CN104775349A - 一种大空隙排水沥青路面构造深度测试仪及测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种大空隙排水沥青路面构造深度测试仪及测量方法，属于交通运输工程中公路工程技术领域。本发明可以准确的测量大空隙排水沥青路面表面的构造深度，避免铺砂法在测量大空隙排水沥青路面构造深度时出现的漏砂孔洞现象，从而为评价路面宏观构造、排水性能等提供准确的数据。另外，本发明可以快速测量路面的构造深度，为需要大量测定路面构造深度的实际工程，节省人力物力，提供作业效率。
Description
技术领域
本发明属于交通运输工程中公路工程技术领域，具体涉及一种大空隙排水沥青路面构造深度测试仪及测量方法。
背景技术
在道路工程中，常用铺砂法和车载式激光构造深度仪来测量路面的构造深度，用以评定路面表面的宏观构造，从而评价其抗滑、排水、噪声等性能。车载式构造深度仪价格相对较高，操作复杂，且在有坑槽构造的路面上测试结果受到影响，因此使用受到限制，一般试验时不采用该方法。铺砂法是将已知体积的砂，摊铺在所要测试路面的表面，得出砂的体积与所覆盖面积的比值，即为构造深度，这是目前工程上最基本和最常用的方法。
铺砂法测定路面表面构造深度时，尽管其方法简便，但是误差较大。其原因有很多，装砂的方法没有标准，致使测量用砂的紧密程度不一样；摊砂用的推平板没有标准，导致试验结果出现误差；不同操作人员摊铺力度不同，导致摊铺面积过大或过小，以致数据误差，这些铺砂法本身的误差会导致测量结果的不准确。同时，采用铺砂法测量大空隙排水沥青路面表面构造深度时，在摊铺过程中部分砂会下漏到路面结构内部，出现孔洞现象，这样就导致摊铺的砂面积减小，砂体积与面积的比值增大，即所测构造深度大于路面表面实际的构造深度值。综上所述，这些情况已不能满足大空隙排水沥青路面构造深度测试的需要，迫切需要研发一种准确、快速测量大空隙排水沥青路面表面构造深度的仪器。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有技术的不足，提供一种大空隙排水沥青路面构造深度测试仪及测量方法。本发明解决了铺砂法测量大空隙排水沥青路面表面构造深度不准确的技术问题，该方法可以准确、快速测量大空隙排水沥青路面表面的构造深度。
本发明采用的技术方案如下：
一种大空隙排水沥青路面构造深度测试仪，包括四轮推车、测试箱、图像处理器、图像采集仪和数据传输装置；
所述的四轮推车上设有测试箱，所述的测试箱四周具有遮光板，所述的测试箱底部四周设有耐磨挡板；
所述的测试箱的上方设有内置蓄电池的图像处理器，蓄电池为大空隙排水沥青路面构造深度测试仪提供电源；
所述的测试箱内设有将测试箱分为上、下两部分的承载板，所述的图像采集仪设于测试箱的内部，且固定于承载板的上表面上；
所述的数据传输装置设于测试箱的内部，所述的数据传输装置的输入端与图像采集仪相连，所述的数据传输装置的输出端与图像处理器相连；
所述的承载板的下表面上固定有日光灯，所述的日光灯与蓄电池电连接；
所述的四轮推车上设有控制测试箱移动的装置，该装置包括相互匹配的螺旋杆和螺纹套筒、变向齿轮组以及控制把手；
所述的螺纹套筒与测试箱固定连接；所述的螺旋杆顶端设有变向齿轮组；
所述的变向齿轮组用于控制测试箱在水平方向或竖直方向上运动；
所述的变向齿轮组上设有用于控制变向齿轮组转动的控制把手；
所述的图像处理器上设有控制大空隙排水沥青路面构造深度测试仪的开启和关闭的电源开关，所述的电源开关与蓄电池电连接；
所述的图像处理器上还设有用于设置测量参数的设置按钮和测量按钮。
进一步，优选的是所述的图像处理器上设有用于显示测试结果和参数数据的显示屏。
进一步，优选的是所述的图像处理器上设有外部连接端口。
进一步，优选的是所述的测量按钮包括单次测量按钮和连续测量按钮。
所述的测试箱与螺纹套筒、测试箱与四轮推车以及螺旋杆与四轮推车之间的连接均采用连接部件相连。连接部件的形状无限定，以便于连接为最优。
一种大空隙排水沥青路面构造深度的测量方法，基于上述的大空隙排水沥青路面构造深度测试仪进行测量，包括如下步骤：
步骤（1），将四轮推车调整到需要测量构造深度的大空隙排水沥青路面上，转动控制把手，带动变向齿轮组转动，使得螺纹套筒带动测试箱，通过螺旋杆上下竖直移动，直至调整耐磨挡板与路面刚刚接触，但不妨碍四轮推车行走为止；
步骤（2），打开电源开关，按下设置按钮，输入在选定条件下确定的灰度系数K值，按下测量按钮后，图像采集仪对路面表面构造进行拍摄测量得到图像数据，然后经过数据传输装置将图像数据传输到图像处理器中进行灰度处理，得到灰度值二维数字矩阵，通过灰度均值数学模型运算得到图像灰度均值M，与在选定条件下标定的灰度系数K相乘，得到灰度均值M和灰度系数K的乘积，即为构造深度值TD。
所述的灰度均值数学模型运算具体为：图像经过灰度化处理得到灰度值二维数字矩阵，求出灰度值的平均值，然后将灰度值二维数字矩阵划分为两个子灰度值矩阵，一个子灰度值矩阵所含n个灰度值都大于等于平均值，另一个子灰度值矩阵所含m个灰度值都小于平均值，然后分别将两个矩阵中所含灰度值与平均值相减，将所得偏差取绝对值后累加，再除以对应矩阵数据点的个数n和m，分别求出相应的灰度平均绝对偏差 和，将两个灰度平均绝对偏差相加得灰度均值M。
本发明主要原理是：通常一幅图像由亮度、色调和饱和度三个特性表征，图像经过灰度处理后，得到的灰度图像只与亮度有关，每个像素点可以用一个亮度值表述，也称为灰度值。而对于路面构造来说不同深度部位反光程度有所差异，反应到图像上即为不同像素点的亮度值不同，从而可以采用灰度图像的亮度值来间接反应构造深度。本发明主要方法为：在大空隙排水沥青路面表面拍摄一幅图像，将图像数据进行灰度处理得到相应的灰度值二维数字矩阵，通过灰度均值数学模型运算得到图像灰度均值M，在选定的条件下进行标定得到灰度系数K，灰度均值M和灰度系数K的乘积即为构造深度值TD。该方法可以准确、快速测量大空隙排水沥青路面表面的构造深度。
本发明与现有技术相比，其有益效果为：
本发明通过在测试箱内设置固定高度的光源和图像采集仪，使得图像采集过程中避免外界光线变化和图像采集仪高度不同的影响，采用最小二乘法原理在密级配沥青路面上对灰度系数进行标定，然后将相同条件下采集到的路面表面构造图像数据传递给图像处理器，通过灰度均值数学模型相关运算得出相应的灰度均值，将灰度系数与灰度均值相乘得到对应的构造深度值，实现了准确、快速测量大空隙排水沥青路面表面构造深度的目的。
本发明可以准确的测量大空隙排水沥青路面表面的构造深度，避免铺砂法在测量大空隙排水沥青路面构造深度时出现的漏砂孔洞现象，从而为评价路面宏观构造、排水性能等提供准确的数据。
本发明可以快速测量路面的构造深度，为需要大量测定路面构造深度的实际工程，节省人力物力，提供作业效率。
附图说明
图1为本发明大空隙排水沥青路面构造深度测试仪的整体结构示意图；
图2为本发明大空隙排水沥青路面构造深度测试仪的测试箱结构示意图；
图3为本发明图像处理器的结构示意图；
图4为本发明图像采集仪的结构示意图；
其中：1、四轮推车；2、测试箱；3、图像处理器；4、图像采集仪；5、数据传输装置；6、日光灯；7、承载板；8、耐磨挡板；9、变向齿轮组；10、控制把手；11、螺旋杆；12、螺纹套筒；13、显示屏；14、电源开关；15、设置按钮；16、单次测量按钮；17、连续测量按钮；18、外部连接端口；19、连接部件；20、蓄电池。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步的详细描述。
本领域技术人员将会理解，下列实施例仅用于说明本发明，而不应视为限定本发明的范围。实施例中未注明具体技术或条件者，按照本领域内的文献所描述的技术或条件或者按照产品说明书进行。所用材料、仪器未注明生产厂商者，均为可以通过购买获得的常规产品。
本领域技术人员应当理解，本发明中所使用的连接方式及手段未特殊标明的，均为本领域常规手段。
缩略语和关键术语定义
（1）路面表面构造深度：路面表面凹凸不平的宏观构造的平均深度，称为路面表面构造深度，记作TD。
（2）灰度均值：图像经过灰度处理得到灰度值二维数字矩阵，将灰度值经过一定规则的运算得出结果M，该数值M与一定的相关系数的乘积即为构造深度值，将这样的M值统称为灰度均值。
（3）灰度系数：路面表面构造深度值与灰度均值的比值称为灰度系数，记作K。假设在密级配沥青混凝土路面上连续测量得到两组数据，每组共n个数据，一组数据为灰度均值，另一组数据为路面表面构造深度值，将这两组数据描绘在直角坐标系中，以灰度均值M为X轴，路面表面构造深度值TD为Y轴，应用最小二乘法原理拟合直线，所得直线的斜率即为灰度系数。该系数在试验前预先选定，可以根据不同的路面情况进行修订。
（4）灰度均值数学模型：图像经过灰度化处理得到灰度值二维数字矩阵，求出灰度值的平均值，然后将灰度值二维数字矩阵划分为两个子灰度值矩阵，一个子灰度值矩阵所含n个灰度值都大于等于平均值，另一个子灰度值矩阵所含m个灰度值都小于平均值，然后分别将两个矩阵中所含灰度值与平均值相减，将所得偏差取绝对值后累加，再除以对应矩阵数据点的个数n和m，分别求出相应的灰度平均绝对偏差和，将两个灰度平均绝对偏差相加得灰度均值M，相应公式如下所示。
（1）
（2）
（3）
（5）灰度图像法测量构造深度的计算公式：
（4）
其中TD为构造深度，M为灰度均值，K为灰度系数。
（6）最小二乘法是一种数学优化技术，通过最小化误差的平方和寻找数据的最佳函数匹配，并使得这些求得的数据与实际数据之间误差的平方和为最小。
如图1~图4所示，一种大空隙排水沥青路面构造深度测试仪，包括四轮推车1、测试箱2、图像处理器3、图像采集仪4和数据传输装置5；
所述的四轮推车1的车轮具有导向和刹车的功能，可以人工或机械带动整个装置在路面上移动进行测量作业。
所述的四轮推车1上设有测试箱2，所述的测试箱2四周具有遮光板，可以在图像采集过程提供遮光功能，防止外部光线对图像采集时的影响；
所述的测试箱2底部四周设有耐磨挡板8；耐磨挡板8能防止测试箱2底部磨损，同时可以起到遮光的作用；
所述的测试箱2的上方设有内置蓄电池20的图像处理器3，蓄电池20为大空隙排水沥青路面构造深度测试仪提供电源；
图像处理器3可以将采集到的图像数据进行灰度化处理得到灰度值二维数字矩阵，通过灰度均值数学模型运算得到图像灰度均值M，灰度均值M乘以在选定条件下标定得到的灰度系数K，计算得到构造深度值TD。
所述的测试箱2内设有将测试箱2分为上、下两部分的承载板7，所述的图像采集仪4设于测试箱2的内部，且固定于承载板7的上表面上，图像采集仪4可以采集路面表面构造的图像；
所述的数据传输装置5设于测试箱2的内部，所述的数据传输装置5的输入端与图像采集仪4相连，所述的数据传输装置5的输出端与图像处理器3相连；
数据传输装置5可以将图像采集仪4采集到的图像数据传递到图像处理器3中；
所述的承载板7的下表面上固定有日光灯6，所述的日光灯6与蓄电池20电连接；日光灯6为图像采集时提供恒定光源；承载板7具有足够的刚度和强度。
所述的四轮推车1上设有控制测试箱2移动的装置，该装置包括相互匹配的螺旋杆11和螺纹套筒12、变向齿轮组9以及控制把手10；
所述的螺纹套筒12通过连接部件19与测试箱2固定连接；所述的螺旋杆11顶端设有变向齿轮组9；
所述的变向齿轮组9用于控制测试箱2在水平方向或竖直方向上运动；
所述的变向齿轮组9上设有用于控制变向齿轮组9转动的控制把手10，通过控制变向齿轮组9转动，从而带动螺旋杆11上下竖直移动；
所述的变向齿轮组9可以将水平方向的转动变为竖直方向的升降，从而带动测试箱2上下竖直移动。
螺旋杆11可以带动螺纹套筒12上下竖直移动；
螺纹套筒12与测试箱2相连接，可以带动测试箱2上下竖直移动；
所述的图像处理器3上设有控制大空隙排水沥青路面构造深度测试仪的开启和关闭的电源开关14，所述的电源开关14与蓄电池20电连接；
所述的图像处理器3上还设有用于设置测量参数的设置按钮15；设置按钮15可以调节灰度系数的大小，以及测试间隔时间
所述的图像处理器3上设有用于显示测试结果和参数数据的显示屏13。
所述的图像处理器3上设有测量按钮和外部连接端口18。
所述的测量按钮包括单次测量按钮16和连续测量按钮17。当本发明装置处于工作状态时，按单次测量按钮16一次，则进行一次测试，得到一个结果；按连续测量按钮17一次，则以设定的时间间隔自动连续进行测试，再按连续测量按钮17一次，则结束测量。
外部连接端口18可以将测试设备内部存储数据导出，包括内部存储的图像、运行结果、测试时间等数据。
所述的测试箱2与螺纹套筒12、测试箱2与四轮推车1以及螺旋杆11与四轮推车1之间的连接均采用连接部件19相连，连接部件19的形状无限定，以便于连接为最优。
一种大空隙排水沥青路面构造深度的测量方法，基于上述的大空隙排水沥青路面构造深度测试仪进行测量，包括如下步骤：
步骤（1），将四轮推车1调整到需要测量构造深度的大空隙排水沥青路面上，转动控制把手10，带动变向齿轮组9转动，使得螺纹套筒12带动测试箱2，通过螺旋杆11上下竖直移动，直至调整耐磨挡板8与路面刚刚接触，但不妨碍四轮推车1行走为止；
步骤（2），打开电源开关14，此时固定在测试箱2内承载板7上的日光灯6亮起，为固定在测试箱2内承载板7上的图像采集仪4拍摄图像时提供恒定光源，测试箱2内光线仅由日光灯6提供，外界光线被测试箱2四周的遮光板遮住，按下设置按钮15，输入在选定条件下确定的灰度系数K值，按下测量按钮后，图像采集仪4对路面表面构造进行拍摄测量得到图像数据，然后经过数据传输装置5将图像数据传输到图像处理器3中进行灰度处理，得到灰度值二维数字矩阵，通过灰度均值数学模型运算得到图像灰度均值M，与在选定条件下标定的灰度系数K相乘，得到灰度均值M和灰度系数K的乘积即为构造深度值TD。
所述的灰度均值数学模型运算具体为：图像经过灰度化处理得到灰度值二维数字矩阵，求出灰度值的平均值，然后将灰度值二维数字矩阵划分为两个子灰度值矩阵，一个子灰度值矩阵所含n个灰度值都大于等于平均值，另一个子灰度值矩阵所含m个灰度值都小于平均值，然后分别将两个矩阵中所含灰度值与平均值相减，将所得偏差取绝对值后累加，再除以对应矩阵数据点的个数n和m，分别求出相应的灰度平均绝对偏差和，将两个灰度平均绝对偏差相加得灰度均值M。
按下单次测量按钮16，则设备通过图像采集仪4对路面表面构造进行一次拍摄测量，然后经过数据传输装置5将图像数据传输到图像处理器3，图像处理器3经过相应的运算，在显示屏13上显示一次测量结果，即构造深度值；按下连续测量按钮17，则设备会以设定的时间间隔进行连续试验测量，再按连续测量按钮17一次，则结束测量。测量结果保存在图像处理器3的存储器里，显示屏13上只显示最后一次测量得到的结果，可以通过外部连接端口18将测量的数据导出，包括图像采集仪4拍摄的图像、经过图像处理器3运算的结果、设备运行的时间等数据，从而进行相关的分析研究。
当测量完成时，先关闭电源开关14，缓慢转动控制把手10，将测试箱2上升至距离路面一定高度处，然后将四轮推车1移动到指定地点存放，此时应将四轮推车1的车轮固定于刹车状态，以保护试验设备。
以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。
Claims (7)
1.一种大空隙排水沥青路面构造深度测试仪，其特征在于，包括四轮推车（1）、测试箱（2）、图像处理器（3）、图像采集仪（4）和数据传输装置（5）；
所述的四轮推车上设有测试箱（2），所述的测试箱（2）四周具有遮光板，所述的测试箱（2）底部四周设有耐磨挡板（8）；
所述的测试箱（2）的上方设有内置蓄电池（20）的图像处理器（3），蓄电池（20）为大空隙排水沥青路面构造深度测试仪提供电源；
所述的测试箱（2）内设有将测试箱（2）分为上、下两部分的承载板（7），所述的图像采集仪（4）设于测试箱（2）的内部，且固定于承载板（7）的上表面上；
所述的数据传输装置（5）设于测试箱（2）的内部，所述的数据传输装置（5）的输入端与图像采集仪（4）相连，所述的数据传输装置（5）的输出端与图像处理器（3）相连；
所述的承载板（7）的下表面上固定有日光灯（6），所述的日光灯（6）与蓄电池（20）电连接；
所述的四轮推车（1）上设有控制测试箱（2）移动的装置，该装置包括相互匹配的螺旋杆（11）和螺纹套筒（12）、变向齿轮组（9）以及控制把手（10）；
所述的螺纹套筒（12）与测试箱（2）固定连接；所述的螺旋杆（11）顶端设有变向齿轮组（9）；
所述的变向齿轮组（9）用于控制测试箱（2）在水平方向或竖直方向上运动；
所述的变向齿轮组（9）上设有用于控制变向齿轮组（9）转动的控制把手（10）；
所述的图像处理器（3）上设有控制大空隙排水沥青路面构造深度测试仪的开启和关闭的电源开关（14），所述的电源开关（14）与蓄电池（20）电连接；
所述的图像处理器（3）上还设有用于设置测量参数的设置按钮（15）以及测量按钮。
2.根据权利要求1所述的大空隙排水沥青路面构造深度测试仪，其特征在于所述的图像处理器（3）上设有用于显示测试结果和参数数据的显示屏（13）。
3.根据权利要求1所述的大空隙排水沥青路面构造深度测试仪，其特征在于所述的图像处理器（3）上设有外部连接端口（18）。
4.根据权利要求1所述的大空隙排水沥青路面构造深度测试仪，其特征在于所述的测量按钮包括单次测量按钮（16）和连续测量按钮（17）。
5.根据权利要求1所述的大空隙排水沥青路面构造深度测试仪，其特征在于所述的测试箱（2）与螺纹套筒（12）、测试箱（2）与四轮推车（1）以及螺旋杆（11）与四轮推车（1）之间的连接均采用连接部件（19）相连。
6.一种大空隙排水沥青路面构造深度的测量方法，基于权利要求1-5任意一项所述的大空隙排水沥青路面构造深度测试仪进行测量，其特征在于，包括如下步骤：
步骤（1），将四轮推车（1）调整到需要测量构造深度的大空隙排水沥青路面上，转动控制把手（10），带动变向齿轮组（9）转动，使得螺纹套筒（12）带动测试箱（2），通过螺旋杆（11）上下竖直移动，直至调整耐磨挡板（8）与路面刚刚接触，但不妨碍四轮推车（1）行走为止；
步骤（2），打开电源开关（14），按下设置按钮（15），输入在选定条件下确定的灰度系数K值，按下测量按钮后，图像采集仪（4）对路面表面构造进行拍摄测量得到图像数据，然后经过数据传输装置（5）将图像数据传输到图像处理器（3）中进行灰度处理，得到灰度值二维数字矩阵，通过灰度均值数学模型运算得到图像灰度均值M，与在选定条件下标定的灰度系数K相乘，得到灰度均值M和灰度系数K的乘积，即为构造深度值TD。
7.根据权利要求6所述的大空隙排水沥青路面构造深度的测量方法，其特征在于，所述的灰度均值数学模型运算具体为：图像经过灰度化处理得到灰度值二维数字矩阵，求出灰度值的平均值 ，然后将灰度值二维数字矩阵划分为两个子灰度值矩阵，一个子灰度值矩阵所含n个灰度值都大于等于平均值，另一个子灰度值矩阵所含m个灰度值都小于平均值，然后分别将两个矩阵中所含灰度值与平均值相减，将所得偏差取绝对值后累加，再除以对应矩阵数据点的个数n和m，分别求出相应的灰度平均绝对偏差和，将两个灰度平均绝对偏差相加得灰度均值M。
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