道路沉陷松散類病害的探地雷達圖像解譯與分析*

程博文 羅 蓉 孫 通 于曉賀 尹 梅

(武漢理工大學(xué)交通學(xué)院1) 武漢 430063) (湖北省公路工程技術(shù)研究中心2) 武漢 430063) (湖北省交通運輸廳京珠高速公路管理處3) 武漢 430063)

0 引 言

探地雷達檢測技術(shù)是一種超高頻電磁波的發(fā)射、接收和分析技術(shù)，它利用不同介質(zhì)分界面對電磁波的反射現(xiàn)象對目標進行連續(xù)掃描，從而確定其內(nèi)部結(jié)構(gòu)形態(tài)和位置的電磁探測技術(shù).近年來，該技術(shù)已廣泛應(yīng)用于工程地質(zhì)調(diào)查、土木工程檢測、地質(zhì)災(zāi)害的預(yù)測、地下掩埋物的探測等眾多領(lǐng)域[1].羅蓉等[2]通過建立三維探地雷達圖像檢測剛性路面的損壞狀況；Benedetto等[3]從探地雷達觀測的含水率圖像中提取亞瀝青結(jié)構(gòu)層的液壓介電常數(shù)域；項雷[4]采用支持向量機對公路路基病害的識別作了一系列工作，項雷采用支持向量機初步實現(xiàn)了公路隧道檢測中雷達圖像的自動解釋.以上研究以圖像特征為基礎(chǔ)解譯病害，未對病害區(qū)域介電特性變化規(guī)律以及病害區(qū)域范圍進行研究，因其結(jié)果經(jīng)常受到解譯者主觀看法的嚴重干擾，故解譯方法無法不具有可移植性，無法廣泛使用.道路松散和沉陷作為道路中最為普遍的兩類病害，在車輪的反復(fù)作用下將影響至路面產(chǎn)生坑槽等路表病害，影響行車舒適性，威脅行車安全[5].與正常道路相比，水或氣體充入道路病害部位處的空隙將影響道路材料的介電特性，因此病害區(qū)域的雷達圖像與正常道路圖像具有明顯的差異.本文基于探地雷達剖面檢測圖，提出了一種針對道路沉陷、松散類病害區(qū)域的圖像模擬方法，分析了道路病害區(qū)域介電特性的波動特征，明確了道路沉陷、松散類病害的范圍.該方法具有較高的精確性和實用價值.

1 數(shù)據(jù)采集

數(shù)據(jù)采集地點為京珠高速公路武漢段.京珠高速公路為湖北省第一條全線采用瀝青混凝土路面的高速公路，其道路各層設(shè)計厚度見表1[6].

表1 京珠高速武漢段各層設(shè)計厚度 cm

本次檢測使用的是由武漢理工大學(xué)和美國農(nóng)機大學(xué)聯(lián)合開發(fā)的WB1-21型路用探地雷達檢測設(shè)備.WB1-21型路用探地雷達檢測設(shè)備的工作頻率為1 GHz，時窗為0～20 ns，探測深度在0～60 cm，豎向分辨率0.1 mm.由于探地雷達檢測深度為60 cm，此次檢測目標為道路面層及基層.工作人員將WB1-21型路用探地雷達檢測設(shè)備安裝至小車，在車行駛的過程中，設(shè)備由GPS定位系統(tǒng)控制每行駛0.5 m發(fā)射一次電磁波，并接受道路反射的回波，通過該設(shè)備獲取京珠高速武漢段道路雷達檢測數(shù)據(jù).PaveCheck軟件是與WB1-21型路用探地雷達檢測設(shè)備相結(jié)合雷達檢測數(shù)據(jù)成像以及數(shù)據(jù)處理軟件.通過軟件提取的每一個數(shù)值代表一個長為0.5 m、寬為0.03 mm矩形區(qū)域的相對介電常數(shù)平均值.PaveCheck軟件中圖像色彩的波動反應(yīng)介電常數(shù)的變化趨勢，見圖1.

圖1 介電常數(shù)顏色變化

基于道路雷達二維剖面圖以及介電常數(shù)數(shù)據(jù)，本文提出了對道路病害區(qū)域雷達圖像的模擬方法，研究病害區(qū)域相對介電常數(shù)的波動規(guī)律.

2 模擬方法

介質(zhì)的介電特性反映的是介質(zhì)的極化特性，即介質(zhì)在外加電場的作用下，介質(zhì)內(nèi)部正負電荷中心位置不再重合，這種現(xiàn)象稱為極化，它表示介質(zhì)在電場中具有存儲電荷的能力[7].通常采用介電常數(shù)ε表示，將真空的介電常數(shù)作為參考值，其他介質(zhì)的介電常數(shù)用與真空介電常數(shù)比值表示，稱為相對介電常數(shù).

(1)

式中：εr為介質(zhì)的相對介電常數(shù)；ε0為真空介電常數(shù)，F(xiàn)/m；ε物質(zhì)介電常數(shù)，F(xiàn)/m.

公路是指在地基上鋪筑的層狀結(jié)構(gòu)物[8]，由于道路同一層結(jié)構(gòu)鋪筑的材料和級配相同，因此在同一深度，道路介電特性波動范圍較小.但道路深層出現(xiàn)病害時，由于擠密、充氣、充水等原因，道路的介電特性會產(chǎn)生較大波動.

根據(jù)試驗數(shù)據(jù)分析和理論推導(dǎo)，國內(nèi)外許多學(xué)者建立了一些關(guān)于復(fù)合材料相對介電模型的混合計算模型.目前，CRIM模型或稱為均方根模型是較具代表性并被廣泛采用的路用材料復(fù)合介電模型[9].

(2)

式中：εm為混合物的介電常數(shù)值，F(xiàn)/m；ε1，f1為瀝青混合料中集料的相對介電常數(shù)及其體積率；ε2，f2為瀝青混合料中瀝青的相對介電常數(shù)及其體積率；ε3，f3為瀝青混合料中空氣的相對介電常數(shù)及其體積率；ε4，f4為瀝青混合料中水的相對介電常數(shù)及其體積率.

自然條件下瀝青混合料是由固相、液相和氣相組成的三相體[10]，見圖2.瀝青混合料的介電特性是由各組成成分的介電特性來決定的.

圖2 瀝青混合料三相圖

表2為常見的路用材料相對介電常數(shù)[11].假設(shè)在瀝青混合料中集料為石灰?guī)r，集料的體積占總體積為92%；孔隙率為4%；瀝青的體積占總體積的4%；由CRIM模型計算可知瀝青混合料的相對介電常數(shù)范圍為8～11，即正常道路瀝青混合料最大允許波動范圍可為3，因此假定前一個發(fā)射點在某一深度所測的道路相對介電常數(shù)與后一發(fā)射點在相同深度差值小于3為正常波動范圍.

表2 常用路用材料介電常數(shù)范圍

瀝青混合料空隙率的變化是影響瀝青混合料介電特性的主要因素.假設(shè)瀝青混料中空隙率變化范圍為0～100，由于水或者空氣的充入瀝青混合料空隙中，因此基于式(2)可計算兩種極限狀態(tài)下瀝青混合料相對介電常數(shù)值，見表3.

表3 瀝青混合料相對介電常數(shù)值

基于以上分析可將瀝青混合料波動差值分為三個等級，定義道路相對介電常數(shù)波動值，表示同一深度條件下某雷達檢測點測得相對介電常數(shù)和該點之前的檢測點測得相對介電常數(shù)差值大小(見表4)，其具體內(nèi)容如下.

1) 當雷達發(fā)射點在某一深度測得介電常數(shù)與該點前一個雷達發(fā)射點在相同深度處測得相對介電常數(shù)差值的絕對值小于3，該區(qū)域的相對介電常數(shù)波動值為0，屬于正常波動范圍.

2) 當雷達發(fā)射點在某一深度測得介電常數(shù)與該點前一個雷達發(fā)射點在相同深度處測得相對介電常數(shù)差值的絕對值大于3且小于10時，該區(qū)域的相對介電常數(shù)波動值為1.造成該區(qū)域相對介電常數(shù)輕微波動的原因可能為空氣大量的充入或瀝青混合料中含水率輕微增長.

3) 當雷達發(fā)射點在某一深度測得介電常數(shù)與該點前一個雷達發(fā)射點在相同深度處測得相對介電常數(shù)差值的絕對值大于10時，該區(qū)域相對介電常數(shù)波動值設(shè)為2.基于上文分析可知，造成該區(qū)域相對介電常數(shù)波動的原因是含水率增加.

表4 0/1/2模擬

0/1/2模擬方法是一種模擬道路雷達圖像的方法，通過計算道路每個區(qū)域相較于前一個區(qū)域介電特性的變化大小，模擬道路雷達圖像，進而確定道路病害區(qū)域介電特性的波動規(guī)律.

3 道路病害雷達圖像解譯

道路沉陷及松散是道路較為常見的深層病害之一，本文選取這兩類病害進行病害雷達圖像模擬[12].

由于同一深度的結(jié)構(gòu)、材料相似，因此道路同一結(jié)構(gòu)層介電特性相似，雷達圖像層次分明，不會有較大的波動，見圖3.

圖3 道路正常雷達檢測圖像

3.1 沉陷類病害解譯

3.1.1圖像分析以及假設(shè)模擬

基于圖像顏色變化對沉陷病害進行假設(shè)模擬，分析可知圖像左半部分較為平滑，同一深度色彩無明顯波動，可假定該區(qū)域道路介電常數(shù)波動值為0，同理右半部分圖像介電常數(shù)波動值為0.相較于正常道路雷達檢測圖像，病害體區(qū)域雷達圖像出現(xiàn)明顯的顏色波動.由圖4可知，在沉陷處上半部分雷達圖像顏色發(fā)生變化，即介電常數(shù)變化趨勢為“高—低—高”，由于錯峰等原因，圖像可能呈現(xiàn)循環(huán)變化趨勢.

圖4 沉陷病害上半部分、下部分雷達圖像

假設(shè)其道路相對介電常數(shù)波動值為1，基于以上圖像分析結(jié)果可假設(shè)其上部區(qū)域的0/1/2模擬圖為“1-0-1-0-1”.病害體下部從深色變淺，且一直延續(xù)至病害結(jié)束，最后又轉(zhuǎn)變?yōu)樯钌?病害區(qū)域下部相對介電常數(shù)變化趨勢為“低—高—低”.基于以上圖像分析結(jié)果可假設(shè)病害區(qū)域下部區(qū)域的0/1/2模擬圖為“1-0-0-0-1”.

沉陷道路病害區(qū)域0/1/2假設(shè)模擬圖見圖5.沉陷類病害區(qū)域上部的0/1/2模擬圖為“1-0-1-0-1”，而下部的模擬圖為“1-0-0-0-1”.

圖5 沉陷病害0/1/2模擬圖

3.1.2驗證假設(shè)

為驗證基于圖像分析所得模擬圖的正確性，本文通過以下流程驗證前文道路病害體0/1/2模擬圖，流程如下.

通過PaveCheck軟件提取道路深層相對介電常數(shù)數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)導(dǎo)入Excel軟件，使用Excel中色階功能，將每個單元格的按表格中的相對介電常數(shù)值著色，見圖6.通過比對可知分色后的相對介電常數(shù)數(shù)據(jù)圖的輪廓基本與雷達二維剖面圖一致.

圖6 介電常數(shù)數(shù)據(jù)圖

新建一張Excel表格，將病害區(qū)域的數(shù)據(jù)復(fù)制至該表格中，見圖7，輸入函數(shù)‘ IF(ABS(Sheet1!B1-Sheet1!A1)>=3,IF(ABS(Sheet1!B1-Sheet1!A1)<=10,1,2),0)’，該函數(shù)意義為“如果表中的B1-A1的絕對值小于3，則令B1為0，絕對值大于3小于10則B1為1，絕對值大于10則B1單元格為2”，然后將該函數(shù)下拉至所有表格，即可確定道路每一個點的相對介電常數(shù)波動值大小.

通過上述流程畫出道路0/1/2真實模擬圖，圖8.對比可知病害區(qū)域上半部0/1/2真實模擬圖變化為“1-0-1-0-1”，病害區(qū)域下半部0/1/X真實模擬圖變化為“1-0-0-0-1”，因此基于真實數(shù)據(jù)所得的道路0/1/2模擬圖與基于圖像分析所得的0/1/2模擬圖完全一致，即假設(shè)正確.

圖7 沉陷病害位置介電常數(shù)表圖

圖8 沉陷病害0/1/2真實模擬圖像

3.2 松散類病害解譯

3.2.1圖像分析以及假設(shè)模擬

結(jié)合沉陷病害區(qū)域的特征人工識別松散病害雷達二維圖像，圖9中圓圈選定的區(qū)域為道路沉陷區(qū)域雷達圖像.基于圖像顏色變化對松散病害進行假設(shè)模擬.圖像左半部分較為平滑，在同一深度色彩無明顯波動，可推測其介電常數(shù)在小范圍波動，令該區(qū)域的相對介電常數(shù)波動值假定為0，同理將右半部分相對介電常數(shù)波動值假定為0.圖像的中間部位出現(xiàn)明顯的波動，在松散病害處上半部分雷達圖像介電常數(shù)變化趨勢為“高—低—高”，由于雷達圖像中兩色所代表的相對介電常數(shù)相差較小，可認為在病害上部的相對介電常數(shù)波動值為1，因此松散上部的0/1/2模擬為“1-0-1”.層間松散下半部分處雷達圖像介電常數(shù)“低—高—低”，由于雷達圖像中兩色所代表的相對介電常數(shù)相差較大，因此假設(shè)病害下部的相對介電常數(shù)波動值為2，故松散類病害區(qū)域下部的0/1/2假設(shè)模擬為“2-0-2”.

基于以上分析假設(shè)層間松散類病害雷達圖像的0/1/2模擬圖的特征見圖10，在層間松散上部區(qū)域的模擬圖為“1-0-1”，而在層間松散下部區(qū)域的模擬圖為“2-0-2”.

圖9 道路層間松散病害雷達圖像

圖10 道路層間松散病害0/1/2模擬圖

3.2.2驗證假設(shè)

為驗證上文對層間松散病害區(qū)域0/1/2假設(shè)模擬，按上文所述流程通過PaveCheck軟件提取道路相對介電常數(shù)數(shù)據(jù)，選取病害區(qū)域的相對介電常數(shù)數(shù)據(jù)，對病害數(shù)據(jù)按表格中數(shù)據(jù)大小進行分色處理(見圖11)，獲得道路病害體0/1/2真實模擬圖(見圖12)，道路真實模擬圖的左右兩側(cè)數(shù)值為0，而在病害區(qū)域上半部分道路介電常數(shù)波動數(shù)值變化為“1-0-1”；病害區(qū)域下半部分道路相對介電常數(shù)波動數(shù)值變化為“2-0-2”，與前文基于病害區(qū)域圖像變化所得的假設(shè)模擬圖一致.

圖11 道路層間松散介電常數(shù)圖

圖12 層間松散病害0/1/X真實模擬圖

對于整層松散類病害，按前文所述的方法，分析松散雷達圖像，假設(shè)層間松散病害區(qū)域的模擬圖，然后提取病害區(qū)域相對介電常數(shù)數(shù)據(jù)，處理相對介電常數(shù)數(shù)據(jù)獲得整層松散0/1/2真實模擬圖，見圖13.

圖13 整層松散模擬圖

基于以上分析可知，整層松散類病害0/1/2模擬圖的特征為影響面積大，分布比較散亂，由于該病害體空隙較大靠近基層，因此地下水汽將滲入至病害體中，故在模擬圖中表現(xiàn)為出現(xiàn)許多數(shù)值為2的點.

4 結(jié) 論

1) 道路沉陷病害區(qū)域上部的介電特性波動趨勢為“低—高—低”，然而由于錯峰原因，可能出現(xiàn)多個類似的循環(huán)波動，故病害上部區(qū)域的模擬圖表現(xiàn)為“1-0-1-0-1”.沉陷病害區(qū)域下部的介電特性波動趨勢為“低—高—低”，因此在下部區(qū)域的模擬圖為“1-0-0-0-1”.

2) 水氣的滲入至病害區(qū)域，道路層間松散病害下部的介電特性波動趨勢為“低—高—低”，故在病害下部區(qū)域的模擬圖為“2-0-2”.由于水未充滿整個病害區(qū)域，道路層間松散上部的介電特性波動為“高—低—高”，因此模擬圖表現(xiàn)為“1-0-1”.

3) 松散類病害0/1/2模擬圖的特征為影響面積大，分布比較散亂，由于病害區(qū)域空隙較大靠近基層，因此地下水汽將滲入至病害體中，故在模擬圖中表現(xiàn)為數(shù)值為2的點散亂出現(xiàn).

以上研究內(nèi)容明確了道路沉陷及松散病害典型病害圖像特征，為探地雷達 無損檢測技術(shù)在道路病害智能識別及圖像處理方面提供依據(jù).通過模擬圖像的變化規(guī)律，本文確定了道路病害區(qū)域的空間范圍，為后續(xù)研究道路病害區(qū)域在道路深層結(jié)構(gòu)的影響程度提供技術(shù)支持.