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基于数字图像处理的路面裂缝提取方法研究

基于数字图像处理的路面裂缝提取方法研究

作者：李润青长安大学

学位级别：硕士

道路建设及发展在全国乃至全世界的交通基础设施中都占据着举足轻重的地位。然而在道路的使用过程中,不可避免地出现各种破损、坍塌和变形等病害,给社会经济和交通安全带来威胁和损失。而这些病害都与裂缝相关,由于裂缝的成因、形状以... 详细信息

道路建设及发展在全国乃至全世界的交通基础设施中都占据着举足轻重的地位。然而在道路的使用过程中,不可避免地出现各种破损、坍塌和变形等病害,给社会经济和交通安全带来威胁和损失。而这些病害都与裂缝相关,由于裂缝的成因、形状以及类型的不同,对路面结构的危害性也有很大的区别。因此,裂缝的检测和识别成为了一个热点研究问题,尤其是在图像处理和机器学习等信息技术高速发展的背景下,基于图像特征的裂缝提取就成为了工程应用和科学研究中最为活跃的研究热点。本文的研究目标是利用路面裂缝图像,进行裂缝的提取及分类,总共设计了三个步骤来实现这个目标。(1)首先,论文经过分析裂缝图像的特点后,图像预处理工作包括三个方面:(a)提出了一种基于距离加权的图像缩小算法;(b)设计了一种基于分数阶积分的图像平滑处理模板;(c)改进了一种图像增强的分数阶微分模板算法。通过与传统算法进行对比分析,验证了上述三种算法的优越性。(2)其次,针对裂缝提取问题,分成两个主要部分:(a)提出了一种裂缝中心线特征点的提取算法;(b)基于水动力学的裂缝中线连接算法。基于与传统算法的分析比较,对于明显线状的裂缝图像,新算法能够获得比较好的图像分割效果。(3)最后,针对裂缝分类问题,设计了一种基于SVM的裂缝分类算法,该算法将裂缝目标分成了四个类别。为了辅助裂缝的分类,提出了两种裂缝图像特征构建方法:(a)裂缝目标的计数特征构建方法;(b)裂缝目标的形状特征构建方法。分类算法令人满意。实验表明:(a)论文提出的裂缝图像预处理算法相比于传统算法来说,具有较好的预处理效果;(b)提出的裂缝中心线提取算法能够较为准确地提取具明显线状特征的裂缝;(c)建议的裂缝分类方法拥有较高的裂缝分类精度,在测试集中的平均测试精度可以达到90%以上。

关键词：图像处理裂缝提取分类支持向量机

基于无人机的西部黄土沟壑区采动地裂缝提取方法研究

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基于无人机的西部黄土沟壑区采动地裂缝提取方法研究

作者：杨奇让中国矿业大学

学位级别：硕士

随着煤炭资源开采战略西移,西部成为煤炭生产工业基地。高强度的开采工作导致地表塌陷损伤严重,以地表采动裂缝为主要表现,使得生态脆弱的西部地区环境进一步恶化。为及时、准确地识别出煤矿区采动地裂缝,避免次生地质灾害发生和恢复煤... 详细信息

随着煤炭资源开采战略西移,西部成为煤炭生产工业基地。高强度的开采工作导致地表塌陷损伤严重,以地表采动裂缝为主要表现,使得生态脆弱的西部地区环境进一步恶化。为及时、准确地识别出煤矿区采动地裂缝,避免次生地质灾害发生和恢复煤矿区土地生态环境,本文从地裂缝监测手段和提取方法两方面进行了研究现状调查,结合西部黄土沟壑区复杂的地形地貌,提出了基于低空无人机遥感影像和机器学习技术提取地裂缝的方案,以陕西省榆林市神木县西北部柠条塔煤矿采煤工作面为研究区,识别提取黄土沟壑区采动裂缝,并进一步统计分析裂缝分布特征。具体研究工作如下:(1)提出了基于特征优选的机器学习监督分类地裂缝提取方法。在多尺度分割算法的基础上结合局部方差变化率,对西部黄土沟壑区地裂缝无人机拼接影像进行了最优尺度分割;分析构建了黄土沟壑区的地物特征规则集(光谱、纹理、几何、指数),并基于最小距离准则对特征集进行了优化,确定了15种优选特征;采用支持向量机、K最近邻、随机森林、朴素贝叶斯多种机器学习分类器分类提取采动裂缝,通过分类效果和分类精度的比较,确定SVM分类器总体效果最好。基于优选特征的SVM分类器总体分类精度达到88.97%,Kappa系数到达0.849,裂缝提取精度F1值达到87.87%,Kappa系数达到0.848,四种分类器的整体分类精度均在80%以上。(2)提出了基于深度语义分割的地裂缝识别提取方法。结合黄土沟壑区无人机影像及硬件条件,制作黄土沟壑地貌采动裂缝数据集。提出改进的U-net网络模型,结合了U-Net网络结构高度对称的编码和解码以及跳跃连接技术,在编码过程中引入残差结构加深了网络结构增大了感受野,同时获取深层特征,结合跳跃连接技术,融合底层的裂缝提取特征和浅层的高分辨率特征,实现了地裂缝目标的端到端像素级预测。在性能上和FCN8s、U-net原网络、FPN进行对比,验证了模型的性能的优越性;并对不同数据集进行实验,验证了模型的可移植性。(3)以柠条塔N1212工作面裂缝为实例实现了工作面范围的裂缝识别。通过多种方法的研究对比,采用深度语义分割方法提取采动裂缝,结合数学形态学方法计算并分析了裂缝的特征参数;以黄土沟壑地貌矿区N1212工作面为例,预测并提取出整个工作面范围的裂缝,绘制了地裂缝发育分布图和地裂缝密度图,对工作面裂缝的平面展布形态以及裂缝类型进行了分析。本文研究了多种方法,实现了地裂缝的识别与提取,并分析了裂缝的形状特征与分布特征,为采煤沉陷地质灾害调查监测以及土地复垦生态修复提供数据和技术支持。

关键词：无人机黄土沟壑区采动裂缝语义分割裂缝提取

基于序列影像的土木结构倾斜监测和裂缝提取方法研究

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基于序列影像的土木结构倾斜监测和裂缝提取方法研究

作者：杨帆上海海洋大学

学位级别：硕士

监测建筑物、桥梁和道路等重要土木结构的损伤对保障结构体发挥正常功用,维护生命财产安全等方面具有重要意义。尤其在地震等自然灾害发生后,对土木结构进行损伤监测并做出健康评估是非常迫切的。古塔在经历地震、地质沉降等灾害后极易... 详细信息

监测建筑物、桥梁和道路等重要土木结构的损伤对保障结构体发挥正常功用,维护生命财产安全等方面具有重要意义。尤其在地震等自然灾害发生后,对土木结构进行损伤监测并做出健康评估是非常迫切的。古塔在经历地震、地质沉降等灾害后极易发生倾斜甚至坍塌,从而造成建筑遗产的巨大损失。同样,道路在地震发生后会出现裂缝甚至发生塌陷,严重影响道路交通运输及震后抢险救灾工作。因此,开展对古塔倾斜监测和道路裂缝提取的方法研究具有重要意义。本文基于视频摄影测量系统及无人机获取的序列影像,分别针对古塔的倾斜监测和道路的裂缝提取方法展开研究,主要的研究内容如下:1.古塔倾斜监测方法通常分为接触式测量与非接触式测量两类。接触式测量通常包括各类传感器和全球定位系统(global positioning system,GPS)等,这类方法应用于古塔倾斜监测存在布设不便等缺点。非接触式测量中的地面激光扫描,地面雷达干涉等方法存在测量时间间隔长等问题,难以做到古塔长时间持续地监测。针对以上监测方法中存在的问题,本文提出了一种基于序列影像的古塔倾斜监测方法。该方法利用视频摄影测量系统获取序列影像,解算监测点的三维空间坐标,并据此计算监测点的位移及塔身的倾斜角度。塔的倾斜角度计算通过选择合适的监测点来拟合空间矢量或空间平面,并利用其旋转角度来评估古塔的倾斜变化。这种倾斜角度计算方法仅利用序列影像中有限个监测点的坐标信息,是掌握监测期间古塔倾斜变化的一种简便方法。为了验证该古塔倾斜监测方法的有效性,本研究分别进行了室内模型塔实验和室外奎光塔实验。首先,室内的模型塔实验模拟了塔的倾斜过程,通过视频摄影测量系统连续拍摄整个过程并获取序列影像。对序列影像的处理计算得到,模型塔的倾斜角度从0°逐渐增加到2.5°,这与实验设定的倾斜角度一致,证明了基于序列影像的古塔倾斜监测方法的有效性。之后,在都江堰市进行了为期半年的奎光塔倾斜监测实验。实验表明,奎光塔在监测期间未发生明显倾斜,基本处于稳定状态。2.道路裂缝提取研究中的裂缝数据大多来源于车载相机拍摄或人工拍摄。此类影像采集需要沿公路进行,效率较低,在地震等自然灾害发生后难以快速掌握道路损毁状况。无人机能快速获取大范围区域的影像,将其应用于地震等灾后道路裂缝提取,在速度和范围方面均具有较大优势。针对无人机影像中道路裂缝因狭窄且细小的形态特征而导致裂缝提取精度较低的问题,本文提出了一种基于语义分割的道路裂缝提取方法,构建了基于U-Net的改进裂缝分割网络。该网络模型为提高裂缝分割精度并改善裂缝边缘细节进行了以下三点改进:改善编码器,增添空间与通道双重注意力模块以及改进深浅层信息融合策略。本文提出的网络模型在公共道路裂缝数据集上训练,然后用自制的震后无人机影像数据集进行测试,以此来评估网络模型对新数据的预测性能。结果表明,该方法能有效地预测无人机影像中的道路裂缝,平均交并比m Io U达到77.47%,F1达到98.87%,优于U-Net模型和其他裂缝分割模型。该网络模型用公共数据集快速训练,并能够在新获取的无人机影像上准确预测道路裂缝。这项研究为震后大范围道路裂缝快速提取提供了有效的解决方案。

关键词：序列影像倾斜监测视频摄影测量裂缝提取语义分割

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基于路径形态学的道路裂缝提取

基于路径形态学的道路裂缝提取

作者：王国志武汉大学

学位级别：硕士

随着我国经济的不断发展,道路等基础建设日益完善,我国的道路里程总数已达到世界之最,道路养护问题成为道路交通部门不可忽视的首要任务。路面裂缝是道路中最常见的病害之一,严重影响着道路使用寿命和车辆的行驶安全。快速精确地识别出... 详细信息

随着我国经济的不断发展,道路等基础建设日益完善,我国的道路里程总数已达到世界之最,道路养护问题成为道路交通部门不可忽视的首要任务。路面裂缝是道路中最常见的病害之一,严重影响着道路使用寿命和车辆的行驶安全。快速精确地识别出道路中的裂缝有利于相关交通部门对道路的及时维护,延长道路使用寿命,降低车辆行驶安全。传统的人工检测方式效率慢,且容易受外界因素干扰,检测精度和时间都得不到保证,而基于图像处理的裂缝自动检测是研究的核心内容。本文针对裂缝图像的去噪增强以及裂缝识别提取,开展了如下研究:(1)基于路径形态学和中值滤波的裂缝图像去噪增强:综合考虑数据采集过程、路面自身路况及道路周围外界环境分析裂缝图像中所有可能存在的噪声类型,根据噪声的图像特点进行分类.:局部小范围的非线状噪声和大面积的区域噪声。分别采用路径形态学和中值滤波的方法,在保护裂缝自身线状结构的同时,剔除图像中复杂背景干扰噪声。路径形态学和中值滤波的联合去噪为后续裂缝的高精度提取提供了优质的数据。(2)基于Gabor滤波器组的裂缝识别提取研究:剖析裂缝的形成原因,从灰度、形状、纹理等多个方面对路面图像中的裂缝特点进行总结分析,提出用二维Gabor滤波器组提取不同宽度、长度、方向的裂缝。根据裂缝宽度、灰度、结构等特征的分析,配置合理的Gabor滤波器组参数,分别对简单结构的裂缝、复杂结构裂缝、复杂背景下的裂缝图像展开实验,实验表明该方法可以有效地提取图像中的裂缝。(3)二维Gabor滤波器的快速计算研究:Gabor滤波器作为最接近于人眼视觉表层神经元的算法,广泛地应用于边缘提取、线状目标识别等诸多领域。但是Gabor滤波器计算量太大,一个多尺度多方向的Gabor滤波器组的计算时间很长。因此本文通过对二维Gabor滤波器原理的研究,将二维Gabor卷积核近似正交分解为两个一维卷积核,并基于GPU的多线程图像处理方法实现Gabor算子的CUDA计算。

关键词：裂缝提取路径形态学中值滤波 Gabor滤波器

基于Hessian矩阵的线形结构搜索路面裂缝提取方法

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计算机与现代化 2017年第9期 61-66页

作者：朱春省蔡倩徐贵力李振华王正兵南京航空航天大学自动化学院江苏南京211106

针对目前三维路面裂缝提取方法效果不佳的问题,提出一种基于Hessian矩阵的线形结构搜索路面裂缝提取方法。首先针对路面深度图像对比度弱、多干扰等问题,根据裂缝的几何特性和灰度特征,给出基于分段函数的路面深度图像预处理方法;然后... 详细信息

针对目前三维路面裂缝提取方法效果不佳的问题,提出一种基于Hessian矩阵的线形结构搜索路面裂缝提取方法。首先针对路面深度图像对比度弱、多干扰等问题,根据裂缝的几何特性和灰度特征,给出基于分段函数的路面深度图像预处理方法;然后针对基于Hessian矩阵的多尺度路面裂缝粗提取方法,存在的裂缝提取不连续和对噪声敏感的问题,根据裂缝局部方向的一致性和噪声的离散性特点,给出基于线形结构约束的路面裂缝精提取方法。实验结果对比表明,本文方法适应于不同尺度和程度的路面裂缝提取,较文献[5]的方法完整度提高了10%以上,正确率提高了2%以上,而耗时几乎相同;较文献[15]的方法完整度提高了6%以上,正确率提高了1%以上,但耗时约为该方法的1/3。

关键词：深度图像分段函数裂缝提取线形结构

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基于三维点云的结构表面裂缝提取方法

工程质量 2024年第11期42卷 73-79页

作者：吴玉龙张昊宇张忠举昆山市建设工程质量检测中心江苏昆山215337 南京理工大学江苏南京210094 中国水利水电第十工程局有限公司四川成都611830

裂缝识别是构建裂缝表面三维点云的基础,而获取高质量的点云是提取裂缝边缘信息的关键环节。针对传统裂缝图像无法关注裂缝所在混凝土结构全貌,提出一种基于三维点云的裂缝去噪和投影方法,利用改进的U-net 网络识别并标注图像中的裂缝区... 详细信息

裂缝识别是构建裂缝表面三维点云的基础,而获取高质量的点云是提取裂缝边缘信息的关键环节。针对传统裂缝图像无法关注裂缝所在混凝土结构全貌,提出一种基于三维点云的裂缝去噪和投影方法,利用改进的U-net 网络识别并标注图像中的裂缝区域;采用实景三维重建方法获取混凝土表面三维模型点云;通过基于空间分布的去噪算法(SOR),并结合点云RGB自适应阈值,完成裂缝兴趣区域提取和噪声消除。解决了较长贯穿裂缝的识别与点云提取问题,所提方法在裂缝宽度检测时绝对误差在范围内,具有一定工程应用价值。

关键词：裂缝提取裂缝提取方法三维点云裂缝深度学习

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基于手机视频图像的路面裂缝提取方法研究

中文科技期刊数据库（全文版）工程技术 2024年第7期 0036-0040页

作者：何晓凤广西生态工程职业技术学院广西柳州545004

路面裂缝是一种常见的道路病害,其严重程度是评价道路质量一个很重要的指标,与道路交通的发展密切相关,影响着人们的日常生活。随着智能手机普及应用,利用智能手机拍摄视频图像进行路面裂缝检测成为一种行之有效的低成本检测方法。在智... 详细信息

路面裂缝是一种常见的道路病害,其严重程度是评价道路质量一个很重要的指标,与道路交通的发展密切相关,影响着人们的日常生活。随着智能手机普及应用,利用智能手机拍摄视频图像进行路面裂缝检测成为一种行之有效的低成本检测方法。在智能手机拍摄到裂缝图像后,为进一步评估路面损坏程度,需提取裂缝做进一步研究。针对手机拍摄的裂缝视频图像,采用图像灰度化和双边滤波对裂缝图像进行预处理操作,在此基础上利用Otsu阈值分割进行裂缝图像二值化,基于二值化图像对裂缝进行细化并提取裂缝骨架,最后将曲线拟合成连续无间断的裂缝曲线。基于实际拍摄图像的实验表明,所设计的路面裂缝提取方法可有效提取路面裂缝曲线,且保真程度较高。

关键词：路面裂缝手机视频图像裂缝提取曲线拟合

维普期刊数据库评论

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远距离混凝土桥梁结构表面裂缝精确提取算法

中国公路学报 2013年第4期26卷 102-108,124页

作者：李刚贺拴海巨永锋刘伟长安大学电子与控制工程学院陕西西安710064 长安大学旧桥检测与加固技术交通行业重点实验室陕西西安710064 长安大学汽车学院陕西西安710064

在分析桥梁结构表面裂缝图像特征基础上,结合改进Snake主动轮廓模型图像分割算法,融合距离传感器信息,提出一种综合高分辨率图像采集、裂缝敏感区域截取、孤立噪声去除、裂缝旋转和标记的裂缝提取算法,实现了交互式远距离混凝土桥梁结... 详细信息

在分析桥梁结构表面裂缝图像特征基础上,结合改进Snake主动轮廓模型图像分割算法,融合距离传感器信息,提出一种综合高分辨率图像采集、裂缝敏感区域截取、孤立噪声去除、裂缝旋转和标记的裂缝提取算法,实现了交互式远距离混凝土桥梁结构表面裂缝的精确提取。分析结果表明:改进Snake主动轮廓模型图像分割算法误分率为3.89%,运算时间为153ms,试验对比裂缝宽度显微镜观测值,裂缝提取绝对误差小于0.05mm,该算法可满足工程检测需求。

关键词：桥梁工程桥梁检测 Snake模型裂缝提取图像处理图像分割

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基于Beamlet的岩心裂缝提取算法

信息与电子工程 2010年第2期8卷 186-189页

作者：高超王正勇四川大学电子信息学院四川成都610064

提出了一种基于多尺度Beamlet变换的岩心裂缝图像提取算法。首先,将采集到的灰度岩心裂缝图像,用大津阈值分割算法转换为二值图像,再利用Beamlet变换,通过选取不同的尺度和检验阀值,从二值图像中提取裂缝的线性特征,并根据像素统计出裂... 详细信息

提出了一种基于多尺度Beamlet变换的岩心裂缝图像提取算法。首先,将采集到的灰度岩心裂缝图像,用大津阈值分割算法转换为二值图像,再利用Beamlet变换,通过选取不同的尺度和检验阀值,从二值图像中提取裂缝的线性特征,并根据像素统计出裂缝的相关分析数据。实验结果表明,此算法能在较复杂的岩心背景和噪声干扰情况下提取清晰的岩心裂缝,效果满意。

关键词： Beamlet变换大津阈值分割算法岩心图像裂缝提取