基于數(shù)字圖像技術(shù)的露石混凝土表面構(gòu)造研究

宋永朝，黎富春，梁乃興

(1.重慶交通大學(xué) 交通運(yùn)輸學(xué)院，重慶 400074;2.佛山市交通工程質(zhì)量監(jiān)督站，廣東佛山 528000;3.重慶交通大學(xué)土木建筑學(xué)院，重慶 400074)

基于數(shù)字圖像技術(shù)的露石混凝土表面構(gòu)造研究

宋永朝1，黎富春2，梁乃興3

(1.重慶交通大學(xué) 交通運(yùn)輸學(xué)院，重慶 400074;2.佛山市交通工程質(zhì)量監(jiān)督站，廣東佛山 528000;3.重慶交通大學(xué)土木建筑學(xué)院，重慶 400074)

運(yùn)用數(shù)字圖像技術(shù)實(shí)現(xiàn)了露石混凝土路面(EACCP)圖像像素值量化計算，建立了露石表面像素差平均值與構(gòu)造深度的關(guān)系模型;通過采集的數(shù)字圖像計算分析了露石表面構(gòu)造深度，評價了EACCP露石表面構(gòu)造質(zhì)量。實(shí)例分析表明:數(shù)字圖像技術(shù)的露石表面構(gòu)造檢測方法，能方便快捷地進(jìn)行露石路表構(gòu)造深度檢測，有利于實(shí)現(xiàn)測量工作的連續(xù)化。

路面工程;露石混凝土路面;數(shù)字圖像技術(shù);表面構(gòu)造;抗滑性能

隨著我國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，機(jī)動車數(shù)量劇增，對道路的安全性、行車舒適性提出了更高的要求。水泥混凝土路面具有結(jié)構(gòu)強(qiáng)度高、使用壽命長等優(yōu)點(diǎn)，同時亦存在抗滑性能差、行車噪聲高、易產(chǎn)生眩光等問題。露石水泥混凝土路面(Exposed-Aggregate Cement Concrete Pavement，EACCP)是一種新型的路面形式，克服了普通水泥混凝土路面諸多缺陷，在許多方面表現(xiàn)出優(yōu)良性能［1］。EACCP特有的露石表面構(gòu)造，能有效改善水泥混凝土路面的抗滑性能，顯著降低行車噪聲，粗糙的露石表面還具有很好的防眩作用，有利于安全行車［2］。

近年來，計算機(jī)技術(shù)飛速發(fā)展，數(shù)字圖像技術(shù)已經(jīng)越來越廣泛地應(yīng)用到各個生產(chǎn)和科技領(lǐng)域。表面構(gòu)造是評價路面抗滑性能的重要指標(biāo)，露石面層表面構(gòu)造的質(zhì)量取決于面層表面構(gòu)造深度、露石分布均勻程度，顯著影響EACCP高抗滑低噪聲性能［3］。筆者利用常規(guī)設(shè)備(如數(shù)碼相機(jī))采集EACCP露石表面數(shù)字圖像，運(yùn)用數(shù)字圖像技術(shù)對其圖像信息進(jìn)行處理，計算露石表面構(gòu)造深度值，分析評價EACCP露石表面性能。與傳統(tǒng)測量方法相比，數(shù)字圖像實(shí)地采集更為便捷，易于增加樣本數(shù)量，可實(shí)現(xiàn)EACCP表面構(gòu)造的連續(xù)化檢測。

1 EACCP露石表面構(gòu)造

EACCP露石表面構(gòu)造采用表層露石方法對水泥混凝土表面進(jìn)行處理，從而達(dá)到紋理豐富的露石路表構(gòu)造。EACCP施工過程亦包括水泥混凝土拌和、攤鋪、振搗成型，待混凝土表面水消失時，在表面噴灑適量露石劑，延緩表層水泥硬化時間，在主體混凝土達(dá)到終凝時間而具有一定初始強(qiáng)度時，用鋼絲刷或壓力水將路表層未硬化的水泥沙漿去除處理，從而實(shí)現(xiàn)粗糙的露石表面，EACCP露石表面的最佳露石深度為 1.5 mm［4］。

EACCP露石表面具有良好的路面抗滑性能，能顯著改善雨天潮濕狀態(tài)下路面的抗滑能力。EACCP露石表面擁有發(fā)達(dá)的宏觀構(gòu)造，在路表潮濕不利行車狀態(tài)下能迅速排除車輪下的路表水，避免形成水膜，同時凸出的裸露顆粒嵌入輪胎，提高了輪胎與路面的有效接觸面積，大大提高了抗滑性能。由于EACCP粗集料外露，能夠及時釋放行車過程中輪胎花紋溝槽內(nèi)的空氣，有效降低輪胎花紋內(nèi)空氣壓縮產(chǎn)生的泵吸噪聲，使交通噪聲水平顯著降低，大大改善人口密集地區(qū)的工作生活環(huán)境。同時，光線經(jīng)過粗糙的露石表面后形成漫反射，EACCP面板的反光系數(shù)總體上小于普通水泥混凝土表面，具有很好的防眩作用，有利于安全行車。

EACCP具有剛度大、高抗滑、低噪聲、防眩等特點(diǎn)，能廣泛適用于城市道路交叉口、公路隧道、陡坡彎道等路段的鋪面工程建設(shè)，顯著改善潮濕狀態(tài)下路面的抗滑性能，降低城市主干道行車噪聲，提高機(jī)動車行車安全和行車舒適性能。

2 運(yùn)用數(shù)字圖像技術(shù)分析EACCP露石表面構(gòu)造

2.1 數(shù)字圖像技術(shù)的基本原理

數(shù)字圖像是圖像在空間坐標(biāo)(x，y)和亮度F(x，y)的數(shù)字化，數(shù)字圖像在計算機(jī)中是以二維矩陣來表示和存儲的，一個數(shù)字圖像可以看成一個矩陣或一個二維數(shù)組，數(shù)字圖像處理的實(shí)質(zhì)是對二維矩陣的處理［5］。單色級灰度圖像的像素取值范圍為［0，255］，“0”表示純黑色，“255”表示純白色，中間的數(shù)字從小到大表示由黑到白的過渡色，表征其顏色的深淺程度［6］。平行光線照射在粗糙的物體表面上時，反射光線呈漫反射，反射到相機(jī)感光底片上各點(diǎn)光線的強(qiáng)度是不同的，圖像各點(diǎn)亮度或灰度不同，表面凸起的部分發(fā)亮(灰度值較高)，表面下凹的部分光線變暗(灰度值較低)，并根據(jù)圖像各點(diǎn)明暗差異(灰度值差異)來區(qū)分物體表面凸凹不平的程度［7-9］。

采用數(shù)碼相機(jī)采集EACCP路表圖像時，反射到底片上各點(diǎn)的光線強(qiáng)度不同，圖像各點(diǎn)的亮度或灰度也存在差異，即可通過分析圖像表面各點(diǎn)的明暗程度(即灰度值的大小)，來區(qū)分露石表面的凹凸程度。其中，EACCP數(shù)字圖像內(nèi)上凸的露石部分在對應(yīng)區(qū)域中反應(yīng)出較大的像素值，而下凹部分在對應(yīng)區(qū)域的像素值則相對較小。數(shù)字圖像技術(shù)在EACCP路面構(gòu)造分析的基本原理是通過將實(shí)地采集的數(shù)字圖像進(jìn)行像素值量化，獲取露石表面像素值分布矩陣，計算空間曲面構(gòu)造模型，分析露石表面構(gòu)造深度?？臻g曲面構(gòu)造模型用式(1)表示:

式中:Z為像素值;x、y分別為該像素所對應(yīng)的橫坐標(biāo)和縱坐標(biāo)。

2.2 利用數(shù)字圖像技術(shù)分析露石表面的構(gòu)造深度

根據(jù)數(shù)字圖像技術(shù)的基本原理，將EACCP露石表面圖像的像素值進(jìn)行量化處理，建立露石表面的空間曲面構(gòu)造模型，計算露石表面構(gòu)造深度。EACCP露石表面構(gòu)造的計算過程如圖1。

圖1 露石構(gòu)造深度計算過程Fig.1 Calculation process of exposed-aggregate surface texture depth

EACCP露石表面數(shù)字圖像可采用普通數(shù)碼相機(jī)進(jìn)行圖像采集。在拍攝時盡量保持光源的亮度、照射角度等受照狀態(tài)相同。采集圖像時，應(yīng)確保鏡頭平面與露石表面平行，同時，鏡頭表面與露石表面的垂直距離保持一致，拍照垂直距離固定。

采用MATLAB圖像處理軟件［10］將EACCP露石表面的數(shù)字圖像轉(zhuǎn)換為灰度圖像，獲取圖像坐標(biāo)(x，y)對應(yīng)的像素值F(x，y)，同時得到其像素最大值Fmax。在給定露石表面的平面區(qū)域D內(nèi)各點(diǎn)的像素空間曲面F(x，y)與像素最大值Fmax所在平面圍成的體積，確定為區(qū)域D內(nèi)的表面構(gòu)造像素空間體積，用Vpixel表示［式(2)］，即區(qū)域D內(nèi)Fmax與各點(diǎn)F(x，y)差值的累計和:

將給定區(qū)域面積內(nèi)的像素差平均值用符號Hpixel表示［式(3)］，其中，給定區(qū)域面積為A:

數(shù)字圖像在成像中，物距與像距存在比例關(guān)系，需要通過實(shí)物尺寸進(jìn)行比例修正;同批次水泥混凝土材料成型的露石路面反光特性相對穩(wěn)定，而不同產(chǎn)地、不同巖石種類水泥混凝土材料成型的露石路面的反光特性具有一定差異。因此，露石表面構(gòu)造深度的計算還需對露石表面像素差平均值予以修正，建立露石表面像素差平均值與露石表面構(gòu)造深度之間的關(guān)系。

對于物像比例影響因素可通過在拍照時放置校準(zhǔn)物，結(jié)合校準(zhǔn)物的實(shí)體尺寸與成像大小對比來確定。露石表面像素差平均值修正時，可預(yù)先選定若干預(yù)先采集的數(shù)碼圖像，運(yùn)用數(shù)字圖像技術(shù)分析各圖像相應(yīng)的像素差平均值Hpixel，同時對各個圖像采集位置，采用鋪砂法測定各自的構(gòu)造深度H，建立H-Hpixel的關(guān)系模型，如式(5)。通過已知點(diǎn)位確定H與Hpixel關(guān)系模型后，即可對EACCP路表的大量數(shù)字圖像進(jìn)行表面構(gòu)造深度計算。

采用數(shù)字圖像技術(shù)進(jìn)行EACCP露石表面的構(gòu)造深度測算過程中，若EACCP主要組成材料(如:粗、細(xì)集料巖石色澤)相對穩(wěn)定，確立的H-Hpixel的關(guān)系模型可用于整個路表面構(gòu)造深度計算;若其主要組成材料有所波動，在對各段路表面的構(gòu)造深度進(jìn)行計算時，應(yīng)分段對其關(guān)系模型進(jìn)行確定。

3 實(shí)例分析

以河北省遵寶線 K36+558～K36+700段EACCP實(shí)驗(yàn)段為研究對象，運(yùn)用數(shù)字圖像技術(shù)對其露石表面構(gòu)造進(jìn)行分析。

在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)段攤鋪之前，采用工地原材料在工地實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行了小面積試驗(yàn)，然后對實(shí)驗(yàn)段進(jìn)行大面積攤鋪。根據(jù)實(shí)驗(yàn)室小面積露石表面和實(shí)驗(yàn)段表面所采集的數(shù)字圖像，結(jié)合運(yùn)用鋪砂法檢測對應(yīng)的構(gòu)造深度值，建立EACCP實(shí)驗(yàn)段表面構(gòu)造的H與Hpixel關(guān)系，運(yùn)用鋪砂法測定的露石表面H值與相應(yīng)的Hpixel值如表1。

表1 露石表面的H與相應(yīng)的Hpixel值Table 1 H and Hpixelof exposed-aggregate surface

由表1中各圖像的像素差平均值Hpixel與對應(yīng)點(diǎn)位采用鋪砂法測定的構(gòu)造深度H，建立H-Hpixel的關(guān)系模型，該實(shí)驗(yàn)路段的H-Hpixel的回歸方程為式(6)，n=12，R2=0.941 6，回歸效果顯著。

在遵寶線EACCP實(shí)驗(yàn)段采集了45個數(shù)字圖像樣本，通過MATLAB圖像處理軟件將表面圖像的像素值進(jìn)行量化，計算出各個圖像的像素差平均值Hpixel，結(jié)合式(6)可得到各個圖像位置的露石表面構(gòu)造深度值，各圖像的構(gòu)造深度值如表2。

表2 露石表面的H與相應(yīng)的Hpixel值Table 2 H and Hpixelof exposed-aggregate surface

結(jié)合各圖像的構(gòu)造深度值，計算露石表面構(gòu)造深度代表值，對該實(shí)驗(yàn)段表面構(gòu)造深度進(jìn)行評價。露石表面構(gòu)造深度代表值為構(gòu)造深度算術(shù)平均值的下置信限界［11］，計算式為:

根據(jù)式(7)可得出，遵寶線EACCP實(shí)驗(yàn)段的露石表面構(gòu)造深度代表值為0.712，該實(shí)驗(yàn)路段按二級公路要求設(shè)計，滿足路面工程質(zhì)量評定規(guī)范的規(guī)定值要求。數(shù)字圖像技術(shù)應(yīng)用于遵寶線EACCP實(shí)驗(yàn)段構(gòu)造分析中，數(shù)字圖像實(shí)地采集便捷，易于增加樣本數(shù)量，簡化了EACCP露石表面構(gòu)造深度的檢測工作，分析過程易于實(shí)行計算機(jī)程序化計算，有利于實(shí)現(xiàn)表面構(gòu)造連續(xù)測量。

4 結(jié)語

筆者根據(jù)數(shù)字圖像技術(shù)基本理論進(jìn)行EACCP露石表面構(gòu)造分析，通過MATLAB圖像處理軟件對EACCP露石表面圖像像素值進(jìn)行量化，得到露石表面像素值分布矩陣，獲取露石表面的像素值分布狀態(tài)。通過露石表面圖像樣本與常規(guī)測定方法(砂鋪法)相結(jié)合，建立露石表面像素差平均值與構(gòu)造深度的關(guān)系模型。通過實(shí)地采集大量的EACCP露石表面圖像，計算其構(gòu)造深度值，進(jìn)而評價EACCP露石表面構(gòu)造質(zhì)量。利用數(shù)字圖像技術(shù)進(jìn)行露石表面構(gòu)造深度計算，分析過程簡潔可靠，數(shù)字圖像實(shí)地采集便捷，易于實(shí)現(xiàn)表面構(gòu)造連續(xù)測量。

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Study on Surface Texture of Exposed-Aggregate Cement Concrete Pavement Based on Digital Image Technique

Song Yongchao1，Li Fuchun2，Liang Naixing3
(1.School of Traffic＆ Transportation，Chongqing Jiaotong University，Chongqing 400074，China;
2.The Supervise Department of Traffic Engineering Quantity，F(xiàn)oshan 528000，Guangdong，China;
3.School of Civil Engineering＆ Architecture，Chongqing Jiaotong University，Chongqing 400074，China)

The exposed-aggregate surface of EACCP possesses some advantages，such as big stiffness，high slide，low noise，anti-glare，etc.By using basic method of digital image technique，the image pixel values of the exposed-aggregate surface are quantitatively calculated.The relational model between the average of pixel difference and surface texture depth is established.According to large numbers of digital images on the EACCP，the surface texture depth of corresponding sites is calculated.Finally，exposed-surface structure quality of EACCP can be evaluated.Application Example shows that method of digital image technique can quickly test surface texture depth of EACCP，and can be easy to achieve measurement of continuous work.

pavement engineering;exposed-aggregate cement concrete pavement(EACCP);digital image technique;surface texture;anti-slide performance

U416.216

A

1674-0696(2012)04-0785-03

10.3969/j.issn.1674-0696.2012.04.12

2012-01-04;

2012-02-17

重慶市科技計劃項(xiàng)目(8373);河北省唐山市科技項(xiàng)目(05112602e)

宋永朝(1975—)，男，湖南雙峰人，講師，博士，主要從事道路與交通工程方面研究。E-mail:songyc69@163.com。