公路隧道衬砌表观病害识别与标注系统研究

段英杰

（山西省交通科技研发有限公司，山西 太原 030032）

0 引言

计算机视觉最早被应用于公路路面智能化检测中[1]，随着国内外路面自动检测技术的飞速发展，该技术被逐渐引入地铁隧道检测[2]、公路隧道检测[3-5]中。近年来公路隧道养护需求不断提高，应用机器视觉技术实现公路隧道的快速检测可大幅降低检测时间和检测成本[6]，便于对公路隧道进行定期检测和数据管理，从而在保障公路隧道安全运营、及时发现公路初期病害、降低维护费用等多方面发挥不可替代的作用。

针对自主研制的隧道智能检测车[7-8]，采用机器视觉技术[9]，开展公路隧道衬砌表观病害识别与标注系统研究工作，实现隧道衬砌病害数据管理[10]，对提高数据处理效率，降低检测时间和检测成本具有重大意义。

1 病害识别与标注系统总体结构

公路隧道衬砌表观病害识别与标注系统主要包括任务管理模块、图像浏览模块、图像标注模块和报告生成模块，各个模块之间功能有衔接也有交叉。其中任务管理模块可实现任务信息、隧道信息和图像数据的管理；图像浏览模块可实现图像分层、病害识别、图像对比等功能；病害标注模块可实现隧道衬砌表观病害标注、病害信息录入等功能；报告生成模块可实现隧道衬砌表观病害的统计以及隧道衬砌表观病害图和隧道衬砌表观病害统计表的导出功能。系统总体结构如图1所示。

图1 公路隧道衬砌表观病害识别与标注系统

2 病害识别与标注系统设计

2.1 任务管理

为实现任务信息、隧道信息和图像数据的管理，需规定图像数据存储所在文件夹的命名方式，从而自动读取被检测隧道所在路段的名称、隧道名称、检测时间、隧道长度、隧道桩号、是否为三车道隧道等信息。命名方式如下所示：

a）一级目录 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）二级目录 ‘左’‘右’（两车道、三车道隧道）为单图文件夹；‘10 m拼接图’（该目录下为10 000×21 000的10 m拼接图，格式为PNG，命名规则为1、2、3…）。

c）三级目录 二级目录‘左’下三级目录名为01，02，03，二级目录‘右’下三级目录名为 01，02，03（两车道隧道）或 00，01，02，03（三车道隧道），格式为JPG，命名规则为 1、2、3…。

d）起止桩号（分增大或减小两种情况，需要判定）：ZK50+680—ZK50+53，ZK为左洞，桩号减小；YK（或K）为右洞，桩号增大；上行或下行的判定方法：上行为桩号增大，下行为桩号减小。

e）隧道长度 起止桩号相减，并取绝对值，单位：m。例：ZK50+680—ZK50+53，隧道长度为 |(50×1000+680)-(50×1000+53)|=627 m；另外，起止桩号可能为小数，例如ZK50+580.24。

根据以上命名规则，系统便可通过读取文件夹名称来获取任务信息、隧道信息，实现图像数据的管理。

2.2 图像浏览

大图图像像素大小为10 000×21 000（W×H，W固定为10 000，H为21 000左右）；小图图像像素为2 500×4 500（W×H），格式为 PNG，24位。10 m大图的宽度方向对应显示屏的宽度方向，10 m大图的高度方向对应显示屏的高度方向。图像浏览模块包括以下功能。

2.2.1 图像的顺序浏览

图像浏览窗口上方可按照单张进行上下张切换、跳转；利用图像浏览窗口下方快捷键“↑”“↓”“←”“→”进行图像区域切换，鼠标停留时显示缩略图。

2.2.2 图像的缩放

图像可随“滚轮”缩放，缩放比例不受限制；可以通过“下拉菜单”选择固定的缩放比例，分为12.5%、50%、100%、200%。

2.2.3 图像对比功能

图像对比功能是通过调用已标定好含有0.2 mm、0.4 mm、0.6 mm、0.8 mm、1 mm、2 mm、3 mm 裂缝宽度信息的对比卡（对比卡为一张图片）与已标注的衬砌裂缝进行对比，进一步复核所标注衬砌裂缝的精度。

点选“图像对比”按钮，在图像浏览区域内，以鼠标位置为中心，从当前浏览图片中裁出400×300像素的原图，以100%的缩放比例在新的弹出窗口中显示，弹出窗口跟随鼠标移动。同时加载对比卡图片，并与调出的原图并排查看。

2.3 病害标注

病害标注有分区域标注与不分区域标注两个模式，系统操作人员可根据具体情况来选择所需模式进行病害标注。

2.3.1 不分区域标注流程

a）在浏览模式下对裂缝进行描点，鼠标右键结束描点，弹出病害信息属性对话框，鼠标光标放在该裂缝最宽处。

b）点选“图像对比”按钮，弹出图像对比卡，识别出该条裂缝宽度后，在图像处理软件界面左侧单击选择裂缝宽度，点击病害属性信息对话框确定按钮，结束此条裂缝的标注。

2.3.2 分区域标注流程

a）在进行病害标注之前，在图像处理软件左上角依次选择“衬砌材质”和“缩放比例”。衬砌材质分为水泥和防火涂料；缩放比例基准比例（缩放比例为100%）下的图片区域大小为5 000×2 200（W×H，在W方向上固定为5 000，H方向上前9个区域大小为2 200，第10个区域大小为10 m大图宽度2 200×4，基准比例根据软件完成后的测试结果作小幅度更改）。

b）按照基准比例，10 m大图划分为20个区域，各个区域间做虚拟分隔处置，分割线为黄色虚线。各个区域命名为Aij（i为宽度方向，j为高度方向）。

c）以裂缝标注为例，点击A11，开始进行标注，该区域内图片全屏显示，所有任务栏隐藏，如若裂缝跨越A11、A12、A22三个区域，依次单击选择裂缝起始点、拐点、终止点，终止点选择后点击鼠标右键结束选点，弹出病害属性对话框，图像处理软件界面任务栏出现，软件界面显示所有区域，在图像处理软件界面左侧选择裂缝宽度，点击病害属性信息对话框确定按钮，结束此条裂缝的标注，光标自动返回A11。注：病害标注过程中区域切换使用“↑”“↓”“←”“→”快捷键或鼠标单击选择区域。在没有选点的情况进行区域切换，则表示上一个区域已经标注完成。

d）为剔除病害数据库里的无用信息，提高软件运行效率，在病害标注时仅记录标注元素的相关信息，不对原始大图进行修改。例如在标注裂缝时，只是以原始大图为背景进行标注，同时记录裂缝线段的描点；在标注渗水等病害时，只记录矩形框中心点的位置及矩形框大小等信息，在生成报告压缩小图时需经过一定的计算，考虑由于图像压缩之后标注元素的位置信息变化，再将变换过的标注元素画在压缩之后的小图上。

2.4 报告生成

报告生成模块的主要功能是实现隧道衬砌表观病害的统计以及隧道衬砌表观图和隧道衬砌表观病害统计表的导出。

a）隧道衬砌表观图为 30 m、50 m、100 m三种；隧道衬砌区域分为左边墙、左拱腰、拱顶、右拱腰、右边墙，并根据相关规范绘出分界线，分界线为蓝色虚线；刻度间隔为10 m，刻度名称为对应桩号，并描绘出分界线，分界线为黄色虚线；调用之前保存信息，将该张隧道衬砌表观图命名为“XX隧道（XX方向）第n张/共m张 检测时间：自行输入”；图片格式为JPG。

b）隧道衬砌表观病害统计表：该表的输出格式为Excel，命名规则为“XX隧道（XX方向）外观缺陷检查结果表”；该表应包含有桩号、距洞口距离、病害位置、病害类型、病害定量描述等相关信息。

3 病害识别与标注系统软件实现

隧道衬砌表观病害识别与标注系统主要包括主界面、导入任务、任务管理、病害识别与标注和报告生成等界面，实现了隧道衬砌表观病害的识别与标注。

3.1 系统主界面及导入任务界面

公路隧道衬砌表观病害识别与标注系统主界面主要包括任务管理、导入任务、病害识别与标注等功能模块。

导入任务界面包括任务管理信息导入模块和任务管理数据库模块。任务管理信息导入模块通过读取隧道衬砌图片所在文件夹，可实现隧道检测时间、隧道名称、隧道长度、隧道起止桩号、路段信息、图像数据等的导入功能；任务管理数据库模块可实现上述信息的智能管理并可根据客户需求导出相应报表，也可人工进行数据库内容的修改。

3.2 病害识别与标注界面

病害识别与标注界面（如图2所示）包括快捷键导航（区域 1）、病害标注（区域 2）、任务选择（区域3）、图像浏览（区域 4）、数据统计（区域 5）等模块。

图2 病害识别与标注界面

快捷键导航模块为操作人员提供快捷键操作功能，可以提高病害识别与标注效率。

病害标注模块可实现浏览模式与标注模式的手动切换，标注模式的自由选择：分区域标注和不分区域标注，衬砌裂缝、衬砌起层、衬砌剥落、渗水、盖板缺失与破损等隧道衬砌表观病害的标注，标准对比卡的调用，病害数据的保存、撤销及返回上一步等功能。

任务选择模块可实现不同检测任务的切换。图像浏览模块可在浏览模式和标注模式下实现隧道衬砌表观图像的自由浏览，包括按光标位置中心的自由缩放、图像浏览区域变换等。另外操作人员可同时放大局部图和图像对比卡复核衬砌病害相关数据，并可根据检测现场实际情况对数据进行调整。

数据统计模块可实现隧道衬砌表观病害的统计功能，还可实现病害数据库与隧道衬砌表观图所包含的病害数据的统一增加、统一删除和统一合并。病害数据包括裂缝长度、宽度和位置，衬砌剥落面积和位置，衬砌起层面积和位置，盖板缺失与破损的面积和位置等。

3.3 报告导出界面

报告导出界面包括全幅图生成模块（如图3所示）和报表导出模块（如图4所示）。其中全幅图生成模块可实现隧道衬砌表观图的按需拼接（30 m拼接、50 m拼接、100 m拼接等）、病害标注信息与隧道衬砌表观背景图的智能融合与导出；报表导出模块可实现隧道衬砌表观病害统计表按需生成在特定的文件目录下。

图3 隧道衬砌表观图展示界面

图4 隧道衬砌表观病害统计表

4 结语

公路隧道衬砌表观病害识别与标注系统具有任务管理、图像浏览、图像标注和报告生成等功能。任务管理模块实现了隧道长度、隧道桩号等相关信息和隧道衬砌表观图像数据的管理；图像浏览模块实现了10 m拼接图的顺序浏览、图像缩放、图像对比等功能；图像标注模块实现了隧道衬砌表观病害的识别与标注；报告生成模块实现了隧道衬砌表观图和隧道衬砌表观病害统计表的自动生成。下一步将继续基于自主研制的隧道智能检测系统，结合工程检测实际优化对隧道衬砌表观病害数据处理流程。