数字图像处理技术在沥青路面技术中的应用研究综述

(重庆交通大学土木工程学院 重庆 400074)

一、沥青路面均匀性与路面结构构造深度中的应用

(一)测量沥青路面构造深度

沥青路表面构造深度是评价路面抗滑和排水性能的重要指标，较大的表面构造深度，可以使沥青路面具有较高的摩阻力，工程中，一般在表面层沥青混合料设计阶段、路面竣工验收阶段、养护维修阶段测量路面构造深度。目前一般采用“铺砂法”、“激光法”两种测量方法，但铺砂法人为因数影响比较大，精度较低，激光法仪器昂贵，操作复杂，且这两种方法都难以提供可供定量分析的结果。

针对这一问题，王端宜等率先提出了将数字图像处理技术运用于道路工程，利用数码相机等常规设备，然后将获得的数字图像转化为灰度图像，通过灰度图像的像素值结果，建立表面构造的数字表面模型，得到沥青路面表面的平均构造深度。将试验结果与现行的传统方案进行对比，得到的结果较为理想。该方法利用数字图像处理技术，使原本单调、耗时、操作繁杂、高成本的构造深度测量工作变得简单且轻松。同时也为将数字图像处理技术在道路工程中的运用开创了先例。

张争奇等以二维图像处理技术为基础，将路面纹理的中下凹区域的宏观构造宽度作为研究对象，基于分析路面纹理中下凹区域的宏观构造宽度，提出了评价沥青路面离析的新方法。通过对宏观构造中的下凹区域进行照相，并处理得到二值图像，该方法以路表宏观构造宽度K定义二值图像对应的下凹部位的平均宽度，并以构造宽度TD和构造深度K建立模型以评价沥青混合料的集料均匀度。该方法运用图像处理技术，验证了构造宽度K值与采用铺砂法得到的构造深度TD有着良好的相关性，能较好的度量沥青混合料的离析程度，提出了通过构造宽度K评价沥青混合料离析的新方法，使得沥青混合料离析的评价更加高效。

为了控制图像在采集的过程中产生的误差对研究结果的干扰，张争奇教授也提出了自己的图像采集方法，将相机置于装有三个LED灯及一个点光控制器的暗箱中，通过点光控制器调节LED灯的功率，调节箱内的光线强度，得到了稳定较为理想的原始图像。

(二)定量分析沥青混合料均匀度

热拌沥青混合料在生产、运输、摊铺等过程中，由于摊铺不当以及温度变化等因素影响，容易产生级配离析、温度离析等离析状况，导致混合料的级配、沥青含量与设计值严重偏离，沥青路面整体质量不均匀，这会引发沥青路面出现各种早期病害，影响路面的长期使用性能。因而，监测及控制沥青混合料摊铺离析对改善沥青路面性能具有重要意义。

黄志福等结合实际工程经验，基于数字图像处理技术，提出的检测评价方法，能够为了快速定量的跟踪和评价沥青混合料在摊铺过程中的均匀性。同时，对于沥青混合料原始图像的采集，从采集高度、发光源亮度及照射角度等方面进行了规范。该方法应用MATLAB软件编程运算，完成了计算流程、相关参数设定，以及程序界面的开发，实现了对离析判定的快速、连续、自动化检测与控制。

随后，梁乃兴等又将熵权模型引入上述方案中，通过数字图像处理技术，将获取的路面彩色图像首先转化为灰度图像，而后用MATLAB将其转化为二值图像，并计算得到不同粒径档集料在图像上对应面积，然后通过熵权法建立数学模型，确定各档集料面积对于沥青混合料均匀性所提供信息的权重大小，进而确定得到一指标值用于评价路面沥青混合料离析的均匀性，从而定量的对沥青路面混合料的均匀度以及是否处于离析状态做出判定。研究表明，沥青路面图像所反映的离析状况与该方法所得的沥青混合料均匀性指标存在很大的相关性，说明该方法能够较为快速，准确的对沥青混合料是否处于离析状态做出判定，但进一步的应用还需做更加深入的研究。

二、分析沥青混合料材料结构

基于数字图像处理技术的沥青混合料计算机辅助计算是一种超前性技术，在美国，这一技术得到了广泛深入的研究，被预测为“基于系统的分析建模和设计方法”。国内亦有大量团队开展了基于二维数字图像处理技术的对于沥青混合料内部的结构组成的相关研究，推动了该项技术在工程上的实际应用。张肖宁等利用数字图像处理技术对沥青混合料体积组成分析、差异性物质识别等领域进行研究，在其基础理论和工业应用方面取得了显著的进展。

(一)图像信息的准确度研究

为了解二维图像能否较准确的反映沥青混合料三维结构中的基本信息，张肖宁等利用工业CT扫描经旋转压实而成型的沥青混合料试件，取得了一百余个沥青混合料的扫描断面图像，并利用得到的图像对断面空隙率进行了统计和分析。试验发现，需要200幅以上的二维图像才能将空隙率的准确率控制在99%以上。张肖宁等人的研究证实了以往的依靠较少的二位数字图像来评价沥青组成结构的研究存在一定程度的不合理性。依据这一研究结果，徐科等将沥青混合料试件切割为高度为1mm的拨片进行二维数字图像分析，并用体视学方法研究了个级粒径集料的空间结构性质，同时也对沥青混合料的不同级配进行了分别分析，达到了定量分析沥青混合料级配状况的目的。陈佩林等也采用了该方法，完成了对用物理方法测定沥青混合料粗骨料堆积空隙率合理性的验证，并对相关实验章程的修改给出了建议。吴文亮等则根据这一结果，在路面上取得钻芯试样，对路面摊铺碾压均匀性做出了评价，并对路面施工工艺的修改给出了建议。

(二)“伪三维”数字图像处理技术

数字图像技术在沥青混合料检测上的应用的研究获得了很多有价值的成果。利用CT扫描技术采集沥青混合料“伪三维”切片图像，而后进行数字图像处理技术进行分析的技术也得到了应用。王超凡等还根据数字图像技术原理，创造了沥青混合料级配自动检测系统，使得沥青混合料的结构分析更加高效、便捷。程永春等也依据这一原理，实现了对沥青混合料试件宏观性能的无损检测。沙爱民等利用线阵摄像机获取图像，从中提取结构参数，实现了对级配的检验。

三、总结

经过经年来学者们的不懈研究，数字图像处理技术在沥青路面及沥青混合料的检测中的应用日趋成熟，该技术在工程及工程研究中的应用，方便了沥青混合料及沥青路面各方面数据的收集和处理，将相关数据直观的呈现出来，使得相关性状能够得到定量的分析。但目前该项技术还存在较多缺陷，如图像的采集尚缺乏统一标准，采集过程中人为影响因素较大；采集的图像在转化为二值图像过程中存在数据信息损失，这些都导致这项技术还无法在工程实践中大规模的应用，还需要进一步的完善与优化。