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1、交通部西部交通建设科技项目交通部西部交通建设科技项目 合同号：合同号：2009 318 812 063 密密 级：级： 桥梁结构裂纹缺陷的图像采集与分析桥梁结构裂纹缺陷的图像采集与分析 系统研究系统研究 （报告简本）（报告简本） 长安大学长安大学 陕西省高速公路工程试验检测有限公司陕西省高速公路工程试验检测有限公司 2012 年年 交通编号交通编号 单位编号单位编号 分分 类类 号号 项目名称 桥梁结构裂纹缺陷的图像采集与分析系统研究 报告名称 报告简本 交通编号 项 目 来 源 西部交通建设科技项目 单位编号 合同号 2009 318 812 063 分类号 项目起止年 限 2009 年 7
2、 月至 2011 年 7 月 第 一 完 成 单 位 长安大学 密级 报 告 负 责 人 尹冠生 报告主要撰 写人 尹冠生 周肖飞 项 目 主 要 参 加 人 项 目 主 要 参 加 人 单位单位 姓名姓名 职称职称 职务职务 专业专业 长安大学长安大学 尹冠生尹冠生 教授教授 组长组长 结构工程结构工程 张维峰张维峰 副教授副教授 工程力学工程力学 赵祥模赵祥模 教授教授 交通信息工程及控制交通信息工程及控制 郝宪武郝宪武 教授教授 桥梁工程桥梁工程 郑碧玉郑碧玉 高工高工 工程力学工程力学 张宏张宏 副教授副教授 桥梁工程桥梁工程 李刚李刚 讲师讲师 交通信息工程及控制交通信息工程及控制
3、徐兵徐兵 博士研究生博士研究生 桥梁工程桥梁工程 赵振宇赵振宇 硕士研究生硕士研究生 工程力学工程力学 刘晓伟刘晓伟 硕士研究生硕士研究生 工程力学工程力学 周肖飞周肖飞 硕士研究生硕士研究生 工程力学工程力学 陕陕西省高西省高 速公路工速公路工 程试验检程试验检 测有限公测有限公 司司 王练柱王练柱 教授级高工教授级高工 桥隧与结构工程桥隧与结构工程 任晓辉任晓辉 工程师工程师 道路与桥梁工程道路与桥梁工程 马超马超 工程师工程师 道路与桥梁工程道路与桥梁工程 目目 录录 1 研究内容 1 2 主要技术成果 1 3 主要创新点 1 4 完成任务情况 2 5 桥梁结构裂纹缺陷的图像采集与分析系
4、统研究现状调研分析 4 6 桥梁缺陷图像获取和采集技术研究 6 7 桥梁缺陷图像分析处理技术研究 . 8 8 仪器的研制 10 9 实桥检测应用研究 12 10 系统使用指南 12 11 结束语 13 1 1 研究内容 项目针对当前我国桥梁缺陷非接触式无损检测技术的需求，主要以裂缝、剥 落等病害缺陷为研究对象，开展如下三个方面的关键技术研究： 1、 桥梁缺陷图像获取和采集技术； 2、 桥梁缺陷的识别和物理尺寸量测技术； 3、 桥梁缺陷图像整体拼接和缺陷在结构处定位技术。 2 主要技术成果 经过两年的研究攻关，本项目按照合同要求完成全部的研究内容，取得研究 成果有： 主要研究成果汇总表主要研究成
5、果汇总表 项目项目 主要内容主要内容 备注备注 研究报告 桥梁结构裂纹缺陷的图像采集与分析 系统研究总报告 分报告之一：技术与市场调研报告 分报告之二：软件研发与设计报告 分报告之三：仪器研制报告 分报告之四：实桥检测应用研究 分报告之五:图像缺陷识别与量测技 术研究 分报告之六:桥梁缺陷图像的整体拼 接和缺陷位置定位系统研究 技术指南 桥梁结构裂纹缺陷的图像采集与分析系统 技术指南 专利 一项 这部分详见本工 作报告第 26 页的 统计表 软件登记 一项 人才培养及论文发表 培养研究生：9 名 发表论文：3 篇 3 主要创新点 1、首次系统提出了对于桥梁裂纹缺陷的非接触式检测方法 2 桥梁裂
6、纹一直是工程领域常见且难以解决的病害之一。长期以来，对于裂纹 的检测一直停留在检测人员近距离使用读数显微镜量测裂纹宽度，这种方法检测 成本高，危险系数大，而且存在占用行车道，妨碍交通，效率低，且无法到达桥 梁的某些部位等诸多缺陷。本项目首次系统的提出了对于桥梁裂纹缺陷的非接触 式检测方法，在解决传统方法诸多问题的同时又保证了检测精度及可靠度的要求， 有效地解决了 20 米左右高度桥梁缺陷检测中存在的主要问题。 2、首次系统的研究了桥梁裂纹缺陷的图像识别算法 在国内，对于远距离图像的分析技术还处于起步阶段，从技术上还不成熟， 本项目将小波分析、边缘检测等信号处理技术应用于裂纹等缺陷的识别问题中，
7、 采用项目组研究推出的特定算法，提出一种基于自适应阈值和迭代 Canny 算法的 桥梁裂纹图像分割算法，利用图像截取、旋转变换的桥梁裂纹像素特征计算方法， 将桥梁裂纹缺陷从背景复杂的图像中有效的提取出来。这项技术是一个创新。 3、首次研制出一套精度高、能满足实际功能需求的“非接触式裂纹采集设备” 在此之前，大多数相关的研究者只关注于本项目的各个研究专题，并没有形 成体系，经最近的查新可知，至今没有此类产品投入市场。本项目采用物理（多 点激光定标）和数学修正相结合的方法，努力提高物距的快速准确测量，结合图 像信息处理技术，首次研制出一套精度能够完全满足桥梁检测规范要求、可靠度 达 75%以上的“
8、非接触式裂纹采集设备” 。 4 完成任务情况 项目合同及研究工作大纲要求的研究任务与完成研究任务对比汇总于下表： 研究任务与完成研究任务对比汇总表研究任务与完成研究任务对比汇总表 研究工作内容 完成工作量 备注 桥梁缺陷的图像 获取和采集技术 的研究 完成高清晰桥梁结构图像的快速获取方法研究； 完成简单、准确的图像定位、测距及定标技术的研 究； 完成为克服图像畸变而进行的图像修正技术（算 法）的研究； 这部分内容对应于 技术与市场调研 报告 3 完成专用照明系统的研究。 桥梁缺陷图像的 分析处理技术研 究 完成图像的增强、降噪、二值化等处理技术的应用 研究； 完成图像的膨胀、雕刻等边缘强化技术
9、的应用研 究。 这部分内容对应于 软件研发与开发 报告中 桥梁缺陷的识别 和量测技术的研 究 完成小波分析技术在裂纹、空洞、剥落等桥梁缺陷 识别技术中的具体应用方法研究； 完成图像的畸变修正算法（方法）的研究； 完成缺陷几何尺寸的准确计算方法的研究。 这部分内容对应于 图像缺陷识别与 量测技术研究 中 桥梁缺陷图像的 整体拼接和缺陷 位置定位技术的 研究 完成含有结构局部信息的图像畸变修正、边缘重合 检验、图像信息确认； 完成将数幅图像通过特殊算法进行拼合，以得到能 够清晰反映结构全部表面信息的全景图。 这部分内容对应于 桥梁缺陷图像的 整体拼接和缺陷位 置定位系统研究 中 图像采集与分析 系
10、统样机定型设 计 完成基于图像识别技术的桥梁裂纹等缺陷非接触 式检测系统集成化研究； 完成设备功能及结构的定型设计、系统各部分软、 硬件的开发； 完成 样机制作与性能测试。 这部分内容对应于 仪器研制报告 传 统 检 测 方 法 （显微镜法）与 系统比对试验研 究 完成实验室条件下与传统显微镜检测结果的比对 试验； 完成实际检测条件下与传统显微镜检测结果的比 对试验； 完成确定系统的检测结果的可靠性及方法的正确 性。 这部分内容包含在 实桥检测应用研 究中 工程实测试验及 应用研究，编制 系统使用说明书 完成选择十座以上桥梁进行工程实测试验及应用 研究； 完成提出与传统检测方法的技术经济比较分
11、析评 估报告； 完成编制桥梁结构裂纹缺陷的图像采集与分析系 统使用说明书。 这部分内容包含在 实桥检测应用研 究中 4 主要技术指标对比表主要技术指标对比表 项目项目 主要技术指标主要技术指标 设备性能状况设备性能状况 检测距离 520 米 525 米 分辨率 0.05mm 0.04mm 欲识别最小裂纹宽度 0.1mm 0.08mm 检测准确度 大于 65% 大于 75% 5 桥梁结构裂纹缺陷的图像采集与分析系统研究现状调研分析 针对桥梁结构裂纹缺陷的测量技术进行了全面的调研后认为： 桥梁缺陷的识别主要依靠于无损检测(Non-destructive testing)，所谓无损检测 就是利用声、
12、光、磁和电等特性，在不损害或不影响被检对象使用性能的前提下， 检测被检对象中是否存在缺陷或不均匀性，给出缺陷的大小、位置、性质和数量 等信息，进而判定被检对象所处技术状态(如合格与否、剩余寿命等)的所有技术手 段的总称。 桥梁无损检测是控制桥梁运营安全最可行的方法，他不仅要求能及时发现缺 陷（裂纹） ，探测出桥梁的结构、状态、性质，还要求获取更全面、准确和综合的 信息，辅以成像技术、自动化技术、计算机数据分析和处理技术等，以及与材料 力学、断裂力学等学科综合应用，以期对桥梁的使用状态以及寿命作出全面、准 确的评价。通过无损检测技术来保证桥梁的质量，在桥梁的使用过程中来保障其 使用安全，并能够及
13、时对出现问题的桥梁进行加固和改造。 桥梁结构缺陷主要是混凝土缺陷，主要是由于在桥梁施工时，由于施工操作， 材料配比以及后期养护不当造成的麻面、蜂窝、空洞等病害。目前主要有：超声 法检测，面波法检测，时变温度场检测，传统显微镜方法等。 超声法检测主要包括： 1、 裂缝深度检测 该方法适用于超声法检测混凝土裂缝的深度。 2、 不密实区和空洞检测 该方法适用于超声法检测混凝土内部不密实区空洞的位置和范围。要求被测 5 部位应具有一对（或两对）相互平时的测试面；且测试范围除应大于有怀疑的区 域外，还应有同条件的正常混凝土进行对比，且对比测点数不应少于 20。 3、 混凝土结合面质量检测 本方法适用于前
14、后两次浇筑的混凝土之间接触面的结合质量检测。要求测试 前应查明结合面的位置及走向，明确被测部位及范围且构件的被测部位应具有使 声波垂直或斜穿结合面的测试条件。 4、 表面损伤层检测 本方法因冻害高温或化学腐蚀等引起的混凝土表面损伤层厚度的检测。要求 根据构件的损伤情况和外观质量选取有代表性的部位布置测位且构件被测表面应 平整并处于自然干燥状态，且无接缝和饰面层。 面波法是 20 实世纪 90 年代初发展起来的一种新的物探防范。面波在非均匀 介质中传播时，其传播速度是频率的函数，即具有频散特性，这是应用面波法的 前提条件。 由于面波向介质中传播的范围约等于一个波长 R ，可以认为在介质表面测到
15、的面波速度是一半波长深度内的介质平均速度。通过改变面波频率，可以获得不 同深度的面波速度。根据频散曲线，可对混凝土缺陷位置及形状作出评价。 时变温度场检测原理如下：混凝土裂缝是混凝土缺陷的主要表现方式之一。 对于肉眼难以观察的裂纹，采用有缺陷混凝土温度场差异的原理，即在日照作用 下，有缺陷混凝土热传导受缺陷的影响，与无缺陷混凝土的含水量有差异，缺陷 阻止了热传导，局部温度上升较快，导致表面含水率变化，从而光线反射率不同， 通过摄影摄取表面含水量及不同时刻含水量的变化图像，间接反映混凝土温度表 面温度场，达到反映混凝土中缺陷状况的目的。为了对表面不同区域的含水量进 行对比，采用洒水方法模拟改变混
16、凝土表面温度场。 为了把裂纹从背景中分离出来，根据图像的几何结构特性进行统计和拓扑特 性的提取，由于裂缝和其余部分（背景）占据不同灰度级范围，选取一个适合的 灰度级门限，再将每个灰度级与它进行比较并把北京表示成最亮的图像。灰度级 门限化分割方法的关键在于门限值的选择。 传统显微镜方法使用裂缝观测仪进行裂缝宽度观测，裂缝测宽仪由带刻度线 的视频显示屏、显微摄像测量探头、信号传输电缆组成，是专业检测混凝土结构 6 中裂缝宽度和表面微观缺陷的仪器。 在使用时首先用电缆连接裂缝测宽仪显示屏和测量探头，打开电源开关，将 测量探头的两支脚放置在裂缝上，在显示屏上可看到被放大的裂缝图像，稍微转 动摄像头使裂缝图像与刻度尺垂直，根据裂缝图像所占刻度线长度，读取裂缝宽 度值。 为减小误差， 仪器在使用前需要校验： 校验标准刻度板上分别有宽度为 0.02、 0.10、 0.20 和 1.00mm 的刻度线。 分别把摄像测量头支脚放在不同宽度的刻度
