基于数字图像处理技术的沥青路面构造深度评价方法研究
黄志福;翟晓静;梁乃兴
纺织品英语【摘 要】In view of the asphalt concrete pavement construction project of Dangshan ction of Ji-Qi expressway in Anhui Province ,the structure depth of digital image of asphalt pavement is calculated by the principle of restoring object shape with single image ,the height difference between the raid and concave road surface is reprented by gray scale difference ,and the denoising preprocessing and grayscale image processing methods are determined .The influence of different light intensity and dif-ferent shooting height on the digital image structure depth of asphalt pavement is studied ,a method for calculating the structure depth of digital image of asphalt pavement is propod ,and the relation-ship model between the structure depth of sand patch method and the structure depth of digital image of asphalt pavement is established .The results show that in natural light conditions ,the structuredepth of digital image shot at 9 :00 is generally 0 .03 mm to 0 .06 mm higher than that of other time , the structure depth of the digital image shot at 11 :00
and 13 :00 is less consistent with that of other moments ,the maximum difference is 0 .03 mm ,while the differences between the three measuring points at 15 :00 and 17 :00 are within the range of 0 .01 mm ,the consistency is better ,so it is recom-mended to collect the digital images at 15 :00 to 17 :00 .When the shooting height is in the range of 50 cm to 70 cm ,the structure depth of digital image changes little ,the difference is between 0 .02 mm and 0 .04 mm ,and the recommended shooting height is 60 cm .There is a certain linear correlation be-tween the structure depth of sand patch method and the structure depth of digital image of asphalt pavement .The fitting effect of the model is good ,and the square of correlation coefficient is 0 .85 . T he calculation method of the structure depth of asphalt pavement bad on the digital image process-ing technology is scientific and rational ,and realizes the program interactive interface ,w hich provides a basis for the real-time continuous inspection and evaluation of the quality level of the asphalt pave-ment structure depth construction .%文章依托济祁高速公路安徽省砀山段沥青混凝土路面施工项目,以单幅图像恢复物体形状原理计算沥青路面的数字图像构造深度,以灰度差来表征路面的凸起和凹下的高度差值,确定去噪预处理和灰度图像处理方法,研究了不
同光照强度和不同拍摄高度对沥青路面数字图像构造深度的影响,提出了沥青路面数字图像构造深度的计算方法,并建立了沥青路面铺砂法构造深度与数字图像构造深度之间的关系模型.研究结果表明:在自然光条件下,9:00时刻拍摄数字图像的构造深度普遍大于其他时刻0.03~0.06 m m,11:00和13:00拍摄数字图像的构造深度与其他时刻的一致性较差,最大差值为0.03 m m,而在15:00和17:00时3个测点的差值均在0.01 m m范围内,一致性较好,建议在15:00~17:00进行数字图像的采集;拍摄高度在50~70 cm范围内,数字图像构造深度变化幅度较小,差值介于0.02~0.04 m m,推荐拍摄高度为60 cm;沥青路面铺砂法构造深度与数字图像构造深度存在一定的线性相关,关系模型拟合效果良好,相关性系数平方为0.85.基于数字图像处理技术的沥青路面构造深度计算方法,实现了程序交互界面化,为实时连续检测评价沥青路面构造深度施工质量水平提供了条件.
【期刊名称】《合肥工业大学学报（自然科学版）》
【年(卷),期】2017(040)010
【总页数】7页(P1382-1388)
【关键词】道路工程;数字图像处理技术;沥青路面;构造深度;评价方法
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【作 者】黄志福;翟晓静;梁乃兴
【作者单位】重庆交通大学土木工程学院,重庆 400074;安徽省交通控股集团有限公司,安徽合肥230088;河北交通职业技术学院土木工程系,河北石家庄 050091;重庆交通大学土木工程学院,重庆 400074
【正文语种】中 文
【中图分类】U416.217
路面表面的构造深度,即路面表面的纹理构造,是路面粗糙度的重要指标[1-2]。目前,通常用构造深度评价路面的抗滑性能,国内行业技术标准测量路面构造深度的方法主要有铺砂法和激光法[3]。铺砂法原理简单、操作方便、成本低廉,但是费时费力;激光法检测设备价格昂贵、操作复杂。沥青路面的表面构造深度与均匀性也有着密切关系[4-5]。均匀性越好,其构造深度越小;反之,均匀性越差,其构造深度越大。传统评价沥青混合料均匀性的方法主要采用钻芯取样和视觉观测,存在工效低、主观影响大、破坏性强等问题[6]。近年来,国外新兴了许多无损快速检测方法,主要有热成像、探地雷达、激光表面断面仪等,具有检测频率高、
样本大、准确性好等优点。随着计算机数字图像处理技术的广泛应用,采用数字图像处理技术测算路面表面构造深度、评价沥青混合料的均匀性成为新的研究方向[7-8]。文献[9]运用数字图像处理技术计算沥青路面表面构造深度,避免了主观因素的影响;文献[10]较早采用二维数字图像技术研究沥青混合料的体积组成,运用数字图像处理技术研究粗集料的形态特征并进行三维图像的重构和虚拟力学实验研究;文献[11-12]利用二维数字图像技术研究沥青混合料内部结构粗集料接触分布特性以优化级配组成。运用数字图像处理技术研究沥青混合料表面性能及内部结构组成,对图像处理技术应用于沥青路面施工质量控制具有重要意义。
鉴于沥青混合料表面性能的复杂性,运用数字图像处理技术建立沥青路面构造深度的计算方法，进而评价沥青混合料的均匀性，仍需进一步的研究。
英语短篇故事本文依托济祁高速公路安徽省砀山段沥青混凝土路面施工项目,建立了沥青路面数字图像预处理方法,以从明暗恢复形状(shape from shading,SFS)原理计算沥青路面的数字图像构造深度,以三维曲面表征沥青路面表面纹理构造,分析了光照强度、拍摄高度等因素对构造深度的影响,提出了基于数字图像处理技术的沥青路面构造深度计算方法,建立了铺砂法实测构造深度与数字图像处理方法计算构造深度的相关关系,为基于构造深度离异性评价沥青路面均匀性提供参考。
沥青路面表面是粗糙的,在自然光照条件下,会发生漫反射,漫反射的光照强度会随着路面的凹凸情况变化而变化,通过数码相机拍摄沥青路面时,图像像素的明暗程度可以反映沥青路面格点的凹凸情况。本文采用简化的SFS原理来计算沥青路面的构造深度,以灰度差来表征路面的凸起和凹下的高度差值,经过一定比例的换算,就能得到图像拍摄范围内的平均构造深度值。
SFS原理是利用单幅灰度图像中物体表面的明暗变化来恢复其表面各点的相对高度等参数值,重建物体表面形状[13-14]。为简化问题,假定照射在物体表面的光为均匀平行光，成像几何关系为正交投影，采用朗伯体表面反射模型。
若以照相机坐标系为参照系,物体表面高度表示为z(x,y),物体表面法向矢量可由其表面各点的法向量(η1,η2,η3)、表面梯度(p,q)、表面倾角φ及表面偏角θ表示。成像模型根据二维图像中某像素点的灰度值与物体表面对应点按照反射图函数得到的灰度值相等。朗伯体表面反射模型可表示为:
p=, q=
表面点法向量又可写成:
ps=-, qs=-,
η1=lsin φcos θ, η2=lsin φsin θ,rados
η3=lcos φ
其中,(-ps,-qs,1)表示光源的方向;E(x,y)为归一化的图像亮度;R为反射图函数,表示亮度随表面方向的不同而发生变化;l为表面点法向量的模。
(1)式是含有2个未知量(p,q)的非线性方程,在引入其他约束条件之前,根据这个模型建立的SFS问题的方程式病态,没有唯一的解。只有通过引入恰当的约束条件,建立相应的正则化模型,才能消除其病态性。目前大多数SFS算法都是通过假设研究对象为表面光滑的物体来引入约束条件。
inaccuracy本文在研究中不要求准确恢复沥青路面外貌特征,只需要根据路面的亮度变化求得实际的路面平均构造深度。
supplying通过数码相机采集到沥青路面图像后,用Matlab计算软件对图片进行处理,将RGB图像转换学日语的方法
为二维的灰度图,在数学上可以表示为一个m×n的二维矩阵。二维矩阵的横坐标为x,纵坐标为y,若Zi,j=(xi,yj),则可以构造出一个三维曲面,即是沥青路面表面纹理构造图。Matlab绘制的沥青路面三维曲面如图1所示。
根据二维数字矩阵的数据,路面构造深度(Z)的计算公式为:
V=∬D[Fmax-F(x,y)]dxdy
其中,F(x,y)为坐标(x,y)的像素点的灰度值;V为表面构造像素值围成的空间体积;Fmax为灰度矩阵中最大的灰度值。
(7)式中的积分区域D相当于铺砂法中的铺砂半径范围,V为路面表面构造的空间曲面与平面Fmax所围的体积,相当于铺砂法中铺砂的体积。
定义Hp为沥青路面数字图像构造深度,计算公式为:
其中,D为积分区域,为矩阵行数与列数的乘积;Hp表征路面表面的粗糙程度,其值越大,表示路面表面越粗糙。chevroler
图像预处理是后续图像分析的基础,其处理效果好坏直接影响到后续均匀性分析的结果[15]。本文对图像预处理进行了深入系统的研究,并基于Matlab编制相应的处理程序,实现图像的预处理界面化。
3.1 去噪预处理asterix
由于设备、环境等原因,在图像的采集过程中,图片或多或少都会混入噪声,因此在利用计算机对图片进行处理前,需要对图片进行去噪预处理。
本文选择中值滤波法对图片进行去噪处理。中值滤波的基本原理是把数字图像或数字序列中一点的值用该点的一个邻域中各点值的中值代替,让周围的像素值接近真实值,从而消除孤立的噪声点。中值滤波运算过程简单,容易实现,可以较好地保留边界信息。假设二维数字图像为{Xi,j},经中值滤波后结果为:
>antiphishing
