公路隧道襯砌表觀病害識別與標注系統研究

段英杰

（山西省交通科技研發有限公司，山西 太原 030032）

0 引言

計算機視覺最早被應用于公路路面智能化檢測中[1]，隨著國內外路面自動檢測技術的飛速發展，該技術被逐漸引入地鐵隧道檢測[2]、公路隧道檢測[3-5]中。近年來公路隧道養護需求不斷提高，應用機器視覺技術實現公路隧道的快速檢測可大幅降低檢測時間和檢測成本[6]，便于對公路隧道進行定期檢測和數據管理，從而在保障公路隧道安全運營、及時發現公路初期病害、降低維護費用等多方面發揮不可替代的作用。

針對自主研制的隧道智能檢測車[7-8]，采用機器視覺技術[9]，開展公路隧道襯砌表觀病害識別與標注系統研究工作，實現隧道襯砌病害數據管理[10]，對提高數據處理效率，降低檢測時間和檢測成本具有重大意義。

1 病害識別與標注系統總體結構

公路隧道襯砌表觀病害識別與標注系統主要包括任務管理模塊、圖像瀏覽模塊、圖像標注模塊和報告生成模塊，各個模塊之間功能有銜接也有交叉。其中任務管理模塊可實現任務信息、隧道信息和圖像數據的管理；圖像瀏覽模塊可實現圖像分層、病害識別、圖像對比等功能；病害標注模塊可實現隧道襯砌表觀病害標注、病害信息錄入等功能；報告生成模塊可實現隧道襯砌表觀病害的統計以及隧道襯砌表觀病害圖和隧道襯砌表觀病害統計表的導出功能。系統總體結構如圖1所示。

圖1 公路隧道襯砌表觀病害識別與標注系統

2 病害識別與標注系統設計

2.1 任務管理

為實現任務信息、隧道信息和圖像數據的管理，需規定圖像數據存儲所在文件夾的命名方式，從而自動讀取被檢測隧道所在路段的名稱、隧道名稱、檢測時間、隧道長度、隧道樁號、是否為三車道隧道等信息。命名方式如下所示：

a）一級目錄 XX高速公路_XX隧道（上行/下行）_ZK50+680—ZK50+53_627m_通往XX方向_XX年XX月XX日。

b）二級目錄 ‘左’‘右’（兩車道、三車道隧道）為單圖文件夾；‘10 m拼接圖’（該目錄下為10 000×21 000的10 m拼接圖，格式為PNG，命名規則為1、2、3…）。

c）三級目錄 二級目錄‘左’下三級目錄名為01，02，03，二級目錄‘右’下三級目錄名為 01，02，03（兩車道隧道）或 00，01，02，03（三車道隧道），格式為JPG，命名規則為 1、2、3…。

d）起止樁號（分增大或減小兩種情況，需要判定）：ZK50+680—ZK50+53，ZK為左洞，樁號減小；YK（或K）為右洞，樁號增大；上行或下行的判定方法：上行為樁號增大，下行為樁號減小。

e）隧道長度 起止樁號相減，并取絕對值，單位：m。例：ZK50+680—ZK50+53，隧道長度為 |(50×1000+680)-(50×1000+53)|=627 m；另外，起止樁號可能為小數，例如ZK50+580.24。

根據以上命名規則，系統便可通過讀取文件夾名稱來獲取任務信息、隧道信息，實現圖像數據的管理。

2.2 圖像瀏覽

大圖圖像像素大小為10 000×21 000（W×H，W固定為10 000，H為21 000左右）；小圖圖像像素為2 500×4 500（W×H），格式為 PNG，24位。10 m大圖的寬度方向對應顯示屏的寬度方向，10 m大圖的高度方向對應顯示屏的高度方向。圖像瀏覽模塊包括以下功能。

2.2.1 圖像的順序瀏覽

圖像瀏覽窗口上方可按照單張進行上下張切換、跳轉；利用圖像瀏覽窗口下方快捷鍵“↑”“↓”“←”“→”進行圖像區域切換，鼠標停留時顯示縮略圖。

2.2.2 圖像的縮放

圖像可隨“滾輪”縮放，縮放比例不受限制；可以通過“下拉菜單”選擇固定的縮放比例，分為12.5%、50%、100%、200%。

2.2.3 圖像對比功能

圖像對比功能是通過調用已標定好含有0.2 mm、0.4 mm、0.6 mm、0.8 mm、1 mm、2 mm、3 mm 裂縫寬度信息的對比卡（對比卡為一張圖片）與已標注的襯砌裂縫進行對比，進一步復核所標注襯砌裂縫的精度。

點選“圖像對比”按鈕，在圖像瀏覽區域內，以鼠標位置為中心，從當前瀏覽圖片中裁出400×300像素的原圖，以100%的縮放比例在新的彈出窗口中顯示，彈出窗口跟隨鼠標移動。同時加載對比卡圖片，并與調出的原圖并排查看。

2.3 病害標注

病害標注有分區域標注與不分區域標注兩個模式，系統操作人員可根據具體情況來選擇所需模式進行病害標注。

2.3.1 不分區域標注流程

a）在瀏覽模式下對裂縫進行描點，鼠標右鍵結束描點，彈出病害信息屬性對話框，鼠標光標放在該裂縫最寬處。

b）點選“圖像對比”按鈕，彈出圖像對比卡，識別出該條裂縫寬度后，在圖像處理軟件界面左側單擊選擇裂縫寬度，點擊病害屬性信息對話框確定按鈕，結束此條裂縫的標注。

2.3.2 分區域標注流程

a）在進行病害標注之前，在圖像處理軟件左上角依次選擇“襯砌材質”和“縮放比例”。襯砌材質分為水泥和防火涂料；縮放比例基準比例（縮放比例為100%）下的圖片區域大小為5 000×2 200（W×H，在W方向上固定為5 000，H方向上前9個區域大小為2 200，第10個區域大小為10 m大圖寬度2 200×4，基準比例根據軟件完成后的測試結果作小幅度更改）。

b）按照基準比例，10 m大圖劃分為20個區域，各個區域間做虛擬分隔處置，分割線為黃色虛線。各個區域命名為Aij（i為寬度方向，j為高度方向）。

c）以裂縫標注為例，點擊A11，開始進行標注，該區域內圖片全屏顯示，所有任務欄隱藏，如若裂縫跨越A11、A12、A22三個區域，依次單擊選擇裂縫起始點、拐點、終止點，終止點選擇后點擊鼠標右鍵結束選點，彈出病害屬性對話框，圖像處理軟件界面任務欄出現，軟件界面顯示所有區域，在圖像處理軟件界面左側選擇裂縫寬度，點擊病害屬性信息對話框確定按鈕，結束此條裂縫的標注，光標自動返回A11。注：病害標注過程中區域切換使用“↑”“↓”“←”“→”快捷鍵或鼠標單擊選擇區域。在沒有選點的情況進行區域切換，則表示上一個區域已經標注完成。

d）為剔除病害數據庫里的無用信息，提高軟件運行效率，在病害標注時僅記錄標注元素的相關信息，不對原始大圖進行修改。例如在標注裂縫時，只是以原始大圖為背景進行標注，同時記錄裂縫線段的描點；在標注滲水等病害時，只記錄矩形框中心點的位置及矩形框大小等信息，在生成報告壓縮小圖時需經過一定的計算，考慮由于圖像壓縮之后標注元素的位置信息變化，再將變換過的標注元素畫在壓縮之后的小圖上。

2.4 報告生成

報告生成模塊的主要功能是實現隧道襯砌表觀病害的統計以及隧道襯砌表觀圖和隧道襯砌表觀病害統計表的導出。

a）隧道襯砌表觀圖為 30 m、50 m、100 m三種；隧道襯砌區域分為左邊墻、左拱腰、拱頂、右拱腰、右邊墻，并根據相關規范繪出分界線，分界線為藍色虛線；刻度間隔為10 m，刻度名稱為對應樁號，并描繪出分界線，分界線為黃色虛線；調用之前保存信息，將該張隧道襯砌表觀圖命名為“XX隧道（XX方向）第n張/共m張 檢測時間：自行輸入”；圖片格式為JPG。

b）隧道襯砌表觀病害統計表：該表的輸出格式為Excel，命名規則為“XX隧道（XX方向）外觀缺陷檢查結果表”；該表應包含有樁號、距洞口距離、病害位置、病害類型、病害定量描述等相關信息。

3 病害識別與標注系統軟件實現

隧道襯砌表觀病害識別與標注系統主要包括主界面、導入任務、任務管理、病害識別與標注和報告生成等界面，實現了隧道襯砌表觀病害的識別與標注。

3.1 系統主界面及導入任務界面

公路隧道襯砌表觀病害識別與標注系統主界面主要包括任務管理、導入任務、病害識別與標注等功能模塊。

導入任務界面包括任務管理信息導入模塊和任務管理數據庫模塊。任務管理信息導入模塊通過讀取隧道襯砌圖片所在文件夾，可實現隧道檢測時間、隧道名稱、隧道長度、隧道起止樁號、路段信息、圖像數據等的導入功能；任務管理數據庫模塊可實現上述信息的智能管理并可根據客戶需求導出相應報表，也可人工進行數據庫內容的修改。

3.2 病害識別與標注界面

病害識別與標注界面（如圖2所示）包括快捷鍵導航（區域 1）、病害標注（區域 2）、任務選擇（區域3）、圖像瀏覽（區域 4）、數據統計（區域 5）等模塊。

圖2 病害識別與標注界面

快捷鍵導航模塊為操作人員提供快捷鍵操作功能，可以提高病害識別與標注效率。

病害標注模塊可實現瀏覽模式與標注模式的手動切換，標注模式的自由選擇：分區域標注和不分區域標注，襯砌裂縫、襯砌起層、襯砌剝落、滲水、蓋板缺失與破損等隧道襯砌表觀病害的標注，標準對比卡的調用，病害數據的保存、撤銷及返回上一步等功能。

任務選擇模塊可實現不同檢測任務的切換。圖像瀏覽模塊可在瀏覽模式和標注模式下實現隧道襯砌表觀圖像的自由瀏覽，包括按光標位置中心的自由縮放、圖像瀏覽區域變換等。另外操作人員可同時放大局部圖和圖像對比卡復核襯砌病害相關數據，并可根據檢測現場實際情況對數據進行調整。

數據統計模塊可實現隧道襯砌表觀病害的統計功能，還可實現病害數據庫與隧道襯砌表觀圖所包含的病害數據的統一增加、統一刪除和統一合并。病害數據包括裂縫長度、寬度和位置，襯砌剝落面積和位置，襯砌起層面積和位置，蓋板缺失與破損的面積和位置等。

3.3 報告導出界面

報告導出界面包括全幅圖生成模塊（如圖3所示）和報表導出模塊（如圖4所示）。其中全幅圖生成模塊可實現隧道襯砌表觀圖的按需拼接（30 m拼接、50 m拼接、100 m拼接等）、病害標注信息與隧道襯砌表觀背景圖的智能融合與導出；報表導出模塊可實現隧道襯砌表觀病害統計表按需生成在特定的文件目錄下。

圖3 隧道襯砌表觀圖展示界面

圖4 隧道襯砌表觀病害統計表

4 結語

公路隧道襯砌表觀病害識別與標注系統具有任務管理、圖像瀏覽、圖像標注和報告生成等功能。任務管理模塊實現了隧道長度、隧道樁號等相關信息和隧道襯砌表觀圖像數據的管理；圖像瀏覽模塊實現了10 m拼接圖的順序瀏覽、圖像縮放、圖像對比等功能；圖像標注模塊實現了隧道襯砌表觀病害的識別與標注；報告生成模塊實現了隧道襯砌表觀圖和隧道襯砌表觀病害統計表的自動生成。下一步將繼續基于自主研制的隧道智能檢測系統，結合工程檢測實際優化對隧道襯砌表觀病害數據處理流程。