本發(fā)明涉及路面檢測技術領域，特別是一種基于數(shù)字圖像的橋梁路面應變及裂紋檢測分析系統(tǒng)及方法。

背景技術：

隨著我國公路交通基礎設施不斷完善，公路路面尤其是橋梁路面狀況檢測、養(yǎng)護和管理已成為我國公路建設領域的重要任務。路面應變和裂縫是橋面病害的早期特征，直接影響著橋梁壽命和通行安全，具有重大的現(xiàn)實意義。傳統(tǒng)的應變測量等技術不能提供全場的變形數(shù)據(jù)，現(xiàn)有的非接觸路面損傷檢測技術注重檢測速度、檢測范圍，卻集中在單幅路面圖像的處理技術，如采用形態(tài)學處理、結構光投影、小波分析等方法，對路面損傷進行識別和預測。然而基于單相機、單幅圖像的損傷檢測技術只能分析單一載荷狀態(tài)下的路面圖像，無法對不同載荷狀態(tài)下的路面信息進行比較分析，難以發(fā)揮數(shù)字圖像相關技術變形測量精度高的優(yōu)勢，且其信息來源單一且極易受到路面自身紋理的干擾，使得識別難度很大，識別精度難以滿足要求。

技術實現(xiàn)要素：

發(fā)明目的：為克服現(xiàn)有技術的不足，本發(fā)明目的在于提供一種基于數(shù)字圖像的橋梁路面應變及裂紋檢測分析系統(tǒng)及方法，使用該檢測方法檢測橋面時，可以獲取不同載荷狀態(tài)下橋面的數(shù)字圖像，并進行數(shù)字圖像相關運算，以得到橋面的應變場和裂紋位置。

技術方案：為實現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明采用以下技術方案：

一種基于數(shù)字圖像的橋梁路面應變及裂紋檢測分析系統(tǒng)，包括有一定自重的采集車、位于車前或車后且與車身有一定距離的第一套數(shù)字圖像采集設備、位于車身中部的第二套數(shù)字圖像采集設備、以及數(shù)據(jù)處理裝置；其中，

兩套數(shù)字圖像采集設備，用來采集橋梁路面的數(shù)字圖像；

采集車用來承載兩套數(shù)字圖像采集設備，在橋梁路面上一邊行駛一邊進行圖像采集；

數(shù)據(jù)處理裝置，用來對采集到的橋面圖像進行運算，得到橋梁路面圖像的位移場、應變場和裂紋信息。

進一步優(yōu)選，所述數(shù)據(jù)處理裝置包括預處理模塊和相關運算模塊，所述預處理模塊用來對所采集到的兩組處于不同載荷狀態(tài)下橋面圖像中的同一路段圖像進行一一對應；所述相關運算模塊用來將一一對應的圖像進行相關運算，得到位移場、應變場和裂紋信息。

進一步優(yōu)選，兩套數(shù)字圖像采集設備具有相同的規(guī)格，相同的照明設備，相同的分辨率，且觀測方向相同。

所述數(shù)字圖像采集設備為單相機、多相機、或相機陣列。

一種基于數(shù)字圖像的橋梁路面應變及裂紋檢測分析方法，包括如下步驟：

(1)將兩套規(guī)格相同的數(shù)字圖像采集設備安裝于有一定自重的采集車上，第一套安裝在車前或車后且與車身有一定距離，第二套安裝于車身中部；

(2)將采集車以速度v勻速行駛通過待測橋面，兩套數(shù)字圖像采集設備以頻率f連續(xù)采集橋面的數(shù)字圖像，數(shù)字圖像采集設備的視場大小為h；滿足公式2fh>3v以使采集到的數(shù)字圖像能夠完整覆蓋待測橋面。

(3)兩套數(shù)字圖像采集設備采集到兩組處于不同載荷狀態(tài)下橋面的數(shù)字圖像后，將兩組數(shù)字圖像中，對橋面同一路段采集的圖像進行一一對應；

(4)利用橋面的自然紋理作為路面變形信息的載體，將一一對應的圖像進行數(shù)字圖像相關運算，得到位移場和應變場，識別局部應變較大處或位移不連續(xù)處即為裂紋產(chǎn)生或擴展的位置。

有益效果：與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明具有以下技術效果：

(1)橋梁路面無損；與工業(yè)領域中以應變片為代表的傳統(tǒng)接觸式測量技術相比，本發(fā)明采用了光學測量技術，不需要與橋面直接接觸，且對橋面沒有損傷，不會限制橋面變形；

(2)能夠獲取全場信息；與傳統(tǒng)的單點式測量相比，本發(fā)明涉及的圖像采集設備能夠覆蓋整個橋面，實現(xiàn)橋面無遺漏的圖像采集；利用橋面本身的紋理作為特征進行圖像運算，獲取整個橋面的全場信息；

(3)能夠獲取橋面處于不同的載荷水平下的數(shù)字圖像；現(xiàn)有的橋面監(jiān)測技術大多僅能夠獲取單一載荷狀態(tài)下的路面圖像，無法對不同載荷狀態(tài)下的路面信息進行比較分析，極易受到路面自身紋理的干擾，使得識別難度很大，識別精度難以滿足要求，且難以發(fā)揮數(shù)字圖像相關技術變形測量精度高的優(yōu)勢；本發(fā)明使用規(guī)格相同的兩套數(shù)字圖像采集設備并調整其位置，使其能夠采集處于不同載荷狀態(tài)下的橋面圖像，用于后續(xù)數(shù)據(jù)處理；

(4)高精度橋面應變測量和裂紋檢測；本發(fā)明使用高精度的數(shù)字圖像相關技術對處于不同載荷下的橋面圖像進行分析，數(shù)字圖像相關技術的位移精度能夠達到0.01像素，因此本發(fā)明能夠獲得高精度橋面位移和應變場；對橋面高精度應變場進行分析，根據(jù)裂紋產(chǎn)生和擴展處會在載荷發(fā)生變化時產(chǎn)生位移變化不連續(xù)、局部應變急劇增大的現(xiàn)象，確定局部應變較大處或位移不連續(xù)處為裂紋產(chǎn)生或擴展的位置，顯著提高裂紋檢測效果。

附圖說明

圖1是本發(fā)明涉及的檢測設備示意圖。

圖中：1-第一套數(shù)字圖像采集設備的光源，2-第一套數(shù)字圖像采集設備，3-第二套數(shù)字圖像采集設備的光源，4-第二套數(shù)字圖像采集設備，5-采集車，6-未變形的橋面，7-因采集車自重而輕微變形的橋面。

圖2為本發(fā)明方法中裂紋識別的示意圖，(a)不連續(xù)的位移場；(b)局部突變的應變場。

具體實施方式

下面結合附圖對本發(fā)明的技術方案做進一步的詳細說明：

如圖1所示，本發(fā)明實施例公開的一種基于數(shù)字圖像的橋梁路面應變及裂紋檢測分析系統(tǒng)，主要包括采集車5、第一套數(shù)字圖像采集設備2、第二套數(shù)字圖像采集設備4以及數(shù)據(jù)處理裝置。其中采集車5有一定自重(橋梁負荷范圍內2噸以上)，利用車身較大的自重對橋梁進行加載，還可根據(jù)需要對車身增加配重。兩套數(shù)字圖像采集設備2和4可以是單相機、多相機或相機陣列等，兩套數(shù)字圖像采集設備2和4距離橋面的高度相同，光軸與橋面垂直，且觀測方向相同，具有相同的規(guī)格，相同的照明設備(光源1和3)，相同的分辨率。數(shù)據(jù)處理裝置圖中未示出，由采集車采集圖像后再后期處理。采集車5承載兩套數(shù)字圖像采集設備，在橋梁路面上一邊行駛一邊進行圖像采集。第一套數(shù)字圖像采集設備2位于采集車5前方或后方，第二套數(shù)字圖像采集設備4位于采集車5中部，兩套數(shù)字圖像采集設備相距不小于3米。兩套數(shù)字圖像采集設備由于位置不同且二者之間存在一定距離，所以二者拍攝的橋面在同一時刻處于不同的載荷水平，因而處于不同的變形狀態(tài)。

本發(fā)明實施例公開的一種基于數(shù)字圖像的橋梁路面應變及裂縫檢測分析方法，包括以下步驟：

步驟1、將兩套規(guī)格相同的數(shù)字圖像采集設備安裝于有一定自重的采集車上，第一套安裝在車前或車后且與車身有一定距離，第二套安裝于車身中部；兩套設備規(guī)格相同，觀測方向相同；

步驟2、將采集車以一定的速度勻速行駛通過待測橋面，兩套數(shù)字圖像采集設備以一定的頻率連續(xù)采集橋面的數(shù)字圖像；滿足公式2fh>3v(v為采集車的速度，f為數(shù)字圖像采集設備采集頻率，h為數(shù)字圖像采集設備的視場大小)，在采集兩幅連續(xù)圖像的時間間隔內，采集車行駛的距離不應超過任意一套數(shù)字圖像采集設備的視場范圍，以保證觀測過程中不會因采集車速度過快而出現(xiàn)橋面漏檢的現(xiàn)象，使采集到的數(shù)字圖像能夠完整覆蓋待測橋面。

步驟3、兩套數(shù)字圖像采集設備能夠采集兩組處于不同載荷狀態(tài)下橋面的數(shù)字圖像；將兩組數(shù)字圖像中，對橋面同一路段采集的圖像進行一一對應；采集車以速度v勻速行駛通過待測橋面，兩套數(shù)字圖像采集設備以頻率f連續(xù)采集橋面的數(shù)字圖像，兩套數(shù)字圖像采集設備間距為d；則第一套數(shù)字圖像采集設備所采集到的圖像序列中，第1幅圖像a1對應的橋梁路段，與第二套數(shù)字圖像采集設備的圖像序列中第1+df/v幅圖像b1+df/v的路段相對應，以此類推；若df/v不是整數(shù)，則a1與其附近兩幅相鄰圖像的部分分別對應。實際使用中可以通過合理設置車速v、兩套數(shù)字圖像采集設備間距d和采集頻率f使采集到的兩組圖像的路段準確匹配。

步驟4、利用橋面的自然紋理作為路面變形信息的載體，將一一對應的圖像進行數(shù)字圖像相關運算，得到位移場和應變場；裂紋產(chǎn)生和擴展處會在載荷發(fā)生變化的情況下產(chǎn)生位移變化不連續(xù)、局部應變急劇增大的現(xiàn)象，因此對計算結果以局部應變較大處或位移不連續(xù)處為裂紋產(chǎn)生或擴展的位置。如圖2所示，位移場中的不連續(xù)處和應變場中的局部突變處都可以對裂紋進行識別。

在步驟4中，數(shù)字圖像相關算法為現(xiàn)有技術。例如，期刊名稱為《光學學報》，2013年04期，公開了名稱為《使用雙遠心鏡頭的高精度二維數(shù)字圖像相關測量系統(tǒng)》的文章中公開了數(shù)字圖像相關算法。

本發(fā)明使用數(shù)字圖像采集設備對橋梁路面進行檢測，天然具有光學測量方法的無損、非接觸、全場、速度快的優(yōu)點。采集車上安裝有兩套數(shù)字圖像采集設備，通過采集車在橋面上行駛，數(shù)字圖像采集設備可以完整地采集整個橋面的圖像。利用路面本身的顆粒和紋理作為圖像特征和路面信息的載體，不需要對橋面進行額外的處理。

現(xiàn)有的路面裂縫檢測技術基本是以采集車搭載單相機的方案對路面實現(xiàn)圖像采集，同時也存在以相機陣列代替單相機的技術方案，用以拓寬相機觀測范圍。無論采取何種方案，都只能采集路面在單一載荷狀態(tài)下的數(shù)字圖像，再采用形態(tài)學處理、結構光投影、小波分析等方法，對路面損傷進行識別和預測。首先信息來源比較單一，且極易受路面顆粒和紋理的干擾，使得識別難度較大，精度不能滿足要求。更重要的是，由于缺乏不同載荷狀態(tài)下的路面信息，無法對不同變形狀態(tài)下的路面進行比較分析，難以發(fā)揮數(shù)字圖像相關技術高精度的優(yōu)勢。

本發(fā)明利用采集車身作為載荷施加在橋梁路面上，橋梁的受力狀態(tài)可簡化為典型的四點彎梁。四點彎梁的純彎曲段和橫力彎曲段載荷大小不同，以采集車車輪為分界線，而兩套數(shù)字圖像采集設備則剛好分別處在純彎曲段和橫力彎曲段，因此兩套數(shù)字圖像采集設備能夠采集到處于不同載荷狀態(tài)下的橋面圖像，等效于分別獲取了只有初始載荷以及同時有初始載荷和增量載荷狀態(tài)下的橋面圖像。利用數(shù)字圖像相關技術，充分發(fā)揮其位移和應變測量精度高的優(yōu)勢，對不同載荷狀態(tài)下的橋面圖像進行運算，得到橋面的全場位移和應變信息。由于裂紋產(chǎn)生和擴展處會在載荷發(fā)生變化的情況下產(chǎn)生位移變化不連續(xù)、局部應變急劇增大的現(xiàn)象，對觀測結果進行分析，可以確定局部應變較大處或位移不連續(xù)處為裂紋產(chǎn)生或擴展的位置。本發(fā)明利用車身對橋梁施加載荷，獲取更多與橋梁損傷有關的信息，再結合數(shù)字圖像相關技術精度高的優(yōu)勢，因而能夠更加準確地檢測橋梁路面的損傷，顯著提高裂紋檢測效果，為橋梁的健康監(jiān)測、壽命預測以及橋梁的維修養(yǎng)護提供直觀的數(shù)據(jù)參考。

以上內容是結合具體的優(yōu)選實施方式對本發(fā)明所作的進一步詳細說明，不能認定本發(fā)明的具體實施只局限于這些說明。對于本發(fā)明所屬技術領域的普通技術人員來說，在不脫離本發(fā)明構思的前提下，還可以做出若干簡單推演或替代，都應當視為屬于本發(fā)明的保護范圍。