基于灰度圖像的銹蝕拉索狀況評定方法研究

姚國文，陳雪松，鐘 力

(1. 重慶交通大學 山區橋梁與隧道工程國家重點實驗室培育基地，重慶400074；2.重慶交通大學 土木工程學院，重慶400074；3.重慶市萬州區城建工程管理處，重慶404100)

基于灰度圖像的銹蝕拉索狀況評定方法研究

姚國文1,2，陳雪松2，鐘 力3

(1. 重慶交通大學 山區橋梁與隧道工程國家重點實驗室培育基地，重慶400074；2.重慶交通大學 土木工程學院，重慶400074；3.重慶市萬州區城建工程管理處，重慶404100)

對于評定斜拉橋銹蝕拉索的技術狀況，目前缺乏一種定量化的技術標準。針對不同銹蝕程度的平行鋼絲拉索，提出了基于表層圖像灰度分析的定量化技術狀況評定方法，并應用MATLAB軟件，對V級鋼絲圖像進行灰度分析，建立了銹蝕鋼絲的灰度及銹蝕比評定標準。該評定標準為斜拉橋銹蝕拉索的技術狀況評定提供了依據。

橋梁工程;銹蝕拉索；灰度分析；銹蝕等級；評定方法

鋼絲的銹蝕是影響拉索壽命的主要因素之一，為此，國內外專家做了大量關于拉索腐蝕的試驗與研究。由于試驗的環境以及條件不同，鋼絲在腐蝕的過程中會經歷幾個階段的損傷演化。

以往國內對鋼絲銹蝕的等級是根據JTGT H21-2011《公路橋梁技術狀況評定標準》中對拉索腐蝕程度的V級定性描述來確定的。根據該描述，通過加速鹽霧試驗，得到不同銹蝕程度的鋼絲，將試驗結果對應規范分為Ⅴ級，制定各級腐蝕對應的腐蝕圖例。并應用MATLAB軟件，對各級腐蝕后的圖片進行灰度分析和銹蝕比的統計，制定基于表層圖像分析的銹蝕拉索技術狀況評定方法的標準，給出基于表層圖像分析銹蝕鋼絲的評定流程。

1 灰度圖像處理

1.1 制定腐蝕圖例

為給評定鋼絲銹蝕損傷程度的研究提供材料基礎，需通過酸性鹽霧環境對常用強度級別為1 860 MPa，屈服強度1 660 MPa，直徑φ5.2 mm的鍍鋅高強度鋼絲進行加速腐蝕試驗[1]，來制作不同腐蝕等級的鍍鋅鋼絲樣本。

試驗分批對鋼絲進行不同時間的腐蝕，并根據規范對鋼絲腐蝕等級的定性描述，制定如下Ⅴ級標識圖例(圖1)[2-3]。

圖1 銹蝕鋼絲5級圖例Fig.1 Corrosion cable V-grade legend

1.2 處理方法

灰度圖像(gray image)是每個像素只有一個采樣顏色的圖像，這種圖像可以將最暗黑色到最亮的白色的灰度顯示出來，理論上這是一種可以通過不同深淺表示任何顏色，甚至不同亮度的圖像[4]。

應用MATLAB軟件，對Ⅰ～Ⅴ級腐蝕后的鋼絲做灰度分析[5-6]。取單根鋼絲為分析對象，分析前先對圖像進行消噪預處理，再將鋼絲以外的背景部分用Photoshop處理為白色。通過灰白直方圖來分析各級鋼絲的銹蝕程度，并以直方圖中的灰度級的分布情況，來說明圖像灰度分布的圖形，并分析鋼絲銹蝕狀況。直方圖的每一個分支表示對應灰度級出現的頻數(處于該灰度級的像素的數目)間的統計關系，用橫坐標表示灰度級，縱坐標表示灰度頻數(或相對頻數=頻數/總像素數目)[7]。

2 各級鋼絲灰度分析

2.1 銹蝕比

對已被銹蝕的鋼絲的銹蝕程度進行量化處理，即計算鋼絲的銹蝕比，它反映了一根鋼絲銹蝕面在整根鋼絲中所占的比例。在Photoshop軟件中，打開已轉化為灰度圖像的某級單根鋼絲，選擇魔棒工具并將容差定為50[2]，選擇銹蝕顏色區域，讀出該區域的像素，其與整跟鋼絲圖像像素的比值即為銹蝕比[8]。每級鋼絲取4根，計算Ⅱ～Ⅴ級鋼絲的銹蝕比。

2.2 灰度分析

通過對銹蝕鋼絲灰度圖像的分析，得到如下Ⅰ～Ⅴ級鋼絲的銹蝕比如表1～表5，并應用MATLAB，得到橫坐標表示灰度級，縱坐標表示頻數(或相對頻數=頻數/總像素數目)的灰度直方圖如圖2～圖6。

表1 I級鋼絲灰度分析及銹蝕比Table 1 I-grade cable gray scale analysis and corrosion ratio

如圖2，通過Ⅰ級鋼絲灰白直方圖，可以看出鋼絲灰度范圍集中，標準差小，符合實際情況下無銹蝕鋼絲的表層圖像。可以此作為Ⅱ～Ⅴ級鋼絲灰白直方圖的比對對象。

圖2 Ⅰ級鋼絲灰白直方圖Fig.2 Ⅰ-grade cable gray histogram表2 Ⅱ級鋼絲灰度分析及銹蝕比Table 2 Ⅱ-grade cable gray scale analysis and corrosion ratio

腐蝕等級原圖灰度圖像灰度均值b灰度標準差s銹蝕比k/%Ⅱ級168.8842.8110168.1837.210173.0343.4916160.1541.235

如圖3，Ⅱ級鋼絲的灰度直方圖與Ⅰ級鋼絲相比，由于此時鋼絲上存在部分白銹，導致直方圖灰度級范圍擴大，標準差明顯增大，且灰度峰值出現在灰度級較大區域。

圖3 Ⅱ級鋼絲灰白直方圖Fig.3 Ⅱ-grade cable gray histogram表3 Ⅲ級鋼絲灰度分析及銹蝕比Table 3 Ⅲ-grade cable gray scale analysis and corrosion ratio

腐蝕等級原圖灰度圖像灰度均值b灰度標準差s銹蝕比k/%Ⅲ級157.4354.1125158.5660.6027118.1051.3729194.9248.4721

如圖4，對于Ⅲ級鋼絲，由于腐蝕范圍逐漸擴大，表面鍍鋅層已被腐蝕，鋼絲內部腐蝕介質的進入導致出現銹蝕，此時直方圖灰度范圍持續擴大，且各灰度級分布均勻。

圖4 Ⅲ級鋼絲灰白直方圖Fig.4 Ⅲ-grade cable gray histogram表4 Ⅳ級鋼絲灰度分析及銹蝕比Table 4 Ⅳ-grade cable gray scale analysis and corrosion ratio

腐蝕等級原圖灰度圖像灰度均值b灰度標準差s銹蝕比k/%Ⅳ級133.4553.8848124.4956.4249120.0856.0251116.0152.6651

如圖5，根據Ⅳ級鋼絲灰度直方圖，可以看出此時灰度峰值出現在灰度級50～100范圍內，離散有減小趨勢，但各級灰度值都還有所分布。

圖5 Ⅳ級鋼絲灰白直方圖Fig.5 Ⅳ-grade cable gray histogram表5 Ⅴ級鋼絲灰度分析及銹蝕比Table 5 Ⅴ-grade cable gray scale analysis and corrosion ratio

腐蝕等級原圖灰度圖像灰度均值b灰度標準差s銹蝕比k/%V級115.1737.468798.0748.897586.4146.688066.9342.9283

如圖6，此級別鋼絲灰度集中，相較Ⅰ級鋼絲而言，兩者灰度直方圖形狀相似。此時鋼絲全面銹蝕，灰度級集中于50～100范圍，是各級鋼絲中灰度值最小的。

圖6 Ⅴ級鋼絲灰白直方圖Fig.6 Ⅴ-grade cable gray histogram

2.3 基于灰度圖像的評定標準

根據樣本鋼絲灰度分析的結果，將其灰度均值和灰度標準差定為變量，得到樣本中各級鋼絲的分級圖，如圖7。

圖7 銹蝕灰度圖像分級Fig.7 Grade of corrosion cable in gray image

從各級銹蝕比看出，隨著腐蝕程度加深，銹蝕比增加顯著，各級差異較大，但離散性小。根據表1～表5，試驗所得鋼絲在灰度分析后的銹蝕比，對各級鋼絲進行定量化描述，結果見表6。

表6 試驗所得V級鋼絲銹蝕比Table 6 The corrosion ratio of V-grad cable in experiment

3 結 語

對于I級鋼絲，由于規范定義為鋼絲完好，沒有任何形式的銹蝕，其灰度范圍必然較為集中，離散型差，故灰度標準差是5個級別中最小的；從灰白直方圖可以看出，Ⅱ級鋼絲的峰值較集中，此時存在大量白銹，故其灰度值是最大的；對于Ⅲ級鋼絲，此時的鋼絲鍍鋅層已被銹蝕，部分腐蝕介質進入鋼絲內部，導致鐵銹與白銹同時存在，故該級鋼絲的灰度值離散型大，分布較均勻；對于Ⅳ級鋼絲，此時鋼絲表面已覆蓋大量銹蝕痕跡，灰度值明顯減小，但部分白銹的存在，使該級鋼絲離散型偏大；對于V級鋼絲，由于鋼絲幾乎全部銹蝕，從灰白直方圖可見，大部分的灰度值都位于50～100范圍內，故該級鋼絲的灰度值是V級中最小的。

就灰白直方圖來說，前3級直方圖上數據形狀的重心普遍靠后，而第Ⅳ級和Ⅴ級的重心普遍靠前。從各級鋼絲灰白直方圖整體變化規律來看，灰度峰值首先集中于100～150范圍；當白銹的出現，導致峰值向150～200范圍移動；當鍍鋅層被腐蝕鋼絲內部暴露，致使紅銹出現灰度離散逐漸擴大，此時各級灰度分布均勻；隨著銹蝕的深入，鋼絲全面銹蝕，灰度峰值最終向50～100范圍移動。

在對腐蝕鋼絲進行圖像灰度分析時，需對灰度值、灰度標準差、銹蝕比以及灰白直方圖幾者綜合起來分析，且當分析對象為單根鋼絲時，結果最為準確。對于自然環境下的腐蝕拉索，還需根據圖像灰度分析結果，適當調整標準界限值。另外拉索銹蝕狀況還與銹蝕深度有關，后續研究可以與磁通量測試銹蝕進行對比分析。

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Study on Corroded Cable Evaluation Based on Gray Image Analysis

YAO Guowen1,2，CHEN Xuesong2，ZHONG Li3

(1. State Key Laboratory Breeding Base of Mountain Bridge and Tunnel Engineering ,Chongqing Jiaotong University,Chongqing 400074,P.R.China; 2.School of Civil Engineering ,Chongqing Jiaotong University,Chongqing 400074,P.R.China;3.Management Department of Urban Construction of Wanzhou District , Chongqing 404100,P.R.China)

Currently a quantitative technical standard is in short to assess the technical conditions of corroded stays of cable-stayed bridge.For the purpose of the different corrosion degree of parallel cables a quantitative evaluation method based on surface image gray scale was provided to analyze the condition of corrosion cables and MATLAB software was applied to analyze gray scale of V-grade steel and finally a criteria for gray scale and corrosion ratio evaluation of rusty cables was created. This given criteria provides a basis for the assessment of technical condition assessment of corrosion cable in cable-stayed bridge.

bridge engineering;corrosion cable；gray scale analysis；corrosion degree；evaluation method

10.3969/j.issn.1674-0696.2016.04.03

2014-11-20；

2015-03-15

國家自然科學基金項目(51478071)；交通運輸部建設科技項目( 2015318814190)；重慶市基礎與前沿研究計劃重點項目(cstc2015jcyjBX0022)

姚國文(1974—)，男，山東濰坊人，教授，博士后，主要從事橋梁損傷機理、橋梁檢測與加固技術方面的研究。E-mail：yaoguowen@sina.com。

U446.1

A

1674-0696(2016)04-010-03