基于數字圖像技術的露石混凝土表面構造研究

宋永朝，黎富春，梁乃興

(1.重慶交通大學 交通運輸學院，重慶 400074;2.佛山市交通工程質量監督站，廣東佛山 528000;3.重慶交通大學土木建筑學院，重慶 400074)

基于數字圖像技術的露石混凝土表面構造研究

宋永朝1，黎富春2，梁乃興3

(1.重慶交通大學 交通運輸學院，重慶 400074;2.佛山市交通工程質量監督站，廣東佛山 528000;3.重慶交通大學土木建筑學院，重慶 400074)

運用數字圖像技術實現了露石混凝土路面(EACCP)圖像像素值量化計算，建立了露石表面像素差平均值與構造深度的關系模型;通過采集的數字圖像計算分析了露石表面構造深度，評價了EACCP露石表面構造質量。實例分析表明:數字圖像技術的露石表面構造檢測方法，能方便快捷地進行露石路表構造深度檢測，有利于實現測量工作的連續化。

路面工程;露石混凝土路面;數字圖像技術;表面構造;抗滑性能

隨著我國經濟的快速發展，機動車數量劇增，對道路的安全性、行車舒適性提出了更高的要求。水泥混凝土路面具有結構強度高、使用壽命長等優點，同時亦存在抗滑性能差、行車噪聲高、易產生眩光等問題。露石水泥混凝土路面(Exposed-Aggregate Cement Concrete Pavement，EACCP)是一種新型的路面形式，克服了普通水泥混凝土路面諸多缺陷，在許多方面表現出優良性能［1］。EACCP特有的露石表面構造，能有效改善水泥混凝土路面的抗滑性能，顯著降低行車噪聲，粗糙的露石表面還具有很好的防眩作用，有利于安全行車［2］。

近年來，計算機技術飛速發展，數字圖像技術已經越來越廣泛地應用到各個生產和科技領域。表面構造是評價路面抗滑性能的重要指標，露石面層表面構造的質量取決于面層表面構造深度、露石分布均勻程度，顯著影響EACCP高抗滑低噪聲性能［3］。筆者利用常規設備(如數碼相機)采集EACCP露石表面數字圖像，運用數字圖像技術對其圖像信息進行處理，計算露石表面構造深度值，分析評價EACCP露石表面性能。與傳統測量方法相比，數字圖像實地采集更為便捷，易于增加樣本數量，可實現EACCP表面構造的連續化檢測。

1 EACCP露石表面構造

EACCP露石表面構造采用表層露石方法對水泥混凝土表面進行處理，從而達到紋理豐富的露石路表構造。EACCP施工過程亦包括水泥混凝土拌和、攤鋪、振搗成型，待混凝土表面水消失時，在表面噴灑適量露石劑，延緩表層水泥硬化時間，在主體混凝土達到終凝時間而具有一定初始強度時，用鋼絲刷或壓力水將路表層未硬化的水泥沙漿去除處理，從而實現粗糙的露石表面，EACCP露石表面的最佳露石深度為 1.5 mm［4］。

EACCP露石表面具有良好的路面抗滑性能，能顯著改善雨天潮濕狀態下路面的抗滑能力。EACCP露石表面擁有發達的宏觀構造，在路表潮濕不利行車狀態下能迅速排除車輪下的路表水，避免形成水膜，同時凸出的裸露顆粒嵌入輪胎，提高了輪胎與路面的有效接觸面積，大大提高了抗滑性能。由于EACCP粗集料外露，能夠及時釋放行車過程中輪胎花紋溝槽內的空氣，有效降低輪胎花紋內空氣壓縮產生的泵吸噪聲，使交通噪聲水平顯著降低，大大改善人口密集地區的工作生活環境。同時，光線經過粗糙的露石表面后形成漫反射，EACCP面板的反光系數總體上小于普通水泥混凝土表面，具有很好的防眩作用，有利于安全行車。

EACCP具有剛度大、高抗滑、低噪聲、防眩等特點，能廣泛適用于城市道路交叉口、公路隧道、陡坡彎道等路段的鋪面工程建設，顯著改善潮濕狀態下路面的抗滑性能，降低城市主干道行車噪聲，提高機動車行車安全和行車舒適性能。

2 運用數字圖像技術分析EACCP露石表面構造

2.1 數字圖像技術的基本原理

數字圖像是圖像在空間坐標(x，y)和亮度F(x，y)的數字化，數字圖像在計算機中是以二維矩陣來表示和存儲的，一個數字圖像可以看成一個矩陣或一個二維數組，數字圖像處理的實質是對二維矩陣的處理［5］。單色級灰度圖像的像素取值范圍為［0，255］，“0”表示純黑色，“255”表示純白色，中間的數字從小到大表示由黑到白的過渡色，表征其顏色的深淺程度［6］。平行光線照射在粗糙的物體表面上時，反射光線呈漫反射，反射到相機感光底片上各點光線的強度是不同的，圖像各點亮度或灰度不同，表面凸起的部分發亮(灰度值較高)，表面下凹的部分光線變暗(灰度值較低)，并根據圖像各點明暗差異(灰度值差異)來區分物體表面凸凹不平的程度［7-9］。

采用數碼相機采集EACCP路表圖像時，反射到底片上各點的光線強度不同，圖像各點的亮度或灰度也存在差異，即可通過分析圖像表面各點的明暗程度(即灰度值的大小)，來區分露石表面的凹凸程度。其中，EACCP數字圖像內上凸的露石部分在對應區域中反應出較大的像素值，而下凹部分在對應區域的像素值則相對較小。數字圖像技術在EACCP路面構造分析的基本原理是通過將實地采集的數字圖像進行像素值量化，獲取露石表面像素值分布矩陣，計算空間曲面構造模型，分析露石表面構造深度?？臻g曲面構造模型用式(1)表示:

式中:Z為像素值;x、y分別為該像素所對應的橫坐標和縱坐標。

2.2 利用數字圖像技術分析露石表面的構造深度

根據數字圖像技術的基本原理，將EACCP露石表面圖像的像素值進行量化處理，建立露石表面的空間曲面構造模型，計算露石表面構造深度。EACCP露石表面構造的計算過程如圖1。

圖1 露石構造深度計算過程Fig.1 Calculation process of exposed-aggregate surface texture depth

EACCP露石表面數字圖像可采用普通數碼相機進行圖像采集。在拍攝時盡量保持光源的亮度、照射角度等受照狀態相同。采集圖像時，應確保鏡頭平面與露石表面平行，同時，鏡頭表面與露石表面的垂直距離保持一致，拍照垂直距離固定。

采用MATLAB圖像處理軟件［10］將EACCP露石表面的數字圖像轉換為灰度圖像，獲取圖像坐標(x，y)對應的像素值F(x，y)，同時得到其像素最大值Fmax。在給定露石表面的平面區域D內各點的像素空間曲面F(x，y)與像素最大值Fmax所在平面圍成的體積，確定為區域D內的表面構造像素空間體積，用Vpixel表示［式(2)］，即區域D內Fmax與各點F(x，y)差值的累計和:

將給定區域面積內的像素差平均值用符號Hpixel表示［式(3)］，其中，給定區域面積為A:

數字圖像在成像中，物距與像距存在比例關系，需要通過實物尺寸進行比例修正;同批次水泥混凝土材料成型的露石路面反光特性相對穩定，而不同產地、不同巖石種類水泥混凝土材料成型的露石路面的反光特性具有一定差異。因此，露石表面構造深度的計算還需對露石表面像素差平均值予以修正，建立露石表面像素差平均值與露石表面構造深度之間的關系。

對于物像比例影響因素可通過在拍照時放置校準物，結合校準物的實體尺寸與成像大小對比來確定。露石表面像素差平均值修正時，可預先選定若干預先采集的數碼圖像，運用數字圖像技術分析各圖像相應的像素差平均值Hpixel，同時對各個圖像采集位置，采用鋪砂法測定各自的構造深度H，建立H-Hpixel的關系模型，如式(5)。通過已知點位確定H與Hpixel關系模型后，即可對EACCP路表的大量數字圖像進行表面構造深度計算。

采用數字圖像技術進行EACCP露石表面的構造深度測算過程中，若EACCP主要組成材料(如:粗、細集料巖石色澤)相對穩定，確立的H-Hpixel的關系模型可用于整個路表面構造深度計算;若其主要組成材料有所波動，在對各段路表面的構造深度進行計算時，應分段對其關系模型進行確定。

3 實例分析

以河北省遵寶線 K36+558～K36+700段EACCP實驗段為研究對象，運用數字圖像技術對其露石表面構造進行分析。

在進行實驗段攤鋪之前，采用工地原材料在工地實驗室進行了小面積試驗，然后對實驗段進行大面積攤鋪。根據實驗室小面積露石表面和實驗段表面所采集的數字圖像，結合運用鋪砂法檢測對應的構造深度值，建立EACCP實驗段表面構造的H與Hpixel關系，運用鋪砂法測定的露石表面H值與相應的Hpixel值如表1。

表1 露石表面的H與相應的Hpixel值Table 1 H and Hpixelof exposed-aggregate surface

由表1中各圖像的像素差平均值Hpixel與對應點位采用鋪砂法測定的構造深度H，建立H-Hpixel的關系模型，該實驗路段的H-Hpixel的回歸方程為式(6)，n=12，R2=0.941 6，回歸效果顯著。

在遵寶線EACCP實驗段采集了45個數字圖像樣本，通過MATLAB圖像處理軟件將表面圖像的像素值進行量化，計算出各個圖像的像素差平均值Hpixel，結合式(6)可得到各個圖像位置的露石表面構造深度值，各圖像的構造深度值如表2。

表2 露石表面的H與相應的Hpixel值Table 2 H and Hpixelof exposed-aggregate surface

結合各圖像的構造深度值，計算露石表面構造深度代表值，對該實驗段表面構造深度進行評價。露石表面構造深度代表值為構造深度算術平均值的下置信限界［11］，計算式為:

根據式(7)可得出，遵寶線EACCP實驗段的露石表面構造深度代表值為0.712，該實驗路段按二級公路要求設計，滿足路面工程質量評定規范的規定值要求。數字圖像技術應用于遵寶線EACCP實驗段構造分析中，數字圖像實地采集便捷，易于增加樣本數量，簡化了EACCP露石表面構造深度的檢測工作，分析過程易于實行計算機程序化計算，有利于實現表面構造連續測量。

4 結語

筆者根據數字圖像技術基本理論進行EACCP露石表面構造分析，通過MATLAB圖像處理軟件對EACCP露石表面圖像像素值進行量化，得到露石表面像素值分布矩陣，獲取露石表面的像素值分布狀態。通過露石表面圖像樣本與常規測定方法(砂鋪法)相結合，建立露石表面像素差平均值與構造深度的關系模型。通過實地采集大量的EACCP露石表面圖像，計算其構造深度值，進而評價EACCP露石表面構造質量。利用數字圖像技術進行露石表面構造深度計算，分析過程簡潔可靠，數字圖像實地采集便捷，易于實現表面構造連續測量。

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Study on Surface Texture of Exposed-Aggregate Cement Concrete Pavement Based on Digital Image Technique

Song Yongchao1，Li Fuchun2，Liang Naixing3
(1.School of Traffic＆ Transportation，Chongqing Jiaotong University，Chongqing 400074，China;
2.The Supervise Department of Traffic Engineering Quantity，Foshan 528000，Guangdong，China;
3.School of Civil Engineering＆ Architecture，Chongqing Jiaotong University，Chongqing 400074，China)

The exposed-aggregate surface of EACCP possesses some advantages，such as big stiffness，high slide，low noise，anti-glare，etc.By using basic method of digital image technique，the image pixel values of the exposed-aggregate surface are quantitatively calculated.The relational model between the average of pixel difference and surface texture depth is established.According to large numbers of digital images on the EACCP，the surface texture depth of corresponding sites is calculated.Finally，exposed-surface structure quality of EACCP can be evaluated.Application Example shows that method of digital image technique can quickly test surface texture depth of EACCP，and can be easy to achieve measurement of continuous work.

pavement engineering;exposed-aggregate cement concrete pavement(EACCP);digital image technique;surface texture;anti-slide performance

U416.216

A

1674-0696(2012)04-0785-03

10.3969/j.issn.1674-0696.2012.04.12

2012-01-04;

2012-02-17

重慶市科技計劃項目(8373);河北省唐山市科技項目(05112602e)

宋永朝(1975—)，男，湖南雙峰人，講師，博士，主要從事道路與交通工程方面研究。E-mail:songyc69@163.com。