基于数字图像处理的沥青封闭层老化状态识别方法研究

汪正兴，夏世法，杨伟才

(1.中国水利水电科学研究院，北京 100038；2.北京中水科海利工程技术有限公司，北京 100038)

1 工程概况

沥青混凝土由于防渗性能优异，适应基础变形的能力强，因而在水利水电工程中应用广泛[1]。沥青混凝土用于防渗，大体上有心墙和面板两种方案。沥青混凝土心墙位于坝体中间，而沥青混凝土面板位于坝体表面。沥青混凝土面板的结构一般从上到下为2mm的封闭层、10cm的防渗层、10cm的整平胶结层，如图1所示。整平胶结层采用开级配沥青混凝土，孔隙率在10%～15%之间，主要作用是整平基面，及时排除面板后的水。防渗层是沥青混凝土面板的核心，采用密级配沥青混凝土，孔隙率要求小于3%，以保证防渗效果。封闭层涂刷在沥青混凝土面板表面，用于封闭防渗层表面的孔隙及遮挡紫外线延缓防渗层的老化，一般采用沥青玛蹄脂材料(沥青和矿粉按照一定比例混合)。而沥青玛蹄脂也是由沥青组成的，在外界环境的作用下也会逐渐老化，最终会失去防护作用。国外的沥青混凝土面板工程一般每隔10年左右就会重新涂刷一次沥青封闭层。

图1 沥青混凝土面板结构

传统的评价沥青混凝土老化的方法，是在现场取样，然后从中回收沥青，测试沥青指标的变化。天荒坪抽水蓄能电站上水库沥青混凝土面板运行18年后，对沥青混凝土取芯检测其老化程度，表明沥青混凝土防渗层仅表面0～1cm有一定程度老化，余下部分老化程度很轻[2-5]。日本沼原水库运行31年后，对表面封闭层脱落和未脱落部位的防渗回收沥青的针入度和红外光谱试验结果表明封闭层脱落部位的防渗层老化程度较大，封闭层可以减缓面板防渗层上部的老化[6-7]。日本八汐大坝沥青面板为了研究沥青混凝土在运行过程中的老化，在大坝施工之前，工程人员在大坝现场附近设置了一个用于进行沥青混凝土暴晒测试的试验场地，其朝向和倾角与大坝面板一致。在暴晒场进行了为期5年的测试，定期测试沥青混凝土及回收沥青的各项性能指标。并且按沥青混凝土表面有无涂刷封闭层两种情况进行对比。

结果表明沥青混凝土表面有无封闭层对厚度0～5mm的沥青混凝土老化影响较大，而对5mm以下部位影响不大[8-9]，封闭层对于延缓防渗层老化具有重要的作用，因此了解封闭层自身的老化状态具有重要的意义。但传统的取样评价方法对于沥青混凝土面板有一定的破坏。近年来，随着数字图像技术的发展，一些学者开始采用数字图像的方法来评价诸如沥青路面的裂缝、沥青路面的破损等情况，取得一些良好的结果[10-13]。基于此，本文提出了一种基于数字图像处理的沥青封闭层老化状态无损评价方法。

2 数字图像处理方法

沥青玛蹄脂封闭层涂刷后，随着时间的推移，表面逐渐出现龟裂，国外称之为“大象皮”(elephant skin)，如图2所示，且一般工程运行时间越长，龟裂面积越大。基于数字图像处理的沥青封闭层老化状态无损评价方法就是希望在封闭层龟裂面积与其老化之间建立关系，以单位面积的裂纹密度作为一个评价封闭层老化的指标。

数字图像是采用数字化的方式来表示一幅图像，如一幅像素大小为1024×768的图像，可以采用一个1024×768的矩阵来表示，在每个矩阵坐标点(x，y)处存储该点的3个颜色R，G，B的值。这种图像矩阵的表示方式可以很容易的对其进行各种数学运算，即数字图像处理。

数字图像处理方法的大致流程是：图像获取-图像灰度化-图像二值化-图像降噪-特征提取。

2.1 图像的获取

首先在现场拟评价部位的沥青混凝土封闭层表面标记出50cm×50cm的方框，然后使用高像素的数码照相机对标记的部位进行拍照取样。拍照时镜头与沥青混凝土表面平行，距离沥青混凝土封闭层表面距离保持稳定。拍照时关闭闪光灯，以免形成局部的亮斑，对图像处理的结果产生影响。某工程封闭层的照相结果如图3所示。

图3 封闭层图像

2.2 图像灰度化

一幅普通的彩色数字图片，其每个坐标点存储了3种颜色R、G、B的数值。这样信息比较繁杂，不利于得到重要信息。图像的灰度化是指将彩色图像转变为灰度图像，灰度图像中每个坐标点只包含一个亮度值f，表示图像的明暗程度。灰度值的范围和R、G、B一样，为0-255。数值0表示最暗即黑色，255表示最亮即白色。将一个彩色数字图像转换为灰度图有不同的算法，最常用的是下式。

f=0.3R+0.59G+0.11B

由于图3中几乎不包含彩色信息，所以其灰度化后的图像和原图几乎一样。

2.3 二值化(阈值分割)

图像二值化是指将256个亮度等级的灰度图像转变为二值化图像，即图像中的灰度值只有0或者255。图像的二值化可以减少图像中的无效信息，而更多的显现其中重要的信息。通过选取适当的阈值，将所有灰度值大于或等于阈值的像素设定为255，表示特定的目标。所有灰度值小于阈值的像素设定为0，表示图像背景或者另外的区域。

二值化的阈值选取有全局阈值和自适应阈值两种方法，全局阈值是指对整个图像都采用一个固定的阈值。当同一幅图像上的不同区域的亮度不同时，采用全局阈值效果并不好，这种情况下采用自适应阈值的效果比较好。自适应阈值是根据图像上的不同区域计算相对应的阈值。在同一幅图像上的不同部分采用的是不同的阈值，这样我们能在图像不同部分亮度不同的情况下得到更好的二值化结果。图3中的图像，亮度比较均匀，采用固定阈值就能获得比较好的二值化效果，如图4所示。

图4 二值化后的封闭层图像

2.4 图像降噪

经过阈值分割得到的二值化图像中可能存在一些噪点，如图4中的一些小白点。因此需要进行降噪，常见的降噪方法是对图像先进行腐蚀操作，再进行膨胀操作。腐蚀操作即采用一个元素都为1的方阵(卷积核)，沿着图像滑动进行卷积。当卷积核对应的原图像的所有像素值都是1，则卷积之后的元素仍然保持原有的像素值，否则该像素就变为零。经过腐蚀操作之后的图像，靠近前景的所有像素都会变为0，所以前景物体会变小，视觉上像是被腐蚀掉。

膨胀是与腐蚀相反的操作，与卷积核对应的原图像的像素值中只要有一个是1，中心元素的像素值就会变为1，所以这个操作会使图像中的白色区域膨胀。一般在对图像进行去噪声时先进行腐蚀操作，再进行膨胀操作。因为在进行腐蚀操作之后，前景变小，白噪声消失。再进行膨胀操作时，前景还在并会增加回来，但图像中的噪声已经被了，不会再恢复回来了。图4经过腐蚀和膨胀操作后，如图5所示，图中的噪声大大减少了。

图5 降噪后的封闭层图像

2.5 特征提取

经过二值化、降噪之后的封闭层图像，裂纹特征已经很明显，此时可以对图像中的一些特征进行提取，如图5中封闭层裂纹像素面积。统计图片中白色像素的总数即可得到封闭层裂纹像素面积。定义封闭层裂纹密度为裂纹像素面积与整个图片像素面积之比，通过计算可以得到图5中的裂纹密度为6.26%。

3 封闭层裂纹密度与老化程度的关系

某抽水蓄能电站工程全库盆采用沥青混凝土面板防渗，运行18年后，其面板封闭层出现大面积脱落。按照上一节的方法，在水库面板的不同位置对残留的封闭层进行了拍照，如图6所示。按照上一节方法计算了图6不同位置的封闭层裂纹密度，见表1。

表1 不同位置的封闭层裂纹密度

沥青封闭层厚度较薄，仅2mm。薄层沥青的老化受紫外辐射的影响很大，紫外辐射强度越高，沥青老化速度越快[14]。由于水库不同位置受到的太阳辐射量不同，其封闭层的老化程度也有所差异。文献[2]根据相关模型计算了(1)～(7)不同位置一年内接收到的太阳辐射总量值，见表1。

沥青由油分、芳香分、胶质、沥青质四种组分组成。沥青在老化的过程中，油分、芳香分逐渐向胶质转化，胶质逐渐向沥青质转化，致使沥青变硬变脆。在沥青指标上表现为沥青的软化点逐渐升高。为了研究图6中不同位置沥青封闭层的老化程度，对图中7个位置的封闭层沥青玛蹄脂进行了取样，按照JTG E20《公路沥青及沥青混合料试验规程》中旋转蒸发仪法对封闭层中的沥青进行了提取，并测试了其软化点，见表1。

回收沥青的软化点在88.5～98.5℃之间，根据施工资料，未老化沥青的软化点在54.0～59.0℃之间。封闭层沥青软化点升高了30～40℃，老化程度相当严重。而且太阳辐射量高的位置，其封闭层回收沥青的软化点更高，即老化程度更高，二者之间具有良好的相关关系。

封闭层裂纹密度与回收沥青软化点及太阳辐射之间的关系如图7—8所示，可以看出封闭层裂纹密度与回收沥青软化点及年太阳辐射量之间都具有较好的相关关系。总体上，太阳辐射量大的区域，其封闭层裂纹密度更高，裂纹密度大的区域封闭层回收沥青软化点更高。如前所述，对于同一种沥青，老化后其软化点会逐渐升高，软化点可以评价沥青的老化程度。封闭层裂纹密度与回收沥青软化点之间具有较好的相关关系，表明封闭层裂纹密度可以作为一种评价封闭层老化状态的方法。

图7 太阳辐射量与封闭层沥青软化点之间的关系

图8 太阳辐射量与封闭层裂纹密度之间的关系

图9 封闭层裂纹密度与回收沥青软化点之间的关系

目前，由于在工程现场能获取的样品和数据量有限，对于封闭层老化寿命阈值还无法进行准确的研究。有待于结合有关工程进行定期跟踪，开展进一步深入研究。

4 结语

沥青混凝土面板表面的封闭层随着时间逐渐老化，其外观表现为出现裂纹、脱落。在材料性能上表现为沥青变硬变脆，软化点升高。封闭层老化受紫外辐射影响较大，辐射量越大，老化程度越高。不同老化程度的封闭层其裂纹密度与沥青软化点、受到的太阳辐射量之间具有较好的相关关系，可以作为一种评价封闭层老化状态的方法。封闭层对于延缓防渗层的老化具有重要的作用，通过封闭层的裂纹密度可以及时了解封闭层的老化状态，在必要时对封闭层进行维护，延长沥青混凝土面板的寿命。

本文的研究受目前样品和数据量限制，对于封闭层老化寿命阈值还无法确定，有待于进一步深入研究。