基于图像处理的震损结构快速识别研究

摘要

地震常常给人类的生命财产造成非常严重的损失。地震发生后，防灾减灾相关部门要对灾害的损失进行评估，而对震损结构的评估是其中的重要一环，是地震现场震害调查、灾害损失评估、烈度评定、建（构）筑物安全鉴定以及震害预测和工程修复等工作的基础。
　　目前，对震损结构的评估主要采取专家实地走访、观察与经验结合的破坏情况等级划分方法。在实践中发现，这种方法存在损伤数据难获取、费时费力、依赖专家经验、有安全隐患、资料收集不完备等不足。图像处理技术的应用使得实现震损结构评估的快速化、自动化成为可能。本文将图像处理技术应用于震损结构快速评估方面，主要从墙体自动识别、残余变形检测、建筑实体三维建模等三个方面作为切入点开展研究。主要工作与创新成果如下:
　　(1)墙体是结构的一个重要构件，对墙体破坏情况的评估可以为整体结构破坏提供重要信息。本文提出一种基于单幅图像的墙体自动识别方法。因墙体本身特征不明显，可通过窗户的识别来定位墙体。以实现单幅图像中窗间墙的自动识别为例说明方法。获取图像后，首先进行直线检测，并应用改进的直线连接方法对直线段进行连接以获取长直线段。其次，提取直线两侧的图像区域，通过区域的颜色特征筛选出窗户边框的候选直线并对窗户侧进行标记。最后，利用候选直线把整个图像分割成若干子区域，并根据直线标记和面积特征确定窗户位置，进而识别出窗间墙的位置。应用个人手机拍摄实例图像对方法进行验证分析，结果表明方法能较好地实现从单幅图像中自动识别窗间墙，且通过简单的调整，即可用于检测其他类型的墙体。
　　(2)结构残余变形是最能直接反映结构破坏情况的指标。本文利用残余变形与梁柱的夹角满足几何关系的特点，把残余变形的检测问题转换为梁柱边缘夹角测量问题，进而提出一种基于图像处理的震损结构残余变形检测方法。对结构平面进行标定后，由人工在标定直线和梁柱边缘附近粗选点，用于大致确定目标直线的范围。为确保检测精度，采用基于Canny边缘检测的主成分分析方法检测出标定直线和代表结构边缘的直线。因采集到的图像通常并非正拍图像，论文利用射影几何的相关知识，仅对直线进行矫正，进而通过计算矫正后结构边缘直线之间的夹角得到结构的残余变形。为验证方法的可行性，利用测试图像和实际震损结构分别进行了检测试验，结果表明方法在不对整个图像进行矫正的情况下，实际残余变形检测的最大误差不超过0.3°，较人工检测有操作简单、高效、经济等优点。
　　(3)在开展震害研究工作时，使用单幅二维图像，信息量太少，使用多幅二维图像，又存在图像间匹配不直观的问题，而目前常用的虚拟建模方法又不能很好地反映真实震害特点，给震害研究工作的开展增加了难度。为此本文提出一种基于图像处理的三维结构实体建模方法。首先要围绕结构实体进行序列图像拍摄，为实现较好的重建效果，要求拍摄点相邻的两图像间转角不大于15°。其次，应用图像三维重建法，在提取图像SIFT特征点并匹配后，应用由运动恢复结构方法重建三维稀疏点云，通过多视图立体视觉方法对点云进行稠密化，尺度变换后，再应用泊松表面重建方法由稠密点云重建出三维表面，进而通过纹理映射对表面进行纹理贴图，生成真实感强的三维模型。应用实际震损结构对方法的整体重建精度和细部重建效果进行验证。结果表明，方法能够较好地实现对实体结构的三维重建，受小型局部遮挡影响不大，整体误差仅为1.5％，且能够很好的展示结构的细节，能够较好地满足整体震害研究的需要。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 震损结构评估的意义

1．2 目前震损结构的评估方法及其不足

1．3 基于图像的评估方法的研究现状

1．4 论文结构

2 数字图像处理基本知识

2．1 数字图像基础知识

2．2 特征检测

2．2．1 形状

2．2．2 颜色与纹理

2．3 本章小结

3 基于单幅图像的墙体自动识别

3．1 直线检测与连接

3．1．1 直线检测

3．1．2 直线连接

3．2 基于颜色特征对比的直线分类

3．3 基于直线的图像分割与窗间墙检测

3．3．1 图像分割

3．3．2 墙体识别

3．4 实例验证与分析

3．5 本章小结

4 基于图像处理的震损结构残余变形检测

4．1 基于主成分分析法的直线检测

4．2 基于射影几何的直线矫正

4．3 残余变形检测实现方法与实例验证

4．3．1 测试图像

4．3．2 实例应用

4．4 本章小结

5 基于图像处理的三维结构实体建模

5．1 图像三维重建方法

5．1．1 由运动恢复结构SFM

5．1．2 多视图立体视觉MVS

5．1．3 泊松表面重建

5．1．4 纹理映射

5．2 实体结构模型的三维重建与分析

5．2．1 实体结构整体重建

5．2．2 结构细部重建试验

5．3 本章小结

6 总结与展望

6．1 论文总结

6．2 未来工作展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表学术论文情况

致谢