數(shù)字圖像處理技術(shù)在瀝青混凝土級配中的應用

黃 曉 晨

(安徽理工大學計算機科學與工程學院，安徽 淮南 232001)

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數(shù)字圖像處理技術(shù)在瀝青混凝土級配中的應用

黃 曉 晨

(安徽理工大學計算機科學與工程學院，安徽 淮南 232001)

通過數(shù)字圖像處理技術(shù)對瀝青混凝土試件的豎直及水平截面的圖像進行處理，運用外接正方形方法及面積級配理論識別截面的集料顆粒粒徑大小并計算截面的級配，分析計算級配與實際級配的聯(lián)系，研究數(shù)字圖像處理技術(shù)的有效性與可行性。

數(shù)字圖像處理技術(shù)，外接正方形，面積級配理論，瀝青混凝土

0 引言

瀝青混凝土是一種由多種材料組成的多相復合材料，其材料組成及其相互作用對瀝青混凝土的宏觀性能起著重要的影響作用。尤其是集料的分布特征，將影響到瀝青混凝土空間骨架的構(gòu)建、瀝青砂漿與集料間的相互作用效應，進而影響瀝青混凝土的受力特性[1-3]。近年來，國內(nèi)外學者采用各種數(shù)值模擬技術(shù)，對瀝青混凝土的受力響應進行計算機模擬，取得了一定的成果。然而，這些模擬多是采用隨機生成的數(shù)值模型，不能反映瀝青混凝土的真實受力特點。

隨著計算機技術(shù)的發(fā)展，為傳統(tǒng)的工程問題提供了一些新的解決方法。對于瀝青混凝土的數(shù)值模型研究來說，數(shù)字圖像處理(Digital Image Processing，DIP)技術(shù)就是一種新的解決方法。DIP是利用計算機對數(shù)字圖像進行處理，獲得某種預期結(jié)果的技術(shù)[4-6]。1998年，美國研究人員開始著手進行將DIP技術(shù)引入到土木工程的領(lǐng)域里，然而，其研究成果相對保密。近年來，國內(nèi)學者也開始了相關(guān)的研究，將DIP技術(shù)引入到混凝土材料的數(shù)值模型建立中。在此背景下，本文進行了DIP技術(shù)在瀝青混凝土級配分析中的應用研究。

1 瀝青混凝土試件截面圖像處理

1.1 瀝青混凝土試件準備

本研究采用的試件為瀝青混凝土馬歇爾試件，所用石料為玄武巖集料，石料的級配參考OGFC-13的中值級配。為了進行對比，試驗中共成型了4個試件，對其中兩塊進行豎直切割，另外兩塊進行水平切割，如圖1所示。豎直切割取2，4兩個截面，水平切割取3，4，5，6四個截面，作為后續(xù)的研究。

1.2 數(shù)字圖像的采集

利用數(shù)碼相機采集上節(jié)所取截面的圖像，并通過ENVI軟件進行前處理[7,8]，結(jié)果如圖2所示。

1.3 圖像處理

1)邊緣檢測。

邊緣檢測是圖像處理的關(guān)鍵步驟之一，為了得到更多的骨料細節(jié)，處理過程中需要不斷調(diào)整檢測閾值，直到獲取足夠精細的邊緣圖像。

2)二值化。

試件截面圖像經(jīng)過邊緣檢測后，還需經(jīng)過二值化處理，在二值化過程中，像素0表示骨料的邊界，像素1表示骨料和填料。圖像經(jīng)二值化后，一方面可以更好的用符號來表示，另一方面也大幅減少了多余信息，提高了處理速度。其中一個水平截面數(shù)字圖像的二值化處理效果如圖3a)所示。

3)幾何矢量化。

二值化后，圖像可看作為由1和0組成的矩陣，其中0代表邊界位置。為了得到邊界的具體向量位置，首先需要掃描代表邊界的矩陣元素0，得到邊界在圖像中的位置，進而通過尺寸轉(zhuǎn)換得到邊界的向量位置。幾何矢量化得到的具有幾何交換格式(.dxf)的圖像如圖3b)所示。

2 瀝青混凝土形態(tài)特征識別

在將采集到的截面圖像幾何矢量化后，如何將集料特征識別出來，是瀝青混凝土級配分析的重點與難點所在。在從截面矢量圖中識別集料時，主要采用統(tǒng)計方法來統(tǒng)計集料粒徑的大小，再進行分檔。在實際試驗中，瀝青混凝土中的集料是按照特定級配排列的碎石，為了更加準確的識別出集料的特征，在統(tǒng)計分析時需要根據(jù)實際的集料顆粒粒徑范圍來確定閾值，以將識別出的集料進行分檔。目前，集料的識別主要有面積等效圓、面積等效正方形及外接正方形三種形式，但采用前兩種方法進行集料粒徑統(tǒng)計時，統(tǒng)計出的顆粒粒徑與實際級配差異性大，部分扁平的集料顆粒更為明顯，很難反映實際的集料篩分統(tǒng)計過程。采用外接正方形統(tǒng)計集料粒徑時，能夠很好的模擬實際篩分過程，統(tǒng)計結(jié)果可靠性較高。因此，本文在集料特征識別時采用外接正方形法，所識別出的集料顆粒粒徑如圖4所示，受硬件分辨率的制約，本文在統(tǒng)計不同粒徑范圍內(nèi)的集料顆粒面積時只考慮了粒徑在1.18 mm以上的集料顆粒，而對于粒徑在1.18 mm以下的顆粒一般看作瀝青砂漿，在計算級配時以原始級配代替。

3 細觀結(jié)構(gòu)圖像級配特征

面積級配理論是指在進行瀝青混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)分析時，為了確定集料級配而采用以每檔集料的面積百分含量代替實際級配中質(zhì)量百分含量的一種做法[9,]10〗。本文中根據(jù)從矢量化后的圖中得到的集料面積，計算出每檔集料的面積百分含量，進而根據(jù)面積級配理論，可繪制出所分析截面上的面積級配曲線。

本文對多個試件截面進行了數(shù)字圖像分析，每個試件在各粒徑范圍內(nèi)的顆粒含量取各個截面的平均值，則可以反推出各試件的面積級配曲線，如圖5所示。從圖5可以看出，所有試件的面積級配曲線與實際級配曲線保持一致，得到的面積級配曲線完全能夠反映試件的實際級配；同時也表明瀝青混凝土馬歇爾試件內(nèi)部集料在由上到下的范圍內(nèi)分布比較均勻。結(jié)果證明了面積級配理論的合理性，采用圖像處理技術(shù)識別瀝青混凝土級配的方法在檢驗級配的過程中是有效的，得到的結(jié)果能較好地反映瀝青混凝土的細觀結(jié)構(gòu)，可以為瀝青混凝土細觀結(jié)構(gòu)模型的建立提供理論支持。

4 結(jié)語

通過數(shù)字圖像處理技術(shù)對大孔隙環(huán)氧瀝青混凝土的集料形態(tài)進行了研究，獲取了瀝青混凝土截面的級配，并與實際級配進行對比分析，結(jié)論如下：

1)通過數(shù)字圖像處理技術(shù)可以獲取大孔隙環(huán)氧瀝青混凝土試件截面具有幾何交換格式(.dxf)的圖像文件，為瀝青混凝土試件細觀結(jié)構(gòu)的建模提供了前提條件。

2)從瀝青混凝土的圖像級配曲線來看，圖像級配的走向、規(guī)律、范圍與實際級配有著較好的相關(guān)性，圖像級配在一定程度上可以反映實際級配狀況。

3)數(shù)字圖像處理技術(shù)可以很好的識別瀝青混凝土的級配等宏觀參數(shù)，表明數(shù)字圖像處理技術(shù)可以較好的成為宏觀結(jié)構(gòu)和細觀結(jié)構(gòu)的載體，為瀝青混凝土的細觀結(jié)構(gòu)研究提供技術(shù)支持。

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The application of digital image processing technology in the asphalt concrete gradation analysis

Huang Xiaochen

(CollegeofComputerScience&Engineering,AnhuiUniversityofTechnology,Huainan232001,China)

Through digital image processing technology, the vertical and horizontal section images of asphalt concrete specimens were processed. Then the particle sizes of the aggregate were identified and the gradations of section were calculated by using the method of external square and the theory of area-gradation. At last, the effectiveness and feasibility of digital image processing technology was studied in the connection of the calculated gradation and the actual gradation.

digital image processing technology, external square, theory of area-gradation, asphalt concrete

1009-6825(2015)18-0118-02

2015-04-18

黃曉晨(1984- )，女，在讀碩士

TU528

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