采集方法對(duì)數(shù)字圖像瀝青混合料離析評(píng)價(jià)影響研究

李升連,梁乃興,曾 晟

(1. 云南省建設(shè)投資控股集團(tuán)有限公司，昆明 650000； 2. 重慶交通大學(xué) 土木工程學(xué)院，重慶 400074)

0 引 言

為了保證高速公路工程建設(shè)質(zhì)量，對(duì)道路施工過(guò)程中的路面性能進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)和評(píng)價(jià)必不可缺。其中，瀝青混合料均勻程度直接關(guān)系瀝青路面的性能和使用壽命，離析會(huì)導(dǎo)致瀝青路面早期病害出現(xiàn)，增加后期維護(hù)費(fèi)用[1-3]。傳統(tǒng)離析評(píng)價(jià)方法存在的弊端，嚴(yán)重影響了路面評(píng)價(jià)實(shí)踐與相關(guān)路面理論研究工作的開(kāi)展[4]。隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，利用數(shù)字圖像技術(shù)，評(píng)價(jià)瀝青混合料均勻性具有快速準(zhǔn)確等優(yōu)點(diǎn)。R.HOGG[5]采用統(tǒng)計(jì)學(xué)上抽樣方法，評(píng)價(jià)微顆粒混合料的均勻程度；A.HUNTER等[6]提出通過(guò)比較截面上相等區(qū)域里集料累計(jì)面積值的大小，評(píng)價(jià)離析程度的方法；彭勇等[7-10]針對(duì)瀝青混合料中集料分布狀態(tài)，包括分布數(shù)量和分位置兩個(gè)參數(shù)開(kāi)展了定量研究，提出了瀝青混合料均勻性評(píng)價(jià)指標(biāo)，建立了一種基于數(shù)字圖像處理技術(shù)的瀝青混合料均勻性研究方法；但上述研究大多數(shù)基于室內(nèi)斷面圖像評(píng)價(jià)；梁乃興等[11]、杜鎮(zhèn)宇等[12]基于數(shù)字圖像技術(shù)，以施工現(xiàn)場(chǎng)瀝青路面為研究對(duì)象，供一種施工過(guò)程中快速、全面的檢測(cè)控制方法。數(shù)字圖像技術(shù)通過(guò)濾波、降噪等預(yù)處理技術(shù)，對(duì)圖像噪聲進(jìn)行了一定降低[13]，但圖像的預(yù)處理結(jié)果受外界光照強(qiáng)度、混合料級(jí)配、采集高度影響，最終離析評(píng)價(jià)結(jié)果受圖像預(yù)處理結(jié)果影響。目前，數(shù)字圖像瀝青混合料離析評(píng)價(jià)方法在工程應(yīng)用中，沒(méi)有將施工現(xiàn)場(chǎng)圖像采集方法，對(duì)離析評(píng)價(jià)結(jié)果的影響進(jìn)行系統(tǒng)的研究。筆者基于數(shù)字圖像處理技術(shù)，通過(guò)對(duì)比不同混合料級(jí)配類型、光照強(qiáng)度、圖像采集高度，并采用靜矩算法，對(duì)瀝青混合料攤鋪均勻性結(jié)果的影響因素進(jìn)行分析，提出合理的攤鋪瀝青路面圖像采集方法。

1 圖像預(yù)處理方法

對(duì)瀝青混合料數(shù)字圖像進(jìn)行采集，為了對(duì)圖像進(jìn)行均勻性評(píng)價(jià)，需要對(duì)采集的RGB彩色圖像進(jìn)行圖像預(yù)處理。數(shù)字圖像預(yù)處理流程如圖1。

將采集的瀝青路面RGB圖像進(jìn)行灰度處理、濾波、去噪、直方圖均衡化、圖像分割等最終轉(zhuǎn)化為二值圖像[14,15]，為后期均勻性計(jì)算提供基礎(chǔ)。瀝青混合料圖像預(yù)處理結(jié)果如圖2。

圖1 數(shù)字圖像預(yù)處理流程

圖2 瀝青混合料數(shù)字圖像預(yù)處理

2 攤鋪瀝青混合料均勻性評(píng)價(jià)算法

圖3 靜距算法示意

靜矩評(píng)價(jià)方法如式(1)～(4)：

S1=∑[s(i)×l1(i)]

(1)

S2=∑[s(i)×l2(i)]

(2)

S3=∑[s(i)×l3(i)]

(3)

S4=∑[s(i)×l4(i)]

(4)

式中：S1～S4分別表示顆粒對(duì)四條邊的靜矩和；s(i)為圖像中第i個(gè)集料顆粒的面積；l1(i)、l2(i)、l3(i)、l4(i)為二值圖像中第i個(gè)集料顆粒距離圖像四邊的距離，如圖3。

定義靜矩離異系數(shù)Cv表征圖像中顆粒分布情況，公式如下。

(5)

1.2 調(diào)查方法 此次調(diào)查工作分成全面調(diào)查、重點(diǎn)調(diào)查和補(bǔ)充調(diào)查3個(gè)階段，參與實(shí)地調(diào)查人員20人，按照仙居縣行政規(guī)劃、類型分布和道路交通狀況，在全縣共設(shè)置調(diào)查路線20條。2017年5月5日—6月20日，對(duì)仙居縣范圍內(nèi)20個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)(街道)百年以上樹(shù)齡的古樹(shù)進(jìn)行逐株普查，檢尺胸圍、測(cè)定樹(shù)高，用GPS定位，樹(shù)種定名采用前期資料和標(biāo)本鑒定的方法進(jìn)行。

3 采集方法對(duì)均勻性評(píng)價(jià)影響

3.1 級(jí)配類型

筆者依托廣南至那灑高速公路工程項(xiàng)目，以上、下面層AC-13、AC-25瀝青混合料為研究對(duì)象。圖像采集高度均為60 cm，采集時(shí)間均為晴天09:00，對(duì)上下面層瀝青混合料分別采集500幅圖像，并計(jì)算圖像中集料顆粒變異系數(shù)，上面層AC-13級(jí)配類型瀝青混合料變異系數(shù)結(jié)果如圖4(a)，下面層AC-25級(jí)配類型瀝青混合料變異系數(shù)結(jié)果如圖4(b)。

圖4 瀝青混合料變異靜矩系數(shù)分布

由圖4可知，上下面層AC-13、AC-25瀝青混合料均勻性評(píng)價(jià)指標(biāo)Cv值均集中于0～1.5%，筆者以1.5%為均勻性評(píng)價(jià)指標(biāo)。由評(píng)價(jià)結(jié)果可知，AC-13瀝青混合料Cv值均滿足均勻度評(píng)價(jià)指標(biāo)，而AC-25級(jí)配類型瀝青混合料均勻性評(píng)價(jià)結(jié)果中，有22幅圖像Cv值超過(guò)1.5%。因此，下面層AC-25級(jí)配類型瀝青混合料較上面層AC-13瀝青混合料更易發(fā)生離析。

3.2 光照強(qiáng)度

筆者選取分別采集晴天5種光照條件下，瀝青路面數(shù)字圖像，不同采集時(shí)間及工況下地面照度如表1。

表1 不同采樣時(shí)間下的地面照度值

計(jì)算不同光強(qiáng)下圖像的均勻度，分析光照強(qiáng)度對(duì)數(shù)字圖像技術(shù)評(píng)價(jià)瀝青混合料攤鋪均勻性的影響。在距離瀝青路面60 cm的高度下進(jìn)行進(jìn)行拍照，每個(gè)時(shí)刻各篩選500幅圖像，分別計(jì)算瀝青混合料均勻性評(píng)價(jià)指標(biāo)靜矩變異系數(shù)，并進(jìn)行對(duì)比分析。

不同光照強(qiáng)度，瀝青混合料數(shù)字圖像均勻性評(píng)價(jià)結(jié)果如表2。

表2 不同時(shí)間瀝青混合料圖像靜矩變異系數(shù)

由表2可知，不同圖像采集時(shí)間點(diǎn)光照強(qiáng)度不同。09:00、13:00、16:00光照充足的情況下，靜矩變異系數(shù)相差不大；20:00光照不足的時(shí)候，靜矩變異系數(shù)大于1.5%的圖像數(shù)量達(dá)到53，變異系數(shù)最大值為4.437%，與光照條件良好的數(shù)據(jù)產(chǎn)生偏差。在進(jìn)行補(bǔ)充光照條件后，靜矩變異系數(shù)值恢復(fù)到光照充足時(shí)水平。試驗(yàn)結(jié)果表明，在白天光照強(qiáng)度充足的條件下，數(shù)字圖像法瀝青混合料攤鋪均勻性檢測(cè)結(jié)果基本不受影響，當(dāng)夜間、隧道內(nèi)等光照不足條件下施工時(shí)，應(yīng)補(bǔ)充光照后進(jìn)行檢測(cè)。

3.3 拍攝高度

由于圖像采集高度直接影響圖像采集范圍和集料顆粒所占像素尺寸，對(duì)采集高度對(duì)數(shù)字圖像瀝青混合料離析評(píng)價(jià)結(jié)果進(jìn)行研究。

試驗(yàn)在晴天日條件下09：00進(jìn)行圖像采集，圖像采集區(qū)域光照度為5 000 lx，圖像分辨率為2 448×2 448像素。將攤鋪路面瀝青混合料集料顆粒的直徑換算為像素大小，得到如表3。

表3 不同拍攝高度集料顆粒面積所對(duì)應(yīng)面積像素

為了研究拍攝高度對(duì)瀝青混合料攤鋪均勻性的影響，筆者選取1 000 m路段，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)采集圖像發(fā)現(xiàn)，攤鋪瀝青混合料溫度較高，當(dāng)采集高度低于60 cm時(shí)，采集設(shè)備易出現(xiàn)過(guò)熱，采集圖像易發(fā)生虛焦情況，對(duì)均勻性評(píng)價(jià)結(jié)果造成影響。因此拍攝高度采用60、80、100 cm對(duì)下面層AC-25級(jí)配類型瀝青混合料圖像進(jìn)行采集。

圖像采集高度不同，直接影響圖像范圍和圖像中集料顆粒所占像素面積，對(duì)圖像預(yù)處理結(jié)果產(chǎn)生影響。筆者通過(guò)對(duì)比分析不同采集高度下，不同粒徑集料所占顆粒面積比，分析采集高度對(duì)數(shù)字圖像瀝青混合料均勻性評(píng)價(jià)結(jié)果影響。不同采集高度下圖像中不同粒徑集料顆粒所占面積百分比如表4。

表4 不同采集高度下集料顆粒圖像面積占比

由表4可知，采集高度為60 cm時(shí)，9.5 mm以上集料顆粒占比總和為38.8，與實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)配合比相符。隨著采集高度的增加，由于預(yù)處理后圖像中26.5、19.0 、16.0 mm集料發(fā)生顆粒粘連情況，造成顆粒分割不當(dāng)，圖像中大粒徑集料占比增加，9.5 mm以上集料占比總和增大，與實(shí)際不符，影響后續(xù)計(jì)算均勻性靜矩變異系數(shù)Cv。

試驗(yàn)結(jié)果表面，隨著采集高度的增加，瀝青混合料圖像中集料顆粒像素尺寸隨之降低，影響圖像預(yù)處理粘連顆粒分割的準(zhǔn)確性。因此，考慮到圖像采集范圍和圖像預(yù)處理的準(zhǔn)確性，筆者建議采集高度控制在60 cm。

4 結(jié) 論

筆者基于數(shù)字圖像技術(shù)，計(jì)算攤鋪瀝青混合料數(shù)字圖像顆粒變異系數(shù)，對(duì)攤鋪瀝青混合料均勻性進(jìn)行評(píng)價(jià)，通過(guò)不同級(jí)配類型、光照強(qiáng)度、拍攝高度均勻性評(píng)價(jià)結(jié)果對(duì)比分析，對(duì)數(shù)字圖像瀝青混合料均勻性評(píng)價(jià)影響因素進(jìn)行研究。結(jié)果如下：

1)分別對(duì)AC-13、AC-25級(jí)配類型采集的攤鋪瀝青混合料數(shù)字圖像進(jìn)行均勻性評(píng)價(jià)，分別計(jì)算500張圖像靜矩變異系數(shù)，評(píng)價(jià)指標(biāo)靜矩變異系數(shù)指標(biāo)范圍均分布于0～1.5%。對(duì)比變異系數(shù)Cv值，下面層AC-25級(jí)配類型混合料更易發(fā)生離析。

(2)筆者分別對(duì)09：00、13：00、16：00、20：00、20:00(補(bǔ)充光照)5種工況下進(jìn)行圖像采集，并計(jì)算靜矩變異系數(shù)。結(jié)果表明：在白天光照充足的條件下，均勻性評(píng)價(jià)結(jié)果不產(chǎn)生影響；但夜間光照不足時(shí)，結(jié)果產(chǎn)生偏差；通過(guò)補(bǔ)充1 000 lx照度的光照強(qiáng)度后，均勻性評(píng)價(jià)結(jié)果與光照充足時(shí)結(jié)果一致。建議在光線不足時(shí)施工，需補(bǔ)充光照后進(jìn)行檢測(cè)。

(3)通過(guò)對(duì)比60、80、100 cm采集高度均勻性評(píng)價(jià)結(jié)果，AC-25型瀝青混合料圖像中，集料顆粒面積占比隨著采集高度的增加而產(chǎn)生影響。采集高度增加，圖像中集料顆粒像素尺寸減小，預(yù)處理圖像中粘連顆粒增加，從而影響離析評(píng)價(jià)結(jié)果。采集高度為60 cm時(shí)，9.5 mm以上集料占比總和與實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)配合比相符，筆者建議圖像采集高度控制在60 cm。