基于圖像處理的空間網格法混合料離析評價

王華　葉飛　朱佳蕙

摘? ?要：路面材料的離析對道路使用壽命有重要的影響，混合料的離析評價對于瀝青混凝土路面設計和施工具有重要意義。本文基于計算機圖像處理技術，提出了空間網格法進行瀝青混合料離析評價，通過統計空間方格中顆粒分布情況，定義以統計數據方差與數學期望平方的比值來表征材料的均勻性，編制了計算分析程序，并進行了實例驗證。驗證結果顯示：該方法簡便易行，能夠用于瀝青混合料的均勻性的定量評價，且具有良好的適應性。

關鍵詞：離析評價? 圖像處理技術? 瀝青混合料? 空間網格法

中圖分類號：U414? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-098X（2019）06（c）-0056-02

瀝青路面是我國公路路面主要結構型式，其破壞主要有裂縫、坑槽、車轍等，破壞的一個原因便是材料在施工過程會產生離析。瀝青混合料離析易導致路面的結構特征變差、使用壽命縮短，嚴重離析的路面使用壽命甚至會減少50%[1-2]。為采用合理的技術手段對混合料的離析進行評價，很多學者采用很多方法對混合料的離析進行了研究。如鋪砂法、核子密度儀法、紅外熱像儀、激光斷面儀、探地雷達法等[3-4]。其中數字圖像處理技術具有簡單、低成本、結果合理等優點[5-6]，在混合料離析評價上受到重視。本文基于圖像處理技術，將數碼相機或者CT掃描儀等設備獲取的試樣信息進行處理分析，提出格子方差法對瀝青混合料均勻度的評價，獲得了較為理想的結果，可為混合料離析評價提供積極參考。

1? 格子方差法

隨機變量方差反映了隨機變量偏離期望的程度，借助該概念，將圖像均勻分割為n個格子，用n個格子里的點數的方差代表圖像的均勻程度。因為格子的空間均勻分布特點，使得該方法也能一定程度的表征圖像中點分布的空間特征。

即離析程度為：U=D（x）/E（x）2。

E（x）為所有格子中顆粒數目的平均數，D（x）是所有格子中含顆粒數目的方差。

2? 圖像處理方法及流程

2.1 圖像前處理

本圖像處理方法借助Image-pro plus和ImageJ軟件獲取和計算圖像信息，在評價混合料離析過程中基于以下兩個假定：（1）剖面（顆粒數量及斷面形式）具有典型代表性，可充分反映試件顆粒分布特征;（2）切割面每一顆粒的平均直徑即為該顆粒篩分粒徑大小。具體處理過程如下。

（1）剪切：排除無試件顆粒的截面，利于圖像的中顆粒的坐標計算及網格劃分。

（2）灰度化：根據馬歇爾試件切割后集料與瀝青亮度的不同，通過灰度提取亮度信息

（3）圖像增強：為了使顆粒更加突出明顯，需要進行濾波處理，去除數字化過程產生的噪聲，抽象出顆粒的特征。采用中值濾波消除數字化過程中的噪聲，使得圖片黑白對比更加分明。

（4）二值化處理：確定某一閾值θ，將大于θ的像素全部取1，小于θ的像素全部取0，以突顯提取所需提取對象。

（5）圖像的分割：對存在粘結的顆粒進行圖像分割。本文應用watershed算法實現顆粒檢測與分割。

（6）圖中尺寸的換算：將實際物理長度與計算機中長度進行換算，相似比D為：D=L1/L2

式中L1為計算機計算的圖像中某一長度;L2為實際中相同位置的物理長度。

2.2 不同粒徑顆粒的區分

混合料的離析與不同粒徑大小顆粒分布有關，為了較為簡單的評價顆粒形狀，根據顆粒平均直徑對集料進行分檔。以AC-13馬歇爾試件為例，根據篩孔孔徑將圖像劃分為0.3～0.6、0.6～1.18、1.18～2.36、2.36～4.75、4.75～9.5五檔分析范圍。

3? 圖像網格劃分及均勻度計算

3.1 網格劃分

為減小格子劃分數量對評價結果的影響、提高程序的可編譯性，選取統一網格劃分標準。若圖像中含有m個顆粒，我們劃分的網格數目為n2=int（√m） （int為四舍五入取舍函數）。

本文使用Python語言，以chrome為平臺進行計算，矩形圖像網格劃分及程序編譯方法如下。

（1）輸入處理后顆粒坐標、形狀信息;（2）確定圖形的邊長，將圖像均勻劃分為n2個方格子，對網格編號并排除圖像外的空格;（3）輸出每個網格里顆粒的數目，以及格子里顆粒數目的方差，計算顆粒總面積及均勻度。

3.2 均勻度算例分析

以AC13試件0.3～0.6檔粒徑為例，圖2中共183個顆粒，劃分14×14個網格，并去處截面以外無效區域。

按照上述方法計算可得：得即均勻度為U1=0.81。對五檔集料總體均勻程度進行加權平均，則總均勻程度為U=k1U1+k2U2+...+knUn，其中ki=Ai/A，Ai代表每檔集料的面積和，A代表各檔集料的面積和，具體如表1所示。

試件截面的面積為：2011.26，基于前述假定，圖像綜合離析程度U即試件均勻度為：U=0.827。

4? 結語

空間網格法通過劃分空間網格統計、分析試件內顆粒分布信息，計算網格內顆粒分布的方差，并除以其數學期望的平方進行無量綱處理，可有效表征試件的均勻性。該方法設備簡單、程序編譯方便、可實現自動化處理分析。另外，可通過引入CT掃描儀獲取試件內部顆粒空間分布信息，將該方法進行三維空間推廣，使用三維空間網格對試件材料的均勻性進行綜合分析、評價，獲得更為真實全面的材料信息。

參考文獻

[1] Stroup-Gardiner M， BROWN E R. Segregation in Asphalt Mixture Pavements， NCHRP Report 441[R]. Washington D C： Transportation Research Board， 2000.

[2] 賴勤慧，劉啟倬，魏震宇.級配離析對SMA-13混合料性能影響研究[J].公路與汽運，2019（2）：80-83.

[3] 彭勇，孫立軍.瀝青混合料均勻性（離析）研究方法概述[J].中外公路，2007（1）：147-150.

[4] 王金輝，林方雷.國外熱拌瀝青混合料離析評價方法簡介[J].公路交通科技：應用技術版，2006（8）：29-31.

[5] 英紅，凌天清.基于數字圖像處理技術的瀝青混合料均勻性評價方法[J].公路，2007（8）：177-179.

[6] 吳文亮，李智，張肖寧.用數字圖像處理技術評價瀝青混合料均勻性[J].吉林大學學報：工學版，2009（4）：921-925.