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摘要：隧道病害是威脅隧道內(nèi)行車安全運行和縮短使用壽命的主要原因，因此如何高效率、準確地進行隧道檢測，及時發(fā)現(xiàn)隧道病害，是隧道工程研究的一大熱點。本文通過對基于攝像測量和激光掃描的隧道病害快速檢測技術進行分析總結，分析兩種類型的隧道病害快速檢測技術的優(yōu)缺點，提出隧道檢測技術的發(fā)展方向，對隧道工程的檢測工作和建立完善的檢測系統(tǒng)具有重要指導意義。
關鍵詞：隧道危害；檢測技術；研究現(xiàn)狀
我國經(jīng)濟迅速發(fā)展，已經(jīng)成為世界上隧道工程數(shù)量最多、增長最快的國家，據(jù)調(diào)查研究發(fā)現(xiàn)，公道工程中的隧道病害在生活中普遍存在，嚴重威脅隧道內(nèi)的行車安全和乘客的人身安全，對隧道的運營造成不便。因此需要對隧道病害進行檢測。傳統(tǒng)的檢測技術已經(jīng)不能滿足人們的對隧道病側檢測的需求。隧道病害快速檢測技術是利用各種形式的傳感器探測隧道襯砌的情況，形成影像圖，再通過圖像處理技術對隧道病害進行詳細的檢測和病害分類[1]。由于探測的傳感器不同，可以分為攝像測量快速檢驗技術和激光掃描快速檢測技術這兩類。
1攝像測量快速檢測技術
攝像測量快速檢測技術是利用工業(yè)相機等設備對隧道襯砌表面進行快速連續(xù)的掃描，形成隧道襯砌表面影像圖，然后利用圖像處理技術和圖像識別功能從襯砌影像圖中提取病害信息，并繪制病害展開圖。攝像測量快速檢測技術是一種基于數(shù)字信息和數(shù)字影像技術及自動控制手段的非接觸式快速檢測技術，具有檢測速度快，效率高，精度高，數(shù)據(jù)自動化處理等優(yōu)點。下面介紹的是在隧道病害監(jiān)測領域內(nèi)利用攝像測量快速檢測技術比較典型的機構及其測量系統(tǒng)。
1.1隧道病害快速無損檢測系統(tǒng)
日本計測檢查株式會社提出的隧道病害快速無損檢測系統(tǒng)比較典型，現(xiàn)在廣泛的應用在隧道病害的檢測中。它包括CCD工業(yè)相機、移動高亮度光源、臺架、發(fā)電設備等組成。它的相機圖像分辨率是0.3mm/像素，采用的是商業(yè)化軟件Crack-Draw21作為病害識別分析用系統(tǒng)，在Crack-Draw21軟件中看到病害沿著隧道拱頂?shù)恼归_圖，并依據(jù)展開圖評估隧道內(nèi)的安全狀況和病害位置。這種系統(tǒng)本能完全自動識別病害，需要人工修正和計算機自動識別相結合才能全面識別病害，從而使人工修正有較大的工作量。近年來，隧道病害快速無損檢測系統(tǒng)在隧道病害檢測和施工質量控制上應用廣泛。
1.2日本鐵道技術研究所研發(fā)的公路隧道病害快速檢測系統(tǒng)
該系統(tǒng)利用車載線掃描相機（圖像分辨率為5000像素/行）沿著線掃描方向對隧道進行掃描檢測。它所使用的圖像分析方法是對源圖像進行中值濾波和直方圖歸一化處理，并將陰影進行修正，通過應用動態(tài)閥門值得方法進行圖像二值化處理，再利用膨脹和腐蝕等數(shù)學形態(tài)學運算方法除去孤立點并將連續(xù)裂縫提取出來。它包括工業(yè)相機、高能金屬鹵化物、編碼器和自動對焦系統(tǒng)等組成。由于這個方法的工業(yè)相機圖像分辨率不佳和沒有考慮裂縫的幾何形態(tài)，導致檢測的裂縫最小寬度比實際值大。
1.3移動式機器人系統(tǒng)
移動式機器人系統(tǒng)是韓國漢陽大學機械工程系首先應用于檢測隧道襯砌病害。它是由圖像采集系統(tǒng)、自動調(diào)焦系統(tǒng)、光學系統(tǒng)、掃描系統(tǒng)、防震系統(tǒng)、圖像存儲系統(tǒng)、圖像處理系統(tǒng)和病害識別系統(tǒng)組成。機器人系統(tǒng)帶著CCD工業(yè)相機、減振器、編碼器等設備對隧道進行連續(xù)掃描，得到襯砌影像，通過圖像處理系統(tǒng)和病害識別系統(tǒng)，形成病害展開圖并得到病害幾何信息。該系統(tǒng)的圖像分析系統(tǒng)是應用Sobel和 Laplacion算子識別隧道的裂縫邊緣，再應用Gaussian濾波器降噪，通過設定的閾值識別裂縫，最后應用圖搜索算法提取裂縫[2]。這個系統(tǒng)能夠檢測隧道裂縫的長度和寬度等參數(shù)，但由于采用的是普通圖像處理技術，沒有注意到裂縫的幾何形態(tài)，所以導致了病害識別準確度較低。工業(yè)相機CCD的分辨率很高，因此隧道病害檢測進度也很高。
2激光掃描快速檢測技術
激光掃描快速檢測技術是利用激光掃描器和紅外線距離傳感器對目標表面形態(tài)進行采集，主要是通過掃描有一定分辨率的空間點組成的云點，利用圖像傳感器將掃描完的云點信息轉化為數(shù)字信號，將數(shù)字信號直接傳遞給計算機系統(tǒng)，經(jīng)過處理后，得到目標表面三維坐標數(shù)據(jù)，經(jīng)過建立立體模型或者量算后，形成三維視頻圖像，這一系列的工作過程是熟路采集和處理的不斷重復的過程。隧道病害激光掃描快速檢測技術是通過激光器連續(xù)掃描隧道襯砌，得到隧道襯砌表面影像圖。許多國家都在研究者方面，并取得很大進展，一些公司已研發(fā)出商業(yè)化檢測系統(tǒng)。
2.1德國SPACETEC TS3檢測系統(tǒng)
德國SPACETEC TS3檢測系統(tǒng)由激光掃描器、紅外線掃描儀、測距儀、設備箱、編碼器和控制平臺等部分組成。運用非接觸測量技術對隧道外觀質量如襯砌裂縫、 露筋、滲漏水等進行檢測，其使用的測量介質為激光和紅外線。它是由德國SPACETEC公司首先研發(fā)出來的，在檢測隧道過程中可以生成視覺影像、熱影像和輪廓記錄。通過德國SPACETEC TS3檢測系統(tǒng)能夠找出隧道襯砌表面的全部病害，準確判斷病害是否發(fā)展。這個系統(tǒng)不需要固定光源，成像質量高，能在任何檢測車上安裝并使用，能夠全方面地掃描檢測處隧道襯砌滲水問題，以及滲水面積、裂縫的寬度和位置等信息。這種檢測技術掃描速度快，檢測精度高，能同時獲得三維圖像，檢測圖片更清晰，可對病害的發(fā)展進行分析對比，能夠更全面、更客觀和高效率的檢測隧道，是世界上最先進的非接觸式的隧道病害檢測系統(tǒng)。
2.2瑞士 GPR5000檢測系統(tǒng)
瑞士 GPR5000檢測系統(tǒng)是通過利用激光掃描儀全方位掃描檢測隧道，獲得隧道的高清影像圖。將隧道內(nèi)裂縫長度、寬度、位置和滲水面積等參數(shù)輸入到Excel表格中分析其圖形報表，這些參數(shù)通過是計算機自動計算得到的。瑞士 GPR5000檢測系統(tǒng)是一個集精密機械制造、高工業(yè)標準、高精度傳感器以及多種功效顯著的實用功能為一體的檢測系統(tǒng)，能充分滿足用戶對隧道檢測病害、精度和實用性的要求。該系統(tǒng)中的激光掃描儀能夠掃描獲得50萬個/秒測點斷面數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)中包括了掃描位置的反射率和幾何尺寸信息等。當在軌道行走的小車上的高速旋轉的激光掃描儀發(fā)射出的激光對隧道表面進行全斷面掃描，經(jīng)過對發(fā)射和接收的激光信號的分析，得到襯砌內(nèi)表面的影像圖，并得知隧道襯砌表面各點和軌道中心線的距離。以上的測量結果是對隧道表面安全狀態(tài)評估的基礎資料。
瑞士 GPR5000檢測應用在隧道病害識別和分析方面形成了專業(yè)的商業(yè)化軟件Tunnel Map，該軟件可充當隧道病害采集和狀態(tài)評價系統(tǒng)，用于觀察和收集已有建筑的結構數(shù)據(jù)，根據(jù)測點的幾何信息對隧道進行限界分析，還可分類標注各種病害，如裂縫和滲水區(qū)域等。病害展開圖具有坐標信息，可自動計算并統(tǒng)計裂縫長度和滲水面積等病害的幾何尺寸，這些數(shù)字化的信息和數(shù)據(jù)可作為隧道安全狀態(tài)評估的依據(jù)[3]。
2.3法國ATLAS 70檢測系統(tǒng)
法國ATLAS 70檢測系統(tǒng)是由法國HGH紅外系統(tǒng)公司開發(fā)的多傳感器隧道無損快速檢測技術，它包括激光掃描傳感器、紅外掃描傳感器、測距儀和計程儀等設備。通過激光掃描并將信息傳遞給測距儀和計程儀等設備，從而得到隧道裂縫尺寸和滲水的面積等信息，有利于隧道病害的全方位檢測[4]。為隧道病害的自動識別和安全狀態(tài)提供了自動化平臺，但是法國ATLAS 70檢測系統(tǒng)主要以人工分析為主進行病害檢測的。法國ATLAS 70檢測系統(tǒng)適用于簡單易操作的環(huán)境，每個處理器可以執(zhí)行多個控制任務，實現(xiàn)了檢測系統(tǒng)卓越的性能，提高了檢測隧道病害的全面性和高效性。
3兩種檢測技術的對比分析
經(jīng)過上述對攝像測量快速檢測技術和激光掃描快速檢測技術的研究，并且詳細分析了各個檢測技術較為典型的測量系統(tǒng)，從而對這兩種檢測技術的主要內(nèi)容和特點進行了歸納總結如表1，并分析了這兩種檢測技術的優(yōu)缺點。
表1隧道病害快速檢測技術對比
攝像測量隧道病害快速檢測技術由于工業(yè)相機的分辨率很高，尤其是線陣工業(yè)CCD，分辨率高達0.2mm/像素，經(jīng)掃描后得到的襯砌影像圖像素也很高，能夠更加精準的檢測出隧道內(nèi)較細微的裂縫。但是，攝像測量隧道病害快速檢測技術需要均勻性好的光源，光源均勻性的優(yōu)劣，直接影響了圖像成像的質量，從而決定圖像識別算法的效果[5]。此外，這種檢測技術需要人工修正和計算機自動識別相結合才能完全自動識別隧道病害，由此產(chǎn)生的人工修正工作量就很大。
激光掃描隧道病害快速檢測測技術是利用激光掃描器掃描。它的優(yōu)點是不需要特定的光源，從而成像質量較高。但是它的缺點是圖像分辨率較低，例如瑞士 GPR5000檢測系統(tǒng)的圖像分辨率僅是5
Mm/像素，而且不能對隧道病害病害進行自動識別。這種檢測技術是以人工分析為主，激光掃描檢測技術只是為隧道襯砌病害和分析提供一個數(shù)字化管理平臺，仍然需要檢測人員的經(jīng)驗來進行病害識別和分析，因此分析結果的客觀性不高，受檢測人員的影響。隧道病害的數(shù)字攝像測量和激光掃描技術的將是今后隧道病害快速檢測技術的發(fā)展方向。
4結論
隨著科學技術的不斷發(fā)展，隧道病害檢測技術也在不斷進步。病害的自動識別和評估、病害檢測結果精確化是今后隧道病害快速檢測技術的研究熱點。基于攝像測量和激光掃描的隧道病害快速檢測技術使病害檢測更加的客觀、迅速的檢測隧道病害。通過研究這兩種隧道病害快速檢測技術，并進行了對比分析，得出兩種檢測技術的優(yōu)缺點。攝像測量隧道病害快速檢測技術和激光掃描隧道病害快速檢測測技術，它們能改善傳統(tǒng)隧道病害檢測的不足，是隧道病害快速檢測技術的發(fā)展方向，為隧道病害檢測提供指導作用。
參考文獻：
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[5]聶智平，朱少華，趙白文等.關于某隧道群病害原因分析及結構安全性評估[J]，華中科技大學學報(城市科學版)，2003，3：42-45
