基于圖像處理的空間網(wǎng)格法混合料離析評價

王華　葉飛　朱佳蕙

摘? ?要：路面材料的離析對道路使用壽命有重要的影響，混合料的離析評價對于瀝青混凝土路面設(shè)計和施工具有重要意義。本文基于計算機圖像處理技術(shù)，提出了空間網(wǎng)格法進行瀝青混合料離析評價，通過統(tǒng)計空間方格中顆粒分布情況，定義以統(tǒng)計數(shù)據(jù)方差與數(shù)學(xué)期望平方的比值來表征材料的均勻性，編制了計算分析程序，并進行了實例驗證。驗證結(jié)果顯示：該方法簡便易行，能夠用于瀝青混合料的均勻性的定量評價，且具有良好的適應(yīng)性。

關(guān)鍵詞：離析評價? 圖像處理技術(shù)? 瀝青混合料? 空間網(wǎng)格法

中圖分類號：U414? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標(biāo)識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-098X（2019）06（c）-0056-02

瀝青路面是我國公路路面主要結(jié)構(gòu)型式，其破壞主要有裂縫、坑槽、車轍等，破壞的一個原因便是材料在施工過程會產(chǎn)生離析。瀝青混合料離析易導(dǎo)致路面的結(jié)構(gòu)特征變差、使用壽命縮短，嚴重離析的路面使用壽命甚至?xí)p少50%[1-2]。為采用合理的技術(shù)手段對混合料的離析進行評價，很多學(xué)者采用很多方法對混合料的離析進行了研究。如鋪砂法、核子密度儀法、紅外熱像儀、激光斷面儀、探地雷達法等[3-4]。其中數(shù)字圖像處理技術(shù)具有簡單、低成本、結(jié)果合理等優(yōu)點[5-6]，在混合料離析評價上受到重視。本文基于圖像處理技術(shù)，將數(shù)碼相機或者CT掃描儀等設(shè)備獲取的試樣信息進行處理分析，提出格子方差法對瀝青混合料均勻度的評價，獲得了較為理想的結(jié)果，可為混合料離析評價提供積極參考。

1? 格子方差法

隨機變量方差反映了隨機變量偏離期望的程度，借助該概念，將圖像均勻分割為n個格子，用n個格子里的點數(shù)的方差代表圖像的均勻程度。因為格子的空間均勻分布特點，使得該方法也能一定程度的表征圖像中點分布的空間特征。

即離析程度為：U=D（x）/E（x）2。

E（x）為所有格子中顆粒數(shù)目的平均數(shù)，D（x）是所有格子中含顆粒數(shù)目的方差。

2? 圖像處理方法及流程

2.1 圖像前處理

本圖像處理方法借助Image-pro plus和ImageJ軟件獲取和計算圖像信息，在評價混合料離析過程中基于以下兩個假定：（1）剖面（顆粒數(shù)量及斷面形式）具有典型代表性，可充分反映試件顆粒分布特征;（2）切割面每一顆粒的平均直徑即為該顆粒篩分粒徑大小。具體處理過程如下。

（1）剪切：排除無試件顆粒的截面，利于圖像的中顆粒的坐標(biāo)計算及網(wǎng)格劃分。

（2）灰度化：根據(jù)馬歇爾試件切割后集料與瀝青亮度的不同，通過灰度提取亮度信息

（3）圖像增強：為了使顆粒更加突出明顯，需要進行濾波處理，去除數(shù)字化過程產(chǎn)生的噪聲，抽象出顆粒的特征。采用中值濾波消除數(shù)字化過程中的噪聲，使得圖片黑白對比更加分明。

（4）二值化處理：確定某一閾值θ，將大于θ的像素全部取1，小于θ的像素全部取0，以突顯提取所需提取對象。

（5）圖像的分割：對存在粘結(jié)的顆粒進行圖像分割。本文應(yīng)用watershed算法實現(xiàn)顆粒檢測與分割。

（6）圖中尺寸的換算：將實際物理長度與計算機中長度進行換算，相似比D為：D=L1/L2

式中L1為計算機計算的圖像中某一長度;L2為實際中相同位置的物理長度。

2.2 不同粒徑顆粒的區(qū)分

混合料的離析與不同粒徑大小顆粒分布有關(guān)，為了較為簡單的評價顆粒形狀，根據(jù)顆粒平均直徑對集料進行分檔。以AC-13馬歇爾試件為例，根據(jù)篩孔孔徑將圖像劃分為0.3～0.6、0.6～1.18、1.18～2.36、2.36～4.75、4.75～9.5五檔分析范圍。

3? 圖像網(wǎng)格劃分及均勻度計算

3.1 網(wǎng)格劃分

為減小格子劃分數(shù)量對評價結(jié)果的影響、提高程序的可編譯性，選取統(tǒng)一網(wǎng)格劃分標(biāo)準。若圖像中含有m個顆粒，我們劃分的網(wǎng)格數(shù)目為n2=int（√m） （int為四舍五入取舍函數(shù)）。

本文使用Python語言，以chrome為平臺進行計算，矩形圖像網(wǎng)格劃分及程序編譯方法如下。

（1）輸入處理后顆粒坐標(biāo)、形狀信息;（2）確定圖形的邊長，將圖像均勻劃分為n2個方格子，對網(wǎng)格編號并排除圖像外的空格;（3）輸出每個網(wǎng)格里顆粒的數(shù)目，以及格子里顆粒數(shù)目的方差，計算顆?？偯娣e及均勻度。

3.2 均勻度算例分析

以AC13試件0.3～0.6檔粒徑為例，圖2中共183個顆粒，劃分14×14個網(wǎng)格，并去處截面以外無效區(qū)域。

按照上述方法計算可得：得即均勻度為U1=0.81。對五檔集料總體均勻程度進行加權(quán)平均，則總均勻程度為U=k1U1+k2U2+...+knUn，其中ki=Ai/A，Ai代表每檔集料的面積和，A代表各檔集料的面積和，具體如表1所示。

試件截面的面積為：2011.26，基于前述假定，圖像綜合離析程度U即試件均勻度為：U=0.827。

4? 結(jié)語

空間網(wǎng)格法通過劃分空間網(wǎng)格統(tǒng)計、分析試件內(nèi)顆粒分布信息，計算網(wǎng)格內(nèi)顆粒分布的方差，并除以其數(shù)學(xué)期望的平方進行無量綱處理，可有效表征試件的均勻性。該方法設(shè)備簡單、程序編譯方便、可實現(xiàn)自動化處理分析。另外，可通過引入CT掃描儀獲取試件內(nèi)部顆?？臻g分布信息，將該方法進行三維空間推廣，使用三維空間網(wǎng)格對試件材料的均勻性進行綜合分析、評價，獲得更為真實全面的材料信息。

參考文獻

[1] Stroup-Gardiner M， BROWN E R. Segregation in Asphalt Mixture Pavements， NCHRP Report 441[R]. Washington D C： Transportation Research Board， 2000.

[2] 賴勤慧，劉啟倬，魏震宇.級配離析對SMA-13混合料性能影響研究[J].公路與汽運，2019（2）：80-83.

[3] 彭勇，孫立軍.瀝青混合料均勻性（離析）研究方法概述[J].中外公路，2007（1）：147-150.

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[6] 吳文亮，李智，張肖寧.用數(shù)字圖像處理技術(shù)評價瀝青混合料均勻性[J].吉林大學(xué)學(xué)報：工學(xué)版，2009（4）：921-925.