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(yīng)各種惡劣環(huán)境等優(yōu)點被認為是一種優(yōu)質(zhì)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(guān)。混凝土結(jié)構(gòu)中出現(xiàn)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(chǎn)安全。20世紀70年代由美國科學家研發(fā)的MATLAB軟件[4]使得圖像處理技術(shù)有了飛越性的發(fā)展，被廣泛地應(yīng)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(chǎn)生的裂縫，分析微觀骨粒級配等問題，提前預防混凝土結(jié)構(gòu)缺陷帶來的危害，實現(xiàn)結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)的拉應(yīng)力和壓應(yīng)力集中到某些部分，混凝土結(jié)構(gòu)由此產(chǎn)生變形，形成混凝土裂縫。由于變形程度不同產(chǎn)生各種走向不規(guī)則的裂縫，影響建筑美觀和結(jié)構(gòu)安全[5-7]。骨粒級配是混凝土成型和結(jié)構(gòu)安全的關(guān)鍵因素，不同土木建筑結(jié)構(gòu)對混凝土骨粒配比要求不一，同時骨粒配比影響著建筑結(jié)構(gòu)的牢固性和其所承載的應(yīng)力，當配比不合理時混凝土會出現(xiàn)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(jīng)驗和環(huán)境條件的影響，效率低下，不能直接給出建筑結(jié)構(gòu)使用壽命及安全的預測。圖像處理技術(shù)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(shù)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(zhì)量到高質(zhì)量，模糊到清晰，從而得到人們需要的信息數(shù)據(jù)，達到節(jié)時省力、高效、精確。

本文將介紹圖像處理技術(shù)在混凝土材料中的應(yīng)用，總結(jié)近年來國內(nèi)外學者利用圖像處理方法解決混凝土結(jié)構(gòu)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(shù)在混凝土結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用前景，以推動混凝土材料和現(xiàn)代圖像處理技術(shù)兩學科交叉發(fā)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(nèi)外建筑業(yè)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(jié)構(gòu)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(qū)三豐百貨大樓因地基軟化致使大樓基礎(chǔ)產(chǎn)生不均勻沉降,框架柱和承重墻產(chǎn)生裂縫,未能及時進行監(jiān)測、預警,致使特大事故發(fā)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(chǎn)生時，不僅是將混凝土裂縫進行簡單的補修，結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)裂縫等，常見的裂縫走向有橫向、縱向和網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)等形狀，裂縫破壞的影響也與其深度有一定關(guān)系，裂縫常出現(xiàn)在混凝土結(jié)構(gòu)表面，隨著深度加深風化侵蝕嚴重直至結(jié)構(gòu)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(shù)據(jù)，以從根本上滿足圖像處理技術(shù)的精度要求。

以橋梁道路結(jié)構(gòu)裂縫為研究對象，運用數(shù)字圖像處理技術(shù)處理裂縫，得到理想的信息數(shù)據(jù)。隨著我國經(jīng)濟快速發(fā)展，交通越來越便捷?，F(xiàn)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(jié)構(gòu)，與此同時橋梁的養(yǎng)護維修成為人們關(guān)注的焦點，橋梁裂縫問題更顯突出[12]，國內(nèi)外學者運用圖像處理技術(shù)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(shù)，快速哈爾變換(FHT)是四種常用邊緣檢測技術(shù)中最有效的邊緣檢測技術(shù)，技術(shù)實用性強，精度要求高。Prasanna[14]等人設(shè)計了一種空間解調(diào)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(nèi)學者王靜[15]等利用圖像處理技術(shù)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(shù)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(tǒng)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(shù)的裂縫提取和寬度計算的新方法，以提高橋梁混凝土結(jié)構(gòu)表面裂縫的識別精度。通過裂縫連接，保留小裂縫，將裂縫區(qū)域作為連接區(qū)域，根據(jù)裂縫特征參數(shù)過濾虛假裂縫，找到裂縫區(qū)域的交點，通過交點將整個裂縫區(qū)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(qū)域，計算小矩形區(qū)域內(nèi)的裂縫特征參數(shù)，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(shù)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(jù)深度卷積生成型對抗網(wǎng)絡(luò)的原理對數(shù)據(jù)集進行擴展，最后構(gòu)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(shù)在橋梁裂縫檢測領(lǐng)域有著不可比擬的作用，然而由于外部環(huán)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(nèi)外研究人員開發(fā)適用于橋梁裂縫檢測的數(shù)字圖像處理技術(shù)，以求維護橋梁質(zhì)量安全，保護人民財產(chǎn)不受損害。

2 混凝土結(jié)構(gòu)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(nèi)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(xiàn)出很強的異質(zhì)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(tǒng)的宏觀均質(zhì)連續(xù)的力學模型及相應(yīng)的理論分析和數(shù)值模擬都忽略了混凝土的內(nèi)部結(jié)構(gòu)特征，所以很難描述不同組分之間細觀力學行為及微觀結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)和缺陷。運用數(shù)字圖像處理技術(shù)來表征混凝土內(nèi)部的不同組分，建立與數(shù)值模型對應(yīng)的數(shù)據(jù)關(guān)系，為進一步研究混凝土非均質(zhì)性內(nèi)部結(jié)構(gòu)特征和非均質(zhì)性，以及各組分的形態(tài)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(shù)字圖像處理技術(shù)對水泥混凝土中粗骨料的形狀和尺寸分布等參數(shù)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(chǔ)。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(jié)了關(guān)于混凝土界面過渡帶的關(guān)鍵參數(shù)，得出在計算有關(guān)混凝土的力學和滲透性能時，可以忽略界面過渡區(qū)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(shù)的硬化混凝土骨料粒度分布評價方法，此技術(shù)可用于硬化混凝土成分的重構(gòu)，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(shù)把混凝土截面的數(shù)字圖像投射到有限元網(wǎng)格，直接生成具有真實內(nèi)部特征的混凝土數(shù)值試件，提出由骨粒級配曲線確定閾值范圍，根據(jù)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(qū)分出來。劉兆松[23]從細觀層面出發(fā)，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(jié)界面組成的。利用數(shù)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(shù)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(tài)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(jié)構(gòu)分析標準養(yǎng)護下和自然養(yǎng)護下骨粒等效直徑大小，可以清晰看出混凝土的微觀結(jié)構(gòu)，可以分析砂石的分布，比較混凝土級配。

混凝土微觀結(jié)構(gòu)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(yōu)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(shù)在識別混凝土骨粒配比中發(fā)揮著重要作用，以其精確的數(shù)字分析促進圖像處理技術(shù)在混凝土微觀世界中有更大的發(fā)展?jié)摿Α?/p>

3 總結(jié)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(shù)領(lǐng)域中有著長足的發(fā)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(shù)的發(fā)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(nèi)外建筑業(yè)提供了維修檢測保障。同時我們也很清楚，盡管該技術(shù)有許多理論方法，但仍存在許多不足:

①圖像采集受到設(shè)備和環(huán)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(shù)算法及程序過于復雜，工作量較大。

③先進硬件技術(shù)設(shè)備實現(xiàn)智能化至關(guān)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(fā)展趨勢及走向，進一步做出模擬預測。

④隨著建筑結(jié)構(gòu)規(guī)模逐漸增大，新的問題會不斷產(chǎn)生，需要國內(nèi)外研究者創(chuàng)新圖像處理技術(shù)，實現(xiàn)全面化。