CN107807082B

CN107807082B - 基于激光扫描的沥青混合料断面空隙的测定方法

Info

Publication number: CN107807082B
Application number: CN201710979330.3A
Authority: CN
Inventors: 刘万康; 周兴林; 李俊; 肖神清
Original assignee: Wuhan University of Science and Engineering WUSE
Current assignee: Wuhan University of Science and Engineering WUSE
Priority date: 2017-10-19
Filing date: 2017-10-19
Publication date: 2020-08-04
Anticipated expiration: 2037-10-19
Also published as: CN107807082A

Abstract

本发明涉及沥青混合料性能评价方法领域，尤其涉及一种基于激光扫描的沥青混合料断面空隙的测定方法。本发明所设计的基于激光扫描的沥青混合料断面空隙的测定方法包括以下步骤：1)制备马歇尔试件，2)扫描试件的断面：3)利用图像分析软件对采集到的断面扫描原图像依次经过图像增强预处理和阈值分割处理后得到断面扫描优化图像；4)测量断面空隙指标；5)统计计算断面空隙特征。本发明提供的基于激光扫描的沥青混合料断面空隙的测定方法能够更加全面、准确地测量沥青混合料内部空隙特征。

Description

基于激光扫描的沥青混合料断面空隙的测定方法

技术领域

本发明涉及沥青混合料性能评价方法领域，尤其涉及一种基于激光扫描的沥青混合料断面空隙的测定方法。

背景技术

沥青混合料的空隙特征是沥青路用性能的主要影响因素，它与沥青路面的抗渗性，耐久性，高温稳定性密切相关。沥青混合料的空隙特征主要包括空隙率，空隙数量，平均空隙直径等参数。

目前，工程实践中通过体积法测定空隙率来评价混合料的空隙特征，然而空隙率只能从整体上反映试件的平均空隙水平，尚不够精细和全面。例如，工程实践中常出现空隙率及成型方式完全相同的沥青混合料却有着不同路用性能的情形，表明单一的空隙率指标无法全面精细地评价混合料的空隙状态，混合料的内部空隙特征(包括空隙率，空隙数量，平均空隙直径等参数)才是准确评价混合料的空隙状态的关键。

当前，测试沥青混合料内部空隙特征的常用方法有X-ray CT扫描和CCD相机拍照两种，前者属于无损检测而后者需切割试件。CT无损扫描的原理是借助混合料内部集料、沥青和空隙等三种组分对射线吸收程度不同，分析X-ray穿透不同物质后的衰减及分布规律从而获取试件内部信息，其缺点是CT成像模糊不清并且难以准确区分识别集料和沥青的边界。而采用CCD相机拍摄试件内部断面有着成像清晰、易于识别的特点，然而CCD拍照原理是感光元件CCD将光线转换成电荷，而每个原件上的电荷量取决于其所受光照强度，光照过强或光照不均都会导致CCD拍照成像后期的图像测量误差。因此，CCD拍照方法受光照条件干扰较大。因此，提出一种全面、准确的测量沥青混合料内部空隙特征的方法是目前亟待解决的问题。

发明内容

为解决以上问题，本发明的目的是提供一种基于激光扫描的沥青混合料断面空隙的测定方法，能够更加全面、准确地测量沥青混合料内部空隙特征。

为实现上述目的，本发明所设计的基于激光扫描的沥青混合料断面空隙的测定方法包括以下步骤：

1)制备马歇尔试件：按照标准JTG E20-2011《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》制备马歇尔试件，然后沿马歇尔试件中部高度处水平切割试件；

2)扫描试件的断面：利用扫描仪采集马歇尔试件断面扫描原图像；

3)数字图像处理：利用图像分析软件对采集到的断面扫描原图像依次经过图像增强预处理和阈值分割处理后得到断面扫描优化图像；

4)测量断面空隙指标：在图像分析软件选取断面扫描优化图像的有效测量区域，然后自动获取优化图像中有效测量区域内断面空隙指标，断面空隙指标包括计数值、对象面积除以有效测量面积、空隙平均直径以及对象面积；

5)统计计算断面空隙特征：根据所得的断面空隙参数，按照式1～4计算断面空隙数量、断面空隙面积、断面空隙平均直径和断面空隙率参数；其中n为断面空隙数量；Area为对象面积，per/Area为对象面积除以有效测量面积，Diameter(mean)为空隙平均直径，count为计数值；

n＝max{Count_i} 式(1)

作为优选方案，所述图像分析软件为Image-pro plus软件。

作为优选方案，所述步骤2)中扫描仪的参数设置为：扫描速度5ppm，色深24位，分辨率为600ppi。

本发明的优点在于：本发明基于激光扫描的沥青混合料断面空隙的测定方法能够测量沥青混合料断面空隙特征，包括空隙数量、断面空隙面积、断面空隙平均直径和断面空隙率参数，能够全面地评价量沥青混合料的空隙状态，而且采用扫描仪直接扫描沥青混合料断面不仅节约成本，易于操作而且能准确地测量出断面空隙特征。

附图说明

图1为实施例中步骤3)A试件的数字图像处理流程图；

图2为实施例中步骤4)A试件的断面空隙指标测量图；

图3为采用传统的X-ray CT扫描技术得到的试件断面成像图；

图4为采用传统的CCD拍照技术得到的试件断面成像图；

图5为采用本发明激光扫描技术得到A试件的断面成像图；

集料1、沥青2、空隙3。

具体实施方式

为更好地理解本发明，以下将结合附图和具体实例对发明进行详细的说明。

为解决现有技术中存在的问题，本发明提供一种基于激光扫描的沥青混合料断面空隙的测定方法，其采用激光扫描的方式采集沥青混合料断面图像，并通过图像分析软件对断面图像进行数字处理得到断面扫描优化图像，根据断面扫描优化图像进行空隙识别和自动测量空隙指标，最后通过计算获得断面空隙特征。以下将通过具体的实施例来对本发明的基于激光扫描的沥青混合料断面空隙的测定方法的优选方式进行详细地说明。

基于激光扫描的沥青混合料断面空隙的测定方法，包括以下步骤：

1)制备马歇尔试件：按照标准JTG E20-2011《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》制备4块马歇尔试件，分别为A试件、B试件、C试件、D试件；然后沿试件中部高度处水平分别切割4块试件；制备A试件、B试件、C试件、D试件的具体过程为：

4块试件均采用灰岩集料、秦皇岛70#基质沥青、4.8％的油石比，且以AC-16型为基准级配按照表1所示的级配制备而得，其中A试件的4.75mm通过率为33％，B试件4.75mm通过率为30％，C试件4.75mm通过率为27％，D试件4.75mm通过率为24％。参照JTG E20-2011《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》，采用75次/面双面击实法成型标准马歇尔试件，然后，采用混凝土切割机从试件高度1/2处沿水平方向分别切割4块试件，然后对试件断面进行清水冲洗和晾干操作。制备得到的马歇尔试件尺寸为直径101.6mm×高63.5mm或直径152.4mm×高95.3mm。

表1沥青混合料级配

2)扫描试件的断面：采用惠普HP M126a型多功能打印扫描一体机对切割后的4块试件进行断面激光扫描，开始扫描前设置扫描参数，具体参数为，扫描速度5ppm、色深24位，分辨率600dpi，将扫描原图存储为JPG图片格式。

3)数字图像处理：A试件的断面数字图像处理的流程如图1所示，B试件、C试件和D试件与A试件的操作过程相同，在此不再赘述。

首先利用图像分析软件Image-pro plus对采集到的A试件断面扫描原图(如图1中的3a所示)经过对比增强处理得到如图1中的3b所示的图像，再经过反相去斑处理得到如图1中的3c所示的图像，然后经过锐化滤波处理得到如图1中的3d所示的图像，最后对3d所示的图像进行阈值分割处理用以识别断面图像中的空隙，阈值分割处理后得到如图1中的3e所示的图像，其中集料1、沥青2、空隙3均被识别，而且分别呈现黑色、白色以及深蓝色。

A、B、C和D试件的断面图像经过步骤3)的数字图像处理后得到A、B、C和D试件的断面优化图像。

经过对比增强、反相去斑和锐化滤波处理可使断面图像中集料、沥青、空隙组分的边缘更加清晰突出，可将细微像素点进行同类填充，降低空隙识别的误差。

Image-pro plus软件的可视化程度较高，其处理过程比Matlab编程方式有更强的“即调即显”的可视化特点。

4)测量断面空隙指标：具体操作过程为，以A试件为例，首先在Image-pro plus软件中校准空间坐标，即设定A试件断面优化图像的直径长度均为101.6mm，然后选取断面优化图像区域为有效测量区域(Area of interest)；然后，选取count(计数值)、per/Area(对象面积除以有效测量面积)、Diameter(mean)(平均直径)、Area(对象面积)测量参数；最后，手动选择深蓝色所代表的空隙区域作为测量对象，并单击“计数/测量”进行自动测量，即得到自动获取断面优化图像中有效测量区域内断面空隙指标，断面空隙指标包括count(计数值)、per/Area(对象面积除以有效测量面积)、Diameter(mean)(平均直径)以及Area(对象面积)；其中，Diameter(mean)(平均直径)是过单个空隙质心并以2°为间隔所作空隙切线的长度均值。

A试件经过断面空隙指标测量后得到如图2所示的断面空隙指标测量图，A试件采集的部分空隙指标如表2所示，

表2 A试件部分空隙指标原始数据

表2中，长度单位为mm，面积单位是mm²。

5)统计计算断面空隙特征参数：将步骤4)所得的断面空隙指标导入Execl表格，按照式1～4进行计数和求均值操作，最终获取断面空隙特征(包括断面空隙率、断面空隙数量、断面空隙平均直径和断面空隙面积参数)；其中n为断面空隙数量；Area为对象面积，per/Area为对象面积除以有效测量面积，Diameter(mean)为空隙平均直径，count为计数值；

n＝max{Count_i} 式(1)

经过式1～4计算后得到A、B、C和D试件的断面空隙特征如表3所示：

表3沥青混合料的断面空隙特征表

从表3来看，本方法可有效、精细地测量马歇尔试件断面的空隙特征，包括断面空隙数量、断面空隙面积、断面空隙平均直径和断面空隙率参数。

为了验证本发明的基于激光扫描的沥青混合料断面空隙的测定方法的可靠性和可行性，将本发明基于激光扫描的沥青混合料断面空隙的测定方法得到的结果与体积法实测的空隙率进行对比；体积法实测空隙率结果见表4；

表4沥青混合料体积参数

将表3中的断面空隙率与表4中的实测空隙率对比可知，激光扫描法所测的中部断面空隙率与体积法实测的空隙率较为接近，相同级配条件下，体积法实测的空隙率比试件1/2高度处水平断面的断面空隙率高出0.4％左右。其原因在于，双面击实成型的试件其承受压力从两端向中间传递，因此试件两端紧密程度高于中部。可见，本方法的测试结果与当前研究结论吻合，这也验证了本方法的可靠性与可行性。

同时，断面空隙率精度达到千分位，本方法测量精度比体积法实测空隙率更高，原因在于图像测量可实现像素级别的对象识别及测量。

为了验证本发明基于激光扫描的沥青混合料断面空隙的测定方法相比于传统的X-ray CT扫描、CCD相机拍照具有光照均匀和成像清晰的特点，本发明将经传统的CT扫描技术得到的试件断面成像图(如图3)、经传统的CCD拍照技术得到的试件断面成像图(如图4)与采用本发明的激光扫描所得的A试件断面成像图(如图5)进行对比可见，X-ray CT扫描法所获取的试件断面图像(如图3)比较模糊，集料、沥青和空隙三者边缘难以有效精确地辨识，这为后期图像处理过程中精确识别空隙轮廓增加了难度和误差来源。而相同条件下制备的马歇尔试件切割后，其CCD拍照获取的断面图像数字图像处理后明显存在光照强度不均匀的特点，由于CCD相机有聚焦功能，数字图像处理后的断面图像出现了局部清晰但部分边缘模糊的现象。相比之下，本方法采用激光扫描获取的断面图像经数字图像处理后，从边界辨识来看，集料、沥青和空隙三者边缘界限清晰、易于识别；从图像特点来看，本方法成像光照强度均匀并且全幅图像均清晰可见不存在局部模糊的弊端。因此，本方法相较于当前常用的CT扫描法和CCD拍照法具有光照均匀和成像清晰的优点，克服了既有方法的缺陷。

综上所述，本发明相比于现有技术，具有的优点有：

1)本发明基于激光扫描的沥青混合料断面空隙的测定方法能够全面测量沥青混合料断面空隙特征，包括空隙数量、断面空隙面积、断面空隙平均直径和断面空隙率参数；

2)本发明首次提出将扫描仪应用于沥青混合料断面图片采集，而且得到的断面图片相比于传统CT扫描法和CCD拍照法，获得的图像界限清晰、易于识别，成像光照强度均匀并且全幅图像均清晰可见；本发明利用扫描仪直接扫描沥青混合料断面不仅节约成本，易于操作而且通过扫描仪得到的断面图像具有意想不到的效果。

3)本发明采用为Image-pro plus图像分析软件，Image-pro plus软件的可视化程度较高，其处理过程比其他编程方式有更强的“即调即显”的可视化特点，而且经过Image-pro plus图像分析软件的数字图像处理，使断面图像中集料、沥青、空隙组分的边缘更加清晰突出，有利于空隙轮廓识别。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims

1.一种基于激光扫描的沥青混合料断面空隙的测定方法，其特征在于：包括以下步骤：

5)统计计算断面空隙特征参数：根据所得的断面空隙参数，按照式1～4计算断面空隙数量、断面空隙面积、断面空隙平均直径和断面空隙率参数；其中n为断面空隙数量；Area为对象面积，per/Area为对象面积除以有效测量面积，Diameter(mean)为空隙平均直径，count为计数值；

n＝max{Count_i} 式(1)

所述图像分析软件为Image-pro plus软件；

步骤2)中扫描仪的参数设置为：扫描速度5ppm，色深24位，分辨率为600ppi。