基于全景影像的引水隧洞結構縫檢測方法及應用

崔 金 良，張 俊 文，萬 雷，李 志 鵬

(1.南水北調中線干線工程建設管理局 河南分局，河南 鄭州 450046； 2.長江水利委員會 陸水試驗樞紐管理局，湖北 咸寧 437300； 3.長江空間信息技術工程有限公司(武漢)，湖北 武漢 430010)

0 引 言

南水北調中線穿黃隧洞工程全長4.25 km。該工程在檢修排查過程中發現結構縫頂拱原噴涂聚脲普遍存在凹凸、褶皺現象，且內凹處基本已經開裂、破損，必須及時對結構縫進行精準維護，提高防滲效果[1]。由于檢修工作量大、工期緊，這就對如何快速、全面獲取結構縫空間信息從而為精準維護提供技術支撐提出了迫切需求。

國內外鮮見針對引水隧洞結構縫檢測的相關研究。雖目前已有一些對于鐵路、公路等大型隧道襯砌裂縫檢測技術的研究[2-4]，但該類研究主要在大范圍探測發現裂隙，然后使用專用量測設備針對局部亞毫米、毫米級的裂縫進行量測。另外一種采用立體攝影測量方式進行量測[5-7]，這種方式對影像采集技術要求較高，拍攝方式復雜，需要布設控制點進行解算，操作和數據處理比較復雜、精度有限，且通常集成設備龐大，難以攜帶。

引水隧洞相比其他日常運行的公路、鐵路等隧道檢測條件限制更多，大型檢測設備不便進入，且隧洞內供電、照明條件差。目前，國內外對于引水隧洞結構縫的測量沒有數字化的測量和分析專用設備，主要還是通過人工使用標尺測量的方式來進行。該方式需要大量的人工，且測量不易實現，需要借助臺車等大型機械工具，更是加大了測量的難度，降低了檢測效率，提高了檢測成本，增加了安全風險。而引水隧洞維護工期緊，且需要與實際施工緊密結合，急需針對引水隧洞結構縫檢測研究輕便的非接觸式測量設備和工藝流程，提高效率。普通數碼相機在工程形變及缺陷監測等領域應用日益廣泛[8-9]，是一種比較簡便、可操作的方式，適宜應用于限制條件較多的引水隧洞檢測。

本文提出的基于全景影像的引水隧洞結構縫檢測方法是一種非接觸式結構縫檢測新方法，可以通過獲取結構縫的高清影像，從而對結構縫進行準確、高效、直觀的空間信息量測和表達。該方法克服了現有引水隧洞結構縫檢測方法耗費人工量大、操作復雜、效率低、難度大、成本高、安全風險高的缺點。

1 全景攝影測縫硬件系統集成

本文從近景攝影測量原理出發，結合該隧洞工程的實際規格、尺寸，以及結構縫的形狀、縫寬等特征，確定硬件集成的總體方案。利用 CCD 圖像采集和圖像處理技術等光電技術實現結構縫圖像采集，精準測定結構縫空間信息。硬件集成系統必須達到下列要求(見圖1)：

圖1 全景攝影硬件集成系統Fig.1 Integration of hardware system for panoramic photography

(1) 要能夠實現相機的參數設置功能，可以根據理論推算和實際的檢測情況，對相機的參數進行調整，以滿足不同應用需求。

(2) 多功能云臺需具備參數化設置、自動化運轉功能，具有智能驅動相機拍照、遠程遙控等功能。

(3) 光電設備需與智能便攜設備實時連接，可建立圖像實時傳輸，及時監測圖像清晰度、是否有遮擋等情況。

(4) 配套照明系統對檢測過程進行照明，要求照明效果好，光線要均勻。

(5) 集成系統的圖像分辨率要求至少0.5 mm。

(6) 集成連接組件需要可調節安裝角度，具有適應性強、穩定性好、牢固可靠的特點，還需要易于安裝和便于攜帶。

基于以上集成要求，本文提出了一種基于全景影像的引水隧洞結構縫檢測裝置，如圖2所示。結構縫檢測裝置集成在專用腳架上，結構縫檢測裝置包括圖像采集模塊、智能云臺控制模塊、無線通訊模塊、輔助定位模塊、投線模塊和補光模塊等。

圖2 全景攝影測縫系統結構Fig.2 Structure diagram of panoramic photography for structural seams detection

圖像采集模塊可選用高清微單相機，如索尼α7Ⅱ相機，其影像分辨率高，質量較輕，具備獨立供電和存儲功能。相機可通過無線通訊模塊將獲取的影像實時發送至移動客戶端，實現影像質量實時監測。圖像采集模塊采用專用連接螺絲安裝在智能云臺上，智能云臺1和智能云臺2采用可90°旋轉的連桿連接。連桿旋轉時可根據刻度固定角度和鎖定，實現三軸旋轉功能，滿足不同角度垂直于隧洞壁拍攝。影像采集模塊和智能云臺1同步控制并利用同步信號線連接，且具備遙控功能，方便實際操作。智能云臺2采用連接螺絲固定在腳架豎桿頂端，腳架豎桿采用可伸縮高強度碳纖維桿，豎桿上有刻度，可按需調整安置高度。豎桿底端采用測量對中桿類似的尖角，方便準確定位。腳架連接件上配置有水準氣泡，它和尖角配合進行裝置對中整平安置，腳架另外3個穩定支撐腳可伸縮調節。投線儀用基座、鎖緊螺絲和連接桿固定連接在腳架左側，連接桿采用剛性碳纖維材料，調節緊鎖螺絲可將基座繞軸旋轉一定角度后固定，基座上的腳螺旋可以進行投線儀投射方向的微調。補光模塊用金屬軟管固定安裝在腳架右側，照明裝置可選用充電式LED照明燈，可根據隧洞內光線情況任意調節照明方向。

2 結構縫全景影像獲取及空間信息提取

利用集成的全景攝影測縫硬件系統進行結構縫全景影像獲取、處理及空間信息提取和表達。主要技術路線如圖3所示，主要包括3個工作步驟：① 隧洞結構縫高清影像獲取；② 結構縫高清影像處理；③ 結構縫空間信息提取和表達。

圖3 結構縫全景影像獲取及空間信息提取技術路線Fig.3 Technical route for panoramic images acquisition and spatial information extraction of structural seams

2.1 隧洞結構縫高清影像獲取

根據盾構隧洞的尺寸確定相機拍攝位置。相機安置在隧洞中心，利用集成的高清微單相機對隧洞結構縫進行連續拍攝。從邊頂拱一側開始拍攝，拍攝完一張影像后，相機旋轉固定角度拍攝下一張影像，影像之間保證重疊不低于20%，直至獲取結構縫邊頂拱所有影像數據。影像拍攝時，使用投線儀投射一條與結構縫截面近似平行的投射線作為后期影像處理的參照。前述高清微單相機可以根據結構縫量測精度選取。選擇合適焦距和像元尺寸的相機，保證在隧洞半徑拍攝距離下，影像的分辨率可以達到0.5 mm或更高，以確保結構縫量測精度可以達到1 mm/cm的精度要求。

2.2 結構縫高清影像處理

對采集的結構縫影像進行處理，包括影像畸變糾正、影像拼接、尺度校準。

2.2.1影像畸變糾正

由于數碼相機鏡頭存在畸變，主要包括鏡頭徑向曲率的不規則變化引起的徑向畸變和透鏡本身與傳感器平面(成像面)不平行所產生的切向畸變[10-11]，為了克服鏡頭畸變帶來的成像誤差影響，采用多項式畸變模型對原始影像進行畸變糾正，減小鏡頭畸變對結構縫量測精度的影響。

(1)

2.2.2影像拼接

影像畸變糾正完成后，按照連續拍攝順序對影像進行排序，經過影像匹配、鑲嵌、勻光勻色等常規處理，將隧洞結構縫影像無縫拼接。對于拼接效果不好的情況，需要調整匹配策略，并輔助選刺連接點，調整優化影像拼接效果。

2.2.3影像尺度校準

對影像拼接處理得到的隧洞結構縫高清影像合圖，利用隧洞尺寸進行校準。根據盾構隧洞的尺寸，隧洞邊頂拱圓弧所對應的扇形角為λ，結構縫影像連續拍攝時，每次相機旋轉的固定角度為φ，結構縫影像合圖中邊頂拱的成像對應的實際長度S可由式(2)得到：

(2)

式中：R為盾構隧洞半徑；λ為隧洞邊頂拱圓弧所對應的扇形角；φ為相機每次旋轉的固定角度；S為結構縫影像合圖中邊頂拱的成像對應的實際長度。

根據得到的邊頂拱在影像中成像對應的實際長度，對影像進行絕對尺度的校準，以得到結構縫的空間信息。給定邊頂拱成像長度的水平線作為參照線，確定邊頂拱在影像上的起止位置。基于影像上與結構縫平行的投射線，以參照線作為參考，對影像進行平移、旋轉、縮放變換，使得影像上的投射線與參照線重合，此時影像校準完成，影像上量得的結構縫縫寬可直接轉換為結構縫的實際寬度。

2.3 結構縫空間信息提取和表達

基于以上步驟得到的尺度校準后結構縫的高清影像，提取結構縫邊線；根據結構縫邊線提取結構縫截面的中線；根據結構縫表達的精細程度要求，按照一定間距選取結構縫截面中線上的節點，利用RANSAC算法[12]，進行直線擬合，擬合出理想的結構縫中軸直線；采取截取結構縫斷面的方式統計結構縫縫寬及軸線偏移信息。按照10 cm間距截取結構縫斷面線，以頂拱的縫寬斷面線中點為坐標原點(0，0)，過原點與擬合的結構縫中軸直線平行的直線為X軸，垂直方向為Y軸；定義面向下游方向時右側為X軸正方向，上游方向為Y軸正方向；每條斷面線的長度為結構縫的縫寬值，取每條斷面線兩側端點距X軸距離較大的一側端點在坐標系中的坐標(xi，yi)，其可表達結構縫斷面相對頂拱的位置及軸線偏移信息。最終可將結構縫縫寬和軸線偏移信息以直觀的圖形表達出來。

3 結果與分析

3.1 結構縫影像采集與處理

將本文研究的設備和方法應用到穿黃隧洞工程的檢修中，對結構縫進行全面檢測。隧洞半徑為3.5 m，邊頂拱長度為18.672 m，其結構縫平均寬度約2 cm，要求結構縫寬度量測精度為1 mm/cm。圖4為在隧洞結構縫影像采集現場，作業人員利用自主集成的硬件設備，進行結構縫有序高清影像采集，采集影像平均分辨率為0.3 mm。

圖4 結構縫全景影像采集Fig.4 Panoramic images acquisition of structural seams

本次共采集461條結構縫影像，進行影像數據處理，對結構縫空間信息進行提取。如圖5為3條結構縫全景影像圖。從全景影像圖中可以直觀看到結構縫的整體情況，快速發現結構縫存在的破損、扭曲等缺陷。

圖5 結構縫全景Fig.5 Panoramic images of structural seams

3.2 結構縫空間信息提取和分析

基于影像提取結構縫邊界，利用本文方法獲取結構縫縫寬和軸線偏移信息，輸出表達成折線圖。圖6～8為獲取的其中3條結構縫的空間信息及影像圖。

圖6 M77～M76倉結構縫空間信息及影像Fig.6 Spatial information and image of structure seams of M77～M76 section

(1) 各圖中以頂拱的縫寬斷面線中點為坐標原點(0，0)，橫軸表示距頂拱的距離(順水流方向，右側為正，左側為負)，縱軸分別表達縫寬和軸線偏差信息。相對結構縫長度來說，軸線偏移量很小，為了直觀、形象地表達軸線偏移信息，折線圖中將橫軸壓縮100倍顯示。另外，為了根據折線圖的X軸直觀、快速地定位到結構縫圖像對應的位置，將結構縫全景影像圖截取成多段，并加上與X軸對應的距離標尺，對比查找缺陷位置，清晰直觀。

圖8 G342～G341倉結構縫空間信息及影像Fig.8 Spatial information and image of structure seams of G342～G341 section

(2) 按分段區間對縫寬和軸線偏差信息較大值(縫寬大于30 mm，軸線偏差大于20 mm)進行統計，得到統計表如表1～3所列。從圖6～8及統計表中可以看到：M77～M76倉結構縫整體情況較好，只有兩處縫寬超過30 mm的缺陷，軸線偏差值也較小，僅一處超過20 mm；M2～M1倉結構縫縫寬也較好，僅末端一處縫寬為30.3 mm，但該條結構縫軸線偏差較大，超過20 mm的區段有12處，從對應全景影像圖上可以看到結構縫有多處明顯彎曲；G342～G341倉結構縫缺陷非常明顯，在-4～4 m位置區間，結構縫有多處較大破損，結構縫整體軸線偏差值也較大。在后續的檢修、維護工作中，結構縫彎曲、破損處就是施工維護的重點區域，彎曲的區段需要切割拉直，破損的區段需要進行填縫修補，以保證橡膠板粘貼的效果，確保止水效果優良。

表1 M77～M76倉縫寬及軸向偏差統計

3.3 結構縫縫寬量測精度比較驗證

為了驗證本研究的實際應用效果和精度，對利用本研究提取的結構縫縫寬與實際現場游標卡尺量測的寬度進行比較，將現場人工量測的斷面縫寬值作為真值，選取了23條結構縫進行比較，精度統計見表4。從表4可知，本研究基于全景影像提取的結構縫縫寬值精度完全滿足1 mm/cm的量測精度要求。利用本研究中的方法對結構縫進行檢測，具有快速、高效、準確、全面和直觀的優點。

表4 結構縫縫寬量測精度統計

注：1.M77～M76倉平均縫寬為22.6 mm，平均軸線偏距為+2.0 mm； 2.坐標原點為結構縫頂拱中心，位置區間順水流方向隧洞左側為負，右側為正，偏距區間為縫邊線到平均軸線的絕對值較大值，上游為正，下游為負；下同。

表2 M2～M1倉縫寬及軸向偏差統計

表3 G342～G341倉縫寬及軸向偏差統計

4 結 論

本文提出了一種引水隧洞結構縫檢測方法，其具體集成了一種結構縫檢測專用設備，可以按照一定的規律獲取結構縫的有序高清影像，通過對影像進行畸變糾正等預處理，再進行全景影像無縫拼接，并通過數學關系對結構縫成像合圖進行絕對尺度校準。對基于以上方法得到的結構縫全景影像圖進行結構縫邊界提取，然后通過軸線擬合、斷面截取、量測等方式，得到結構縫的縫寬和軸線偏移信息，再通過圖表直觀地表達。本研究成果具有如下優點：

(1) 通過本研究獲取的結構縫高清影像，可實現對結構縫空間信息的準確、高效、直觀量測和表達，操作簡單，人工勞動強度低，極大提高了結構縫檢測的效率，降低了檢測成本和安全風險；

(2)通過本研究可獲取結構縫在不同維護施工階段的高清影像數據，對結構縫空間信息的表達比傳統方法單一的表格表現方式更加精確、全面和直觀；

(3)本研究獲取的結構縫影像和空間信息，可為引水隧洞結構縫檢修的工程量計算、工作計劃制定和檢修情況提供全面、科學的依據，為隧洞結構縫精準檢修維護提供重要科學指導和支撐；

(4)該技術還可以應用在各類輸水建筑物結構縫維護中，另在水利、鐵路、公路、橋梁等大中型基礎設施隧道襯砌和穿跨越工程結構縫及其他關鍵部位空間信息測量和形變監測中均具有廣闊的應用前景。