采集方法對數字圖像瀝青混合料離析評價影響研究

李升連,梁乃興,曾 晟

(1. 云南省建設投資控股集團有限公司，昆明 650000； 2. 重慶交通大學 土木工程學院，重慶 400074)

0 引 言

為了保證高速公路工程建設質量，對道路施工過程中的路面性能進行實時檢測和評價必不可缺。其中，瀝青混合料均勻程度直接關系瀝青路面的性能和使用壽命，離析會導致瀝青路面早期病害出現，增加后期維護費用[1-3]。傳統離析評價方法存在的弊端，嚴重影響了路面評價實踐與相關路面理論研究工作的開展[4]。隨著現代科學技術的發展，利用數字圖像技術，評價瀝青混合料均勻性具有快速準確等優點。R.HOGG[5]采用統計學上抽樣方法，評價微顆粒混合料的均勻程度；A.HUNTER等[6]提出通過比較截面上相等區域里集料累計面積值的大小，評價離析程度的方法；彭勇等[7-10]針對瀝青混合料中集料分布狀態，包括分布數量和分位置兩個參數開展了定量研究，提出了瀝青混合料均勻性評價指標，建立了一種基于數字圖像處理技術的瀝青混合料均勻性研究方法；但上述研究大多數基于室內斷面圖像評價；梁乃興等[11]、杜鎮宇等[12]基于數字圖像技術，以施工現場瀝青路面為研究對象，供一種施工過程中快速、全面的檢測控制方法。數字圖像技術通過濾波、降噪等預處理技術，對圖像噪聲進行了一定降低[13]，但圖像的預處理結果受外界光照強度、混合料級配、采集高度影響，最終離析評價結果受圖像預處理結果影響。目前，數字圖像瀝青混合料離析評價方法在工程應用中，沒有將施工現場圖像采集方法，對離析評價結果的影響進行系統的研究。筆者基于數字圖像處理技術，通過對比不同混合料級配類型、光照強度、圖像采集高度，并采用靜矩算法，對瀝青混合料攤鋪均勻性結果的影響因素進行分析，提出合理的攤鋪瀝青路面圖像采集方法。

1 圖像預處理方法

對瀝青混合料數字圖像進行采集，為了對圖像進行均勻性評價，需要對采集的RGB彩色圖像進行圖像預處理。數字圖像預處理流程如圖1。

將采集的瀝青路面RGB圖像進行灰度處理、濾波、去噪、直方圖均衡化、圖像分割等最終轉化為二值圖像[14,15]，為后期均勻性計算提供基礎。瀝青混合料圖像預處理結果如圖2。

圖1 數字圖像預處理流程

圖2 瀝青混合料數字圖像預處理

2 攤鋪瀝青混合料均勻性評價算法

圖3 靜距算法示意

靜矩評價方法如式(1)～(4)：

S1=∑[s(i)×l1(i)]

(1)

S2=∑[s(i)×l2(i)]

(2)

S3=∑[s(i)×l3(i)]

(3)

S4=∑[s(i)×l4(i)]

(4)

式中：S1～S4分別表示顆粒對四條邊的靜矩和；s(i)為圖像中第i個集料顆粒的面積；l1(i)、l2(i)、l3(i)、l4(i)為二值圖像中第i個集料顆粒距離圖像四邊的距離，如圖3。

定義靜矩離異系數Cv表征圖像中顆粒分布情況，公式如下。

(5)

1.2 調查方法 此次調查工作分成全面調查、重點調查和補充調查3個階段，參與實地調查人員20人，按照仙居縣行政規劃、類型分布和道路交通狀況，在全縣共設置調查路線20條。2017年5月5日—6月20日，對仙居縣范圍內20個鄉鎮(街道)百年以上樹齡的古樹進行逐株普查，檢尺胸圍、測定樹高，用GPS定位，樹種定名采用前期資料和標本鑒定的方法進行。

3 采集方法對均勻性評價影響

3.1 級配類型

筆者依托廣南至那灑高速公路工程項目，以上、下面層AC-13、AC-25瀝青混合料為研究對象。圖像采集高度均為60 cm，采集時間均為晴天09:00，對上下面層瀝青混合料分別采集500幅圖像，并計算圖像中集料顆粒變異系數，上面層AC-13級配類型瀝青混合料變異系數結果如圖4(a)，下面層AC-25級配類型瀝青混合料變異系數結果如圖4(b)。

圖4 瀝青混合料變異靜矩系數分布

由圖4可知，上下面層AC-13、AC-25瀝青混合料均勻性評價指標Cv值均集中于0～1.5%，筆者以1.5%為均勻性評價指標。由評價結果可知，AC-13瀝青混合料Cv值均滿足均勻度評價指標，而AC-25級配類型瀝青混合料均勻性評價結果中，有22幅圖像Cv值超過1.5%。因此，下面層AC-25級配類型瀝青混合料較上面層AC-13瀝青混合料更易發生離析。

3.2 光照強度

筆者選取分別采集晴天5種光照條件下，瀝青路面數字圖像，不同采集時間及工況下地面照度如表1。

表1 不同采樣時間下的地面照度值

計算不同光強下圖像的均勻度，分析光照強度對數字圖像技術評價瀝青混合料攤鋪均勻性的影響。在距離瀝青路面60 cm的高度下進行進行拍照，每個時刻各篩選500幅圖像，分別計算瀝青混合料均勻性評價指標靜矩變異系數，并進行對比分析。

不同光照強度，瀝青混合料數字圖像均勻性評價結果如表2。

表2 不同時間瀝青混合料圖像靜矩變異系數

由表2可知，不同圖像采集時間點光照強度不同。09:00、13:00、16:00光照充足的情況下，靜矩變異系數相差不大；20:00光照不足的時候，靜矩變異系數大于1.5%的圖像數量達到53，變異系數最大值為4.437%，與光照條件良好的數據產生偏差。在進行補充光照條件后，靜矩變異系數值恢復到光照充足時水平。試驗結果表明，在白天光照強度充足的條件下，數字圖像法瀝青混合料攤鋪均勻性檢測結果基本不受影響，當夜間、隧道內等光照不足條件下施工時，應補充光照后進行檢測。

3.3 拍攝高度

由于圖像采集高度直接影響圖像采集范圍和集料顆粒所占像素尺寸，對采集高度對數字圖像瀝青混合料離析評價結果進行研究。

試驗在晴天日條件下09：00進行圖像采集，圖像采集區域光照度為5 000 lx，圖像分辨率為2 448×2 448像素。將攤鋪路面瀝青混合料集料顆粒的直徑換算為像素大小，得到如表3。

表3 不同拍攝高度集料顆粒面積所對應面積像素

為了研究拍攝高度對瀝青混合料攤鋪均勻性的影響，筆者選取1 000 m路段，通過現場采集圖像發現，攤鋪瀝青混合料溫度較高，當采集高度低于60 cm時，采集設備易出現過熱，采集圖像易發生虛焦情況，對均勻性評價結果造成影響。因此拍攝高度采用60、80、100 cm對下面層AC-25級配類型瀝青混合料圖像進行采集。

圖像采集高度不同，直接影響圖像范圍和圖像中集料顆粒所占像素面積，對圖像預處理結果產生影響。筆者通過對比分析不同采集高度下，不同粒徑集料所占顆粒面積比，分析采集高度對數字圖像瀝青混合料均勻性評價結果影響。不同采集高度下圖像中不同粒徑集料顆粒所占面積百分比如表4。

表4 不同采集高度下集料顆粒圖像面積占比

由表4可知，采集高度為60 cm時，9.5 mm以上集料顆粒占比總和為38.8，與實際現場配合比相符。隨著采集高度的增加，由于預處理后圖像中26.5、19.0 、16.0 mm集料發生顆粒粘連情況，造成顆粒分割不當，圖像中大粒徑集料占比增加，9.5 mm以上集料占比總和增大，與實際不符，影響后續計算均勻性靜矩變異系數Cv。

試驗結果表面，隨著采集高度的增加，瀝青混合料圖像中集料顆粒像素尺寸隨之降低，影響圖像預處理粘連顆粒分割的準確性。因此，考慮到圖像采集范圍和圖像預處理的準確性，筆者建議采集高度控制在60 cm。

4 結 論

筆者基于數字圖像技術，計算攤鋪瀝青混合料數字圖像顆粒變異系數，對攤鋪瀝青混合料均勻性進行評價，通過不同級配類型、光照強度、拍攝高度均勻性評價結果對比分析，對數字圖像瀝青混合料均勻性評價影響因素進行研究。結果如下：

1)分別對AC-13、AC-25級配類型采集的攤鋪瀝青混合料數字圖像進行均勻性評價，分別計算500張圖像靜矩變異系數，評價指標靜矩變異系數指標范圍均分布于0～1.5%。對比變異系數Cv值，下面層AC-25級配類型混合料更易發生離析。

(2)筆者分別對09：00、13：00、16：00、20：00、20:00(補充光照)5種工況下進行圖像采集，并計算靜矩變異系數。結果表明：在白天光照充足的條件下，均勻性評價結果不產生影響；但夜間光照不足時，結果產生偏差；通過補充1 000 lx照度的光照強度后，均勻性評價結果與光照充足時結果一致。建議在光線不足時施工，需補充光照后進行檢測。

(3)通過對比60、80、100 cm采集高度均勻性評價結果，AC-25型瀝青混合料圖像中，集料顆粒面積占比隨著采集高度的增加而產生影響。采集高度增加，圖像中集料顆粒像素尺寸減小，預處理圖像中粘連顆粒增加，從而影響離析評價結果。采集高度為60 cm時，9.5 mm以上集料占比總和與實際現場配合比相符，筆者建議圖像采集高度控制在60 cm。