无人机技术在路面裂缝检测中的应用

马晓忠, 李雪莹

(新疆维吾尔自治区交通运输综合执法局工程质量监督执法支队 乌鲁木齐市 830000)

近年来，无人机航拍技术得到迅猛发展，无人机价格低廉、操作简便，受到广泛关注，我们可根据其自身动力特点调整其飞行高度和飞行速度，无人机航拍技术非常适合路面裂缝图像采集。

1 检测总体方案

某公路路面检测项目，路面裂缝视频图像采用经纬M200无人机进行采集，此型号无人机的控制方式分为自行控制、人机混合控制和人工控制三种模式。机载控制系统由飞行控制模块(无人机自主飞行的核心)、导航定位模块(确定地理位置)、通信模块(地面站与无人机之间的信息交互)和电源四大模块组成。

需要指出的是，不同于检测车，本次检测采用的无人机使用高度集成的摄像头具有更高的分辨率，但高分辨率势必造成数据存储和传输的低效率。因此，无人机在数据传输过程中有一个可将图像压缩的标准接口，便于存储和传输。

2 图像灰度化、均衡化及降噪处理

彩色图像难以处理，这是数据处理时面对的共性问题，针对无人机采集得到的分辨率极高的图像，如果直接对其进行分割阈值操作，计算量会呈现级数式增加，无法满足路面裂缝图像实时、高效检测的要求。为满足时效性要求，对彩色对象进行灰度化是至关重要的。但仅仅灰度化之后，路面裂缝图像却依然不能很好很清晰地从背景中分割出来，还需要进行均衡化处理以及降噪处理。在本次检测中，采用了文献[1]提出的图像灰度化和均衡化以及降噪处理方法。在进行路面裂缝图像降噪处理时，采用中值滤波进行降噪处理，中值滤波是一种非线性滤波，在工作时，找到窗口中各点灰度值的中值，以其来替代窗口中心点像素的灰度值。

3 基于阈值的裂缝分割算法

3.1 裂缝分割算法简介

常见的裂缝分割算法包括两类：

(1)边缘算子检测方法[2]。例如广泛采用P氏算子、拉氏算子等都属于此类型。方法的不足之处在于抗噪性能不佳。

(2)像素阈值检测法[3]。这种方法主要是寻求一个像素分割阈值，高于该阈值的，即被判定为目标，低于该阈值的则被判定为背景。此外，尚有形态学方法[4]、模糊聚类法[5]以及神经网络法[6]。

3.2 像素阈值检测

本项目采用像素阈值检测方法。作为应用最广泛的路面裂缝图像检测方法，像素阈值法的关键是要确保寻求一个合适的阈值，一旦找到合适的阈值，就可以判断出哪里是路面裂缝，哪里是背景。其原理如下：寻找一个分割阈值A，并以这个阈值为分割点，对每个分割点进行分割。根据阈值将所有像素分为两种，一种作为背景，另一种作为目标也即裂缝。然后将大于阈值的像素替换为1，将小于阈值的像素替换为0。使图片由灰度图像变为二元图像，由此完成图像分割的任务。该方法原理简单、方便，因此广泛在计算时间短、计算效率高的项目中应用。本次检测中典型裂缝阈值分割之后的结果如图1及图2所示，其中图3中的图像为颜色反转处理后的图像。

图1 原始裂缝图像

图2 阈值分割后图像(颜色反转处理后)

4 路面裂缝拼接算法

在无人机的图片采集过程中，摄像机的可视范围往往受到限制。对于长裂缝，一个路面裂缝图片难以包含裂缝的全部信息，因此需要有针对性地对裂缝图像进行缝合。

在采集道路裂缝图片的过程中，安装在无人机上的摄影机镜头需要与拍摄的裂缝以及路面保持适当的距离。如果无人机摄像头远离地面的距离超过限值，离地面太远，则捕捉到的道路裂缝信息难以识别。但是如果距离过小，又会识别出许多额外的或不需要关注的道路细节，也就是说，拍摄的图像视野太窄，这无疑会增加图片总量，这对后处理来说更加繁杂，浪费时间，不利于增加检测效率。

对于分布在多张图片上的缝隙，为了提取完整的缝隙信息，需要对每一张图像进行处理。换言之，图像拼接更注重对路面裂缝整体状况的把握，而要舍弃对细节特征的关注。对于较大的裂纹，一张图像不能完全呈现裂纹的所有信息。这就要求我们完成裂纹图像拼接，因为完整的综合裂缝信息有助于分析裂缝形成的原因和计算裂缝的特征参数。

5 路面裂缝图像特征参数提取与识别

5.1 裂缝类型判断

判断路面裂缝的分类，进而把握整体路面损坏程度，对道路的养护方案的制定、养护病害的发展以及养护计划的执行来说，至关重要。因此需要分析每一条裂缝的特征信息，并利用特征判断路面裂缝的类型。目前一般将路面的裂缝划分为横向裂缝、纵向裂缝、块状裂缝和网裂[7]。

本次检测分别统计裂缝图片在x及y两个方向上的裂缝投影像素总和。在横向也即垂直于路轴线方向上出现了一个峰值的是横向裂缝，在纵向方向上出现了一个峰值的是纵向裂缝。而对于块裂和网裂，显而易见两者在两个方向上兼有横向与纵向裂缝的特征，因此在两个方向上会出现有许多许多峰值出现。所以，可以根据投影特征，可以很容易对不同的裂缝类型进行区分。

5.2 裂缝长度和面积

在评价破损程度时，裂缝长、宽均是重要评价指标。在进行图像拍摄任务的时候，对无人机上高集成度摄像机进行像素大小的标定，得到单条裂缝像素累加，很容易得出裂缝长度 L。 而对于裂缝面积，在图像为二元图像的基础上，只需对整个裂缝图像对每行每列以像素点为单位进行扫描，记录裂缝像素点中最大和最小的纵坐标和横坐标值，采用纵坐标之差乘以横坐标之差，即可确定裂缝面积。

5.3 裂缝宽度

对于裂缝宽度而言，显然一条裂缝宽度一直在变化，而将每一处裂缝宽度进行检测不可能也不必要。所以在测量的时候我们用裂缝的平均宽度来表示裂缝的宽度，也即裂缝面积与裂缝长度的比值。

6 路面损伤评估

路面的破损程度的影响因素很多，由裂缝的长、宽、破损面积以及路面状况指数 PCI(Pavement Condition Index)、路面破损率 DR(Distress Ratio)等评价标准，综合进行反映。在根据裂缝长宽以及面积对路面的破损程度做初步的判定之后，根据路面裂缝的量化依据和评价标准，就可以进行具体量化和损伤程度的评价。

路面的维修决策取决于路面的评估结果，需要根据裂缝病害的轻重程度做好预防性养护，对小裂缝的及时修补，阻止了更加严重的病害的发展，例如大裂缝甚至是坑槽等。有针对性的养护方案的提出，保证了养护资金的利用效率，是值得提倡的做法。