数字图像处理技术在山区高填方机场沉降裂缝测量中应用探讨

【摘 要】数字图像处理最早出现于20世纪50年代，早期的图像处理的目的是改善图像的质量，它以人为对象，以改善人的视觉效果为目的。近年来，随着计算机技术的迅猛发展，对数字图像处理的研究也达到了新的高度，使其在各大科学领域中得到了广泛应用。本文论述了数字图像处理技术在测绘领域中针对机场沉降裂缝测量的应用，其中着重介绍图像分割技术在测绘领域中应用设计相关的流程，说明其可行性。

【关键词】数字图像处理，机场沉降，裂缝测量，流程设计

0 引言

图像本身承载着丰富的信息，是人类获取和交换信息的主要来源，不仅在理论方面取得显著的成功，在实际应用当中也起到至关重要的作用。数字图像处理技术的应用领域与人类的生活息息相关，不仅是简单的信息提取，在变形监测领域中也得到了广泛应用，包括成功将此技术应用于桥梁裂缝变形监测及建筑裂缝变形监测的实例。针对建设于地质条件复杂，地形变化大及填方量较大的山区高填方机场，由于其存在高填方压实困难的问题而导致机场出现沉降裂缝，对其进行及时的监测和预测分析可以在很大程度上避免因其变形而致的事故发生。

1 数字图像处理技术简介

数字图像处理（Digital Image Processing）又称为计算机图像处理，它是指将图像信号转换成数字信号并利用，通过计算机对图像进行去除噪声、增强、复原、分割、提取特征等处理的方法和技术。

常用的数字图像处理技术大致分为以下几种：图像变换，图像编码压缩，图像增强和复原，图像分割，图像描述，图像分类。

2 数字图像处理技术在变形监测中的应用

目前，将数字图像处理技术在测绘领域中得到了广泛的应用，尤其是在变形监测中的应用更是取得了不错的效果。

在国内研究中，有重庆大学肖锋，刘星等人将数字图像处理技术应用于建筑裂缝测量研究，该研究侧重于利用普通数码相机采集裂缝数字图像，经过图像预处理、图像分割、像素标定、宽度测量，完成建筑裂缝测量。并利用Matlab实现该种建筑裂缝测量方法，并通过在理想状态下进行的模拟试验结果，证明该测量方法能达到实际建筑裂缝监测工程中的精度要求。

另外还有浙江工业大学、香港科技大学李文炳，冯平等人将数字图像处理技术应用于位移测量 ，所得计算结果满足精度要求等一些成功将数字图像处理技术应用于变形监测的实例。

2.1 基于数字图像处理技术的山区高填方机场沉降裂缝测量流程设计

山区机场建设材料多来源于就地取材，多为风化体或爆破体，属巨粒土，压实难度大，对地基处理不当，填料压实不够而导致机场道面出现不均匀沉降。沉降裂缝危害极大，并且极难处理。因此必须在设计上采取有效措施，施工、使用中也要加强观测、监视，及时发现和处理裂缝才能有效保证机场建设和运营的质量安全。

基于前人成功将数字图像处理技术应用于变形实例的启发，以下就数字图像处理技术在山区高填方机场沉降裂缝中的应用研究设计出相应的流程，如图1所示，并对此流程进行说明：

为了在外业采集时得到满足内业图像处理要求的沉降裂缝图像，要求所使用相机的像素和分辨率不低于一般水平数码相机。同时，为了减少噪声和其他干扰因素的影响，提高裂缝的测量精度，图像采集需要在良好的环境下进行，如适宜均匀的照度、折射度、恰当的图像采集距离及能够清楚凸显裂缝的背景等。

图像预处理

外业采集的图像为RGB格式的彩色图像，包含信息丰富，如果直接对其进行有效信息的提取，工作量大。因此，为便于对裂缝图像信息的解读，在不影响裂缝测量精度的前提下需要对图像进行预处理。

图像预处理的主要任务是对所采集图像上不必要的信息进行初步剔除，即先对图像以裂缝区域为核心进行裁剪，将包含像素标定块的裂缝区域从大背景下分割提取出来；然后再对已裁剪分割的裂缝图像进行二值化处理，即将原有RGB格式圖像拉伸处理为灰度图像。

针对某些裂缝区域较窄的图像，为防止进行图像增强处理时丢失裂缝信息，在进行图像分割之前，将二值化灰度图像进行灰度形态学腐蚀处理。

图像分割与增强

图像分割是指将感兴趣的信息从图像中提取出来。在本设计中，主要是将“裂缝、像素标定格”等信息从图像中提取出来。对预处理中得到的具有合适灰度阈值的二值化图像进行分割，将此阈值与图像上每个像素的灰度值进行比较，当像素值大于阈值时，灰度取值为255；小于阈值时，灰度取值为0。在理想状态下，经过图像分割后，裂缝与像素标定块的灰度值将全部变为0（黑色），而背景全部变为255（白色），从而可以将裂缝和像素标定块分割出来。

像素标定与参数测量

沉降裂缝最终的图像处理成果需要用直观的测量数据来表示，而图像处理是以像素为度量单位。因此，需要将像素单位转换为实际数据，即像素标定。一般的像素标定方法是在外业图像采集时，将色调单一的测量标尺安置于裂缝一侧，拍摄时将标尺包含至图像中，再通过标尺图像测量长度与实际标尺长度的比例关系，从而确定每个像素对应的实际长度和面积，即可获得图像的采样间距。

参数测量包括对裂缝长度、宽度、面积进行测量。以灰度值为0的像素点进行统计为例，裂缝长度=拟合距离D×每个像素对应的实际长度，其中D为以裂缝中心线为标准线的拟合距离。裂缝宽度测量以裂口特征点对间的像素个数来定，分为最大宽度和平均宽度两个定量指标。裂缝面积=灰度值为0的像素个数×每个像素对应的实际面积。由于在计算机成像系统中像素一般以正方形来表示，因此，裂缝宽度计算中像素个数的计入以是否超过正方形面积一半为取舍标准。

实例验证

将以上述方法得到的裂缝信息与传统方法测量得到的裂缝信息进行比较，通过对测量精度和测量效率方面的分析，从而可以验证数字图像处理技术对机场沉降裂缝测量的有效性。

4 总结

本文通过对数字图像处理技术在变形监测领域中应用的了解，设计了机场沉降裂缝数字图像处理流程，简要介绍了如何对沉降裂缝的图像进行处理，并从中提取出有效信息，诸如像素标定和宽度测量等。本文仅在理论研究的层面上进行了论述，后期还将通过实例验证与传统测量方法作比较分析，判断其是否能够满足精度要求，以此证明数字图像处理技术的有效应用对机场沉降变形信息提取，及时对变形程度做出诊断具有很大的意义。

5 参考文献

[1] 夏巨武，陈普春等.基于数字图像处理的桥梁裂缝测量技术[J].仪器仪表用户.2011.01

[2] 肖锋，刘星等.基于数字图像处理技术的建筑裂缝测量研究[J].北京测绘.2012（05）

[3] 许录平.数字图像处理[M].北京：科学出版社，2007

[4] 丁可.数字图像处理技术研究与发展方向[J].经济研究导刊.2013（18）

[5] 黄健，钱元德.数字图像处理在数字摄影测量技术中的应用与实践.铁路航测.2001（03）

基金项目：重庆市研究生科研创新项目（CYS14157）；2013年大学生创新创业训练计划项目（201310618004）.

收稿日期：2015-2-5

作者简介：李灵爱（1991-），女，四川省雅安市人，在读研究生。