基于图像处理的空间网格法混合料离析评价

王华　叶飞　朱佳蕙

摘   要：路面材料的离析对道路使用寿命有重要的影响，混合料的离析评价对于沥青混凝土路面设计和施工具有重要意义。本文基于计算机图像处理技术，提出了空间网格法进行沥青混合料离析评价，通过统计空间方格中颗粒分布情况，定义以统计数据方差与数学期望平方的比值来表征材料的均匀性，编制了计算分析程序，并进行了实例验证。验证结果显示：该方法简便易行，能够用于沥青混合料的均匀性的定量评价，且具有良好的适应性。

关键词：离析评价  图像处理技术  沥青混合料  空间网格法

中图分类号：U414                                   文献标识码：A                        文章编号：1674-098X（2019）06（c）-0056-02

沥青路面是我国公路路面主要结构型式，其破坏主要有裂缝、坑槽、车辙等，破坏的一个原因便是材料在施工过程会产生离析。沥青混合料离析易导致路面的结构特征变差、使用寿命缩短，严重离析的路面使用寿命甚至会减少50%[1-2]。为采用合理的技术手段对混合料的离析进行评价，很多学者采用很多方法对混合料的离析进行了研究。如铺砂法、核子密度仪法、红外热像仪、激光断面仪、探地雷达法等[3-4]。其中数字图像处理技术具有简单、低成本、结果合理等优点[5-6]，在混合料离析评价上受到重视。本文基于图像处理技术，将数码相机或者CT扫描仪等设备获取的试样信息进行处理分析，提出格子方差法对沥青混合料均匀度的评价，获得了较为理想的结果，可为混合料离析评价提供积极参考。

1  格子方差法

随机变量方差反映了随机变量偏离期望的程度，借助该概念，将图像均匀分割为n个格子，用n个格子里的点数的方差代表图像的均匀程度。因为格子的空间均匀分布特点，使得该方法也能一定程度的表征图像中点分布的空间特征。

即离析程度为：U=D（x）/E（x）2。

E（x）为所有格子中颗粒数目的平均数，D（x）是所有格子中含颗粒数目的方差。

2  图像处理方法及流程

2.1 图像前处理

本图像处理方法借助Image-pro plus和ImageJ软件获取和计算图像信息，在评价混合料离析过程中基于以下两个假定：（1）剖面（颗粒数量及断面形式）具有典型代表性，可充分反映试件颗粒分布特征;（2）切割面每一颗粒的平均直径即为该颗粒筛分粒径大小。具体处理过程如下。

（1）剪切：排除无试件颗粒的截面，利于图像的中颗粒的坐标计算及网格划分。

（2）灰度化：根据马歇尔试件切割后集料与沥青亮度的不同，通过灰度提取亮度信息

（3）图像增强：为了使颗粒更加突出明显，需要进行滤波处理，去除数字化过程产生的噪声，抽象出颗粒的特征。采用中值滤波消除数字化过程中的噪声，使得图片黑白对比更加分明。

（4）二值化处理：确定某一阈值θ，将大于θ的像素全部取1，小于θ的像素全部取0，以突显提取所需提取对象。

（5）图像的分割：对存在粘结的颗粒进行图像分割。本文应用watershed算法实现颗粒检测与分割。

（6）图中尺寸的换算：将实际物理长度与计算机中长度进行换算，相似比D为：D=L1/L2

式中L1为计算机计算的图像中某一长度;L2为实际中相同位置的物理长度。

2.2 不同粒径颗粒的区分

混合料的离析与不同粒径大小颗粒分布有关，为了较为简单的评价颗粒形状，根据颗粒平均直径对集料进行分档。以AC-13马歇尔试件为例，根据筛孔孔径将图像划分为0.3～0.6、0.6～1.18、1.18～2.36、2.36～4.75、4.75～9.5五档分析范围。

3  图像网格划分及均匀度计算

3.1 网格划分

为减小格子划分数量对评价结果的影响、提高程序的可编译性，选取统一网格划分标准。若图像中含有m个颗粒，我们划分的网格数目为n2=int（√m） （int为四舍五入取舍函数）。

本文使用Python语言，以chrome为平台进行计算，矩形图像网格划分及程序编译方法如下。

（1）输入处理后颗粒坐标、形状信息;（2）确定图形的边长，将图像均匀划分为n2个方格子，对网格编号并排除图像外的空格;（3）输出每个网格里颗粒的数目，以及格子里颗粒数目的方差，计算颗粒总面积及均匀度。

3.2 均匀度算例分析

以AC13试件0.3～0.6档粒径为例，图2中共183个颗粒，划分14×14个网格，并去处截面以外无效区域。

按照上述方法计算可得：得即均匀度为U1=0.81。对五档集料总体均匀程度进行加权平均，则总均匀程度为U=k1U1+k2U2+...+knUn，其中ki=Ai/A，Ai代表每档集料的面积和，A代表各档集料的面积和，具体如表1所示。

试件截面的面积为：2011.26，基于前述假定，圖像综合离析程度U即试件均匀度为：U=0.827。

4  结语

空间网格法通过划分空间网格统计、分析试件内颗粒分布信息，计算网格内颗粒分布的方差，并除以其数学期望的平方进行无量纲处理，可有效表征试件的均匀性。该方法设备简单、程序编译方便、可实现自动化处理分析。另外，可通过引入CT扫描仪获取试件内部颗粒空间分布信息，将该方法进行三维空间推广，使用三维空间网格对试件材料的均匀性进行综合分析、评价，获得更为真实全面的材料信息。

参考文献

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

[2] 赖勤慧，刘啟倬，魏震宇.级配离析对SMA-13混合料性能影响研究[J].公路与汽运，2019（2）：80-83.

[3] 彭勇，孙立军.沥青混合料均匀性（离析）研究方法概述[J].中外公路，2007（1）：147-150.

[4] 王金辉，林方雷.国外热拌沥青混合料离析评价方法简介[J].公路交通科技：应用技术版，2006（8）：29-31.

[5] 英红，凌天清.基于数字图像处理技术的沥青混合料均匀性评价方法[J].公路，2007（8）：177-179.

[6] 吴文亮，李智，张肖宁.用数字图像处理技术评价沥青混合料均匀性[J].吉林大学学报：工学版，2009（4）：921-925.