德國(guó)SPACETEC TS3檢測係統
德(dé)國SPACETEC TS3檢測係統由激光掃描器、紅外線掃描儀、測距儀、設備箱、編碼(mǎ)器(qì)和控製平台等部分組成。運用非接觸測量技(jì)術對隧道外觀質量如襯砌裂縫、 露筋、滲漏(lòu)水等進行檢測,其使用的測量介質為激光和紅外線。它是由德國SPACETEC公司首先研發出來(lái)的,在檢測(cè)隧道過程(chéng)中可(kě)以生成視覺影像、熱影像和輪廓記錄。通過德國SPACETEC TS3檢測係統能夠找出隧道襯砌表麵的全部病(bìng)害,準確判斷病害是否發展。這個係統不需要固定光源,成像質量(liàng)高,能在任何檢測車(chē)上安裝並使用,能夠全方麵(miàn)地掃描檢測處隧道襯砌滲水問題,以及滲水麵積、裂縫的寬度和位置等信息。這(zhè)種檢測技術掃(sǎo)描速度快,檢測精度高,能同時獲得三維圖像,檢測(cè)圖片更清晰(xī),可對(duì)病害的發(fā)展進行分析對比,能夠更全麵、更客觀和高效率的檢測隧道,是世界上(shàng)最先進的非接觸式的隧道病害檢測係統。
2.2瑞士 GPR5000檢測係統
瑞士 GPR5000檢(jiǎn)測係統是通過利用激光掃描儀(yí)全方(fāng)位掃描檢測隧道(dào),獲得隧道的(de)高(gāo)清影像圖。將隧道內裂縫長度、寬度(dù)、位(wèi)置(zhì)和滲水麵積等參數輸入到Excel表格中分析其圖形報(bào)表,這(zhè)些參數通過是計算機自動(dòng)計算得到的。瑞(ruì)士 GPR5000檢測係統(tǒng)是一個集精密機械製造、高工業標準、高精度傳感器以(yǐ)及多種功(gōng)效顯著的實用(yòng)功能為一體的檢測係統,能充分滿足用戶對隧道檢測病害(hài)、精度和實用性的要求。該係統中的激(jī)光掃(sǎo)描儀(yí)能夠掃(sǎo)描獲(huò)得50萬個/秒測(cè)點斷麵數據。數據中包括了掃描位置的反射率和幾何尺寸信息等。當(dāng)在軌道行走的小車(chē)上的高速旋轉的激光掃(sǎo)描儀發射出的激光對隧道表麵進行全斷麵掃描,經過對發射和接收的激光信號的分析,得到襯砌內(nèi)表麵的影像圖,並得知隧(suì)道襯砌表麵各點和軌道中心線(xiàn)的距離。以上的測量結果是對隧(suì)道表麵安全狀態評估的基礎資料。
瑞士 GPR5000檢(jiǎn)測應用在隧道病害識別和分析方麵形(xíng)成了專業的商業(yè)化軟件Tunnel Map,該(gāi)軟件可充當隧道病害采集和狀態評(píng)價係統,用於觀察和收集已有建築的結構數據,根據測點的幾(jǐ)何信(xìn)息對隧道進行限界分析,還可分(fèn)類標注各種病害,如裂縫和滲水區域等。病害展開圖具有(yǒu)坐標信息,可自動計算並(bìng)統計裂縫長度和滲水麵積(jī)等病害的幾何尺寸,這些數字化(huà)的信息和數據可作為隧道安全狀態評估的依據[3]。
2.3法國ATLAS 70檢測(cè)係統
法國(guó)ATLAS 70檢(jiǎn)測係統是由法國HGH紅外係統公司開發的多(duō)傳感器隧道無損快速檢(jiǎn)測技術,它包括激光掃描傳感器、紅外掃描傳感器、測距儀和計程(chéng)儀等設(shè)備。通(tōng)過激光掃描並將信息傳遞給測距儀和計程儀等設(shè)備,從而(ér)得到隧道裂縫尺寸和滲水的麵積等信息(xī),有利於隧道病害的全方位檢測[4]。為隧道病害的自動識(shí)別和安全狀態提供了(le)自動化(huà)平台,但(dàn)是法國(guó)ATLAS 70檢測係統主要以(yǐ)人工(gōng)分析為主進行病害檢測的。法(fǎ)國ATLAS 70檢測係統適用(yòng)於簡單易操作的環境,每個(gè)處理器可以執行多個控製任務,實現了(le)檢測係統(tǒng)卓越的性能(néng),提(tí)高了檢測隧(suì)道病害(hài)的全麵(miàn)性和高效性。
3兩種檢測技術的(de)對比分析
經過上述對攝(shè)像測量快速檢測技(jì)術和激光掃(sǎo)描快速檢測技術的研究,並且詳細分析了各個檢測技術較為典型的測量係統,從而對(duì)這兩(liǎng)種檢測技術的主要內容和(hé)特點進行了歸納總結如表1,並分析了這兩種檢測技術的優缺點。
表1隧道病害快速檢測技術對比
攝像測量(liàng)隧道病害(hài)快速檢測技(jì)術由於(yú)工業相機的分辨率很高,尤其是線陣工(gōng)業CCD,分辨率高達0.2mm/像素,經掃描後得到(dào)的襯(chèn)砌影像圖像(xiàng)素也很高,能夠更加精準的檢測出隧道內較細微的裂縫。但是,攝像測量隧道病害快速檢測技術需要均勻性好的光源,光源均勻性的優劣,直接影響了圖像成(chéng)像的質量,從而決定圖像識別算法的效(xiào)果[5]。此外,這種檢測技術需要人工修正和計算機自動識(shí)別相(xiàng)結合才能完全自動識別(bié)隧道(dào)病害,由(yóu)此產生的人工修(xiū)正工作量就很大(dà)。
激光掃描隧道病害快速檢測測技(jì)術是利用激光掃描器掃描。它(tā)的優(yōu)點是不需(xū)要特(tè)定的光源,從而成像質量較高。但是它(tā)的缺點是圖(tú)像分辨率較低,例如瑞士 GPR5000檢(jiǎn)測係統(tǒng)的圖像分辨率僅是5
Mm/像素(sù),而且不能對隧(suì)道病害病害進行自動識別。這種檢測技術是(shì)以人工分析為主,激光掃描(miáo)檢測技術隻是為隧道襯砌病害(hài)和分析提供一個(gè)數字(zì)化管理(lǐ)平台,仍然需(xū)要檢測人員的經驗來進行病害識(shí)別和分析(xī),因此分析結果的客觀性不高,受檢(jiǎn)測人員的影響。隧道(dào)病害的數字攝像測量和激光掃(sǎo)描技術(shù)的將是今(jīn)後隧道病害快速檢測技術的發展方向。
4結論
隨著科學技術的不斷發展,隧(suì)道病害檢測技術也在不斷進步。病害的(de)自動識(shí)別和評估、病害檢測結果精(jīng)確化是今後隧道病害快(kuài)速檢測技術(shù)的研(yán)究熱點(diǎn)。基於攝像測量和激光掃描的隧道病害快速檢測技術使病害檢測更加的客觀、迅速的檢測隧道病害。通過研究這兩(liǎng)種隧道病害快速檢測技術,並(bìng)進行了對比分析,得出(chū)兩種檢測技術的(de)優缺點。攝像測量隧道病害快速檢測技(jì)術和激光掃描隧(suì)道病害快速檢測測技術,它(tā)們能改善傳統隧(suì)道病害檢測的不足,是隧道病害快速檢測技術的發展方向,為隧道病害(hài)檢測提供指導作用。
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