混凝土材料中圖像處理技術的應用

陸成龍，呂秋玲，劉 成，汪東林

（安徽建筑大學土木工程學院，合肥230601）

0 引言

混凝土是土木建筑工程常用的材料，用材簡單價格低廉，其以耐久性、高抗壓度、適應各種惡劣環境等優點被認為是一種優質用材，常常被用到房屋、道路、橋梁、隧道和其他建筑中，一直存在于我們身邊，與人們的生活密切相關。混凝土結構中出現的混凝土裂縫及顆粒級配等問題[1-3]，影響著人們生命財產安全。20世紀70年代由美國科學家研發的MATLAB軟件[4]使得圖像處理技術有了飛越性的發展，被廣泛地應用在混凝土安全檢測中，能有效地提取混凝土在使用過程中產生的裂縫，分析微觀骨粒級配等問題，提前預防混凝土結構缺陷帶來的危害，實現結構安全的要求。

由于風化侵蝕、地震波動、溫度差異、地基不均勻沉降和受力不均衡等，混凝土結構的拉應力和壓應力集中到某些部分，混凝土結構由此產生變形，形成混凝土裂縫。由于變形程度不同產生各種走向不規則的裂縫，影響建筑美觀和結構安全[5-7]。骨粒級配是混凝土成型和結構安全的關鍵因素，不同土木建筑結構對混凝土骨粒配比要求不一，同時骨粒配比影響著建筑結構的牢固性和其所承載的應力，當配比不合理時混凝土會出現脫落、微裂等問題[8-9]。因此，需要人們做出預處理和檢測，普通的人工檢測已不能達到所需精度要求，人工檢測裂縫及骨粒配比通常受經驗和環境條件的影響，效率低下，不能直接給出建筑結構使用壽命及安全的預測。圖像處理技術可在這兩個方面滿足需求，解決人工檢測的弊端，對提取的混凝土材料缺陷圖像，通常采用的圖像處理技術有圖像降噪、閾值分割、邊緣檢測、圖像增強、圖像修復等，使圖像由粗糙化到細致化，低質量到高質量，模糊到清晰，從而得到人們需要的信息數據，達到節時省力、高效、精確。

本文將介紹圖像處理技術在混凝土材料中的應用，總結近年來國內外學者利用圖像處理方法解決混凝土結構中裂縫問題和微觀骨粒級配問題提出的圖像處理方法,展望圖像處理技術在混凝土結構中的應用前景，以推動混凝土材料和現代圖像處理技術兩學科交叉發展，相互融合。

1 混凝土裂縫圖像處理

混凝土裂縫從始至終一直是存在國內外建筑業各位專家面前的一大難題，不僅影響建筑美觀而且影響建筑結構的使用壽命，如果裂縫不能及時檢測和預防處理，將會帶來重大損失。在1995年，韓國首爾瑞草區三豐百貨大樓因地基軟化致使大樓基礎產生不均勻沉降,框架柱和承重墻產生裂縫,未能及時進行監測、預警,致使特大事故發生，造成上百人傷亡，裂縫安全問題引起社會恐慌并得到極大重視。

當裂縫產生時，不僅是將混凝土裂縫進行簡單的補修，結構的加固，更重要的是分析裂縫的成因及預測以后可能帶來的后果[10]。當然，分析研究裂縫特點成為重中之重。常見的混凝土裂縫有收縮裂縫、溫度裂縫、變形裂縫、沉降裂縫、結構裂縫等，常見的裂縫走向有橫向、縱向和網狀結構等形狀，裂縫破壞的影響也與其深度有一定關系，裂縫常出現在混凝土結構表面，隨著深度加深風化侵蝕嚴重直至結構斷裂，建筑徹底損壞，因此裂縫需要后期投入大量的人力物力財力去安全檢測維修[11]。目前，最主要的是如何真實提取裂縫信息，得到真實數據，以從根本上滿足圖像處理技術的精度要求。

以橋梁道路結構裂縫為研究對象，運用數字圖像處理技術處理裂縫，得到理想的信息數據。隨著我國經濟快速發展，交通越來越便捷。現在交通已趨向于大型化，橋梁道路更是在縮短了城市之間距離的同時也緩解了交通壓力，如跨海大橋，跨江大橋，立交橋，高速路等大型橋梁結構，與此同時橋梁的養護維修成為人們關注的焦點，橋梁裂縫問題更顯突出[12]，國內外學者運用圖像處理技術對此做出了大量研究。

2003年，美國密歇根大學的Ikhlas Abdle-Qader[13]等工作者分析了橋梁裂縫識別中所用到的邊緣檢測技術，快速哈爾變換(FHT)是四種常用邊緣檢測技術中最有效的邊緣檢測技術，技術實用性強，精度要求高。Prasanna[14]等人設計了一種空間解調魯棒多特征分類器進行橋梁的裂縫檢測，這是一種基于機器學習和多種特征相融合的檢測方法。

國內學者王靜[15]等利用圖像處理技術檢測橋梁裂縫的變形，在不同荷載下精確檢測橋梁的變形量。許薛軍[16]提出了基于數字圖像的橋梁裂縫檢測的概念；在橋的表面貼上棋盤刻度板，攝像機采集橋的視頻；系統分析比較了圖像灰度化、濾波去噪、邊緣檢測等圖像處理算法，提出了一種適用于橋梁裂縫圖像的處理算法。阮小麗[17]等提出了一種基于圖像預處理技術的裂縫提取和寬度計算的新方法，以提高橋梁混凝土結構表面裂縫的識別精度。通過裂縫連接，保留小裂縫，將裂縫區域作為連接區域，根據裂縫特征參數過濾虛假裂縫，找到裂縫區域的交點，通過交點將整個裂縫區域劃分為多個小裂縫，將小裂縫的最小外接矩形劃分為多個小矩形區域，計算小矩形區域內的裂縫特征參數，得到裂縫寬度。李良福[18]等人提出了一種基于圖像處理技術的適用于復雜背景的橋梁裂縫檢測算法，首先利用橋梁裂縫圖像生成原始模型，再根據深度卷積生成型對抗網絡的原理對數據集進行擴展，最后構建基于語義分割的橋梁裂縫圖像分割模型，提取出高分辨率裂縫圖像中的裂縫特征。

圖像處理技術在橋梁裂縫檢測領域有著不可比擬的作用，然而由于外部環境的復雜，所獲得的裂縫圖像受噪聲影響很大，這就要求國內外研究人員開發適用于橋梁裂縫檢測的數字圖像處理技術，以求維護橋梁質量安全，保護人民財產不受損害。

2 混凝土結構骨粒級配圖像處理

混凝土是由骨料、砂漿、空隙及微裂等組成的復合多層次材料，骨粒具有隨機、復雜的形狀，影響著混凝土的力學性能，其內部存在著大量的空隙及微裂縫等微缺陷，微缺陷使混凝土表現出很強的異質性，導致其力學性能在宏觀和細觀兩方面存在明顯差異。傳統的宏觀均質連續的力學模型及相應的理論分析和數值模擬都忽略了混凝土的內部結構特征，所以很難描述不同組分之間細觀力學行為及微觀結構對外荷載的宏觀影響，混凝土截面圖像能通過其不同的骨粒粒徑大小、顆粒分布、灰度及顏色反映混凝土的微觀結構和缺陷。運用數字圖像處理技術來表征混凝土內部的不同組分，建立與數值模型對應的數據關系，為進一步研究混凝土非均質性內部結構特征和非均質性，以及各組分的形態特征及細觀力學特征提供了一種新的手段。

早在1998年，Mora[19]等研究者就采用數字圖像處理技術對水泥混凝土中粗骨料的形狀和尺寸分布等參數開展了研究，為分析混凝土材料中的骨粒級配打下堅實的基礎。Diamond[20]等人對混凝土SEM圖像進行了細致的定量分析，從中總結了關于混凝土界面過渡帶的關鍵參數，得出在計算有關混凝土的力學和滲透性能時，可以忽略界面過渡區的影響而不會導致太大的誤差。Barbosa,F.S[21]等學者提出了一種基于圖像處理技術的硬化混凝土骨料粒度分布評價方法，此技術可用于硬化混凝土成分的重構，特別適用于輕骨料混凝土。

同濟大學的鄔翔[22]等人利用圖像處理技術把混凝土截面的數字圖像投射到有限元網格，直接生成具有真實內部特征的混凝土數值試件，提出由骨粒級配曲線確定閾值范圍，根據閾值就可以確定像素點的灰度值大小并對像素點分類，進而將砂漿和骨粒區分出來。劉兆松[23]從細觀層面出發，將混凝土視為三相復合材料，并且其是由粗骨料、砂漿水泥和二者粘結界面組成的。利用數字圖像理論和MATLAB圖像處理工具，對二維混凝土骨料邊界的提取進行了細致的研究和記錄，同時進行了細觀數值分析。并且提出了一種新的算法，這種算法是基于灰度圖像形態學重建和標記的分水嶺分割之上所獲得。曹承偉[24]等人用圖像分析軟件MATLAB從混凝土微觀結構分析標準養護下和自然養護下骨粒等效直徑大小，可以清晰看出混凝土的微觀結構，可以分析砂石的分布，比較混凝土級配。

混凝土微觀結構的種種分析方法，可以運用到實際的建筑之中，在項目施工之前進行不同骨粒級配模擬分析，得出最優混凝土級配，在施工之中可以代替人工進行抽檢，快速分析，測試混凝土是否達標，減少工程損失和施工進度時間。因此圖像處理技術在識別混凝土骨粒配比中發揮著重要作用，以其精確的數字分析促進圖像處理技術在混凝土微觀世界中有更大的發展潛力。

3 總結及展望

縱觀近幾十年的研究歷程，科研工作者在混凝土材料圖像處理技術領域中有著長足的發展，取得了諸多有價值的科研成果，不僅促進了圖像處理技術的發展，而且更大程度引起人們對于混凝土建筑材料的安全認識，為國內外建筑業提供了維修檢測保障。同時我們也很清楚，盡管該技術有許多理論方法，但仍存在許多不足:

①圖像采集受到設備和環境的影響，圖像有點失真，不能保證信息的完整性。

②目前使用的圖像處理技術算法及程序過于復雜，工作量較大。

③先進硬件技術設備實現智能化至關重要，自主定位識別裂縫，可利用處理之后的清晰裂縫來判斷以后的裂縫發展趨勢及走向，進一步做出模擬預測。

④隨著建筑結構規模逐漸增大，新的問題會不斷產生，需要國內外研究者創新圖像處理技術，實現全面化。