基于數(shù)字圖像法的同步封層碎石用量確定方法

肖 磊

(廣東京珠高速公路廣珠北段有限公司，廣東 廣州 511450)

0 引言

同步碎石封層是利用專用設(shè)備將改性熱瀝青粘結(jié)材料及具有一定規(guī)格的碎石材料，同步灑布在路面上，并通過(guò)適當(dāng)碾壓后形成的單層瀝青碎石功能層[1]。理想狀態(tài)下，同步碎石封層的碎石顆粒應(yīng)互不接觸，以保證高溫的瀝青混合料可以嵌入到同步碎石封層表面的碎石顆粒的間隙中，在高溫下封層中的改性瀝青發(fā)生軟化，并在膠輪碾壓下向上流動(dòng)，與瀝青混合料的熱瀝青融合，充分包裹封層碎石。封層碎石具有“錨定”功能，融合后的改性瀝青具有“錨索”功能，從而使碎石封層與瀝青結(jié)構(gòu)層形成整體。同步碎石封層在瀝青結(jié)構(gòu)層與水穩(wěn)結(jié)構(gòu)層之間起著粘結(jié)功能層、剛?cè)徇^(guò)渡層、防水層及應(yīng)力吸收層的作用[2-3]。同步碎石封層的施工質(zhì)量影響路面整體受力及瀝青面層的抗剪性能[4]，主要控制指標(biāo)包括熱瀝青用量、碎石用量及碎石覆蓋率[5]。

對(duì)于材料用量的檢測(cè)，透層、粘層施工中通常在工作面上放置或固定已知質(zhì)量和面積的托盤或土工布，待乳化瀝青灑布完后，通過(guò)稱量托盤或土工布的質(zhì)量增量，計(jì)算單位面積上乳化瀝青的灑布量[6]。但此方法不適用于同步碎石封層，原因是碎石將同步撒布在熱瀝青上，無(wú)法分別稱量碎石和瀝青的質(zhì)量。另外一種方法是，根據(jù)瀝青、碎石的使用總量及施工面積核算碎石和瀝青用量。該方法存在局限性：(1)無(wú)法考慮重疊或遺漏施工的面積，核算用量存在較大偏差；(2)核算用量反映整體段落封層碎石和瀝青的平均用量，不能反映局部段落的施工質(zhì)量；(3)總量數(shù)據(jù)往往僅被承包人實(shí)際掌握，數(shù)據(jù)來(lái)源存在不可靠性。此外，對(duì)于同步碎石封層的碎石撒布要求一般為碎石覆蓋率60%～70%，但在以往的施工中，由于缺乏有效的碎石覆蓋率檢測(cè)方法，通常只能依據(jù)經(jīng)驗(yàn)來(lái)判定碎石覆蓋的狀況，同步碎石封層的施工質(zhì)量控制存在較大的主觀性。

本文提出采用數(shù)字圖像技術(shù)快速、準(zhǔn)確評(píng)價(jià)同步碎石封層施工質(zhì)量的方法，對(duì)碎石封層表面的碎石特征信息進(jìn)行提取，獲取碎石顆粒等效直徑、最大主軸及最短主軸等，并據(jù)此計(jì)算碎石覆蓋率、碎石顆粒最大與最短主軸長(zhǎng)度差值、不同等效直徑碎石比例；進(jìn)一步，采用二維陰影重構(gòu)三維曲面技術(shù)進(jìn)行碎石體積的計(jì)算，并獲得碎石質(zhì)量；最后,采用室內(nèi)燃燒篩分法驗(yàn)證了數(shù)字圖像法碎石用量結(jié)果。

1 數(shù)字圖像技術(shù)

1.1 二維數(shù)字圖像技術(shù)

數(shù)字圖像技術(shù)在瀝青混合料及路面方面的應(yīng)用已有較多研究成果[7-8]。數(shù)字圖像技術(shù)利用瀝青和碎石在灰度直方圖上灰度分布的雙峰特性，分隔瀝青和碎石的界線，實(shí)現(xiàn)碎石顆粒等效直徑、最大主軸及最短主軸的提取。

1.1.1 等效直徑

采用等效直徑指標(biāo)對(duì)碎石顆粒進(jìn)行表征，可直接區(qū)分各粒徑的集料，與瀝青混合料的級(jí)配具有直接對(duì)應(yīng)性[9]。碎石顆粒的等效直徑計(jì)算見(jiàn)下式。

(1)

式中：Fd為碎石顆粒的等效直徑；Area為碎石顆粒的截面面積。

1.1.2 最大主軸與最短主軸

碎石顆粒表面存在兩個(gè)點(diǎn)，使得其連線的每一個(gè)點(diǎn)均在碎石顆粒邊界內(nèi)部，并且這條連線的長(zhǎng)度大于碎石顆粒表面其他任意兩點(diǎn)的連線長(zhǎng)度。根據(jù)碎石顆粒的等效面積、最長(zhǎng)連線長(zhǎng)度及連線點(diǎn)位置，可將碎石顆粒等效為具有相同面積和最大主軸(長(zhǎng)軸)的橢圓，由此可得到等效橢圓的最短主軸(短軸)[10]。

1.2 二維陰影重構(gòu)三維數(shù)字圖像技術(shù)

對(duì)于難以獲取三維曲面數(shù)據(jù)的檢測(cè)目標(biāo)，根據(jù)二維圖像近似計(jì)算并重構(gòu)目標(biāo)三維曲面數(shù)據(jù)的方法，是一種求解目標(biāo)三維體積和質(zhì)量的有效方法。

較為具有代表性的是從陰影恢復(fù)形狀(Shape from shading, SFS)三維重構(gòu)方法，其基本原理是：二維圖像中目標(biāo)物體表面某像素點(diǎn)的灰度值與目標(biāo)物體表面朗伯體光照反射的灰度值相等[11]。該方法的基本思路是：首先獲取目標(biāo)物體的二維圖像，分析該二維圖像中目標(biāo)物體表面像素點(diǎn)的灰度值分布信息，根據(jù)朗伯體光照反射模型，由像素點(diǎn)灰度數(shù)值分布計(jì)算目標(biāo)物體表面對(duì)應(yīng)的三維空間曲面(即三維空間曲面函數(shù))，從而實(shí)現(xiàn)目標(biāo)物體的三維曲面重構(gòu)[12]。朗伯體光照反射模型[13]的光源為平行光源，正交投影成像。

2 二維數(shù)字圖像采集與分析

2.1 同步碎石封層實(shí)例工程概述

為增強(qiáng)加鋪結(jié)構(gòu)層與原路面的粘結(jié)效果，提高路面結(jié)構(gòu)整體受力的能力，在原路面表面施工改性熱瀝青同步碎石封層。使用同步碎石封層車施工，最大同步封層寬度為4m，工作速度為3～6 km/h，單車瀝青罐容量8 t，碎石倉(cāng)容量18 t。同步碎石封層現(xiàn)場(chǎng)施工及工后效果如圖1所示。

圖1 同步碎石封層

同步碎石封層使用的瀝青為SBS改性I-D型，其各項(xiàng)指標(biāo)符合《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》(JTG F40-2004)的規(guī)定。熱瀝青用量為1.2～1.6 kg/m2。石灰?guī)r碎石為4.75～9.5mm的瓜米石，用量9～12 kg/m2，其各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)符合《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》(JTG F40-2004)的規(guī)定。

2.2 二維數(shù)字圖像的采集

為減少碎石壓入熱瀝青層而導(dǎo)致碎石邊緣失真的情況，碎石封層表面圖像的采集應(yīng)在完成同步碎石封層施工且尚未采用膠輪碾壓前進(jìn)行。采集設(shè)備為配備有4 000萬(wàn)像素超感光徠卡鏡頭的移動(dòng)圖像采集終端設(shè)備。二維數(shù)字圖像的采集參數(shù)為：(1)鏡頭距封層表面高度約60cm；(2)采用1倍聚焦模式；(3)圖像采集時(shí)間以15:00～17:00為宜，確保采集圖像的質(zhì)量不受陽(yáng)光陰影的干擾；(4)采樣頻率為9樣/1 m2、10 cm2/樣。對(duì)3個(gè)不同工點(diǎn)的碎石封層共采集90樣二維圖像數(shù)據(jù)，90個(gè)樣本的碎石封層在碎石覆蓋率、碎石空間方向、含粉量等指標(biāo)方面存在較大差異。不同工點(diǎn)同步碎石封層典型表面特征如圖2所示。

圖2 同步碎石封層表面特征

2.3 二維數(shù)字圖像處理

根據(jù)采集的數(shù)字圖像，利用Matlab圖像工具箱，計(jì)算3個(gè)不同工點(diǎn)90樣二維圖像數(shù)據(jù)的灰度直方圖，并采用圖像分割和過(guò)濾等方法，獲取圖像中碎石顆粒的等效直徑、碎石顆粒的最大主軸及最短主軸。二維數(shù)字圖像分析的基本步驟：

(1)圖像預(yù)處理。為了消除攝像設(shè)備、操作手法及自然光線等因素的影響，首先對(duì)獲得的原始二維數(shù)字圖像進(jìn)行圖像增強(qiáng)、降噪處理，選擇中值濾波方式降噪[15]。

(2)圖像二值化。為了區(qū)分同步碎石封層中的碎石和瀝青，對(duì)預(yù)處理后的二維數(shù)字圖像進(jìn)行二值化處理，并根據(jù)瀝青碎石灰度雙峰特性，提取碎石顆粒信息[16]。

圖3 數(shù)字圖像處理

2.4 二維數(shù)字圖像特征信息的提取

根據(jù)二維圖像二值化后獲得的碎石顆粒信息，可計(jì)算同步碎石封層二維數(shù)字圖像中各個(gè)碎石顆粒的等效直徑，并統(tǒng)計(jì)不同等效直徑碎石顆粒的數(shù)量比例。同時(shí)，根據(jù)二值化過(guò)程提取的碎石顆粒信息，計(jì)算各個(gè)碎石顆粒的最大主軸及最短主軸的長(zhǎng)度。由此，可得到3個(gè)不同工點(diǎn)90個(gè)樣本碎石顆粒統(tǒng)計(jì)信息(表1)。

表1 不同工點(diǎn)同步碎石封層表面碎石顆粒信息

碎石覆蓋率按下式計(jì)算：

(2)

式中：S為碎石覆蓋率；Areastone為采集圖像指定區(qū)域內(nèi)的碎石面積，像素；Areaimage為采集圖像指定區(qū)域面積，像素。

在同步碎石封層施工前，對(duì)每個(gè)工點(diǎn)使用的碎石進(jìn)行針片狀指標(biāo)的室內(nèi)檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表2。圖4為碎石顆粒針片狀含量和碎石顆粒最大主軸與最短主軸長(zhǎng)度差值、碎石覆蓋率的相關(guān)關(guān)系。

表2 碎石針片狀顆粒含量與碎石封層表面提取特征信息

圖4 碎石針片狀與碎石二維特征信息的關(guān)系

碎石針片狀與碎石顆粒最大主軸與最短主軸長(zhǎng)度差值的相關(guān)系數(shù)高達(dá)0.98。碎石顆粒的最大主軸和最短主軸長(zhǎng)度差值，可表征碎石顆粒的形狀，長(zhǎng)度差值越大，碎石顆粒接近片狀的程度越高。工點(diǎn)2碎石顆粒的片狀程度最高，其次是工點(diǎn)3的碎石，工點(diǎn)1的碎石形狀較為方正。

由圖4還可見(jiàn)，碎石針片狀顆粒含量與碎石覆蓋率之間的相關(guān)系數(shù)大于0.9。同步碎石封層施工時(shí)，碎石覆蓋率指標(biāo)受碎石針片狀顆粒含量的影響較大，碎石針片狀顆粒含量越高，同步碎石封層施工后表面碎石覆蓋率越高。推測(cè)主要的原因是，在同步撒布碎石時(shí)，片狀碎石受重力影響，大部分碎石將在熱瀝青表面呈“躺倒”的狀態(tài)，同樣質(zhì)量的碎石，針片狀碎石躺倒覆蓋熱瀝青的面積將更大。

此外，由表1還可知，不同工點(diǎn)碎石封層中超規(guī)格碎石顆粒的數(shù)量比例分別為3.3%、15.0%和21.0%。超規(guī)格碎石的數(shù)量比例與碎石覆蓋率之間的關(guān)系不大，表明在實(shí)際施工過(guò)程中，同步碎石封層中使用的瓜米石規(guī)格存在較大的變異，但其對(duì)碎石覆蓋率并無(wú)明顯影響，但碎石規(guī)格對(duì)封層的粘結(jié)效果有較大影響[17-18]。

3 碎石封層中碎石用量的確定與驗(yàn)證

3.1 碎石用量的確定

采用從陰影恢復(fù)形狀(Shape from shading, SFS)三維重構(gòu)方法，計(jì)算單位面積內(nèi)同步碎石封層中碎石的體積，并根據(jù)碎石顆粒密度，計(jì)算碎石顆粒質(zhì)量。

3.1.1 利用MATLAB等對(duì)圖像進(jìn)行三維重構(gòu)

采取RGB圖像轉(zhuǎn)化為二維灰度圖像的思路，將碎石封層表面碎石顆粒信息轉(zhuǎn)化為二維圖像的灰度值分布信息(二維矩陣)。根據(jù)SFS數(shù)學(xué)原理，采用插值方法重構(gòu)碎石封層表面碎石顆粒的三維曲面，如圖5所示。

圖5 碎石封層碎石顆粒三維重構(gòu)

3.1.2 碎石顆粒體積計(jì)算

根據(jù)碎石顆粒三維曲面信息，按下式計(jì)算碎石顆粒的體積：

Z=F(x,y)

(3)

(4)

式中：Z為三維曲面函數(shù)[4-6]；x為二維矩陣的橫坐標(biāo),y為縱坐標(biāo)，圖像中任意一點(diǎn)的函數(shù)值可表示為Zi,j=Z(xi,yj);F(x,y)為三維曲面函數(shù);Fmin為三維曲面函數(shù)的最小值；V為碎石封層表面碎石顆粒的空間體積。

3.1.3 碎石顆粒質(zhì)量計(jì)算

同步碎石施工前，檢測(cè)不同工點(diǎn)碎石的表觀相對(duì)密度，根據(jù)碎石的表觀相對(duì)密度及采用數(shù)字圖像法計(jì)算的碎石體積，可計(jì)算同步碎石封層中碎石的用量。

表3 碎石表觀相對(duì)密度、計(jì)算體積及質(zhì)量

由表3可知，不同的施工工點(diǎn)，同步碎石封層施工實(shí)際撒布的碎石用量差別較大。工點(diǎn)1的用量8.6 kg/m2小于要求的9～12 kg/m2，工點(diǎn)2的碎石用量最大，達(dá)到10.5 kg/m2，工點(diǎn)1和工點(diǎn)2的碎石用量相差1.9 kg/m2。

3.2 碎石用量室內(nèi)試驗(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證采用數(shù)字圖像處理技術(shù)計(jì)算確定的碎石用量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，采用室內(nèi)燃燒篩分法確定碎石和瀝青用量。該方法在檢測(cè)時(shí)不影響同步碎石封層車同步灑布瀝青和撒布碎石。具體步驟及計(jì)算方法：

(1)施工前，檢測(cè)碎石的含水量Cwater，并采用水洗篩分檢測(cè)碎石0.075mm以下粉塵的含量C0.075。

(2)灑布熱瀝青前，在原路面上鋪設(shè)一塊面積為1m2且已知質(zhì)量的土工布，并用鐵釘固定土工布的四個(gè)角落，土工布和固定用鐵釘?shù)馁|(zhì)量為m1。

(3)同步碎石封層車以5 km/h的速度勻速前進(jìn)，灑布熱瀝青并同步撒布碎石。

(4)同步碎石封層車施工完尚未碾壓前，小心取下固定土工布的鐵釘，稱量鐵釘、土工布、熱瀝青及碎石的總質(zhì)量m2。

(5)將全部鐵釘、土工布、熱瀝青及碎石放入瀝青燃燒爐中，燃盡瀝青及土工布后，水洗篩分并烘干碎石后，稱量碎石的質(zhì)量m3。為避免土工布等材料燃燒產(chǎn)生的粉塵計(jì)入碎石質(zhì)量，不考慮0.075mm以下粉塵的質(zhì)量。

(6)根據(jù)上述步驟的結(jié)果，計(jì)算碎石用量和瀝青用量。碎石用量以施工時(shí)實(shí)際撒布的碎石質(zhì)量為準(zhǔn)(考慮碎石含水量、含粉量)，得到碎石和瀝青用量計(jì)算公式：

Cstone=m3×(1+C0.075+Cwater)

(5)

Casphalt=m2-m1-Cstone

(6)

室內(nèi)燃燒法確定同步碎石封層中碎石用量和熱瀝青用量的方法，反映了實(shí)際施工的碎石質(zhì)量(含水量、含粉量)。

表4為通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)檢測(cè)確定的3個(gè)不同工點(diǎn)的改性瀝青用量和碎石用量，同時(shí)，包括其與數(shù)字圖像法檢測(cè)得到的碎石用量的比較結(jié)果。

表4 不同工點(diǎn)同步碎石封層碎石和瀝青用量

由表4可知，不同工點(diǎn)的碎石封層中熱瀝青的灑布量差異較小。而不同工點(diǎn)的碎石封層中碎石的撒布量差異較大，最大相差1.3kg/m2。對(duì)比數(shù)字圖像法和試驗(yàn)法的結(jié)果，碎石用量差異較小，相對(duì)誤差為-2.3%～4.0%，數(shù)字圖像法確定碎石封層碎石含量的方法經(jīng)驗(yàn)證有效。

同時(shí)，觀察表4數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，大部分工點(diǎn)采用圖像法確定的碎石用量略小于室內(nèi)實(shí)驗(yàn)法確定的碎石用量，分析其原因可能是碎石因自重部分浸入熱瀝青層而導(dǎo)致碎石表面面積減少，試驗(yàn)法碎石的含粉量和含水量被計(jì)入了碎石質(zhì)量。其中，工點(diǎn)2數(shù)字圖像法確定的碎石用量大于室內(nèi)試驗(yàn)法確定的碎石用量，分析其原因與碎石的針片狀含量偏高有關(guān)，“躺倒”的碎石導(dǎo)致圖像采集時(shí)高估了碎石顆粒的表面積，進(jìn)而高估了碎石顆粒體積和質(zhì)量。數(shù)字圖像法采集碎石封層碎石顆粒信息受碎石本身的質(zhì)量(針片狀、含水量、含粉量)影響較大，當(dāng)實(shí)際施工時(shí)采用的碎石針片狀含量大時(shí)，數(shù)字圖像法采集的碎石顆粒用量將相對(duì)較大；而當(dāng)實(shí)際施工時(shí)采用的碎石含粉量、含水量大時(shí)，數(shù)字圖像法采集的碎石顆粒用量將相對(duì)較小。

4 結(jié)論

本文采用數(shù)字圖像法對(duì)同步碎石封層的碎石覆蓋率、碎石用量及碎石規(guī)格等進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)采集和分析。主要結(jié)論：

(1)采用數(shù)字圖像法確定的碎石用量與室內(nèi)試驗(yàn)法確定的碎石用量相對(duì)誤差為-2.3%～4.0%，數(shù)字圖像法確定碎石封層中碎石用量的方法經(jīng)驗(yàn)證有效。但數(shù)字圖像法提取碎石顆粒特征信息受碎石針片狀、含水量、含粉量的影響較大。

(2)碎石針片狀含量與碎石顆粒最大主軸與最短主軸長(zhǎng)度差值的相關(guān)系數(shù)高達(dá)0.98，圖像法主軸長(zhǎng)度差值是表征碎石針片狀含量的有效指標(biāo)；碎石針片狀含量與碎石覆蓋率之間的相關(guān)系數(shù)大于0.9，碎石覆蓋率受碎石針片狀顆粒含量的影響較大，但受碎石規(guī)格的影響不明顯。

(收稿日期：2022-04-25)

MethodforDeterminingAmountofCrushedStoneinSynchronousSealingCoursebasedonDigitalImageMethod

XIAOLei

(Guangdong-Zhuhai Expressway Guangzhou-Zhuhai Northern Section Co., Ltd., Guangzhou 511450，Guangdong， China)

Abstract: In this paper, a method for fast and accurate extraction of gravel particle characteristics in synchronous gravel sealing course based on digital image technology has been introduced. Two-dimensional digital image technology has been used to extract the characteristic information of the equivalent diameter, the largest main axis and the shortest main axis of the crushed stone particles. The coverage rate of the crushed stone particles, the difference in the length of the main axis of the crushed stone particles, and the proportion of the crushed stone particles with different equivalent diameters have been calculated. Two-dimensional shadows has been used to reconstruct the three-dimensional surface of crushed stone particles, calculate the volume of crushed stone particles, and combine the apparent relative density of crushed stone to obtain the amount of crushed stone per unit area.The indoor combustion and screening method has been used to verify the results of the amount of crushed stone. The relative error between the amount of crushed stone determined by the digital image method and the result of the combustion sieving method is -2.3～4.0%.Keywords: digital image technology; particle characteristics of crushed stone; coverage of crushed stone; three-dimensional surface; amount of crushed stone