基于數(shù)字圖像處理技術(shù)的瀝青路面表面紋理構(gòu)造分布

宋永朝，閆功喜，隋永芹，黎富春

(1. 重慶交通大學(xué) 交通運(yùn)輸學(xué)院，重慶，400074；2. 蘇州科技學(xué)院 土木工程學(xué)院，江蘇 蘇州，215011；3. 佛山市交通運(yùn)輸工程質(zhì)量監(jiān)督站，廣東 佛山，528000)

道路表面抗滑性能與道路表面紋理構(gòu)造密切相關(guān)[1]。國際道路協(xié)會(huì)將路面紋理構(gòu)造分為微觀構(gòu)造和宏觀構(gòu)造。微觀構(gòu)造又稱微觀紋理，是路面集料表面的微小構(gòu)造；宏觀構(gòu)造又稱宏觀紋理，是路面集料之間構(gòu)成的空隙。美國材料與試驗(yàn)協(xié)會(huì)(ASTM)給出了宏觀構(gòu)造和微觀構(gòu)造的定量描述(ASTM E867)，表面紋理構(gòu)造常用平均斷面深度或平均構(gòu)造深度進(jìn)行描述[2-3]，依據(jù)路面表面測(cè)點(diǎn)與參照平面之間距離偏差的波長和振幅進(jìn)行劃分，0.5 mm 以下為微觀構(gòu)造，0.5 mm 以上表面紋理為宏觀構(gòu)造。目前，瀝青路面在我國高等級(jí)公路建設(shè)中廣泛運(yùn)用，瀝青路面紋理構(gòu)造主要由瀝青路面骨料顆粒的形狀、大小、分布與骨料材質(zhì)決定[4]。瀝青路面抗滑性能取決于瀝青路表紋理構(gòu)造質(zhì)量狀況[5]，瀝青路面表面微觀、宏觀紋理構(gòu)造的形貌特性顯著影響其表面抗滑性能[6-7]，表面紋理構(gòu)造深度、紋理構(gòu)造分布均勻程度等因素決定著瀝青路表紋理構(gòu)造品質(zhì)。我國現(xiàn)行行業(yè)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)通過測(cè)量路表構(gòu)造深度指標(biāo)來評(píng)定路表紋理構(gòu)造的抗滑性能，采用“鋪砂法”和“激光法”來測(cè)量路表抗滑構(gòu)造深度[8-9]。鋪砂法的檢測(cè)設(shè)備價(jià)格便宜，操作比較簡(jiǎn)單，但費(fèi)時(shí)費(fèi)力，檢測(cè)結(jié)果受人為因素影響較大，精度不高。激光法要通過專用的檢測(cè)設(shè)備，設(shè)備昂貴，操作比較復(fù)雜。王端宜等[10]提出了運(yùn)用數(shù)字圖像處理技術(shù)檢測(cè)瀝青路面表面構(gòu)造深度，認(rèn)為該方法精度高，信息量大，操作簡(jiǎn)便，是一種有前途的道路表面功能測(cè)試方法。瀝青路面表面紋理構(gòu)造分布特性是道路表面功能的重要體現(xiàn)，但到目前為止，還沒有很好的方式來評(píng)判瀝青路表紋理構(gòu)造分布狀態(tài)。對(duì)于瀝青路面紋理構(gòu)造分布特征，通常采用現(xiàn)場(chǎng)目測(cè)的方法，主觀性太大，并不能很好地評(píng)價(jià)瀝青路面表面紋理構(gòu)造分布優(yōu)劣程度。在此，本文引入數(shù)字圖像處理技術(shù)對(duì)瀝青路面數(shù)字圖像進(jìn)行處理，獲取其表面紋理構(gòu)造分布形態(tài)特征，探討瀝青路面紋理構(gòu)造分布均勻性的評(píng)判方法，并對(duì)瀝青路面抗滑性能與表面紋理構(gòu)造分布狀態(tài)進(jìn)行相關(guān)性分析，以期為評(píng)判瀝青路表紋理構(gòu)造的質(zhì)量水平提供指導(dǎo)。

1 運(yùn)用數(shù)字圖像處理技術(shù)分析瀝青路面紋理構(gòu)造分布狀況

1.1 數(shù)字圖像處理技術(shù)基本原理

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，數(shù)字圖像處理技術(shù)得到了廣泛應(yīng)用[11]。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，1 個(gè)數(shù)字圖像可以看成1 個(gè)矩陣或1 個(gè)二維數(shù)組，數(shù)字圖像是以二維矩陣在計(jì)算機(jī)中進(jìn)行存儲(chǔ)的，數(shù)字圖像處理的實(shí)質(zhì)是對(duì)二維矩陣的處理[12]。單色級(jí)灰度圖像的像素取值范圍為[0,255]，其中“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[13]。當(dāng)平行光線照射在粗糙的物體表面上時(shí)，反射到相機(jī)感光底片上各點(diǎn)的光線強(qiáng)度存在差異，圖像各點(diǎn)亮度或灰度不同，拍攝表面的上凸點(diǎn)位亮度較大(即灰度值較高)，下凹點(diǎn)位較暗(即灰度值較低)，可根據(jù)圖像明暗程度(灰度值大小差異)來區(qū)分物體表面凸凹不平的程度[14-15]。數(shù)字圖像的空間曲面構(gòu)造模型為

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

采用數(shù)碼相機(jī)拍攝瀝青路面紋理構(gòu)造的數(shù)字圖像時(shí)，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，可根據(jù)瀝青路面圖像中各點(diǎn)的明暗程度(即數(shù)字圖像灰度)，來獲得瀝青路面紋理構(gòu)造的凸凹狀態(tài)信息。其中，拍攝表面的上凸部分在對(duì)應(yīng)區(qū)域中反映出較大的像素值，而下凹部分在對(duì)應(yīng)區(qū)域的像素值則相對(duì)較小。通過將實(shí)地采集的數(shù)字圖像進(jìn)行像素值量化，獲取瀝青路面表面像素分布矩陣，進(jìn)而分析瀝青路面表面紋理構(gòu)造分布狀況。

1.2 瀝青路面圖像采集

為了減少或避免原始圖像的信息誤差，需要規(guī)范瀝青路面表面數(shù)字圖像采集的操作過程。采用普通數(shù)碼相機(jī)拍攝瀝青路面被測(cè)表面，在進(jìn)行數(shù)字圖像采集前需清掃道路表面，確保圖像拍攝區(qū)域清潔干凈。同時(shí)，將校準(zhǔn)條(刻度尺)放置于拍攝區(qū)域的邊緣，在同一畫面內(nèi)拍下測(cè)點(diǎn)區(qū)域和校準(zhǔn)條。在數(shù)字圖像采集過程中，綜合考慮發(fā)光源的亮度、照射角度等受照狀態(tài)影響因素相同情況下進(jìn)行多個(gè)測(cè)點(diǎn)圖像采集，拍攝時(shí)保持鏡頭平面與道路表面平行，拍攝的垂直距離固定為50 cm，拍攝的瀝青路面數(shù)字圖像如圖1 所示。

1.3 路面紋理構(gòu)造形態(tài)的圖像分析

按圖像采集要求對(duì)瀝青路面被測(cè)表面進(jìn)行數(shù)字圖像采集，將拍攝的數(shù)字圖像輸入計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理和存檔。數(shù)碼相機(jī)的工作條件受多因素影響，在圖像獲取、信息輸出、圖像格式壓縮等情況下會(huì)產(chǎn)生噪聲，噪聲的存在會(huì)影響圖像分析的準(zhǔn)確性。通過對(duì)獲取的瀝青表面數(shù)字圖像進(jìn)行平滑和銳化預(yù)處理，消除混雜在圖像中的干擾，增強(qiáng)圖像邊緣特征，改善圖像識(shí)別水平。對(duì)數(shù)字圖像進(jìn)行灰度分級(jí)處理，處理后的灰度圖像如圖2 所示。

圖1 瀝青路面原始數(shù)字圖像Fig.1 Original digital image of asphalt pavement

圖2 瀝青路面灰度圖像Fig.2 Grey image of asphalt pavement

運(yùn)用圖像處理軟件獲取灰度圖像中坐標(biāo)(x, y)對(duì)應(yīng)的像素值F(x,y)，得到路表紋理構(gòu)造的像素曲面分布，在圖像所在區(qū)域內(nèi)各點(diǎn)的像素空間曲面與像素極大值所在平面圍成的體積，確定為圖像該區(qū)域表面紋理構(gòu)造的像素空間體積。圖像區(qū)域內(nèi)像素極大值與各點(diǎn)像素之差的累計(jì)和即為該區(qū)域內(nèi)的表面構(gòu)造像素空間體積，像素空間體積的數(shù)學(xué)模型為

式中：Vpixel為像素空間體積；(x,y)為圖像坐標(biāo)；F(x,y)為(x,y)對(duì)應(yīng)的像素值；Fmax為像素極大值；D 為積分區(qū)域范圍。根據(jù)數(shù)字圖像的最大類內(nèi)、類間距離閾值判定準(zhǔn)則[16-17]，考慮道路表面宏觀構(gòu)造的漸變特性，計(jì)算其像素極大值和區(qū)域內(nèi)的平均像素，可由下式得到灰度圖像轉(zhuǎn)換成二值圖像的判定閾值。

式中：T 為判定閾值；k 為修正系數(shù)，取值范圍為5%～15%，可取10%。判定閾值亦可通過對(duì)瀝青表面紋理構(gòu)造實(shí)施鋪砂填充后獲得的圖像樣本進(jìn)行分析，予以修正。將灰度圖像轉(zhuǎn)換成二值圖像，并對(duì)二值圖像進(jìn)行特征抽取、圖像分割、邊緣提取處理。轉(zhuǎn)換后的二值圖像如圖3 所示，二值圖像中的白色小區(qū)域代表瀝青表面紋理構(gòu)造各下凹小區(qū)域的分布形態(tài)。

圖3 瀝青路面二值圖像Fig.3 Binary image of asphalt pavement

提取二值圖像中白色小區(qū)域的形態(tài)特征，計(jì)算白色小區(qū)域的個(gè)數(shù)、面積。統(tǒng)計(jì)平面區(qū)域內(nèi)校準(zhǔn)條的刻度標(biāo)準(zhǔn)對(duì)應(yīng)數(shù)字圖像長度范圍內(nèi)的像素?cái)?shù)量，由下式得到數(shù)字圖像的像素當(dāng)量：

式中：ε 為圖像中的像素當(dāng)量；L 為校準(zhǔn)條長度；M為校準(zhǔn)條長度范圍內(nèi)的像素?cái)?shù)量。通過計(jì)算程序?qū)Χ祱D像中各個(gè)白色小區(qū)域的非零像素個(gè)數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，并由下式計(jì)算二值圖像中各白色小區(qū)域的面積：

式中：Si為二值圖像中第i 個(gè)白色小區(qū)域的面積；Ni為二值圖像中第i 個(gè)白色小區(qū)域的非零像素個(gè)數(shù)。將白色小區(qū)域形狀近似為圓形，根據(jù)圓形直徑與面積的關(guān)系，可計(jì)算其近似直徑，并統(tǒng)計(jì)白色小區(qū)域直徑大小的組成情況，可通過式(6)計(jì)算各白色小區(qū)域的近似直徑。統(tǒng)計(jì)二值圖像中白色小區(qū)域的面積，根據(jù)式(7)得到下凹部分累計(jì)面積占被測(cè)表面的面積分?jǐn)?shù)，即路表下凹面積分?jǐn)?shù)。

式中：Ri為二值圖像中第i 個(gè)白色小區(qū)域的近似直徑；Si為二值圖像中第i 個(gè)白色小區(qū)域的面積；e 為路表下凹面積分?jǐn)?shù)；Σ Si為路表下凹小區(qū)域的累計(jì)面積；Sp為圖像中對(duì)應(yīng)的路表面積。二值圖像中各白色小區(qū)域代表道路表面各下凹小區(qū)域的形態(tài)特征，根據(jù)二值圖像中各白色小區(qū)域的數(shù)量、面積大小及近似直徑組成，得到道路表面宏觀構(gòu)造中的下凹小區(qū)域的個(gè)數(shù)、各下凹小區(qū)域的面積、各下凹小區(qū)域近似直徑組成，以及路表下凹面積分?jǐn)?shù)。瀝青路面表面紋理構(gòu)造中各下凹小區(qū)域直徑的分布狀況如表1 所示。

表面下凹小區(qū)域直徑范圍/mm下凹小區(qū)域所占比率/%2～53.54038.80 5～107.54947.60 10～1512.51211.70 15～2017.510.97 20～2522.510.97 25～3027.500＞30—00直徑范圍中值/mm下凹小區(qū)域數(shù)量/個(gè)

2 瀝青路面表面紋理構(gòu)造分布均勻性評(píng)價(jià)方法

將圖3 按十字中心線一分為四，劃分為同等面積的Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ和Ⅳ4 個(gè)區(qū)域，如圖4 所示。

圖4 四等分區(qū)域的紋理構(gòu)造分布Fig.4 Texture structure distribution of four equal areas

編號(hào) 下分凹數(shù)面/%積平均值 變異系數(shù)cvⅠ16.05 x i標(biāo)準(zhǔn)差sⅡ18.59Ⅲ20.10Ⅳ24.32 19.773.470.176

不同瀝青路面紋理構(gòu)造分布狀況存在差異，可根據(jù)被測(cè)表面下凹面積分?jǐn)?shù)的變異系數(shù)cv將其劃分為均衡、輕度不均衡、中度不均衡、嚴(yán)重不均衡4 個(gè)等級(jí)。變異系數(shù)體現(xiàn)數(shù)值分布的離散程度，瀝青路面被測(cè)表面四等分區(qū)域下凹面積分?jǐn)?shù)的變異系數(shù)愈大，則瀝青路面表面紋理構(gòu)造分布愈不均衡。根據(jù)變異系數(shù)區(qū)間估計(jì)分析理論[18]并考慮行業(yè)規(guī)范要求[8-9]，擬推薦的瀝青路面紋理構(gòu)造分布狀況分級(jí)定量界限如表3 所示，圖3 中的被測(cè)表面紋理構(gòu)造分布狀況可評(píng)定為中度不均衡狀態(tài)。

參數(shù) 均衡 不輕均度衡嚴(yán)重不均衡cv 上限 —0.050.100.20 cv 下限0.050.100.20—中度不均衡

運(yùn)用數(shù)字圖像處理技術(shù)檢測(cè)瀝青路面表面紋理構(gòu)造的分布狀況，定量分析瀝青路表紋理構(gòu)造質(zhì)量水平，具有效率高、費(fèi)用低、操作便捷、信息量大，客觀性強(qiáng)、適用面廣等特點(diǎn)，通過計(jì)算機(jī)對(duì)被測(cè)表面數(shù)字圖像進(jìn)行分析，其分析過程易于實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)程序化計(jì)算，便于實(shí)現(xiàn)瀝青路面表面紋理構(gòu)造質(zhì)量檢測(cè)的連續(xù)化。

3 瀝青路面表面紋理構(gòu)造分布特性

對(duì)某城市主干道的SMA-13 瀝青路面測(cè)試點(diǎn)位進(jìn)行圖像采集，運(yùn)用數(shù)字圖像處理技術(shù)對(duì)數(shù)字圖像進(jìn)行處理，分析瀝青路面紋理構(gòu)造形態(tài)。測(cè)試時(shí)間為2 a，SMA-13 瀝青路面測(cè)試點(diǎn)位的路表下凹面積分?jǐn)?shù)測(cè)試結(jié)果如圖5 所示。

圖5 路表下凹面積分?jǐn)?shù)與路面使用時(shí)間關(guān)系Fig.5 Relationship between surface concave area percentage and pavement usage time

根據(jù)測(cè)試結(jié)果可知：SMA-13 新建瀝青路面的路表下凹面積分?jǐn)?shù)可達(dá)35%，隨著使用時(shí)間增加，路表下凹面積分?jǐn)?shù)呈下降趨勢(shì)；在通車1 a 內(nèi)，主干道路表下凹面積分?jǐn)?shù)耗損較明顯，隨后下降幅度逐漸趨于平緩。

為了探討瀝青路面紋理構(gòu)造分布狀況與路面抗滑性能之間內(nèi)在關(guān)聯(lián)，選取SMA-13，AK-13 和微表處等常見的瀝青路面作為研究對(duì)象，按照?qǐng)D像采集要求分別對(duì)SMA-13，AK-13 和微表處表面紋理構(gòu)造實(shí)施多測(cè)點(diǎn)數(shù)字圖像采集，同時(shí)，對(duì)各測(cè)點(diǎn)相應(yīng)點(diǎn)位進(jìn)行抗滑性能試驗(yàn)，檢測(cè)各測(cè)點(diǎn)的抗滑值。根據(jù)各測(cè)點(diǎn)的數(shù)字圖像信息，運(yùn)行數(shù)字圖像紋理構(gòu)造分布狀態(tài)計(jì)算程序，分析各測(cè)點(diǎn)的瀝青表面紋理構(gòu)造分布狀況，計(jì)算各測(cè)點(diǎn)的路表下凹面積分?jǐn)?shù)。SMA-13，AK-13 和微表處瀝青路表分別采集了21，20 和21 個(gè)代表性樣本進(jìn)行分析，統(tǒng)計(jì)各測(cè)點(diǎn)樣本相應(yīng)的路表下凹面積分?jǐn)?shù)、表面抗滑值，試驗(yàn)樣本分析結(jié)果如圖6 所示。

圖6 瀝青路面抗滑值與路表下凹面積分?jǐn)?shù)關(guān)系Fig.6 Relationship between skid resistance value of asphalt pavement and surface concave area percentage

從圖6 可以得知：SMA-13，AK-13 和微表處的路表下凹面積分?jǐn)?shù)與路表抗滑值均近似呈拋物曲線關(guān)系；當(dāng)路表下凹面積分?jǐn)?shù)小于一定數(shù)值時(shí)，路表下凹面積分?jǐn)?shù)與路表抗滑值呈正相關(guān)，路面表層抗滑性能隨路表下凹面積分?jǐn)?shù)的增大而增強(qiáng)；當(dāng)路表下凹面積分?jǐn)?shù)大于一定數(shù)值時(shí)，路表下凹面積分?jǐn)?shù)與路表抗滑值呈負(fù)相關(guān)，路面表層抗滑性能隨路表下凹面積分?jǐn)?shù)的增大反而有所下降；SMA-13 和AK-13 瀝青路面路表下凹面積分?jǐn)?shù)整體比微表處的略高，其最佳抗滑值對(duì)應(yīng)的路表下凹面積分?jǐn)?shù)亦比微表處的略高。便于充分發(fā)揮路面表層的抗滑性能，SMA-13 和AK-13 瀝青路面路表下凹面積分?jǐn)?shù)的建議控制區(qū)間為[25%，30%]，微表處路表下凹面積分?jǐn)?shù)的建議控制區(qū)間為[23%，28%]。

4 結(jié)論

1) 通過數(shù)字圖像處理技術(shù)分析瀝青路面表面紋理構(gòu)造分布狀況，可避免人為主觀性，具有效率高、費(fèi)用低、信息量大，客觀性強(qiáng)、操作便捷、適用面廣等特點(diǎn)，分析過程易于實(shí)行程序化運(yùn)算，便于實(shí)現(xiàn)瀝青路面表面紋理構(gòu)造質(zhì)量檢測(cè)的連續(xù)化。

2) 運(yùn)用數(shù)字圖像處理技術(shù)對(duì)瀝青路面表面數(shù)字圖像進(jìn)行分析，計(jì)算路表紋理構(gòu)造的下凹小區(qū)域的個(gè)數(shù)、各下凹小區(qū)域的面積、各下凹小區(qū)域近似直徑大小組成以及路表下凹面積分?jǐn)?shù)，量化分析瀝青路面紋理構(gòu)造分布狀態(tài)。

3) 采用路表下凹面積分?jǐn)?shù)的變異系數(shù)作為瀝青路面紋理構(gòu)造分布均勻性評(píng)價(jià)指標(biāo)，提出了瀝青路面紋理構(gòu)造分布均勻程度評(píng)價(jià)方法及紋理構(gòu)造分布均勻性分級(jí)界限推薦值。

4) 瀝青路面表面抗滑值與路表下凹面積分?jǐn)?shù)呈近似拋物曲線關(guān)系，在路表下凹面積分?jǐn)?shù)較小水平下，路面表層抗滑性能隨路表下凹面積分?jǐn)?shù)的增大而增強(qiáng)，當(dāng)路表下凹面積分?jǐn)?shù)大于一定數(shù)值后，路面表層抗滑性能隨路表下凹面積分?jǐn)?shù)的增大反而有所下降。

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