压缩感知在隧道病害识别中的应用研究

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1、2013年l0月第l0期城市道桥与防洪科技研究111压缩感知在隧道病害识别中的应用研究贡力，余涛(1．兰州交通大学土木工程学院，甘肃兰州730050；2．重庆市水利电力建筑勘测设计研究院，重庆市400020)摘要：该文通过分析隧道病害识别的数据采集过程，提出关于压缩感知理论的隧道病害识别系统的数据采集方法。对采集的隧道病害识别图像进行小波变换，将隧道病害识别图像变换成易传输，数据量较小的图像数据，使用正交匹配追踪算法，以及小波逆变换对来自传输设备的隧道病害识别图像进行重建，并实现原始图像精确和近似重构。由仿真可知，压缩感知理论应用于隧道病害识别的数据采集传输过程

2、，降低了传输数据量，并易于图像数据传输，且能以较小误差实现隧道病害识别的重构，同时有相应的硬件使用环境。从而为加快隧道的检测提供新方法。关键词：隧道病害识别系统；压缩感知；裂缝识别；图像处理；高速铁路中图分类号：TN911．73文献标识码：A文章编号：1009—7716(2013)1O—Ol11—04有了实际应用[21。O前言在此基础上，针对隧道病害中衬砌表面裂缝病随着中国高速铁路运营速度的不断提升，高害，本文提出了基于压缩感知的隧道表面裂缝快速铁路里程成为世界第一。设计速度为200km／h、速检测。利用压缩感知技术建立隧道快速成像系300Km／h以上的线路不断

3、增加，其线路情况较以统，并根据铁路隧道检测需求研发一种轻型隧道往线路截然不同。由于要满足火车的高速运行，线检查小车，该系统弥补了传统方法的缺陷，为长大路需要保证较大的弯曲半径，所以高速铁路线路隧道和隧道群衬砌表面病害的检查提供一种新的相比以往的普速线路增加了许多桥梁和隧道。在方法。经过地形起伏较为频繁的山脉或丘陵地带时，为1压缩感知了控制线路的坡度和弯曲半径，较多地采用了隧道和桥梁的建设方案。由于地形的因素，这些地段传统的奈奎斯特采样定理(又称香农采样定的隧道较多，而且相邻的两个隧道为两座山，中间理)要求对信号的采样速率必须达到信号带宽的2为山谷地段，隧道间隙的

4、连接多为桥梁，如此形成倍及其以上才能很好地恢复原始信号，其信号编了山区特有的桥隧相连的隧道群地段【”。解码的流程是：先对可压缩信号进行高速采样，再隧道病害是一个世界性的难题。隧道衬砌表进行变换压缩编码，最后在解码端进行解压缩和面病害的检查是无损检测中重要的一步，表面病反变换，得到重构的信号(见图1)。害随着时间的发展将成为结构的内部病害，同时表面病害多是内部结构病害在衬砌表面的反映。但目前检查和检测手段落后，基本沿用“眼看手图1传统图像压缩过程图量”的方法，一些病害难以发现，且耗费大量人力、物力。于是Candes，Terres和Tao在压缩感知理论中山区隧道群地

5、段桥隧相连，隧道相邻隧道间提出新的压缩理论框架：如图2所示。目前已成功隔又相对较近，这种运营环境对隧道病害检测增运用到语音与数据信号的压缩与重构中。该理论加了难度。隧道群的检测量大、安全性较差、光线指出如果信号是可压缩的或者在某个变换域上具昏暗和检测环境恶劣等问题。因此，隧道群的病害有稀疏性，就能够用一个与变换基不相关的测量快速检测成为安全保障的重点和难点。目前，国内矩阵将稀疏变换后的高维信号投影到一个低维空对于隧道裂缝快速检测方面的研究尚处于开始阶间上，然后通过求解优化问题就可以从这些少量段。在国际上，尤其是日本和韩国的研究处于领先的低维投影中精确或近似地重构

6、原始信号。阶段，日本的隧道裂缝光学检测系统已经在工程中收稿日期：2013—07—17基金项目：甘肃省高等学校硕士生导师基金项目(1204—10)作者简介：贡力(1977一)，男，江苏丹阳人，博士，副教授，硕士研究生导师，从事隧道安全及水安全利用研究工作。图2压缩感知理论框架图112科技研究城市道桥与防洪2013年10月第10期压缩感知理论提出待处理的信号必须具有稀疏性或可压缩性。假如考虑长度为的离散信号X，记作x(n)，n∈[1，2，⋯，N]。按照信号理论x用一组基1IrT=[、l，l，1Ir2，⋯，m，⋯，M]的线性组合表示(其中T是的转置)，则：==吼c图3

7、衬砌检测识别系统工作流程图式中：=(x，)，o【与X是N×1矩阵，仅是NXN矩阵，如果信号X在某个基上有且3压缩感知理论在隧道病害识别中的图像仅有K《N个非零系数(或远大于零的系数)％，则处理系统的使用认为为X的稀疏基。3．1隧道衬砌裂缝图像特点如果一个信号在稀疏基上只有K个非零系由于高速摄像机采集到的裂缝图像还具有如数，认为该信号属于严格稀疏，但是在大多数情况下特点：下，信号无法满足上述要求，但如果该信号在某正(1)由于隧道衬砌表面纹理的不均匀性以及混交基下展开的系数呈指数级形式衰减并趋于零，凝土材料本身的不均匀性，所采集到的图像背景那么这样的信号也是可以压缩

8、的，也可以稀疏表颜色会有