道路沉陷松散類病害的探地雷達(dá)圖像解譯與分析*

程博文 羅 蓉 孫 通 于曉賀 尹 梅

(武漢理工大學(xué)交通學(xué)院1) 武漢 430063) (湖北省公路工程技術(shù)研究中心2) 武漢 430063) (湖北省交通運(yùn)輸廳京珠高速公路管理處3) 武漢 430063)

0 引 言

探地雷達(dá)檢測(cè)技術(shù)是一種超高頻電磁波的發(fā)射、接收和分析技術(shù)，它利用不同介質(zhì)分界面對(duì)電磁波的反射現(xiàn)象對(duì)目標(biāo)進(jìn)行連續(xù)掃描，從而確定其內(nèi)部結(jié)構(gòu)形態(tài)和位置的電磁探測(cè)技術(shù).近年來，該技術(shù)已廣泛應(yīng)用于工程地質(zhì)調(diào)查、土木工程檢測(cè)、地質(zhì)災(zāi)害的預(yù)測(cè)、地下掩埋物的探測(cè)等眾多領(lǐng)域[1].羅蓉等[2]通過建立三維探地雷達(dá)圖像檢測(cè)剛性路面的損壞狀況；Benedetto等[3]從探地雷達(dá)觀測(cè)的含水率圖像中提取亞瀝青結(jié)構(gòu)層的液壓介電常數(shù)域；項(xiàng)雷[4]采用支持向量機(jī)對(duì)公路路基病害的識(shí)別作了一系列工作，項(xiàng)雷采用支持向量機(jī)初步實(shí)現(xiàn)了公路隧道檢測(cè)中雷達(dá)圖像的自動(dòng)解釋.以上研究以圖像特征為基礎(chǔ)解譯病害，未對(duì)病害區(qū)域介電特性變化規(guī)律以及病害區(qū)域范圍進(jìn)行研究，因其結(jié)果經(jīng)常受到解譯者主觀看法的嚴(yán)重干擾，故解譯方法無(wú)法不具有可移植性，無(wú)法廣泛使用.道路松散和沉陷作為道路中最為普遍的兩類病害，在車輪的反復(fù)作用下將影響至路面產(chǎn)生坑槽等路表病害，影響行車舒適性，威脅行車安全[5].與正常道路相比，水或氣體充入道路病害部位處的空隙將影響道路材料的介電特性，因此病害區(qū)域的雷達(dá)圖像與正常道路圖像具有明顯的差異.本文基于探地雷達(dá)剖面檢測(cè)圖，提出了一種針對(duì)道路沉陷、松散類病害區(qū)域的圖像模擬方法，分析了道路病害區(qū)域介電特性的波動(dòng)特征，明確了道路沉陷、松散類病害的范圍.該方法具有較高的精確性和實(shí)用價(jià)值.

1 數(shù)據(jù)采集

數(shù)據(jù)采集地點(diǎn)為京珠高速公路武漢段.京珠高速公路為湖北省第一條全線采用瀝青混凝土路面的高速公路，其道路各層設(shè)計(jì)厚度見表1[6].

表1 京珠高速武漢段各層設(shè)計(jì)厚度 cm

本次檢測(cè)使用的是由武漢理工大學(xué)和美國(guó)農(nóng)機(jī)大學(xué)聯(lián)合開發(fā)的WB1-21型路用探地雷達(dá)檢測(cè)設(shè)備.WB1-21型路用探地雷達(dá)檢測(cè)設(shè)備的工作頻率為1 GHz，時(shí)窗為0～20 ns，探測(cè)深度在0～60 cm，豎向分辨率0.1 mm.由于探地雷達(dá)檢測(cè)深度為60 cm，此次檢測(cè)目標(biāo)為道路面層及基層.工作人員將WB1-21型路用探地雷達(dá)檢測(cè)設(shè)備安裝至小車，在車行駛的過程中，設(shè)備由GPS定位系統(tǒng)控制每行駛0.5 m發(fā)射一次電磁波，并接受道路反射的回波，通過該設(shè)備獲取京珠高速武漢段道路雷達(dá)檢測(cè)數(shù)據(jù).PaveCheck軟件是與WB1-21型路用探地雷達(dá)檢測(cè)設(shè)備相結(jié)合雷達(dá)檢測(cè)數(shù)據(jù)成像以及數(shù)據(jù)處理軟件.通過軟件提取的每一個(gè)數(shù)值代表一個(gè)長(zhǎng)為0.5 m、寬為0.03 mm矩形區(qū)域的相對(duì)介電常數(shù)平均值.PaveCheck軟件中圖像色彩的波動(dòng)反應(yīng)介電常數(shù)的變化趨勢(shì)，見圖1.

圖1 介電常數(shù)顏色變化

基于道路雷達(dá)二維剖面圖以及介電常數(shù)數(shù)據(jù)，本文提出了對(duì)道路病害區(qū)域雷達(dá)圖像的模擬方法，研究病害區(qū)域相對(duì)介電常數(shù)的波動(dòng)規(guī)律.

2 模擬方法

介質(zhì)的介電特性反映的是介質(zhì)的極化特性，即介質(zhì)在外加電場(chǎng)的作用下，介質(zhì)內(nèi)部正負(fù)電荷中心位置不再重合，這種現(xiàn)象稱為極化，它表示介質(zhì)在電場(chǎng)中具有存儲(chǔ)電荷的能力[7].通常采用介電常數(shù)ε表示，將真空的介電常數(shù)作為參考值，其他介質(zhì)的介電常數(shù)用與真空介電常數(shù)比值表示，稱為相對(duì)介電常數(shù).

(1)

式中：εr為介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)；ε0為真空介電常數(shù)，F(xiàn)/m；ε物質(zhì)介電常數(shù)，F(xiàn)/m.

公路是指在地基上鋪筑的層狀結(jié)構(gòu)物[8]，由于道路同一層結(jié)構(gòu)鋪筑的材料和級(jí)配相同，因此在同一深度，道路介電特性波動(dòng)范圍較小.但道路深層出現(xiàn)病害時(shí)，由于擠密、充氣、充水等原因，道路的介電特性會(huì)產(chǎn)生較大波動(dòng).

根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析和理論推導(dǎo)，國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者建立了一些關(guān)于復(fù)合材料相對(duì)介電模型的混合計(jì)算模型.目前，CRIM模型或稱為均方根模型是較具代表性并被廣泛采用的路用材料復(fù)合介電模型[9].

(2)

式中：εm為混合物的介電常數(shù)值，F(xiàn)/m；ε1，f1為瀝青混合料中集料的相對(duì)介電常數(shù)及其體積率；ε2，f2為瀝青混合料中瀝青的相對(duì)介電常數(shù)及其體積率；ε3，f3為瀝青混合料中空氣的相對(duì)介電常數(shù)及其體積率；ε4，f4為瀝青混合料中水的相對(duì)介電常數(shù)及其體積率.

自然條件下瀝青混合料是由固相、液相和氣相組成的三相體[10]，見圖2.瀝青混合料的介電特性是由各組成成分的介電特性來決定的.

圖2 瀝青混合料三相圖

表2為常見的路用材料相對(duì)介電常數(shù)[11].假設(shè)在瀝青混合料中集料為石灰?guī)r，集料的體積占總體積為92%；孔隙率為4%；瀝青的體積占總體積的4%；由CRIM模型計(jì)算可知瀝青混合料的相對(duì)介電常數(shù)范圍為8～11，即正常道路瀝青混合料最大允許波動(dòng)范圍可為3，因此假定前一個(gè)發(fā)射點(diǎn)在某一深度所測(cè)的道路相對(duì)介電常數(shù)與后一發(fā)射點(diǎn)在相同深度差值小于3為正常波動(dòng)范圍.

表2 常用路用材料介電常數(shù)范圍

瀝青混合料空隙率的變化是影響瀝青混合料介電特性的主要因素.假設(shè)瀝青混料中空隙率變化范圍為0～100，由于水或者空氣的充入瀝青混合料空隙中，因此基于式(2)可計(jì)算兩種極限狀態(tài)下瀝青混合料相對(duì)介電常數(shù)值，見表3.

表3 瀝青混合料相對(duì)介電常數(shù)值

基于以上分析可將瀝青混合料波動(dòng)差值分為三個(gè)等級(jí)，定義道路相對(duì)介電常數(shù)波動(dòng)值，表示同一深度條件下某雷達(dá)檢測(cè)點(diǎn)測(cè)得相對(duì)介電常數(shù)和該點(diǎn)之前的檢測(cè)點(diǎn)測(cè)得相對(duì)介電常數(shù)差值大小(見表4)，其具體內(nèi)容如下.

1) 當(dāng)雷達(dá)發(fā)射點(diǎn)在某一深度測(cè)得介電常數(shù)與該點(diǎn)前一個(gè)雷達(dá)發(fā)射點(diǎn)在相同深度處測(cè)得相對(duì)介電常數(shù)差值的絕對(duì)值小于3，該區(qū)域的相對(duì)介電常數(shù)波動(dòng)值為0，屬于正常波動(dòng)范圍.

2) 當(dāng)雷達(dá)發(fā)射點(diǎn)在某一深度測(cè)得介電常數(shù)與該點(diǎn)前一個(gè)雷達(dá)發(fā)射點(diǎn)在相同深度處測(cè)得相對(duì)介電常數(shù)差值的絕對(duì)值大于3且小于10時(shí)，該區(qū)域的相對(duì)介電常數(shù)波動(dòng)值為1.造成該區(qū)域相對(duì)介電常數(shù)輕微波動(dòng)的原因可能為空氣大量的充入或?yàn)r青混合料中含水率輕微增長(zhǎng).

3) 當(dāng)雷達(dá)發(fā)射點(diǎn)在某一深度測(cè)得介電常數(shù)與該點(diǎn)前一個(gè)雷達(dá)發(fā)射點(diǎn)在相同深度處測(cè)得相對(duì)介電常數(shù)差值的絕對(duì)值大于10時(shí)，該區(qū)域相對(duì)介電常數(shù)波動(dòng)值設(shè)為2.基于上文分析可知，造成該區(qū)域相對(duì)介電常數(shù)波動(dòng)的原因是含水率增加.

表4 0/1/2模擬

0/1/2模擬方法是一種模擬道路雷達(dá)圖像的方法，通過計(jì)算道路每個(gè)區(qū)域相較于前一個(gè)區(qū)域介電特性的變化大小，模擬道路雷達(dá)圖像，進(jìn)而確定道路病害區(qū)域介電特性的波動(dòng)規(guī)律.

3 道路病害雷達(dá)圖像解譯

道路沉陷及松散是道路較為常見的深層病害之一，本文選取這兩類病害進(jìn)行病害雷達(dá)圖像模擬[12].

由于同一深度的結(jié)構(gòu)、材料相似，因此道路同一結(jié)構(gòu)層介電特性相似，雷達(dá)圖像層次分明，不會(huì)有較大的波動(dòng)，見圖3.

圖3 道路正常雷達(dá)檢測(cè)圖像

3.1 沉陷類病害解譯

3.1.1圖像分析以及假設(shè)模擬

基于圖像顏色變化對(duì)沉陷病害進(jìn)行假設(shè)模擬，分析可知圖像左半部分較為平滑，同一深度色彩無(wú)明顯波動(dòng)，可假定該區(qū)域道路介電常數(shù)波動(dòng)值為0，同理右半部分圖像介電常數(shù)波動(dòng)值為0.相較于正常道路雷達(dá)檢測(cè)圖像，病害體區(qū)域雷達(dá)圖像出現(xiàn)明顯的顏色波動(dòng).由圖4可知，在沉陷處上半部分雷達(dá)圖像顏色發(fā)生變化，即介電常數(shù)變化趨勢(shì)為“高—低—高”，由于錯(cuò)峰等原因，圖像可能呈現(xiàn)循環(huán)變化趨勢(shì).

圖4 沉陷病害上半部分、下部分雷達(dá)圖像

假設(shè)其道路相對(duì)介電常數(shù)波動(dòng)值為1，基于以上圖像分析結(jié)果可假設(shè)其上部區(qū)域的0/1/2模擬圖為“1-0-1-0-1”.病害體下部從深色變淺，且一直延續(xù)至病害結(jié)束，最后又轉(zhuǎn)變?yōu)樯钌?病害區(qū)域下部相對(duì)介電常數(shù)變化趨勢(shì)為“低—高—低”.基于以上圖像分析結(jié)果可假設(shè)病害區(qū)域下部區(qū)域的0/1/2模擬圖為“1-0-0-0-1”.

沉陷道路病害區(qū)域0/1/2假設(shè)模擬圖見圖5.沉陷類病害區(qū)域上部的0/1/2模擬圖為“1-0-1-0-1”，而下部的模擬圖為“1-0-0-0-1”.

圖5 沉陷病害0/1/2模擬圖

3.1.2驗(yàn)證假設(shè)

為驗(yàn)證基于圖像分析所得模擬圖的正確性，本文通過以下流程驗(yàn)證前文道路病害體0/1/2模擬圖，流程如下.

通過PaveCheck軟件提取道路深層相對(duì)介電常數(shù)數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)導(dǎo)入Excel軟件，使用Excel中色階功能，將每個(gè)單元格的按表格中的相對(duì)介電常數(shù)值著色，見圖6.通過比對(duì)可知分色后的相對(duì)介電常數(shù)數(shù)據(jù)圖的輪廓基本與雷達(dá)二維剖面圖一致.

圖6 介電常數(shù)數(shù)據(jù)圖

新建一張Excel表格，將病害區(qū)域的數(shù)據(jù)復(fù)制至該表格中，見圖7，輸入函數(shù)‘ IF(ABS(Sheet1!B1-Sheet1!A1)>=3,IF(ABS(Sheet1!B1-Sheet1!A1)<=10,1,2),0)’，該函數(shù)意義為“如果表中的B1-A1的絕對(duì)值小于3，則令B1為0，絕對(duì)值大于3小于10則B1為1，絕對(duì)值大于10則B1單元格為2”，然后將該函數(shù)下拉至所有表格，即可確定道路每一個(gè)點(diǎn)的相對(duì)介電常數(shù)波動(dòng)值大小.

通過上述流程畫出道路0/1/2真實(shí)模擬圖，圖8.對(duì)比可知病害區(qū)域上半部0/1/2真實(shí)模擬圖變化為“1-0-1-0-1”，病害區(qū)域下半部0/1/X真實(shí)模擬圖變化為“1-0-0-0-1”，因此基于真實(shí)數(shù)據(jù)所得的道路0/1/2模擬圖與基于圖像分析所得的0/1/2模擬圖完全一致，即假設(shè)正確.

圖7 沉陷病害位置介電常數(shù)表圖

圖8 沉陷病害0/1/2真實(shí)模擬圖像

3.2 松散類病害解譯

3.2.1圖像分析以及假設(shè)模擬

結(jié)合沉陷病害區(qū)域的特征人工識(shí)別松散病害雷達(dá)二維圖像，圖9中圓圈選定的區(qū)域?yàn)榈缆烦料輩^(qū)域雷達(dá)圖像.基于圖像顏色變化對(duì)松散病害進(jìn)行假設(shè)模擬.圖像左半部分較為平滑，在同一深度色彩無(wú)明顯波動(dòng)，可推測(cè)其介電常數(shù)在小范圍波動(dòng)，令該區(qū)域的相對(duì)介電常數(shù)波動(dòng)值假定為0，同理將右半部分相對(duì)介電常數(shù)波動(dòng)值假定為0.圖像的中間部位出現(xiàn)明顯的波動(dòng)，在松散病害處上半部分雷達(dá)圖像介電常數(shù)變化趨勢(shì)為“高—低—高”，由于雷達(dá)圖像中兩色所代表的相對(duì)介電常數(shù)相差較小，可認(rèn)為在病害上部的相對(duì)介電常數(shù)波動(dòng)值為1，因此松散上部的0/1/2模擬為“1-0-1”.層間松散下半部分處雷達(dá)圖像介電常數(shù)“低—高—低”，由于雷達(dá)圖像中兩色所代表的相對(duì)介電常數(shù)相差較大，因此假設(shè)病害下部的相對(duì)介電常數(shù)波動(dòng)值為2，故松散類病害區(qū)域下部的0/1/2假設(shè)模擬為“2-0-2”.

基于以上分析假設(shè)層間松散類病害雷達(dá)圖像的0/1/2模擬圖的特征見圖10，在層間松散上部區(qū)域的模擬圖為“1-0-1”，而在層間松散下部區(qū)域的模擬圖為“2-0-2”.

圖9 道路層間松散病害雷達(dá)圖像

圖10 道路層間松散病害0/1/2模擬圖

3.2.2驗(yàn)證假設(shè)

為驗(yàn)證上文對(duì)層間松散病害區(qū)域0/1/2假設(shè)模擬，按上文所述流程通過PaveCheck軟件提取道路相對(duì)介電常數(shù)數(shù)據(jù)，選取病害區(qū)域的相對(duì)介電常數(shù)數(shù)據(jù)，對(duì)病害數(shù)據(jù)按表格中數(shù)據(jù)大小進(jìn)行分色處理(見圖11)，獲得道路病害體0/1/2真實(shí)模擬圖(見圖12)，道路真實(shí)模擬圖的左右兩側(cè)數(shù)值為0，而在病害區(qū)域上半部分道路介電常數(shù)波動(dòng)數(shù)值變化為“1-0-1”；病害區(qū)域下半部分道路相對(duì)介電常數(shù)波動(dòng)數(shù)值變化為“2-0-2”，與前文基于病害區(qū)域圖像變化所得的假設(shè)模擬圖一致.

圖11 道路層間松散介電常數(shù)圖

圖12 層間松散病害0/1/X真實(shí)模擬圖

對(duì)于整層松散類病害，按前文所述的方法，分析松散雷達(dá)圖像，假設(shè)層間松散病害區(qū)域的模擬圖，然后提取病害區(qū)域相對(duì)介電常數(shù)數(shù)據(jù)，處理相對(duì)介電常數(shù)數(shù)據(jù)獲得整層松散0/1/2真實(shí)模擬圖，見圖13.

圖13 整層松散模擬圖

基于以上分析可知，整層松散類病害0/1/2模擬圖的特征為影響面積大，分布比較散亂，由于該病害體空隙較大靠近基層，因此地下水汽將滲入至病害體中，故在模擬圖中表現(xiàn)為出現(xiàn)許多數(shù)值為2的點(diǎn).

4 結(jié) 論

1) 道路沉陷病害區(qū)域上部的介電特性波動(dòng)趨勢(shì)為“低—高—低”，然而由于錯(cuò)峰原因，可能出現(xiàn)多個(gè)類似的循環(huán)波動(dòng)，故病害上部區(qū)域的模擬圖表現(xiàn)為“1-0-1-0-1”.沉陷病害區(qū)域下部的介電特性波動(dòng)趨勢(shì)為“低—高—低”，因此在下部區(qū)域的模擬圖為“1-0-0-0-1”.

2) 水氣的滲入至病害區(qū)域，道路層間松散病害下部的介電特性波動(dòng)趨勢(shì)為“低—高—低”，故在病害下部區(qū)域的模擬圖為“2-0-2”.由于水未充滿整個(gè)病害區(qū)域，道路層間松散上部的介電特性波動(dòng)為“高—低—高”，因此模擬圖表現(xiàn)為“1-0-1”.

3) 松散類病害0/1/2模擬圖的特征為影響面積大，分布比較散亂，由于病害區(qū)域空隙較大靠近基層，因此地下水汽將滲入至病害體中，故在模擬圖中表現(xiàn)為數(shù)值為2的點(diǎn)散亂出現(xiàn).

以上研究?jī)?nèi)容明確了道路沉陷及松散病害典型病害圖像特征，為探地雷達(dá) 無(wú)損檢測(cè)技術(shù)在道路病害智能識(shí)別及圖像處理方面提供依據(jù).通過模擬圖像的變化規(guī)律，本文確定了道路病害區(qū)域的空間范圍，為后續(xù)研究道路病害區(qū)域在道路深層結(jié)構(gòu)的影響程度提供技術(shù)支持.