數(shù)字圖像處理技術(shù)在山區(qū)高填方機(jī)場沉降裂縫測量中應(yīng)用探討

【摘 要】數(shù)字圖像處理最早出現(xiàn)于20世紀(jì)50年代，早期的圖像處理的目的是改善圖像的質(zhì)量，它以人為對(duì)象，以改善人的視覺效果為目的。近年來，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅猛發(fā)展，對(duì)數(shù)字圖像處理的研究也達(dá)到了新的高度，使其在各大科學(xué)領(lǐng)域中得到了廣泛應(yīng)用。本文論述了數(shù)字圖像處理技術(shù)在測繪領(lǐng)域中針對(duì)機(jī)場沉降裂縫測量的應(yīng)用，其中著重介紹圖像分割技術(shù)在測繪領(lǐng)域中應(yīng)用設(shè)計(jì)相關(guān)的流程，說明其可行性。

【關(guān)鍵詞】數(shù)字圖像處理，機(jī)場沉降，裂縫測量，流程設(shè)計(jì)

0 引言

圖像本身承載著豐富的信息，是人類獲取和交換信息的主要來源，不僅在理論方面取得顯著的成功，在實(shí)際應(yīng)用當(dāng)中也起到至關(guān)重要的作用。數(shù)字圖像處理技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域與人類的生活息息相關(guān)，不僅是簡單的信息提取，在變形監(jiān)測領(lǐng)域中也得到了廣泛應(yīng)用，包括成功將此技術(shù)應(yīng)用于橋梁裂縫變形監(jiān)測及建筑裂縫變形監(jiān)測的實(shí)例。針對(duì)建設(shè)于地質(zhì)條件復(fù)雜，地形變化大及填方量較大的山區(qū)高填方機(jī)場，由于其存在高填方壓實(shí)困難的問題而導(dǎo)致機(jī)場出現(xiàn)沉降裂縫，對(duì)其進(jìn)行及時(shí)的監(jiān)測和預(yù)測分析可以在很大程度上避免因其變形而致的事故發(fā)生。

1 數(shù)字圖像處理技術(shù)簡介

數(shù)字圖像處理（Digital Image Processing）又稱為計(jì)算機(jī)圖像處理，它是指將圖像信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)并利用，通過計(jì)算機(jī)對(duì)圖像進(jìn)行去除噪聲、增強(qiáng)、復(fù)原、分割、提取特征等處理的方法和技術(shù)。

常用的數(shù)字圖像處理技術(shù)大致分為以下幾種：圖像變換，圖像編碼壓縮，圖像增強(qiáng)和復(fù)原，圖像分割，圖像描述，圖像分類。

2 數(shù)字圖像處理技術(shù)在變形監(jiān)測中的應(yīng)用

目前，將數(shù)字圖像處理技術(shù)在測繪領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用，尤其是在變形監(jiān)測中的應(yīng)用更是取得了不錯(cuò)的效果。

在國內(nèi)研究中，有重慶大學(xué)肖鋒，劉星等人將數(shù)字圖像處理技術(shù)應(yīng)用于建筑裂縫測量研究，該研究側(cè)重于利用普通數(shù)碼相機(jī)采集裂縫數(shù)字圖像，經(jīng)過圖像預(yù)處理、圖像分割、像素標(biāo)定、寬度測量，完成建筑裂縫測量。并利用Matlab實(shí)現(xiàn)該種建筑裂縫測量方法，并通過在理想狀態(tài)下進(jìn)行的模擬試驗(yàn)結(jié)果，證明該測量方法能達(dá)到實(shí)際建筑裂縫監(jiān)測工程中的精度要求。

另外還有浙江工業(yè)大學(xué)、香港科技大學(xué)李文炳，馮平等人將數(shù)字圖像處理技術(shù)應(yīng)用于位移測量 ，所得計(jì)算結(jié)果滿足精度要求等一些成功將數(shù)字圖像處理技術(shù)應(yīng)用于變形監(jiān)測的實(shí)例。

2.1 基于數(shù)字圖像處理技術(shù)的山區(qū)高填方機(jī)場沉降裂縫測量流程設(shè)計(jì)

山區(qū)機(jī)場建設(shè)材料多來源于就地取材，多為風(fēng)化體或爆破體，屬巨粒土，壓實(shí)難度大，對(duì)地基處理不當(dāng)，填料壓實(shí)不夠而導(dǎo)致機(jī)場道面出現(xiàn)不均勻沉降。沉降裂縫危害極大，并且極難處理。因此必須在設(shè)計(jì)上采取有效措施，施工、使用中也要加強(qiáng)觀測、監(jiān)視，及時(shí)發(fā)現(xiàn)和處理裂縫才能有效保證機(jī)場建設(shè)和運(yùn)營的質(zhì)量安全。

基于前人成功將數(shù)字圖像處理技術(shù)應(yīng)用于變形實(shí)例的啟發(fā)，以下就數(shù)字圖像處理技術(shù)在山區(qū)高填方機(jī)場沉降裂縫中的應(yīng)用研究設(shè)計(jì)出相應(yīng)的流程，如圖1所示，并對(duì)此流程進(jìn)行說明：

為了在外業(yè)采集時(shí)得到滿足內(nèi)業(yè)圖像處理要求的沉降裂縫圖像，要求所使用相機(jī)的像素和分辨率不低于一般水平數(shù)碼相機(jī)。同時(shí)，為了減少噪聲和其他干擾因素的影響，提高裂縫的測量精度，圖像采集需要在良好的環(huán)境下進(jìn)行，如適宜均勻的照度、折射度、恰當(dāng)?shù)膱D像采集距離及能夠清楚凸顯裂縫的背景等。

圖像預(yù)處理

外業(yè)采集的圖像為RGB格式的彩色圖像，包含信息豐富，如果直接對(duì)其進(jìn)行有效信息的提取，工作量大。因此，為便于對(duì)裂縫圖像信息的解讀，在不影響裂縫測量精度的前提下需要對(duì)圖像進(jìn)行預(yù)處理。

圖像預(yù)處理的主要任務(wù)是對(duì)所采集圖像上不必要的信息進(jìn)行初步剔除，即先對(duì)圖像以裂縫區(qū)域?yàn)楹诵倪M(jìn)行裁剪，將包含像素標(biāo)定塊的裂縫區(qū)域從大背景下分割提取出來；然后再對(duì)已裁剪分割的裂縫圖像進(jìn)行二值化處理，即將原有RGB格式圖像拉伸處理為灰度圖像。

針對(duì)某些裂縫區(qū)域較窄的圖像，為防止進(jìn)行圖像增強(qiáng)處理時(shí)丟失裂縫信息，在進(jìn)行圖像分割之前，將二值化灰度圖像進(jìn)行灰度形態(tài)學(xué)腐蝕處理。

圖像分割與增強(qiáng)

圖像分割是指將感興趣的信息從圖像中提取出來。在本設(shè)計(jì)中，主要是將“裂縫、像素標(biāo)定格”等信息從圖像中提取出來。對(duì)預(yù)處理中得到的具有合適灰度閾值的二值化圖像進(jìn)行分割，將此閾值與圖像上每個(gè)像素的灰度值進(jìn)行比較，當(dāng)像素值大于閾值時(shí)，灰度取值為255；小于閾值時(shí)，灰度取值為0。在理想狀態(tài)下，經(jīng)過圖像分割后，裂縫與像素標(biāo)定塊的灰度值將全部變?yōu)?（黑色），而背景全部變?yōu)?55（白色），從而可以將裂縫和像素標(biāo)定塊分割出來。

像素標(biāo)定與參數(shù)測量

沉降裂縫最終的圖像處理成果需要用直觀的測量數(shù)據(jù)來表示，而圖像處理是以像素為度量單位。因此，需要將像素單位轉(zhuǎn)換為實(shí)際數(shù)據(jù)，即像素標(biāo)定。一般的像素標(biāo)定方法是在外業(yè)圖像采集時(shí)，將色調(diào)單一的測量標(biāo)尺安置于裂縫一側(cè)，拍攝時(shí)將標(biāo)尺包含至圖像中，再通過標(biāo)尺圖像測量長度與實(shí)際標(biāo)尺長度的比例關(guān)系，從而確定每個(gè)像素對(duì)應(yīng)的實(shí)際長度和面積，即可獲得圖像的采樣間距。

參數(shù)測量包括對(duì)裂縫長度、寬度、面積進(jìn)行測量。以灰度值為0的像素點(diǎn)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)為例，裂縫長度=擬合距離D×每個(gè)像素對(duì)應(yīng)的實(shí)際長度，其中D為以裂縫中心線為標(biāo)準(zhǔn)線的擬合距離。裂縫寬度測量以裂口特征點(diǎn)對(duì)間的像素個(gè)數(shù)來定，分為最大寬度和平均寬度兩個(gè)定量指標(biāo)。裂縫面積=灰度值為0的像素個(gè)數(shù)×每個(gè)像素對(duì)應(yīng)的實(shí)際面積。由于在計(jì)算機(jī)成像系統(tǒng)中像素一般以正方形來表示，因此，裂縫寬度計(jì)算中像素個(gè)數(shù)的計(jì)入以是否超過正方形面積一半為取舍標(biāo)準(zhǔn)。

實(shí)例驗(yàn)證

將以上述方法得到的裂縫信息與傳統(tǒng)方法測量得到的裂縫信息進(jìn)行比較，通過對(duì)測量精度和測量效率方面的分析，從而可以驗(yàn)證數(shù)字圖像處理技術(shù)對(duì)機(jī)場沉降裂縫測量的有效性。

4 總結(jié)

本文通過對(duì)數(shù)字圖像處理技術(shù)在變形監(jiān)測領(lǐng)域中應(yīng)用的了解，設(shè)計(jì)了機(jī)場沉降裂縫數(shù)字圖像處理流程，簡要介紹了如何對(duì)沉降裂縫的圖像進(jìn)行處理，并從中提取出有效信息，諸如像素標(biāo)定和寬度測量等。本文僅在理論研究的層面上進(jìn)行了論述，后期還將通過實(shí)例驗(yàn)證與傳統(tǒng)測量方法作比較分析，判斷其是否能夠滿足精度要求，以此證明數(shù)字圖像處理技術(shù)的有效應(yīng)用對(duì)機(jī)場沉降變形信息提取，及時(shí)對(duì)變形程度做出診斷具有很大的意義。

5 參考文獻(xiàn)

[1] 夏巨武，陳普春等.基于數(shù)字圖像處理的橋梁裂縫測量技術(shù)[J].儀器儀表用戶.2011.01

[2] 肖鋒，劉星等.基于數(shù)字圖像處理技術(shù)的建筑裂縫測量研究[J].北京測繪.2012（05）

[3] 許錄平.數(shù)字圖像處理[M].北京：科學(xué)出版社，2007

[4] 丁可.數(shù)字圖像處理技術(shù)研究與發(fā)展方向[J].經(jīng)濟(jì)研究導(dǎo)刊.2013（18）

[5] 黃健，錢元德.數(shù)字圖像處理在數(shù)字?jǐn)z影測量技術(shù)中的應(yīng)用與實(shí)踐.鐵路航測.2001（03）

基金項(xiàng)目：重慶市研究生科研創(chuàng)新項(xiàng)目（CYS14157）；2013年大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目（201310618004）.

收稿日期：2015-2-5

作者簡介：李靈愛（1991-），女，四川省雅安市人，在讀研究生。