數字圖像處理技術在瀝青路面技術中的應用研究綜述

(重慶交通大學土木工程學院 重慶 400074)

一、瀝青路面均勻性與路面結構構造深度中的應用

(一)測量瀝青路面構造深度

瀝青路表面構造深度是評價路面抗滑和排水性能的重要指標，較大的表面構造深度，可以使瀝青路面具有較高的摩阻力，工程中，一般在表面層瀝青混合料設計階段、路面竣工驗收階段、養護維修階段測量路面構造深度。目前一般采用“鋪砂法”、“激光法”兩種測量方法，但鋪砂法人為因數影響比較大，精度較低，激光法儀器昂貴，操作復雜，且這兩種方法都難以提供可供定量分析的結果。

針對這一問題，王端宜等率先提出了將數字圖像處理技術運用于道路工程，利用數碼相機等常規設備，然后將獲得的數字圖像轉化為灰度圖像，通過灰度圖像的像素值結果，建立表面構造的數字表面模型，得到瀝青路面表面的平均構造深度。將試驗結果與現行的傳統方案進行對比，得到的結果較為理想。該方法利用數字圖像處理技術，使原本單調、耗時、操作繁雜、高成本的構造深度測量工作變得簡單且輕松。同時也為將數字圖像處理技術在道路工程中的運用開創了先例。

張爭奇等以二維圖像處理技術為基礎，將路面紋理的中下凹區域的宏觀構造寬度作為研究對象，基于分析路面紋理中下凹區域的宏觀構造寬度，提出了評價瀝青路面離析的新方法。通過對宏觀構造中的下凹區域進行照相，并處理得到二值圖像，該方法以路表宏觀構造寬度K定義二值圖像對應的下凹部位的平均寬度，并以構造寬度TD和構造深度K建立模型以評價瀝青混合料的集料均勻度。該方法運用圖像處理技術，驗證了構造寬度K值與采用鋪砂法得到的構造深度TD有著良好的相關性，能較好的度量瀝青混合料的離析程度，提出了通過構造寬度K評價瀝青混合料離析的新方法，使得瀝青混合料離析的評價更加高效。

為了控制圖像在采集的過程中產生的誤差對研究結果的干擾，張爭奇教授也提出了自己的圖像采集方法，將相機置于裝有三個LED燈及一個點光控制器的暗箱中，通過點光控制器調節LED燈的功率，調節箱內的光線強度，得到了穩定較為理想的原始圖像。

(二)定量分析瀝青混合料均勻度

熱拌瀝青混合料在生產、運輸、攤鋪等過程中，由于攤鋪不當以及溫度變化等因素影響，容易產生級配離析、溫度離析等離析狀況，導致混合料的級配、瀝青含量與設計值嚴重偏離，瀝青路面整體質量不均勻，這會引發瀝青路面出現各種早期病害，影響路面的長期使用性能。因而，監測及控制瀝青混合料攤鋪離析對改善瀝青路面性能具有重要意義。

黃志福等結合實際工程經驗，基于數字圖像處理技術，提出的檢測評價方法，能夠為了快速定量的跟蹤和評價瀝青混合料在攤鋪過程中的均勻性。同時，對于瀝青混合料原始圖像的采集，從采集高度、發光源亮度及照射角度等方面進行了規范。該方法應用MATLAB軟件編程運算，完成了計算流程、相關參數設定，以及程序界面的開發，實現了對離析判定的快速、連續、自動化檢測與控制。

隨后，梁乃興等又將熵權模型引入上述方案中，通過數字圖像處理技術，將獲取的路面彩色圖像首先轉化為灰度圖像，而后用MATLAB將其轉化為二值圖像，并計算得到不同粒徑檔集料在圖像上對應面積，然后通過熵權法建立數學模型，確定各檔集料面積對于瀝青混合料均勻性所提供信息的權重大小，進而確定得到一指標值用于評價路面瀝青混合料離析的均勻性，從而定量的對瀝青路面混合料的均勻度以及是否處于離析狀態做出判定。研究表明，瀝青路面圖像所反映的離析狀況與該方法所得的瀝青混合料均勻性指標存在很大的相關性，說明該方法能夠較為快速，準確的對瀝青混合料是否處于離析狀態做出判定，但進一步的應用還需做更加深入的研究。

二、分析瀝青混合料材料結構

基于數字圖像處理技術的瀝青混合料計算機輔助計算是一種超前性技術，在美國，這一技術得到了廣泛深入的研究，被預測為“基于系統的分析建模和設計方法”。國內亦有大量團隊開展了基于二維數字圖像處理技術的對于瀝青混合料內部的結構組成的相關研究，推動了該項技術在工程上的實際應用。張肖寧等利用數字圖像處理技術對瀝青混合料體積組成分析、差異性物質識別等領域進行研究，在其基礎理論和工業應用方面取得了顯著的進展。

(一)圖像信息的準確度研究

為了解二維圖像能否較準確的反映瀝青混合料三維結構中的基本信息，張肖寧等利用工業CT掃描經旋轉壓實而成型的瀝青混合料試件，取得了一百余個瀝青混合料的掃描斷面圖像，并利用得到的圖像對斷面空隙率進行了統計和分析。試驗發現，需要200幅以上的二維圖像才能將空隙率的準確率控制在99%以上。張肖寧等人的研究證實了以往的依靠較少的二位數字圖像來評價瀝青組成結構的研究存在一定程度的不合理性。依據這一研究結果，徐科等將瀝青混合料試件切割為高度為1mm的撥片進行二維數字圖像分析，并用體視學方法研究了個級粒徑集料的空間結構性質，同時也對瀝青混合料的不同級配進行了分別分析，達到了定量分析瀝青混合料級配狀況的目的。陳佩林等也采用了該方法，完成了對用物理方法測定瀝青混合料粗骨料堆積空隙率合理性的驗證，并對相關實驗章程的修改給出了建議。吳文亮等則根據這一結果，在路面上取得鉆芯試樣，對路面攤鋪碾壓均勻性做出了評價，并對路面施工工藝的修改給出了建議。

(二)“偽三維”數字圖像處理技術

數字圖像技術在瀝青混合料檢測上的應用的研究獲得了很多有價值的成果。利用CT掃描技術采集瀝青混合料“偽三維”切片圖像，而后進行數字圖像處理技術進行分析的技術也得到了應用。王超凡等還根據數字圖像技術原理，創造了瀝青混合料級配自動檢測系統，使得瀝青混合料的結構分析更加高效、便捷。程永春等也依據這一原理，實現了對瀝青混合料試件宏觀性能的無損檢測。沙愛民等利用線陣攝像機獲取圖像，從中提取結構參數，實現了對級配的檢驗。

三、總結

經過經年來學者們的不懈研究，數字圖像處理技術在瀝青路面及瀝青混合料的檢測中的應用日趨成熟，該技術在工程及工程研究中的應用，方便了瀝青混合料及瀝青路面各方面數據的收集和處理，將相關數據直觀的呈現出來，使得相關性狀能夠得到定量的分析。但目前該項技術還存在較多缺陷，如圖像的采集尚缺乏統一標準，采集過程中人為影響因素較大；采集的圖像在轉化為二值圖像過程中存在數據信息損失，這些都導致這項技術還無法在工程實踐中大規模的應用，還需要進一步的完善與優化。