0 引 言

线性目标提取是工程应用领域材料瑕疵检测或大型设施预警的重要工作，也一直是图像处理中的难点。岩石节理裂隙和公路路面裂缝是造成隧道和桥梁坍塌及岩石边坡或公路路面破坏的主要因素之一，提取更加困难。岩体节理裂隙的分布和发育状况及等级特性是矿岩及土木工程中非常重要的物理指标，对地下隧道、洞室、露天边坡及挡土坝等工程中的岩体设施稳定性分析与加固化处理有直接影响(Hakami和Wang，2005)。裂缝是公路或机场路面及桥梁和隧道的主要病害,发育程度较高的裂缝可导致机场或公路路段关闭、桥梁或隧道坍塌。Brantley(2010)详细分析了岩体风化程度与地下水之间的关系， 重要的中间因素是岩体节理裂隙和孔隙率的变化。

学者们研究了节理裂隙对应力应变和变形的影响(Ji等，2011；Alam等，2015)，及水流渗透性与节理裂隙的关系(Yang等，2015；Noorian-Bidgoli和Jiang，2015)。能否精确实时检测并合理分析评价岩体的节理裂隙状况和发育情况，对岩土工程的安全设计及安全施工、隧道及各种边坡灾害的预测具有至关重要的作用，也是岩石工程研究领域的热点课题。因为自然条件和人为因素等的影响，常常会发生由节理裂隙的发育引起的岩体滑坡及隧道坍塌等灾害，导致很大的人员伤亡及经济损失(Wang等，2017)。若能提前对相关岩体的节理裂隙进行检测与评估，则可防患于未然。

传统的岩石节理裂隙分析是基于人工测量来完成的，测量精度主要依赖测量者的经验，测量者往往需要攀爬到岩体表面甚至悬崖峭壁上进行测量，不仅耗时、费力、危险，而且精度不高。而基于图像技术的测量和分析属于无接触测量方法，能够克服上述弊病，安全、高效并精确，但尚未形成公认的理论和方法。关于岩石节理裂隙的测量和分析方法有很多，李莉等人(2011)对岩石节理裂隙的表征方法的优劣势进行分析和比较，总结归纳为两种：1)宏观的测试表征方法，主要有大型目标的3维激光扫描、钻孔孔内照相、精测线和摄影测量等；2)基于数字图像的模拟表征方法，如蒙特卡洛随机模拟和图像处理与分析等。上述方法也是机场和公路路面的表征方法。

一般的测量和分析方法都包括检测与分析两个环节，检测是分析的基础，多数研究也主要针对检测环节进行。Shatnawi(2018)提出一种基于人工神经网络的方法用于自动检测公路路面的裂缝；Fakhimi 等人(2018)利用图像技术提取岩石节理裂隙并引入到数字模拟计算中；徐金明和赵晓波(2007)基于煤体节理裂隙的发育情况的检测，估算出流体包裹体之迹线，但检测环节和线性拟合环节的精度都有待提高；郭立钱等人(2012)用图像处理及支持向量机方法实现了跟踪岩体裂隙的中心迹线，较好地提取了主要裂隙/裂缝中心迹线，但没有涉及裂隙/裂缝的边缘线提取；Kabir等人(2009)比较了Sobel、Marr-Hildreth、纹理聚类和Harr小波等算法提取岩石节理裂隙的效果，其中纹理聚类算法的精度约83%，在众多算法中最精确。Singh等人(2018)在试验试件中，利用CT 切片技术自动提取了岩石节理裂隙的信息；Wang等人(2012)用分数阶微分和图论思想创建了一系列图像分割和增强算法对岩石节理裂隙进行分析；Zakeri等人(2017),和Mohan和Poobal(2018) 对节理裂隙更多更详细的信息进行了综述。

由于岩体节理裂隙是3维的，随着计算机技术的快速发展，研究者基于2维检测来估算3维的情况。Kemeny和Post(2003)通过跟踪多方面的2维信息来估算3维信息，总结了一种估算3维节理裂隙的新方法；Di和Gao(2014)将2维图像的灰度变换及Canny边缘检测方法延伸到3维图像处理中，实现了3维岩体节理裂隙测量，而得到的3维节理裂隙较为完整；Voorn等人(2013)采用一种称作Frangi的滤波器对3维的岩体节理裂隙进行多尺度增强，效果较为明显，但尺度的选取对增强效果影响较大；Li等人(2016)建立了一种岩体表面3D模型用于自动跟踪岩石节理裂隙；Zheng 等人(2015)基于3D 模型来估算2D节理裂隙的密度。

直接利用3维激光扫描获取和处理3D信息的研究很多。Chen等人(2016)基于3维激光扫描的点云数据获取节理裂隙的方向；Guo 等人(2017)也进行了类似的研究；Cacciari和Futai(2018)对隧道内部岩体结构及节理裂隙进行了详细测量和分析，运用点云数据和图像数据处理方法提取了岩体构造和裂隙分布信息。

综上所述，裂隙/裂缝测量和分析在岩石及土木工程中非常重要，图像测量手段有一定的优越性，但由于裂隙/裂缝图像千变万化及噪声太多，2维和3维的裂隙/裂缝检测或跟踪都困难重重。因此，本文提出了一种不直接提取整体裂隙/裂缝而是提取裂隙/裂缝中线的算法，主要包括3个步骤：1)提出一种新的分数阶微分模板，增强裂隙/裂缝信息；2)根据Steger 算法思想，提取裂隙/裂缝中心线上的特征点；3)综合特征点的方向、强度及亚像素精度定位进行特征点连接，然后基于水动力学思想在端点距离和角度差都满足距离阈值和角度差阈值的情况下，进行线段连接。