CN104749187A - 基于红外温度场和灰度图像的隧道衬砌病害检测装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于红外温度场和灰度图像的隧道衬砌病害检测装置，包括车载移动平台、照明设备、光电编码器、GPS接收机、惯性单元、同步控制器、面阵相机、红外热成像仪、采集服务器、显控装置和供电***，将隧道衬砌二维图像数据、红外温度场数据和断面形变数据，结合GPS、惯性单元和光电编码器的定位数据，建立带灰度信息、温度信息和断面形变信息的隧道模型；分析隧道衬砌裂缝，自动检测裂缝的长度、宽度和衬砌渗漏水信息。本发明综合了红外温度场检测与二维灰度图像裂缝检测的优势，检测结果更加可靠,速度快，大幅提高了作业效率。

Description

基于红外温度场和灰度图像的隧道衬砌病害检测装置

技术领域

本发明属于测绘科学技术与仪器科学的交叉领域，是一种涉及到红外热成像技术、图像处理技术、激光扫描技术、移动精密定位技术与多传感器集成与同步控制技术的隧道衬砌病害检测方法及装置，可以广泛应用于公路隧道、铁路隧道检测等测绘和交通领域。

背景技术

隧道衬砌病害主要包括衬砌裂缝、衬砌渗漏水、衬砌脱空等病害。隧道衬砌裂缝是评价隧道衬砌质量最重要的参数之一，是大部分病害的早期表现形式，直接影响着隧道使用寿命和行车安全。传统隧道衬砌裂缝检测技术基于人工视觉检查，效率低，工作强度大，检测速度慢，精度较低，检查的结果具有很强的主观性，并且在高速公路上进行人工检测时，检测人员人身安全受到了影响。

目前的检测手段是在隧道内部搭建脚手架根据肉眼或数码相机拍照的方式进行观察判断，后期为了检测隧道内部的病害，有采用隧道钻孔方法，这种方法虽然较直观，但检测速度慢，风枪成孔垂直度较难控制，且探杆感觉、卷尺量测受人为因素影响较大，同时破坏隧道防排水***，影响隧道寿命，检测结果代表性差，难以全面反应隧道整体及各部位质量。

传统方法其缺点主要有：a)、受人为因素影响较大，存在着效率低、准确性差、不能进行历史数据对比等问题；b)、检测时需搭建脚手架存在着生命危险的因素；

目前,有厂家利用高速激光断面扫描仪来实现隧道衬砌的裂缝***采集，但是由于要达到高精度的数据采集，载车平台的行驶速度非常有限，一般在5Km/h～10Km/h,该检测设备工作时，隧道必须进行交通管制。

此外，车载多传感器集成同步控制方法将距离传感器与内部时钟结合，用于按空间间隔采样控制传感器的工作，并为传感器的采集数据提供时间戳。其缺点是：没有将车辆行驶的线性参考坐标与采集的数据相关联，对于隧道检测、道路检测这类通常以线性参考坐标为基准的应用，空间定位表达十分不方便。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提出一种隧道衬砌病害检测装置，以克服现有衬砌裂缝快速准确识别的技术瓶颈。

为解决上述技术问题，本发明为提出了一种利用图像处理技术、移动精密定位技术与多传感器集成与同步控制技术的隧道衬砌病害检测装置，该检测装置包括车载移动平台、照明设备、光电编码器、GPS接收机、惯性单元、同步控制器、面阵相机、红外热成像仪、采集服务器、显控装置和供电***，

所述车载移动平台，用于为各所述设备提供移动的搭载平台；

所述光电编码器，安装在车载移动平台的车轮中心轴上，用以测量车载移动平台的运行速度和距离；

所述GPS接收机，安装所述车载移动平台上，用于所述车载移动平台的高精度定位及授时；

所述惯性单元，安装在所述车载移动平台上，用于在隧道内所述GPS接收机接收不到GPS信号的情况下，测量所述车载移动平台的位置、姿态数据，实现在隧道内部高精度的位置推算；

所述同步控制器，安装在所述车载移动平台上，用于同步、触发面阵相机、红外热成像仪，保证所有数据具有统一的时间空间基准；

所述面阵相机，安装在所述车载移动平台上，连接所述同步控制器，用于采集隧道衬砌的二维图像信息；

所述照明设备，安装在所述车载移动平台上，用于为所述面阵相机提供照明光源；

所述红外热成像仪，安装在所述车载移动平台上，连接所述同步控制器，用于采集隧道衬砌的红外温度场；

所述采集服务器，用于接收所述GPS接收机、惯性单元、光电编码器、同步控制器、面阵相机、红外热成像仪的数据，进行数据存储和处理；

所述显控装置，连接所述采集服务器，用于所述采集服务器的人机交互，包括采集控制界面的参数设置，数据界面显示，检测的状态以及结果的显示；

所述供电***，安装在所述车载移动平台上，为***提供各个设备所需的各种电源。

所述面阵相机的数量为多个，一个面阵相机采集一部分隧道内壁区块的灰度图像，多个所述区块的灰度图像拼接成一个隧道内壁断面的灰度图像。

所述红外热成像仪的数量为多个，一个红外热成像仪采集一部分隧道内壁区块的温度图像，多个所述区块的温度图像拼接成一个隧道内壁断面的温度图像。

所述基于红外温度场和灰度图像隧道衬砌病害检测装置，还包括激光扫描仪，所述激光扫描仪安装在所述车载移动平台上，连接所述同步控制器，用于扫描采集隧道衬砌断面的形变数据，所述形变数据输出到所述采集服务器。

所述采集服务器的数据处理包括，将接收的隧道衬砌二维图像数据、红外温度场数据和断面形变数据，结合GPS、惯性单元和光电编码器的定位数据，建立带灰度信息、温度信息和断面形变信息的隧道模型；采用二维灰度信息处理技术分析隧道衬砌裂缝，自动检测裂缝的长度、宽度和衬砌渗漏水信息，并将结果保存，作为隧道维修与养护的参考依据。

基于红外温度场和灰度图像的隧道衬砌病害检测装置，利用红外热成像仪、面阵相机、光电编码器、GPS及惯性单元等多传感器集成及数据融合原理与方法，在车载平台以1-60公里/小时的正常城市车行速度移动中，由安装在平台上的红外热成像仪获取隧道内部的红外热图，由面阵相机和大功率的LED照明设备获取隧道衬砌的灰度图像数据，由激光扫描仪获取隧道断面的测距和角度数据，由安装在车轮上的光电编码器获取车载平台的行驶距离及运行速度，由安装在平台的GPS和惯性单元获取平台的位置、姿态数据，所有的传感器数据和同步数据传输到计算机中进行融合处理，综合红外温度场与灰度图像信息提取衬砌的病害信息。

因此，本发明至少具备以下有益效果：

1)采用了高精度的时空同步控制方案，建立高精度的时空基准，提高了各传感器的同步精度，减小了数据融合的难度，使检测结果更加可靠；

2)获取精密红外温度场数据与二维灰度数据的速度快，大幅提高了作业效率；

3)对多个二维灰度图像数据进行拼接融合，实现了对细微衬砌裂缝的识别与提取；

4)综合了红外温度场检测与二维灰度图像裂缝检测的优势，解决了单一检测方式遇到的技术瓶颈，提高了隧道衬砌病害检测的效率和准确性。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明的技术方案作进一步具体说明。

图1为总体技术结构示意图。

图2为灰度图像数据采集原理图。

图3为温度图像数据采集原理图。

图4为高精度定时定位原理图。

图5为面阵相机在隧道内的采集坐标位置示意图。

图6为灰度图像数据拼接原理图。

图7为基于灰度图像与红外温度场信息的隧道衬砌病害检测原理图。

具体实施方式

基于红外温度场和灰度图像的隧道衬砌病害检测装置，利用红外热成像仪、面阵相机、光电编码器、GPS及惯性单元等多传感器集成及数据融合原理与方法，在车载平台以1-60公里/小时的正常城市车行速度移动中，由安装在平台上的红外热成像仪获取隧道内部的红外热图，由面阵相机和大功率的LED照明设备获取隧道衬砌的灰度图像数据，由激光扫描仪获取隧道断面的测距和角度数据，由安装在车轮上的光电编码器获取车载平台的行驶距离及运行速度，由安装在平台的GPS和惯性单元获取平台的位置、姿态数据，所有的传感器数据和同步数据传输到计算机中进行融合处理，综合红外温度场与灰度图像信息提取衬砌的病害信息。

基于红外温度场和灰度图像的隧道衬砌病害检测***硬件包括：

(1)车载移动平台；由底盘车与方舱改装构成，为隧道衬砌病害检测的各传感器和电源提供机械搭载平台。

(2)光电编码器；光电编码器安装在载体平台的底盘车后轮的中心轴上，以测量载体平台的运行速度和距离。本发明采用了一台高精度光电编码器，其里程脉冲精度达到mm级，可以用于精准控制隧道衬砌断面数据采集，采用GPS和惯性单元协同工作的方式来获取载体平台的绝对坐标，能更有效地与高密度行程数据和精密二维图像断面数据融合。

(3)惯性单元；惯性单元安装在车顶的支架上，测量载体平台的姿态参数，在隧道内部实现高精度的位置推算。在隧道无GPS信号的情况下，通过惯性测量元件输出***所处的航行、俯仰及横滚姿态及位置信息，高精度编码器的数据对惯导进行实时修正，实现隧道内部病害的高精度定位。

(4)GPS接收机；GPS接收机安装在车顶的支架上；在有GPS的信号下实现***的高精度定位及授时。

(5)同步控制器；安装在方舱内机柜设备，用于同步、触发各个传感器及采集服务器，保证所有数据具有统一的时间空间基准。同步控制器可以主动触发传感器采集并记录触发时刻的时空坐标，另一方面被动接收传感器采样时刻的同步信号，以获取传感器采样时刻的时空坐标，用于采集数据的时空同步与融合。

(6)多个面阵相机；安装在传感器支架上，同时采集隧道内壁不同区块的衬砌灰度图像。

(7)多个LED照明光源；不同朝向安装在传感器支架上，为多个面阵相机提供照明光源。

(8)红外热成像仪；安装在传感器支架上，采集隧道衬砌的红外温度场。由于隧道内部的脱空能够反映在温度上的变化会很小，选择高灵敏度的红外相机能实现隧道衬砌的脱空识别。

(9)激光扫描仪；安装在传感器支架上，采集隧道衬砌断面形变数据。

(10)供电***；安装在方舱内部，为***提供各个设备所需的各种电源。

(11)采集服务器；安装在方舱内部，采集各个传感器数据并进行存储。

(12)显控装置；安装在方舱内部，用于采集界面的参数设置，数据界面显示，检测的状态以及结果的显示等人机交互。

如图1所示，GPS接收机、光电编码器输入到同步控制器，由同步控制器完成信号的处理，获取准确的时间信息、空间信息、及姿态信息。同步控制器一方面输出脉冲信号控制多个面阵相机、红外热成像仪进行图像的采集，另一方面将GPS绝对定位数据、里程信息与速度信息和同步记录数据发送至采集服务器存储。GPS接收机与惯性单元共同获取载体平台的绝对位置坐标，光电编码器获取载体平台的速度与行程数据，面阵相机获取隧道衬砌表面二维灰度信息，红外热成像仪获取衬砌表面的红外温度场信息。结合光电编码器行程数据、GPS的位置坐标与惯性单元的姿态数据实现移动精密定位，通过对隧道衬砌二维灰度数据和红外温度场数据进行分析，识别和提取隧道衬砌病害信息。

本发明是移动测量技术的一个具体应用，该发明采用了多传感器集成及同步控制技术、图像处理技术、红外热成像技术、激光点云数据处理技术、高精度移动定位技术、数据融合技术等高新技术。

下面通过对各个子***的功能进行原理描述，进而阐述本发明的原理与方案。

1)灰度图像数据采集原理

如图2所示，同步控制器接收光电编码器的里程脉冲信号，按照设置的参数(面阵相机数据采集间隔，可以通过采集服务器进行修改)，产生面阵相机的控制信号，控制一组面阵相机采集隧道衬砌灰度数据，同时记录下光电编码器的里程数据作为平台在线性参考坐标系下的Y坐标；一个面阵相机一次采集可以获得一个隧道内壁区块的灰度数据，多个面阵相机获得的一组隧道内壁区块的灰度数据通过拼接处理成为一个完整的隧道断面灰度数据，并分别以一维数组的方式存储；惯性单元按照一定频率输出平台的姿态数据(R,P,H)，采集服务器用于同步控制器及面阵相机的采集参数设置与数据存储。通过载车平台的移动，面阵相机连续采集隧道衬砌多个断面数据，从而构成隧道衬砌表面二维灰度数据。

2)红外温度场图像数据采集原理

如图3所示，同步控制器接收光电编码器的里程脉冲信号，按照设置的参数(红外热成像仪数据采集间隔，可以通过采集服务器进行修改)，产生红外热成像仪的控制信号，控制一组红外热成像仪采集隧道衬砌温度场数据，同时记录下光电编码器的里程数据作为平台在线性参考坐标系下的Y坐标；一个红外热成像仪一次采集可以获得一个隧道内壁区块的温度场数据，多个红外热成像仪获得的一组隧道内壁区块的温度场数据可以拼接成为一个完整的隧道内壁断面温度场数，并分别以一维数组的方式存储；惯性单元按照一定频率输出平台的姿态数据(R,P,H)，采集服务器用于同步控制器及红外热成像仪的采集参数设置与数据存储。通过载车平台的移动，红外热成像仪连续采集隧道衬砌多个断面数据，从而构成隧道衬砌表面红外温度场数据。

3)载车平台高精度定时定位原理

如图4所示，进入隧道之间通过GPS获取载体平台的绝对位置坐标(X_WGS84,Y_WGS84,Z_WGS84)作为工程的起点，在隧道内部由于无GPS信号，则需要靠高精度的惯性单元获取载体平台运动过程中的连续姿态(R,P,H)和推算的位置信息，光电编码器结合载体平台的起始位置获取线性参考坐标y，再加上相机像方中心与惯性单元中心的标定参数、GPS天线中心与惯性单元中心的标定参数对以上定位数据进行配准，最终经过组合定位输出载体平台高精度、高密度的绝对坐标(X_P,Y_P,Z_P)、线性坐标y和高精度的姿态信息(R,P,H)。

定时***由GPS和内部的高稳晶振实现，在有GPS信号的前提下，由PPS秒脉冲实现高精度同步，在隧道内部无GPS情况下由高稳晶振和FPGA高速高精度计时***实现。

4)灰度图像数据的拼接原理

如图5所示，由于隧道衬砌断面一般比较大，为了达到比较高的裂缝检测精度，必须要通过多个面阵相机来实现隧道衬砌表面的覆盖。每两个相机之间会存在一定的重叠区域。为了直观的展示隧道衬砌表面的病害，需要把多个面阵相机的图片数据进行拼接。即把数张有重叠部分的图像、不同视角拼成一幅大型的无缝高分辨率图像的技术。图像配准和图像融合是图像拼接的两个关键技术。图像配准是图像融合的基础,而且图像配准算法的计算量一般非常大,因此图像拼接技术的发展很大程度上取决于图像配准技术的创新。

如图6所示，图像拼接主要包括以下几步:

首先对采集的多个灰度图像进行预处理，对图像进行基本操作，包括直方图处理和平滑滤波，建立图像的匹配模板，对图像进行傅里叶变换以及提取图像的特征集合等操作。图像配准是根据相机的位置及角度找出待拼接图像中的特征点在参考图像中对应的位置。根据图像特征之间的对应关系，可以计算出数学模型的各参数值，从而建立两幅图像的数学变换模型。根据此模型，将待拼接图像转换到参考图像的坐标系中，以此来构成完整的隧道衬砌图像。

5)基于灰度信息和红外温度场信息的隧道衬砌病害检测原理

如图7所示，得到的面阵相机原始灰度经过图像拼接算法以后得到完整的隧道衬砌裂缝图像，图像信息包含完整的灰度信息(X,Y,Z,G)，在灰度信息中，采用梯度算子提取裂缝边缘，采用2D Ostu方法提取裂缝区域，作为隧道衬砌病害的备选区域AOCG；

在拼接完成的红外温度数据中，首先采用梯度方向直方图来提取衬砌渗漏水边缘信息，在此基础上，采用分水岭算法提取衬砌渗漏水区域，作为隧道衬砌病害提取的备选区域AOCD；

最后综合两种方式提取最终的病害区域AOC，输出隧道衬砌裂缝的形状、长度、宽度，衬砌渗漏水的位置、面积等指标。

本发明可以实现隧道动态无损检测，直接获取隧道衬砌的影像、红外温度场、激光点云数据，利用大功率LED进行照明；在光电编码器和惯性导航的控制下，隧道横断面的间隔可以控制在1mm以内，极大的提高了微小裂缝的识别与检测效果。本发明采取高速大面阵相机CCD拍照的方式，检测速度可达60Km/h,无需交通管制就可以对隧道进行快速动态无损检测；

最后所应说明的是，以上具体实施方式仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (5)

1.一种基于红外温度场和灰度图像隧道衬砌病害检测装置，其特征在于，包括车载移动平台、照明设备、光电编码器、GPS接收机、惯性单元、同步控制器、面阵相机、红外热成像仪、采集服务器、显控装置和供电***，

所述车载移动平台，用于为各所述设备提供移动的搭载平台；

所述光电编码器，安装在车载移动平台的车轮中心轴上，用以测量车载移动平台的运行速度和距离；

所述GPS接收机，安装所述车载移动平台上，用于所述车载移动平台的高精度定位及授时；

所述惯性单元，安装在所述车载移动平台上，用于在隧道内所述GPS接收机接收不到GPS信号的情况下，测量所述车载移动平台的位置、姿态数据，实现在隧道内部高精度的位置推算；

所述同步控制器，安装在所述车载移动平台上，用于同步、触发面阵相机、红外热成像仪，保证所有数据具有统一的时间空间基准；

所述面阵相机，安装在所述车载移动平台上，连接所述同步控制器，用于采集隧道衬砌的二维图像信息；

所述照明设备，安装在所述车载移动平台上，用于为所述面阵相机提供照明光源；

所述红外热成像仪，安装在所述车载移动平台上，连接所述同步控制器，用于采集隧道衬砌的红外温度场；

所述采集服务器，用于接收所述GPS接收机、惯性单元、光电编码器、同步控制器、面阵相机、红外热成像仪的数据，进行数据处理和存储；

所述显控装置，连接所述采集服务器，用于所述采集服务器的人机交互，包括采集控制界面的参数设置，数据界面显示，检测的状态以及结果的显示；

所述供电***，安装在所述车载移动平台上，为***提供各个设备所需的各种电源。

2.根据权利要求1所述的基于红外温度场和灰度图像隧道衬砌病害检测装置，其特征在于，所述面阵相机的数量为多个，一个面阵相机采集一部分隧道内壁区块的灰度图像，多个所述区块的灰度图像拼接成一个隧道内壁断面的灰度图像。

3.根据权利要求2所述的基于红外温度场和灰度图像隧道衬砌病害检测装置，其特征在于，所述红外热成像仪的数量为多个，一个红外热成像仪采集一部分隧道内壁区块的温度图像，多个所述区块的温度图像拼接成一个隧道内壁断面的温度图像。

4.根据权利要求1至3之一所述的基于红外温度场和灰度图像隧道衬砌病害检测装置，其特征在于，还包括激光扫描仪，所述激光扫描仪安装在所述车载移动平台上，连接所述同步控制器，用于扫描采集隧道衬砌断面的形变数据，所述形变数据输出到所述采集服务器。

5.根据权利要求4所述的基于红外温度场和灰度图像隧道衬砌病害检测装置，其特征在于，所述采集服务器的数据处理包括，将接收的隧道衬砌二维图像数据、红外温度场数据和断面形变数据，结合GPS、惯性单元和光电编码器的定位数据，建立带灰度信息、温度信息和断面形变信息的隧道模型；采用二维灰度信息处理技术分析隧道衬砌裂缝，自动检测裂缝的长度、宽度和衬砌渗漏水信息，并将结果保存，作为隧道维修与养护的参考依据。