Détection de fissures sur OA et chaussées

Contribution à la détection automatique de défauts par traitement du signal et de l’image - Application à la caractérisation de fissures surfaciques (débouchantes) et interne (non débouchantes) dans les matériaux et structures du génie civil

Responsables

Vincent Baltazart (Ifsttar/COSYS/SII) et Philippe Foucher (CEREMA, ERA 27, Strasbourg)

Enjeux et objectifs

À des stades intermédiaires entre état neuf et fin de vie, la détection et la caractérisation de fissures est un élément important de diagnostic des structures et matériaux du génie civil, qui influence la mise en œuvre de politique d’entretien et de gestion du parc d’infrastructures. Dans ce contexte, les techniques de traitement du signal et de l’image interviennent pour améliorer l’interprétation des données et/ou les performances des méthodes d’auscultation. Schématiquement, les techniques de traitement d’images sont davantage dédiées à la détection et la caractérisation des fissures débouchantes. Les techniques de traitement du signal sont un préliminaire essentiel pour aider l’utilisateur dans l’interprétation des signaux radar pour ausculter un volume de matériau. 

Pour les fissures débouchantes, l’objectif de l’ORSI s’attache principalement à satisfaire des besoins opérationnels.  Ainsi, dans le domaine des chaussées, l’objectif est de contribuer à la poursuite de l’automatisation de la détection de fissures ; cet objectif intègre le tri des images avec défauts d’une part, et la détection automatique et non supervisée de fissures d’autre part.  L’objectif est également d’étendre ces outils automatiques dans le domaine des ouvrages d’art, en montrant notamment l’intérêt des outils d’évaluation visuelle basés sur des méthodes d’analyse et de traitement d’images. 

Pour les fissures non débouchantes, l’objectif de l’ORSI revêt davantage un caractère méthodologique et exploratoire. L’objectif est ainsi de développer des méthodes de contrôle non destructif (CND) qui permettent d’imager l’interaction d’une onde incidente avec un défaut à détecter. On développera principalement l’utilisation du radar, en ajoutant la dimension polarimétrique, ainsi que des outils d’imagerie moins conventionnelle (shearographie, infra rouge, ultra sons).

En particulier, l’ORSI s’attachera à montrer le potentiel de la méthode radar à faire du suivi de dégradations (monitoring), à partir d’une analyse fine du signal. En ce qui concerne les fissures verticales et obliques, l’analyse quantitative du signal s’appuiera sur l’apport de la diversité de polarisation.

Enfin, un objectif commun aux deux problématiques de l’ORSI consiste à valoriser le travail réalisé, notamment par le biais de rédaction d’articles scientifiques, de participation à des groupes thématiques internationaux (RILEM TC-MCD, COST TU 1208) et de contribuer au transfert du travail vers l’application et les utilisateurs finaux.

Etat de l'art

Ce thème de recherche s’inscrit dans le cadre des objectifs de recherche de l’IFSTTAR depuis environ 15 ans, dans ceux du Pôle de Compétence ECND-PdL au niveau régional, , et dans le cadre de groupes de travail de la RILEM TC-MCD et de l’action COST TU1208 au niveau international. L’IFSTTAR développe depuis de nombreuses années différentes méthodes d’imagerie de fissures visibles en surface de matériau de chaussées (i.e., fissures ouvertes, débouchantes, surfaciques) à partir d’images numériques. Ce travail contribue à automatiser le contrôle et le suivi de l’état de surfaces des chaussées dans l’exploitation d’appareillage opérationnel (Aigle-RN). Les approches développées font intervenir les caractéristiques photométriques et géométriques de la fissure. Parmi tous ces travaux, les plus prometteurs ont montré l’intérêt des algorithmes de classification d’images (sélection des images contenant des défauts). Dans la littérature scientifique, on observe un intérêt constant pour cette thématique (i.e. détection d’objets fins dans une image « fortement » texturée), du fait de la difficulté de la problématique et de la variété d’algorithmes existants. En outre, l’évolution technologique offrent de nouvelles possibilités de traitement grâce à une meilleure qualité d’images et/ou un contenu en information plus riche (infra rouge, relief, polarimétrie).

En ouvrage d’art, des photographies de l’ouvrage (à différentes échelles) permettent de garder mémoire des dégradations (fissures, corrosion) et d’illustrer les rapports d’inspection visuelle. Les interfaces graphiques ainsi que les outils de traitement d’images sont peu utilisés jusqu'à présent. Toutefois, on observe depuis quelques années davantage d’applications du traitement d’images à la détection de désordres sur ouvrages d’art, ainsi que des adaptations spécifiques de méthodes optiques (e.g., technique de corrélation d’images, shearographie) aux besoins d’auscultation du génie civil. Ces différentes techniques de mesure contribuent à satisfaire les besoins d’outils d’évaluation visuelle et d’aide au diagnostic.

L’imagerie de fissures non débouchantes à l’intérieur d’un matériau, i.e., fissures internes invisibles en surface du matériau, repose sur l’utilisation des techniques d’évaluation et de contrôle non destructif (ECND). Ces dernières utilisent des ondes invasives ayant la capacité de se propager dans le matériau à ausculter et d’interagir avec les défauts à détecter. De ce point de vue, cette thématique bénéficie du avancées des techniques d’ECND qui ont fait l’objet de nombreuses ORs depuis 10 ans, e.g. 11A021, 11A024 et 11N071 pour les besoins d’auscultation des différents matériaux du génie civil (sols, bétons hydrauliques, chaussées). En chaussée, ces activités font l’objet d’un groupe de travail de la RILEM TC-MCD2, plus axé sur l’analyse et la compréhension des mécanismes de fissuration.

Les ondes mécaniques (e.g. acoustiques, ultrasons) sont plus sensibles aux défauts que les ondes électromagnétiques (méthodes radar). Des méthodes spécifiques permettent de détecter les fissures « fermées » par des phénomènes d’acoustique non linéaire. Les ORs 11N062 et 11N063 ont démontré la polyvalence des techniques de shearographie et de thermographie infra-rouge, par leur capacité à détecter les deux types de défauts dans des structures en béton armé. Cependant, seule la méthode radar permet actuellement une auscultation sans contact et à grand rendement.

L’IFSTTAR utilise depuis plus de 20 ans les méthodes radar pour les besoins d’auscultation et d’ECND des matériaux du génie civil : localisation de défauts, d’éléments structurants (couches, d’aciers de précontraintes), délamination dans les chaussées, intégrité de piliers de carrières, etc. La détection d’objets fins telles que les fissures, nécessiterait de renforcer la sensibilité de la méthode radar, en particulier par une analyse en diversité de polarisation.

Avancées scientifiques attendues

Les outils de traitement d’images développés dans cette ORSI permettraient de poursuivre l’évolution globale d’automatisation du relevé visuel de fissures débouchantes, réalisé sur ouvrage d’art et/ou chaussées. Les deux matériaux auscultés (chaussée, béton) donnent lieu cependant à des difficultés spécifiques, dont doivent tenir compte les algorithmes à développer.

  • Sur chaussées, l’amélioration des performances des algorithmes de détection passe notamment par une prise en compte des caractéristiques photométriques et géométriques des fissures. Les axes de travail concernent le développement d’outils de tri automatique d’images avec défauts (classification), et le développement d’algorithmes de détection automatique de défauts fins utilisant un minimum d’information a priori et dont es performances sont plus robustes à la texture de l’image. On attend de ce travail une évaluation des outils à la fois plus rigoureuse, et plus proches des besoins des utilisateurs.
  • Sur ouvrages d’art, l’outil numérique permet une analyse plus systématique que l’inspection visuelle, en offrant la possibilité d’obtenir des indicateurs statistiquement plus fiables grâce au grand volume d’information potentielle que représentent les images. Le travail proposé intègre de progresser sur la méthodologies d'auscultation des ouvrages d'art, en prenant l’exemple de la méthode LPC 47 (mesure de microfissuration due à la réaction de gonflement interne), des outils de détection de la corrosion, le tests d’outils de détection semi-automatique et automatique de fissures, des outils de caractérisation de fissures (orientation, épaisseur, longueur, etc.). Un logiciel (ANDROA) intégrant différents modules de traitement est en cours de réalisation. 

La thématique concernant l’imagerie des fissures débouchantes revêt davantage un caractère exploratoire et méthodologique :

  • Tester le potentiel du radar à suivre des évolutions de dégradation du matériau (monitoring) par une analyse fine du signal ; on exploitera pour ce faire les mesures réalisées dans le cadre de l’expérimentation sur le manège de fatigue de l’IFSTTAR-Nantes
  • En radar, il s’agit de faire progresser la méthodologie d’exploitation des mesures en proposant une interface de base commune aux utilisateurs
  • Améliorer la détection (l’amplitude de la signature) radar des fissures en tenant compte de la polarisation dans la mesure et dans le traitement du signal en réception.

Partenariats

  • CEREMA ERA 17 + CECP (Angers), ERA 23 + LR (Rouen), ERA 27 + GOA (Strasbourg), ERA 37 (Saint-Brieuc)
  • IFSTTAR COSYS/SII, COSYS/LISIS, GERS/AI, MAST/LAMES
  • ORSi APOS, DEDIR, MCV, ECODEM
  • Universités ENSEEIHT (S. Chambon, J-D. Durou), École Centrale de Nantes (IRCCyN J. Idier), Xlim (Poitiers, M. Koudheir)
  • Projets connexes
    • Projet européen PCRD TRIMM (Tomorrow’s Road Infrastructure Monitoring and Management)
    • Groupe de travail TG3 (Advanced measurement systems for crack characterization) de la RILEM-MCD (Mechanisms of Cracking and Debonding in Asphalt and Composite Pavements)
    • Action COST TU1208 (Civil engineering applications of Ground Penetrating Radar)
    • Opérations de développement RD2-S13002 (Visiodec II), RD2-S08002 (mesure de déflexion par lumière structurée)

Programmation

  • Produits opérationnels
    • Banque d’images associée à une sélection de types de dégradations sur ouvrages d’art ;
    • Avancement Visiodec II
    • Démonstrateur d’outils d’évaluation visuelle pour les ouvrages d’art  (réactualisation de la version du logiciel ANDROA);
    • Avancement  de la visionneuse pour l’analyse d’images panoramiques de voûtes de tunnels;
    • Nouvelle méthode d’essai LPC-47
    • Algorithmes : mesure d’indice surfacique, détection de fissures
  • Production académiques
    • thèse de Rabih Amhaz
    • articles de revue, articles de congrès,
    • rapports, compte-rendus, etc.
Figure 1 : En illustration du thème 1, algorithmes de détection automatique de fissures sur des imagettes de chaussée 100×100 pixels; (a) image originale, (b) résultat de la méthode proposée par R. Amhaz (recherche de chemin minimal basée sur l’algorithme Dijkstra), (c) pseudo-vérité terrain (méthode manuelle), (d) Résultat obtenu par la méthode FFA (Nguyen, 2010).

Figure 2 : En illustration du thème 2 : Expérimentation avec le radar de sol ultra large bande en développement à COSYS/LISIS ; détection de cibles enfouis (tuyaux) dans du sable  dans deux configuration radar (polarisations différentes). D’après F. Sagnard et al., Analysis of hyperbola signatures from small discontinuities using an UWB ground-penetrating radar: FDTD simulations and field experiments, congrès EAGE, Vienne, avril 2013