基于數(shù)字圖像技術(shù)的碎石撒布情況檢測(cè)方法研究

榮 鑫，劉洪海，高新民，邊慶華

(1.長(zhǎng)安大學(xué) 道路施工技術(shù)與裝備教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710064；2.甘肅路橋建設(shè)集團(tuán)有限公司，甘肅 蘭州 730030)

0 引言

同步碎石封層施工是近幾年發(fā)展起來(lái)的一種先進(jìn)的施工技術(shù)，其技術(shù)特點(diǎn)是同步碎石封層車同步灑(撒)布瀝青和碎石。這種施工方法相比于其他方法具有極高的施工效率，可以在車輛通行的道路上完成施工，減少施工路段的交通管制。同步碎石封層的主要評(píng)價(jià)指標(biāo)是碎石撒布率和撒布均勻性，撒布率是指碎石覆蓋的投影面積與整個(gè)路面的百分比；撒布均勻性是指路面橫向和縱向碎石撒布率系數(shù)是否在同一范圍內(nèi)。同步碎石封層施工中碎石撒布率不合適或碎石撒布不均勻容易產(chǎn)生病害(如石子過(guò)多造成脫粒，不足將造成泛油等現(xiàn)象)[1]。目前對(duì)碎石撒布率及撒布均勻性的檢測(cè)方法及評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)等缺乏深入研究，現(xiàn)行路面質(zhì)量驗(yàn)收體系中也缺乏反映碎石撒布率和撒布均勻性的數(shù)字圖像檢測(cè)指標(biāo)。對(duì)碎石撒布率的檢測(cè)主要采用搪瓷盤或油毛氈放在撒布路段取樣，然后通過(guò)抽提或三氯乙烯浸泡沖洗獲得重量數(shù)據(jù)，計(jì)算撒布率[2]，該方法費(fèi)時(shí)、費(fèi)力，不能實(shí)時(shí)獲得撒布率，具有局限性；對(duì)撒布均勻性則采用目測(cè)的方法進(jìn)行估計(jì)，具有主觀隨意性。為了解決現(xiàn)有檢測(cè)方法存在的不足，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)此進(jìn)行了研究。王忠勇等[3]研究了同步碎石封層碎石撒布覆蓋率的檢測(cè)方法，使用Retinex算法恢復(fù)圖像，去除陰影，對(duì)圖像進(jìn)行增強(qiáng)，然后使用圖像二值化方法得到撒布覆蓋率；賈萌[4]采用分水嶺算法對(duì)撒布路面碎石進(jìn)行分割，對(duì)碎石顆粒進(jìn)行計(jì)數(shù)并計(jì)算面積；尹世豪[5]采用深度學(xué)習(xí)的方式對(duì)同步碎石封層碎石覆蓋率進(jìn)行了研究，采用GravelNet神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)碎石進(jìn)行訓(xùn)練,學(xué)習(xí)檢測(cè)碎石覆蓋率，但該方法對(duì)設(shè)備要求較高，難于在施工現(xiàn)場(chǎng)同步使用；宋永朝等[6]采用數(shù)字圖像處理的方法對(duì)瀝青路面表面紋理構(gòu)造分布的均勻性進(jìn)行了評(píng)價(jià)；張苛等[7]從瀝青路面壓實(shí)和集料分布均勻性出發(fā)，對(duì)瀝青路面施工作出了評(píng)價(jià)；曾晟等[8]采用數(shù)字圖像處理技術(shù)對(duì)攤鋪階段的混合料均勻性作出了實(shí)時(shí)評(píng)價(jià)。

為了提高同步碎石封層施工中碎石撒布檢測(cè)精度和建立撒布路面均勻性指標(biāo)，本研究提出了一種基于圖像處理的評(píng)價(jià)碎石撒布率與撒布均勻性的檢測(cè)方法，并將碎石撒布率和撒布均勻性相結(jié)合表征撒布質(zhì)量，為快速、無(wú)損檢測(cè)與準(zhǔn)確評(píng)價(jià)提供了途徑。

1 同步碎石封層施工撒布率檢測(cè)方法

1.1 碎石撒布率檢測(cè)模型

在對(duì)同步碎石封層碎石撒布率進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，首先對(duì)采集的圖像進(jìn)行雙邊濾波和圖像增強(qiáng)等預(yù)處理，再結(jié)合二維離散小波、Retinex等算法消除光照、灰塵等環(huán)境因素的影響，最后采用二值化分割的方法對(duì)碎石撒布率進(jìn)行檢測(cè)。采用圖像二值化分割的方式檢測(cè)撒布率[9]，由于碎石和未被覆蓋的瀝青有顯著的顏色差異，可先通過(guò)分塊Ostu分割算法對(duì)預(yù)處理后的圖像進(jìn)行二值化分割，使碎石從背景(瀝青)中分割出來(lái)，即：

(1)

然后，即可計(jì)算碎石撒布率為：

(2)

式中,f(x,y)為像素點(diǎn)坐標(biāo)(離散變量)；g(x,y)為像素點(diǎn)灰度值；r為碎石撒布率。

由式(1)和式(2)可見(jiàn)，該檢測(cè)方法的精確性是由圖像分割的精度決定的，因此做好分割前圖像的處理尤為重要，采集方式簡(jiǎn)圖和試驗(yàn)流程如圖1和圖2所示。

圖1 圖像采集方式簡(jiǎn)圖

圖2 試驗(yàn)流程圖

具體試驗(yàn)步驟如下:

步驟1. 選擇滿足要求的工業(yè)相機(jī)及鏡頭，使得圖片識(shí)別精度能達(dá)到0.1 mm，也就是1.18 mm規(guī)格的碎石最少能占10個(gè)像素點(diǎn)。

步驟2. 根據(jù)相機(jī)焦點(diǎn)位置調(diào)整相機(jī)距離。LED燈應(yīng)安裝在測(cè)試設(shè)備的前面以減少不均勻自然光對(duì)拍攝的影響。在本試驗(yàn)中，相機(jī)的焦距為 1.4～16 mm，幀頻為 20 fps，成像部分面積為1/1.8″，有效像素?cái)?shù)為1 920 000。

步驟3. 使用讀取功能拍攝并選擇要分析的圖片，使用裁剪功能裁剪圖像并移除不相關(guān)的部分，圖片可以通過(guò)MATLAB軟件處理。

步驟4. 將要分析的RGB圖像轉(zhuǎn)化為灰度圖像。

步驟5. 使用離散小波算法對(duì)灰度圖像進(jìn)行二維分解。

步驟6. 分別提取離散小波高頻和低頻系數(shù)，對(duì)高頻系數(shù)采用改進(jìn)閾值函數(shù)進(jìn)行處理，對(duì)低頻系數(shù)采用改進(jìn)Retinex算法進(jìn)行處理[10]。

步驟7. 對(duì)圖像進(jìn)行小波重構(gòu)。

步驟8. 使用分塊Ostu閾值分割算法將灰度圖像轉(zhuǎn)化為二值圖像。

步驟9. 檢測(cè)碎石的撒布率。

通過(guò)現(xiàn)有方法檢測(cè)實(shí)際碎石撒布率，并將本研究中檢測(cè)值與實(shí)際值進(jìn)行對(duì)比，校正算法檢測(cè)結(jié)果。重復(fù)步驟3～9，獲得不同條件下碎石撒布率的檢測(cè)效果。

1.2 基于二維離散小波的降噪算法

1.2.1 小波分解與重構(gòu)

采用二維離散小波分解方法得到低頻系數(shù)和高頻系數(shù)。其中低頻系數(shù)主要包括圖像的全局信息和輪廓信息，而高頻系數(shù)主要包括圖像的局部信息和邊緣、細(xì)節(jié)、噪聲部分。二維離散小波分解表達(dá)式如式(3)和式(4)所示[11]：

(3)

(4)

(5)

1.2.2 小波閾值與閾值函數(shù)的選取

本研究采用改進(jìn)閾值函數(shù)方法對(duì)小波分解后的高頻系數(shù)進(jìn)行去噪處理，如式(6)所示。由于固定閾值估計(jì)法對(duì)噪聲在高頻系數(shù)處分布較多時(shí)有更徹底的去噪效果，因此采用固定閾值估計(jì)法估計(jì)函數(shù)閾值，表達(dá)式如式(7)和式(8)所示[13]:

(6)

(7)

σm=median(abs(k0)/0.674 5),

(8)

1.2.3 改進(jìn)的Retinex圖像增強(qiáng)算法

本研究采用改進(jìn)的Retinex圖像增強(qiáng)算法對(duì)小波分解后的低頻系數(shù)進(jìn)行光照?qǐng)D像估計(jì)，在基于單尺度濾波Retinex(SSR)算法上增添1個(gè)光照調(diào)節(jié)參數(shù)，使得到的反射圖像更自然，在效果上避免光暈現(xiàn)象，且具有更好的邊緣保持效果[14]。但通過(guò)對(duì)SSR算法的試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，若完全消除原圖像中的光照估計(jì)部分，往往會(huì)出現(xiàn)圖像不自然的現(xiàn)象，因此在消除光照?qǐng)D像的過(guò)程中增加1個(gè)光照調(diào)節(jié)參數(shù)k(k∈(0,1))，使得到的反射圖像更自然。其表達(dá)式如式(9)、式(10)和式(11)所示[15]：

R(x,y)=logaS(x,y)-logaS(x,y)·F(x,y)，

(9)

R(x,y)=logaS(x,y)-klogaS(x,y)·F(x,y)，

(10)

Fk(x,y))，

(11)

式中,R(x,y)為照度圖像；S(x,y)為低頻圖像；F(x,y)為高斯核函數(shù)；k為光照調(diào)節(jié)參數(shù)；ωk為權(quán)重系數(shù)；a為圖像通道數(shù)，通常取3。

2 同步碎石封層施工撒布均勻性檢測(cè)方法

同步碎石封層設(shè)備碎石撒布均勻性分為縱向均勻性和橫向均勻性，受到很多因素的影響。

碎石撒布縱向不均勻性產(chǎn)生的原因主要有：撥料輥轉(zhuǎn)速不穩(wěn)定撒布及施工時(shí)行駛車速不穩(wěn)定等因素。碎石撒布橫向不均勻性產(chǎn)生的原因主要有以下幾點(diǎn)：(1)撥料輥軸線與下料口下沿不平行造成的碎石撒布橫向不均勻(A處多，B處少),形成下沿曲線狀及下沿斜線狀兩種病害，如圖3所示；(2)由于部件、零件及裝配產(chǎn)生的綜合誤差所造成的料門開度誤差,導(dǎo)致碎石撒布橫向不均勻而產(chǎn)生的病害，如圖4所示；(3)若加寬的布料板相對(duì)于下料口的位置調(diào)整得不好或碎石灰分大、潮濕都會(huì)引起碎石彈散效果不好，撒布到工作面會(huì)呈現(xiàn)麥垅狀條紋式的病害[16]，如圖5所示。

圖3 下沿曲線狀及下沿斜線狀

圖4 開度誤差

圖5 麥垅狀條紋

為了實(shí)時(shí)檢測(cè)出上述可能出現(xiàn)的病害并同步調(diào)整碎石封層設(shè)備的撒布情況，分別對(duì)圖像采用橫向、縱向及四分分割的方法對(duì)撒布后的路面進(jìn)行檢測(cè)，從而判別可能出現(xiàn)的病害，如圖6、圖7和圖8所示。

圖6 四分分割

圖7 橫向分割

圖8 縱向分割

對(duì)撒布路段的代表性撒布圖像進(jìn)行分析，以集料分布數(shù)量及其所占面積比評(píng)價(jià)撒布路段的集料撒布均勻性，結(jié)合統(tǒng)計(jì)學(xué)理論，提出評(píng)價(jià)指標(biāo)，分為四分、橫向及縱向不均勻系數(shù)，如式(12)、式(13)及式(14)所示[17]:

(12)

(13)

(14)

集料橫向不均勻系數(shù)DH越小，說(shuō)明集料在橫向的分布越均勻；集料縱向不均勻系數(shù)DV值越小，說(shuō)明集料在縱向的均勻性越好；集料區(qū)域不均勻系數(shù)DF越小，則集料在某個(gè)區(qū)域的均勻性越好。

3 檢測(cè)實(shí)例

依托某機(jī)場(chǎng)跑道項(xiàng)目，對(duì)跑道縱向及橫向碎石撒布率及撒布均勻性進(jìn)行檢測(cè)。在本次試驗(yàn)中，采用的碎石類型為玄武巖，瀝青類型為SBS乳化瀝青。試驗(yàn)檢測(cè)設(shè)備如圖9所示。

圖9 撒布檢測(cè)設(shè)備

3.1 碎石撒布率檢測(cè)

通過(guò)調(diào)節(jié)同步碎石封層車碎石撒布量，在不同撒布率下對(duì)撒布完成后的路面進(jìn)行隨機(jī)取樣，共采集了50張圖片。分別采用本研究算法和《道路施工與養(yǎng)護(hù)機(jī)械設(shè)備—瀝青碎石同步封層車》(GB/T 28393—2012)試驗(yàn)規(guī)程[18]分別進(jìn)行試驗(yàn)分析，檢測(cè)結(jié)果如圖10所示。圖中橫坐標(biāo)為實(shí)驗(yàn)室測(cè)得的路面撒布率值，縱坐標(biāo)為采用本研究算法測(cè)得的撒布率值，當(dāng)點(diǎn)圖越趨向于Y=X這條直線，表明本研究算法的測(cè)量結(jié)果越好。由圖10可以看出，本研究方法與實(shí)驗(yàn)室方法的相關(guān)系數(shù)為0.958 2，具有良好的相關(guān)性，可見(jiàn)本研究提出的方法較為準(zhǔn)確。取點(diǎn)A，B，C撒布原圖及檢測(cè)圖如圖11所示。

圖10 撒布率檢測(cè)結(jié)果

圖11 撒布原圖與檢測(cè)圖

3.2 碎石撒布均勻性檢測(cè)

3.2.1 不同取樣點(diǎn)撒布均勻性檢測(cè)

在撒布后的3個(gè)200 m×12 m的車道上，每個(gè)車道分別按照橫向間距4 m、縱向間距25 m進(jìn)行取樣，分別在每個(gè)車道橫向取3組數(shù)據(jù)，縱向取8組數(shù)據(jù)，每張圖片拍攝面積為0.8 m×0.6 m,拍攝示意圖如圖12所示。拍攝完成后分別進(jìn)行橫向和縱向的撒布率檢測(cè)并計(jì)算相應(yīng)的不均勻性指標(biāo)，如表1及表2所示。

圖12 撒布圖像采集示意圖

從表1及表2可以看出，橫向不均勻系數(shù)DH及DV指標(biāo)的均值均為1車道>2車道>3車道，說(shuō)明3車道橫向及縱向集料的分布均勻性都較1車道及2車道要好。

表1 各車道橫向不均勻系數(shù)

表2 各車道縱向不均勻系數(shù)

3.2.2 同一取樣點(diǎn)撒布均勻性檢測(cè)

通過(guò)在撒布后的路面上對(duì)某個(gè)區(qū)域的撒布均勻性進(jìn)行檢測(cè)，從而判斷某區(qū)域的撒布情況。本研究隨機(jī)選取3塊1.5 m×1.5 m的區(qū)域，對(duì)3個(gè)區(qū)域均采用四分法、縱向法和橫向法進(jìn)行檢測(cè)分析。

(1)四分法

對(duì)同一區(qū)域劃分成4個(gè)部分，分別檢測(cè)每個(gè)區(qū)域的撒布面積比，檢測(cè)值如表3和圖13所示。

表3 四分法不均勻系數(shù)檢測(cè)值

圖13 四區(qū)域面積比

從表3和圖13中可以看出，區(qū)域2的區(qū)域不均勻系數(shù)和方差明顯大于其他2個(gè)區(qū)域，其中區(qū)域2中第3部分?jǐn)?shù)值低于均值4.48%，第4部分?jǐn)?shù)值高于均值5.8%，這表明此區(qū)域的撒布不均勻情況較嚴(yán)重。

(2)縱向法

對(duì)同一區(qū)域縱向劃分成10個(gè)部分，分別檢測(cè)每個(gè)區(qū)域的撒布面積比，檢測(cè)值如表4和圖14所示。

表4 縱向面方差

圖14 縱向面面積比

從表4及圖14中可以看出，區(qū)域2的方差及面積比波動(dòng)明顯高于其他2個(gè)區(qū)域。尤其是區(qū)域2中第4和第5縱向面波動(dòng)數(shù)值有較大變化，分別與均值相差11.3%及11.6%，且8，9，10縱面數(shù)值高于1，2，3縱面。這表明第4和第5縱面撒布情況較差，第4縱面過(guò)多，第5縱面過(guò)少，且8，9，10縱面整體撒布量明顯高于1，2，3縱面。

(3)橫向法

對(duì)同一區(qū)域橫向劃分成10個(gè)部分，分別檢測(cè)每個(gè)區(qū)域的撒布面積比，檢測(cè)值如表5和圖15所示。

表5 橫向面方差

圖15 橫向面面積比

從表5和圖15可以看出，區(qū)域2的方差及面積比波動(dòng)明顯高于其他2個(gè)區(qū)域，且橫向面波動(dòng)趨勢(shì)與縱向面類似，在第4及第5橫向面位置波動(dòng)最明顯，分別與均值相差11.2%及11.7%，且8，9，10橫面數(shù)值高于1，2，3橫面。這表明第4和第5橫面撒布情況較差，第4橫面過(guò)多，第5橫面過(guò)少，且8，9，10橫面整體撒布量明顯高于1，2，3橫面。綜合橫向及縱向撒布情況，可確定撒布不均勻的具體位置，如圖16所示，現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)圖如圖17所示，可根據(jù)此圖對(duì)撒布情況較差的路段進(jìn)行定點(diǎn)調(diào)整。

圖16 區(qū)域2撒布不均勻點(diǎn)示意圖

圖17 現(xiàn)場(chǎng)不同點(diǎn)檢測(cè)示意圖

綜合四分法、縱向法及橫向法3種撒布均勻性分析方法可知，3種方法得出的撒布均勻性數(shù)值均為區(qū)域2>區(qū)域3>區(qū)域1，表明區(qū)域1的撒布情況最好，區(qū)域2的撒布情況最差。在對(duì)撒布后的路面進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，可先通過(guò)四分法確定撒布較差的區(qū)域，之后通過(guò)橫向法和縱向法聯(lián)合分析確定撒布情況較差的具體位置，對(duì)確定的具體位置及時(shí)進(jìn)行調(diào)整。

碎石撒布率和碎石撒布均勻性是同步碎石封層施工的重要組成部分，二者均會(huì)影響碎石封層路面的耐久性。根據(jù)碎石撒布率和碎石撒布均勻性的檢測(cè)結(jié)果，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)同步碎石封層施工的精細(xì)化檢測(cè)和評(píng)價(jià)。

4 結(jié)論

本研究對(duì)同步碎石封層設(shè)備撒布后的路面進(jìn)行碎石撒布率及撒布均勻性檢測(cè)，提出了一種新的碎石撒布率檢測(cè)算法，并采用四分、橫向及縱向分析方法對(duì)撒布后的路面進(jìn)行撒布均勻性分析，得到如下結(jié)論：

(1)通過(guò)采用二維小波分解將圖像高頻和低頻系數(shù)提取出來(lái)后，對(duì)高頻系數(shù)采用改進(jìn)閾值法進(jìn)行處理，對(duì)低頻系數(shù)采用改進(jìn)Retinex法進(jìn)行處理，然后進(jìn)行圖像重構(gòu)，最后對(duì)圖像進(jìn)行二值化處理，得出碎石撒布率。此改進(jìn)算法可以有效減小外界環(huán)境因素對(duì)檢測(cè)精度的影響，能夠提高檢測(cè)精度和速度，通過(guò)實(shí)例驗(yàn)證表明本研究方法的準(zhǔn)確性和有效性。

(2)本研究所提出的檢測(cè)方法可以及時(shí)了解并對(duì)比各部分的撒布率；并通過(guò)四分、橫向及縱向分析法得到撒布均勻性系數(shù)，從而進(jìn)一步確定撒布情況較差的具體位置，以便對(duì)不滿足施工要求的位置進(jìn)行調(diào)整，保證施工質(zhì)量。

(3)本研究未建立碎石撒布率和撒布量的關(guān)系，在進(jìn)一步的研究中應(yīng)建立二者的關(guān)系模型，以期得到更全面的碎石撒布評(píng)價(jià)指標(biāo)。