基于數(shù)字圖像處理技術(shù)和熵權(quán)法分析瀝青路面均勻度的方法

梁乃興，杜鎮(zhèn)宇，徐建平，黃志福

( 1.重慶交通大學 土木工程學院,重慶 400074；2.江西省高速公路投資集團有限責任公司,江西 南昌330025；3. 安徽省交通控股集團有限公司,安徽 合肥 230088)

基于數(shù)字圖像處理技術(shù)和熵權(quán)法分析瀝青路面均勻度的方法

梁乃興1，杜鎮(zhèn)宇1，徐建平2，黃志福3

( 1.重慶交通大學 土木工程學院,重慶 400074；2.江西省高速公路投資集團有限責任公司,江西 南昌330025；3. 安徽省交通控股集團有限公司,安徽 合肥 230088)

為了能簡單快速地評價瀝青路面的離析現(xiàn)象，基于數(shù)字圖像處理技術(shù)，對多幅瀝青混合料攤鋪時候的圖像進行了均勻性相關(guān)分析，對圖像進行彩色圖像轉(zhuǎn)化為灰度圖像、濾波、去噪、直方圖均衡化、圖像分割、形態(tài)學處理、開閉運算等操作之后轉(zhuǎn)化為二值圖像；提取出不同檔集料顆粒的面積，并利用熵權(quán)法求出不同檔集料面積的權(quán)重，從而確定出均勻性評價指標值；繪制均勻性評價指標分布圖，將所得均勻性評價指標值與圖像對比，得到圖像集料顆粒均勻性較好時候均勻性評價指標值范圍。研究結(jié)果表明：通過熵權(quán)法確定的均勻性評價指標值能夠較好地反映瀝青路面集料的均勻程度。

道路工程；數(shù)字圖像處理技術(shù)；評價指標；熵權(quán)；均勻度

瀝青混合料的離析一直以來都是道路工程中一種常見的病害現(xiàn)象，同時也是造成瀝青路面早期破壞的原因之一。目前，瀝青路面出現(xiàn)的一些早期損壞,如網(wǎng)裂、松散、局部嚴重轍槽、局部泛油、坑洞、新鋪瀝青路面的構(gòu)造深度不均等，都與瀝青混合料的離析密切相關(guān)[1-5]。因此，對于瀝青混合料的離析評價顯得尤為重要。目前，國際上較為通用的判定瀝青混合料離析的檢測手段主要有鉆心取樣法，核子密度儀法[6]，鋪砂法，視覺觀察法等等。但是，這些方法大多是定性判定瀝青混合料是否處于離析狀態(tài)，沒有一個較為全面的定量分析結(jié)果。所以，尋求一種能夠定量、快速判定路面瀝青混合料是否處于離析狀態(tài)的手段十分必要。筆者提出一種定量判別手段來對瀝青混合料的離析狀態(tài)進行判定。主要是通過二維數(shù)字圖像處理技術(shù)(DIP)，利用MATLAB數(shù)學軟件，通過對所采集的彩色圖像轉(zhuǎn)化為灰度圖像，然后進行濾波去噪、直方圖均衡化、形態(tài)學處理后轉(zhuǎn)化為二值圖像，之后提取不同檔集料顆粒的面積，并通過熵權(quán)法建立數(shù)學模型，確定各檔集料面積對于瀝青混合料均勻性所提供信息的權(quán)重大小，進而確定路面瀝青混合料離析的均勻性評價指標值，進一步對瀝青路面混合料是否處于離析狀態(tài)做出判定。

1 數(shù)字圖像處理技術(shù)原理

數(shù)字圖像處理技術(shù)(Digital Image Processing)是一門通過計算機對圖像進行去除噪聲、增強、復原、分割、提取特征等處理的方法和技術(shù)。圖像由于信息量大，傳輸速度快，效率高，所以數(shù)字圖像處理技術(shù)越來越多地應用于國民生產(chǎn)的各個行業(yè)，并且已經(jīng)成為多個學科學習研究的對象。

在灰度圖像中，將灰度劃分為256個等級，從“0”到“255”灰度逐漸增大，“0”代表純黑，“255”代表純白，用數(shù)字化的空間坐標(X，Y)和灰度F(X，Y)將一幅數(shù)字圖像看成一個矩陣或一個二維數(shù)組，數(shù)字圖像是以二維矩陣在計算機中進行存儲的，對數(shù)字圖像的處理實質(zhì)是對二維矩陣的處理。

Z=F(X,Y)

(1)

式中：Z為像素值；X、Y為該像素對應的橫、縱坐標。

將灰度圖像轉(zhuǎn)化為二值圖像，圖像矩陣中就只有“0”和”1“兩個值，“0”代表黑，”1”代表白，如圖1。其中，黑色的代表瀝青，白色的代表集料，從二值圖像中可以分別提取所需要的不同檔集料的面積。

圖1 二值圖像矩陣Fig.1 Matrix of binary image

2 圖像采集和處理過程

試驗采用數(shù)碼相機采集道路圖像信息，所采集的圖像為安徽碭山一段公路。在采集圖像信息的過程中，注意拍攝的高度、光照等因素對圖像的影響。每張圖像所采集的攤鋪瀝青混合料面積范圍為72 cm×72 cm。采集圖像之后，對其進行一系列操作，其中包括將彩色圖像轉(zhuǎn)化為灰度圖像，濾波，去噪，直方圖均衡化，圖像分割，形態(tài)學處理的開閉運算等，之后再轉(zhuǎn)化為二值圖像，提取所需相關(guān)信息。對多幅圖像都經(jīng)過如上所述一系列操作之后，將處理后的圖像與攤鋪時候所采集的圖像進行對比。采用MATLAB軟件編寫相關(guān)程序，對所采集的圖像進行相關(guān)分析，其處理效果前后對比如圖2。

圖2 攤鋪的瀝青路面圖像Fig.2 Image of paving asphalt pavement

3 利用數(shù)字圖像技術(shù)建立路面集料面積的熵權(quán)模型

熵的概念最早起源于物理學，用于度量一個熱力學系統(tǒng)的無序程度。在信息論中，熵是系統(tǒng)無序程度的度量，通過它可以度量數(shù)據(jù)所提供的有效信息量和確定權(quán)重。若所需要評價的對象在某一項指標中的值相差較大時，則說明熵值較小，即通過該指標能提供較大的有效信息量，相應的，該指標的權(quán)重也較大；反之，所需要評價的對象在某一項指標中的值相差較小時，則說明熵值較大，即通過該指標提供的有效信息量較小，相應的，該指標的權(quán)重也應較小。當各被評價對象在某項指標上的值完全相同時，熵值達到最大，即通過該指標不能提供任何有效信息，可以考慮從評價指標體系中去除[7]。

值得注意的是，某指標熵權(quán)的大小不是用來反映其重要程度，而是這個指標在競爭意義上的相對程度，代表該指標在該問題中提供有效信息的多少[7]。

所以可以利用熵權(quán)原理對瀝青混合料中集料顆粒的均勻性進行評價，即通過不同檔集料顆粒的面積分布的多少來進行集料顆粒面積的差異程度分析，確定各檔集料的權(quán)重，反映出不同檔集料顆粒的面積對于均勻性提供信息的多少。從而由此來對均勻性進行評價。

熵權(quán)法確定權(quán)重的步驟如下[8]：

設有m個評價指標，n個評價對象，則得到原始數(shù)據(jù)的矩陣為

(2)

第1步:對原始矩陣進行標準化，從而得到標準化矩陣:

r=(rij)m×n

(3)

式中：rij為第j個評價對象在第i個評價指標上的標準值，其中rij計算式如下：

(4)

第2步：信息熵的確定。在m個指標、n個評價對象情況下，第i個指標的信息熵定義如下：

(5)

第3步：定義熵權(quán)。第i個指標的熵權(quán)定義如下：

(6)

4 瀝青混合料均勻度計算示例及離析判斷標準確定

在實際工程經(jīng)驗中，瀝青路面攤鋪時，若瀝青路面表面出現(xiàn)離析，則內(nèi)部必然離析，若瀝青混合料路面表面是均勻的，則混合料內(nèi)部集料通常分布是較為均勻的。所以，根據(jù)這樣的工程經(jīng)驗，采集瀝青路面表面圖像進行瀝青混合料集料均勻性的相關(guān)分析。

4.1 示 例

4.1.1 權(quán)重的確定

選取集料顆粒分布較為均勻的路段點，采集圖像30幅，即為30個評價對象，對30幅圖像分別進行濾波去噪、直方圖均衡化、形態(tài)學處理，并最終轉(zhuǎn)化為二值圖像。因為在瀝青混合料中，影響瀝青混合料均勻性的主要是較大顆粒，所以剔除粒徑為9.5 mm以下的顆粒[9]，再分別提取出每幅圖像中9.5～13.2mm、13.2～16mm、16～19mm、19～26.5 mm4檔集料的面積，即為4個不同的評價指標，分別記為A，B，C，D，其數(shù)據(jù)如表1。

表1 不同檔集料顆粒面積

進一步，求得各個指標的信息熵及不同檔集料面積的權(quán)重，如表2。

表2 各檔集料的信息熵及權(quán)重

由表2可見，在4種不同檔集料顆粒當中，9.5～13.2 mm范圍內(nèi)的集料顆粒對圖像集料顆粒均勻性提供的信息最多，最少的是19～26.5 mm范圍內(nèi)的集料顆粒。

4.1.2 均勻性評價指標的計算

表3 各圖像的均勻性評價指標

繪制出均勻性評價指標的分布如圖3。

圖3 均勻性評價指標分布Fig.3 Distribution diagram of hmogeneity evaluation index

4.2 離析判斷標準指標的確定

根據(jù)計算結(jié)果，將均勻性評價指標作為判斷瀝青混合料是否離析的標準。對50幅圖像進行如下操作：由所計算得出的每一幅圖像的均勻性評價指標值與每一幅圖像一一進行對比。羅列幾幅典型圖像如圖4。通過對比發(fā)現(xiàn)，均勻性評價指標值z在3×105～5.5×105范圍內(nèi)，顆粒分布更加均勻，集料顆粒分布情況如圖4(c)～圖4(e)。均勻性評價指標值超出這個范圍的圖像會產(chǎn)生集料顆粒分布不均勻而導致的瀝青混合料的離析，集料顆粒分布情況如圖4(a)，或因為粗集料過多而產(chǎn)生離析，集料顆粒分布情況如圖4(h)。

圖4 典型圖像示例Fig.4 Typical image examples

5 結(jié) 論

1)通過直接采集路面圖像的方式，經(jīng)過數(shù)字圖像技術(shù)處理，客觀定量地對瀝青路面混合料的均勻性進行評價，達到了快速、高效、經(jīng)濟的目的。

2)通過建立熵權(quán)模型，計算得到的圖像不同檔的集料顆粒面積的權(quán)重，從而得出的均勻性評價指標能夠較好的反映出圖像范圍內(nèi)集料顆粒的分布均勻狀況。均勻性評價指標在3.5×105～5.5×105范圍內(nèi)的時候，顆粒分布較為均勻，未出現(xiàn)離析現(xiàn)象。

3)由于筆者所采集的圖像數(shù)量不多，只是通過建立熵權(quán)模型確定均勻性評價指標，來探討一種評定路面集料離析的方法，若需要進一步規(guī)范各指標精確范圍值，需要采集更多的路面圖像做研究分析。

[1] 楊瑞華, 李宇峙, 黃云涌,等. 南友高速公路瀝青路面離析現(xiàn)象的檢測與防治[J]. 公路交通科技, 2007, 24(7):31-34. YANG Ruihua, LI Yuzhi, HUANG Yunyong, et al. The detection and prevention of segregation in Nan-You freeway asphalt pavement[J].JournalofHighwayandTransportationRe-searchandDevelopment, 2007, 24(7): 31-34.

[2] Alberta Transportation Department .AlbertaTransportationPavingGuidelinesandSegregationRatingManual[S].Canada: Alberta Transportation Department, 2002.

[3] 沙慶林.高速公路瀝青路面早期破壞現(xiàn)象及預防[M].北京:人民交通出版社,2008. SHA Qinlin.HighwayAsphaltPpavementEarlyDamagePhenomenonandPrevention[M].Bejing: China Communications Press, 2008.

[4] 沈金安,李福普,陳景.高速公路瀝青路面早期損壞分析與防治對策[M].北京:人民交通出版社, 2004. SHEN Jin’an, LI Fupu, CHEN Jing.AnalysisandMeasurementsontheEarlyDamagesofHighwayAsphaltPavement[M].Beijing: China Communications Press, 2004.

[5] 沈金安.關(guān)于瀝青混合料的均勻性和離析問題[J].公路交通科技, 2001, 18 (6): 20-24. SHEN Jin’an. On issues of homogeneity and separation of bitumen mixtures[J].JournalofHighwayandTransportationResearchandDevelopment, 2001, 18 (6): 20-24.

[6] WOLFF T F,BALADI G Y, CHANGE C. Test Method to Determine the Extent of Segregation in Bituminous Mixtures[R].Michigan State: Michigan State University, 1997.

[7] 鄒志紅,孫靖南,任廣平.模糊評價因子的熵權(quán)法賦權(quán)及其在水質(zhì)評價中的應用[J]. 環(huán)境科學學報,2005,25(4):552-556. ZOU Zhihong, SUN Jingnan, REN Guangping. Study and application on the entropy method for determine of weight of evaluating indicators in fuzzy synthetic evaluation for water quality assessment[J].ActaScientiaeCircumstantiae, 2005, 25(4): 552-556.

[8] 邱菀華.管理決策與應用熵學[M].北京：機械工業(yè)出版社，2002. QIU Wanhua.ManagementDecisionandAppliedEntropy[M].Beijing: China Machine Press, 2002.

[9] 潘艷珠,吳文亮,王端宜.基于數(shù)字圖像處理技術(shù)的瀝青混合料級配離析評價方法[J].中外公路,2011,31(4):221-224. PAN Yanzhu, WU Wenliang, WANG Duanyi. The asphalt mixture grading and segregation evaluation method based on the digital image processing technology[J].JournalofChina&ForeignHighway, 2011, 31(4): 221-224.

(責任編輯：譚緒凱)

AnalysisMethodonUniformityofAsphaltPavementBasedonDigitalImageProcessingTechnologyandEntropyWeight

LIANG Naixing1, DU Zhenyu1, XU Jianping2, HUANG Zhifu3

(1. School of Civil Engineering, Chongqing Jiaotong University, Chongqing 400074, P.R.China;2. Jiangxi Expressway Investment Group Co. Ltd., Nanchang 330025, Jiangxi, P.R.China; 3. Anhui Transportation Holding Group Co. Ltd., Hefei 230088, Anhui, P.R.China)

In order to evaluate the asphalt pavement segregation simply and rapidly, based on digital image processing technology, the correlation analysis on the uniformity of several asphalt mixture paving images was carried out. After a series of image processing, such as converting the color image into gray image, filtering, de-noising, histogram equalization, image segmentation, morphological processing as well as opening and closing operation, the image was converted into binary image. Secondly, the areas of different file aggregate were extracted, and their weights were calculated by the entropy weight method, which determined the homogeneity evaluation index value. Thirdly, the distribution map of homogeneity evaluation index value was plotted; the obtained homogeneity evaluation index value was compared with the image, the range of homogeneity evaluation index value when the aggregate particles were uniformly distributed in the image was obtained. The research results show that the homogeneity evaluation index value determined by entropy weight can reflect the evenness of asphalt pavement aggregate appropriately.

highway engineering; digital image processing technology; evaluation index; entropy weight; uniformity

U416.217

：A

：1674- 0696(2017)09- 028- 04

10.3969/j.issn.1674-0696.2017.09.06

2016-08-17；

：2017-05-27

安徽省交通廳科技計劃項目(2013SSLMJK)；江西省交通廳重點科技項目(2012C0019)

梁乃興(1957—)，男，陜西岐山人，教授，博士生導師，主要從事路面結(jié)構(gòu)和材料方面的研究。E-mail：liangnx@cqjtu.edu.cn。

杜鎮(zhèn)宇(1991—)，男，四川平昌人，碩士，主要從事路面結(jié)構(gòu)和材料方面的研究。E-mail: 182468014@qq.com。