崔 金 良，張 俊 文，萬 雷，李 志 鵬

(1.南水北調(diào)中線干線工程建設(shè)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(shù)工程有限公司(武漢)，湖北 武漢 430010)

0 引 言

南水北調(diào)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(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)縫頂拱原噴涂聚脲普遍存在凹凸、褶皺現(xiàn)象，且內(nèi)凹處基本已經(jīng)開裂、破損，必須及時對結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)縫空間信息從而為精準維護提供技術(shù)支撐提出了迫切需求。

國內(nèi)外鮮見針對引水隧洞結(jié)構(gòu)縫檢測的相關(guān)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(shù)的研究[2-4]，但該類研究主要在大范圍探測發(fā)現(xiàn)裂隙，然后使用專用量測設(shè)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(shù)要求較高，拍攝方式復雜，需要布設(shè)控制點進行解算，操作和數(shù)據(jù)處理比較復雜、精度有限，且通常集成設(shè)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(shè)備不便進入，且隧洞內(nèi)供電、照明條件差。目前，國內(nèi)外對于引水隧洞結(jié)構(gòu)縫的測量沒有數(shù)字化的測量和分析專用設(shè)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(xiàn)，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(jié)合，急需針對引水隧洞結(jié)構(gòu)縫檢測研究輕便的非接觸式測量設(shè)備和工藝流程，提高效率。普通數(shù)碼相機在工程形變及缺陷監(jiān)測等領(lǐng)域應(yīng)用日益廣泛[8-9]，是一種比較簡便、可操作的方式，適宜應(yīng)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(jié)構(gòu)縫檢測方法是一種非接觸式結(jié)構(gòu)縫檢測新方法，可以通過獲取結(jié)構(gòu)縫的高清影像，從而對結(jié)構(gòu)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(xiàn)有引水隧洞結(jié)構(gòu)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(tǒng)集成

本文從近景攝影測量原理出發(fā)，結(jié)合該隧洞工程的實際規(guī)格、尺寸，以及結(jié)構(gòu)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(shù)等光電技術(shù)實現(xiàn)結(jié)構(gòu)縫圖像采集，精準測定結(jié)構(gòu)縫空間信息。硬件集成系統(tǒng)必須達到下列要求(見圖1)：

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

(1) 要能夠?qū)崿F(xiàn)相機的參數(shù)設(shè)置功能，可以根據(jù)理論推算和實際的檢測情況，對相機的參數(shù)進行調(diào)整，以滿足不同應(yīng)用需求。

(2) 多功能云臺需具備參數(shù)化設(shè)置、自動化運轉(zhuǎn)功能，具有智能驅(qū)動相機拍照、遠程遙控等功能。

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

(4) 配套照明系統(tǒng)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(tǒng)的圖像分辨率要求至少0.5 mm。

(6) 集成連接組件需要可調(diào)節(jié)安裝角度，具有適應(yīng)性強、穩(wěn)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(jié)構(gòu)縫檢測裝置，如圖2所示。結(jié)構(gòu)縫檢測裝置集成在專用腳架上，結(jié)構(gòu)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(tǒng)結(jié)構(gòu)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(zhì)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(fā)送至移動客戶端，實現(xiàn)影像質(zhì)量實時監(jiān)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(zhuǎn)的連桿連接。連桿旋轉(zhuǎn)時可根據(jù)刻度固定角度和鎖定，實現(xiàn)三軸旋轉(zhuǎn)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(diào)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(wěn)定支撐腳可伸縮調(diào)節(jié)。投線儀用基座、鎖緊螺絲和連接桿固定連接在腳架左側(cè)，連接桿采用剛性碳纖維材料，調(diào)節(jié)緊鎖螺絲可將基座繞軸旋轉(zhuǎn)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(diào)。補光模塊用金屬軟管固定安裝在腳架右側(cè)，照明裝置可選用充電式LED照明燈，可根據(jù)隧洞內(nèi)光線情況任意調(diào)節(jié)照明方向。

2 結(jié)構(gòu)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(tǒng)進行結(jié)構(gòu)縫全景影像獲取、處理及空間信息提取和表達。主要技術(shù)路線如圖3所示，主要包括3個工作步驟：① 隧洞結(jié)構(gòu)縫高清影像獲??；② 結(jié)構(gòu)縫高清影像處理；③ 結(jié)構(gòu)縫空間信息提取和表達。

圖3 結(jié)構(gòu)縫全景影像獲取及空間信息提取技術(shù)路線Fig.3 Technical route for panoramic images acquisition and spatial information extraction of structural seams

2.1 隧洞結(jié)構(gòu)縫高清影像獲取

根據(jù)盾構(gòu)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(jié)構(gòu)縫進行連續(xù)拍攝。從邊頂拱一側(cè)開始拍攝，拍攝完一張影像后，相機旋轉(zhuǎn)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(jié)構(gòu)縫邊頂拱所有影像數(shù)據(jù)。影像拍攝時，使用投線儀投射一條與結(jié)構(gòu)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(jù)結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)縫量測精度可以達到1 mm/cm的精度要求。

2.2 結(jié)構(gòu)縫高清影像處理

對采集的結(jié)構(gòu)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(shù)碼相機鏡頭存在畸變，主要包括鏡頭徑向曲率的不規(guī)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(chǎn)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(jié)構(gòu)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(xù)拍攝順序?qū)τ跋襁M行排序，經(jīng)過影像匹配、鑲嵌、勻光勻色等常規(guī)處理，將隧洞結(jié)構(gòu)縫影像無縫拼接。對于拼接效果不好的情況，需要調(diào)整匹配策略，并輔助選刺連接點，調(diào)整優(yōu)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(jié)構(gòu)縫高清影像合圖，利用隧洞尺寸進行校準。根據(jù)盾構(gòu)隧洞的尺寸，隧洞邊頂拱圓弧所對應(yīng)的扇形角為λ，結(jié)構(gòu)縫影像連續(xù)拍攝時，每次相機旋轉(zhuǎn)的固定角度為φ，結(jié)構(gòu)縫影像合圖中邊頂拱的成像對應(yīng)的實際長度S可由式(2)得到：

(2)

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

根據(jù)得到的邊頂拱在影像中成像對應(yīng)的實際長度，對影像進行絕對尺度的校準，以得到結(jié)構(gòu)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?；谟跋裆吓c結(jié)構(gòu)縫平行的投射線，以參照線作為參考，對影像進行平移、旋轉(zhuǎn)、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(jié)構(gòu)縫縫寬可直接轉(zhuǎn)換為結(jié)構(gòu)縫的實際寬度。

2.3 結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)縫的高清影像，提取結(jié)構(gòu)縫邊線；根據(jù)結(jié)構(gòu)縫邊線提取結(jié)構(gòu)縫截面的中線；根據(jù)結(jié)構(gòu)縫表達的精細程度要求，按照一定間距選取結(jié)構(gòu)縫截面中線上的節(jié)點，利用RANSAC算法[12]，進行直線擬合，擬合出理想的結(jié)構(gòu)縫中軸直線；采取截取結(jié)構(gòu)縫斷面的方式統(tǒng)計結(jié)構(gòu)縫縫寬及軸線偏移信息。按照10 cm間距截取結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(cè)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(jié)構(gòu)縫的縫寬值，取每條斷面線兩側(cè)端點距X軸距離較大的一側(cè)端點在坐標系中的坐標(xi，yi)，其可表達結(jié)構(gòu)縫斷面相對頂拱的位置及軸線偏移信息。最終可將結(jié)構(gòu)縫縫寬和軸線偏移信息以直觀的圖形表達出來。

3 結(jié)果與分析

3.1 結(jié)構(gòu)縫影像采集與處理

將本文研究的設(shè)備和方法應(yīng)用到穿黃隧洞工程的檢修中，對結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)縫平均寬度約2 cm，要求結(jié)構(gòu)縫寬度量測精度為1 mm/cm。圖4為在隧洞結(jié)構(gòu)縫影像采集現(xiàn)場，作業(yè)人員利用自主集成的硬件設(shè)備，進行結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)縫全景影像采集Fig.4 Panoramic images acquisition of structural seams

本次共采集461條結(jié)構(gòu)縫影像，進行影像數(shù)據(jù)處理，對結(jié)構(gòu)縫空間信息進行提取。如圖5為3條結(jié)構(gòu)縫全景影像圖。從全景影像圖中可以直觀看到結(jié)構(gòu)縫的整體情況，快速發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)縫存在的破損、扭曲等缺陷。

圖5 結(jié)構(gòu)縫全景Fig.5 Panoramic images of structural seams

3.2 結(jié)構(gòu)縫空間信息提取和分析

基于影像提取結(jié)構(gòu)縫邊界，利用本文方法獲取結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)縫的空間信息及影像圖。

圖6 M77～M76倉結(jié)構(gòu)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(cè)為正，左側(cè)為負)，縱軸分別表達縫寬和軸線偏差信息。相對結(jié)構(gòu)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(jù)折線圖的X軸直觀、快速地定位到結(jié)構(gòu)縫圖像對應(yīng)的位置，將結(jié)構(gòu)縫全景影像圖截取成多段，并加上與X軸對應(yīng)的距離標尺，對比查找缺陷位置，清晰直觀。

圖8 G342～G341倉結(jié)構(gòu)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(qū)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(tǒng)計，得到統(tǒng)計表如表1～3所列。從圖6～8及統(tǒng)計表中可以看到：M77～M76倉結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)縫縫寬也較好，僅末端一處縫寬為30.3 mm，但該條結(jié)構(gòu)縫軸線偏差較大，超過20 mm的區(qū)段有12處，從對應(yīng)全景影像圖上可以看到結(jié)構(gòu)縫有多處明顯彎曲；G342～G341倉結(jié)構(gòu)縫缺陷非常明顯，在-4～4 m位置區(qū)間，結(jié)構(gòu)縫有多處較大破損，結(jié)構(gòu)縫整體軸線偏差值也較大。在后續(xù)的檢修、維護工作中，結(jié)構(gòu)縫彎曲、破損處就是施工維護的重點區(qū)域，彎曲的區(qū)段需要切割拉直，破損的區(qū)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(yōu)良。

表1 M77～M76倉縫寬及軸向偏差統(tǒng)計

3.3 結(jié)構(gòu)縫縫寬量測精度比較驗證

為了驗證本研究的實際應(yīng)用效果和精度，對利用本研究提取的結(jié)構(gòu)縫縫寬與實際現(xiàn)場游標卡尺量測的寬度進行比較，將現(xiàn)場人工量測的斷面縫寬值作為真值，選取了23條結(jié)構(gòu)縫進行比較，精度統(tǒng)計見表4。從表4可知，本研究基于全景影像提取的結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)縫進行檢測，具有快速、高效、準確、全面和直觀的優(yōu)點。

表4 結(jié)構(gòu)縫縫寬量測精度統(tǒng)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(jié)構(gòu)縫頂拱中心，位置區(qū)間順水流方向隧洞左側(cè)為負，右側(cè)為正，偏距區(qū)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(tǒng)計

表3 G342～G341倉縫寬及軸向偏差統(tǒng)計

4 結(jié) 論

本文提出了一種引水隧洞結(jié)構(gòu)縫檢測方法，其具體集成了一種結(jié)構(gòu)縫檢測專用設(shè)備，可以按照一定的規(guī)律獲取結(jié)構(gòu)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(shù)學關(guān)系對結(jié)構(gòu)縫成像合圖進行絕對尺度校準。對基于以上方法得到的結(jié)構(gòu)縫全景影像圖進行結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(yōu)點：

(1) 通過本研究獲取的結(jié)構(gòu)縫高清影像，可實現(xiàn)對結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)縫在不同維護施工階段的高清影像數(shù)據(jù)，對結(jié)構(gòu)縫空間信息的表達比傳統(tǒng)方法單一的表格表現(xiàn)方式更加精確、全面和直觀；

(3)本研究獲取的結(jié)構(gòu)縫影像和空間信息，可為引水隧洞結(jié)構(gòu)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(jù)，為隧洞結(jié)構(gòu)縫精準檢修維護提供重要科學指導和支撐；

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