基于数字图像处理的路面缺陷识别正文

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1 绪论

1.1 课题的背景

“要想富，先修路”，俗语一句话就道出了交通在国民经济和人们生活中的

重要地位，在所有交通形式中，道路交通又是与人们生活关系最密切的，而且最

能体现一个国家经济实力及其综合国力的交通发展状况就是其道路交通的发展

状况。

道路交通在国民经济和人们生活中占有重要地位，近几十年来，世界各国公

路特别高等级公路建设迅速发展，极大地促进了经济的发展。然而建后保养维护

的问题随着道路的建成也随之而来的，为了做出相应的维护策略需要定期调查道

路路面状况。若路面病害发现在出现的初期，那将会大大降低道路维护费用。如

何快速对整段路面做全面的调查并对病害进行定位，精确地检测出病害的严重程

度及造成原因而又不影响正常交通秩序的情况,成为急待解决的一大难题。另外，

随着我国高速公路的快速发展，道路建成后的管理与养护工作也需要快速跟进，

交通部也明确要求高速公路的检测手段要采用先进的技术与装备。当前我国高速

公路管理与养护部门的路面检测设备严重落后甚至不足，一方面很多单位没有此

类设备，另一方面现有的设备由于技术落后还不适合在高速公路上使用，也有一

些进口设备，由于破损的评价指标的差异、产品售后服务跟不上或维护费用太高，

使用率也不高。为了提高高速公路的公共服务水平，高速公路管理与养护部门迫

切需要此类系统，且此类产品在国内尚属于空白，所以其产业化前景很乐观【1】。

计算机高性能处理器、大容量存储器及图像处理技术的快速发展，使得基于

图像分析的道路病害自动检测与识别技术成为可能。近年来，数字图像处理技术

在代替和超越人类的视觉功能方面取得了一系列的惊人的成果，显示了强大的生

命力。国外高速公路发达国家进入这一领域开始研发产品起步早，在开始早期受

计算机及摄像机等硬件产品的限制，但长期的实验研究积累了很多方法和技术。

随着近几年硬件的飞速发展，一些研究成果正逐渐转化为产品并投入使用。

高等级公路是国家现代化建设的重要基础设施，它不但是交通现代化的重要

标志，也是国家现代化的标志。从1988年上海至嘉定高等级公路建成通车至今

23间，中国高等级公路总体上实现了持续、快速和有序的发展，特别是1998年

以来，国家实施积极的财政政策，高等级公路得到快速发展，继续保持世界第二。

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随着高等级公路里程的增加和使用时间的延长，公路的养护任务势必将越来越繁重；另外一方面，近年来许多公路建成后，受交通量迅速增长、车辆大型化、超载严重、行驶渠道化等影响，使高等级公路路面在使用过程中受到严重的考验。为使高等级公路逐步进入中修和大修期，养护工作必须向高科技、现代化方向发展。在整个公路养护工作中，路面养护工作是一个中心环节，这是因为路面是直接承受行车载荷和自然因素作用的结构层，关系着行车是否安全、快速、经济和舒适。因此，路面养护质量是公路养护质量考核的重点。

随着公路网的扩大，已有公路的养护问题日渐突出。由于车荷载作用、外界环境影响以及施工中存在的不足，路基路面必然会出现各种破损。路面破损对路面的承载能力、耐久性，对车辆的行驶速度、燃油消耗、行车舒适性、交通安全等造成不利的影响。裂纹类病害是公路路面的主要病害之一【2】。路面裂纹是一种比较难估计的破损状态，如果能及早发现路面裂纹并及时处理，那么维护费用将大大降低。目前国内检测高速公路路况的手段主要是人工检测的方法，通常由现场调查人员对破损位置及面积进行测量和记录，然后对数据进行统计和归类，并进行存档，以供评判。人工检测方法效率低、工作强度大、检测速度慢、精度较低，并且在高速公路上进行人工检测时，检测人员的人身安全也受到了影响【4-5】。因此，研究高速公路路面破损自动检测与识别技术，从而高效、快速、准确地对公路路况进行评价不但能够为公路管理和养护部门的决策提供科学的依据，还可以提高公路养护部门的工作效率，减轻公路养护人员的劳动强度，具有重要的意义。

1.2 国内外发展状况及意义

早在上世纪70年代末，国外就有利用车载16mm摄像机的摄影车来采集路面破损图像信息。随着高速公路建设的飞速发展，路面破损特征自动检测系统开始逐渐出现，如加拿大的Roadware公司在1969年开始了路面数据采集的研究。到目前为止，其客户已经遍布全球17个国家。还有日本的Komatsu系统、美国的ETC公司的PCES系统、IMS公司的“PAVUE”系统、瑞士联邦技术研究所的“CREHOS”系统、英国WDM公司研制的路面裂纹检测车等[3-4]。但当时的技术还很不完善，其工作原理也不尽相同。载有路面破损图像信息的胶卷经过冲洗以后进行人工的判读，并录入计算机。但由于成本以及精度的问题，一般公路都

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很难应用。

上世纪80年代，随着摄像技术的发展，国外的研究部门开始利用摄像机来开发路面破损信息自动采集系统，如日本的Komatsu系统，该系统利用安装在检测车两旁的人工光源进行照明；数据采集通过一个电视摄像机、传感器、信号处理器和影像记录装置来获得；数据存储由一个高密度影像磁带记录器和一个通用影像磁带记录器组成；图像处理采用并行技术按两个阶段进行，第一个阶段主要是图像分割和特征提取，由一个并行微处理器完成；第二个阶段以并行的方式完成降噪、子图像的连接和恢复[5]。由于该系统不能分析裂纹的类型，并且只能在夜间工作，另外还需要多个超级微处理器完成两个阶段的图像处理，该系统最终没有得到商业应用[6]。在这个期间，瑞士的研究工作者于1995开发了CREHOS系统（裂纹识别全息摄影系统），目标是建立“完全、彻底的系统”，试图解决以前的系统在区域分辨率和实时处理技术的困难。它将数据存储在一套模拟并行处理器中，应用模拟方法得到路面破损数据，并分析和识别路面破损的类型。该系统虽然缩短了路上的检测时间，在一定程度上提高了工作效率，但是由于成本较高，对路况的要求较高，并且需要人机交互的方式进行图像的摄取和处理分析，该系统仍需要进行更深一部的研究。目前，该系统仍处于研究阶段，尚未商业化。同时期，美国的ETC公司对路面破损特征自动检测系统发起了大规模的研究，最后研制出了PCES系统，该系统采用线阵扫描摄像机来采集路面数据。不过，既使线扫描摄像机的分辨率和性能比传统的面阵扫描摄像机好，仍需要做大量的工作，例如需要专门的电路板和软件支持相机工作。ETC公司开发研制的“路面状况评价系统（PCES）”，瑞典基础设施服务公司（IME）开发研制的PAVUE系统都是基于模拟技术的路面破损信息检测系统，采集路面破损图像数据均为模拟量，计算机对这些图像数据不能直接处理，需要将其转换为数字量，使得路面破损信息处理的效率大大降低，并且破损识别和测量的精度也是有限的。

上世纪90年代中后期以后，随着硬件技术和数字图像处理技术的发展，尤其是CCD技术的发展，应用CCD摄像技术进行路面破损检测的研究取得了一定的进展。CCD摄像机具有较高的动态范围、分辨率和灵敏度。通过视频采集卡或者图像采集卡可以方便的将CCD摄像机的视频信号存储到计算机中，进行实时的显示、存储和处理。随着计算机硬件的迅速发展，基于CCD摄像机的数[7]

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