CN110610515A - 精确确定骨料表面沥青包覆面积和包覆率的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种通过三维扫描重建技术获得骨料的三维实体模型进而精确确定骨料表面沥青包覆面积和包覆率的方法，本发明首先扫描并重建包覆沥青前、包覆沥青水煮后的骨料高精度三维实体模型以及水煮后残留在骨料表面的沥青高精度三维实体模型；之后计算三个实体模型的表面积；最后用得到的三个面积计算得到精确的骨料表面沥青包覆面积和包覆率，本发明的特点在于：1)可获得骨料表面沥青包覆面积的精确值；2)可得到骨料表面沥青包覆率的精确结果，为确定沥青与骨料的黏附性等级提供精确依据；3)适用于各类不规则形状骨料，本发明在沥青混凝土工程中具有广阔的应用前景。

Description

精确确定骨料表面沥青包覆面积和包覆率的方法
技术领域
本发明涉及沥青混凝土技术领域，具体为一种通过三维扫描重建技术精确确定骨料表面沥青包覆面积和包覆率的方法。
背景技术
沥青混凝土被大量应用于公路工程和水利工程中。沥青与骨料的黏附性是影响工程使用寿命的重要因素。从20世纪30年代以来，科研工作者提出了许多评定沥青与骨料黏附性的试验方法，最常用的是水煮法，即骨料表面包覆沥青后在微沸的水中浸煮3分钟时间，取出骨料，通过肉眼观察估计骨料表面的沥青包覆率(即骨料表面被沥青包覆的表面积与骨料被包覆前的初始表面积的比值)，进而确定沥青与骨料的黏附性等级。但由于骨料形状不规则，肉眼估计方法受观察者的经验影响非常大，估得的骨料表面沥青包覆率误差很大，影响沥青与骨料黏附性等级的评定；同时肉眼也无法确定骨料表面的沥青包覆面积。
基于此，本发明提供了精确确定骨料表面沥青包覆面积和包覆率的方法，以解决上述提到的问题。
发明内容
本发明的目的在于提供精确确定骨料表面沥青包覆面积和包覆率的方法，以解决上述背景技术中提出的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：精确确定骨料表面沥青包覆面积和包覆率的方法，包括以下具体步骤：
S1：利用三维扫描重建技术和三维实体布尔运算，获得骨料在包覆沥青前、包覆沥青水煮后的高精度三维实体模型，以及水煮后骨料表面残留沥青的高精度三维实体模型；
S2：利用数字图像处理技术获得包覆沥青前的骨料初始表面积S0、包覆沥青水煮后的骨料和残留沥青的总表面积S1以及水煮后骨料表面残留沥青外表面积S2；
S3：基于S0、S1和S2，计算得到骨料表面沥青包覆面积S和包覆率R。
优选的，获取所述骨料三维实体模型的三维扫描重建技术包括以下两步：对骨料进行扫描，获得完整的骨料表面三维点云数据；对三维点云数据进行三角网格化重构骨料的表面信息，得到由三角形面片围成的高精度骨料三维实体模型。
优选的，所述三维实体模型的各表面积是通过计算实体模型表面所包含的三角形面片的总面积得到的精确值。
优选的，所述骨料表面沥青包覆面积S即骨料被沥青包覆的表面积，是通过计算包覆沥青前的骨料初始表面积S0和水煮后未被沥青覆盖的表面积的差值得到的精确值，所述水煮后未被沥青覆盖的表面积是通过计算包覆沥青水煮后的骨料和残留沥青的总表面积S1与水煮后骨料表面残留沥青外表面积S2的差值得到的精确值。
优选的，所述包覆率R是通过计算骨料表面沥青包覆面积S和包覆沥青前的骨料初始表面积S0的比值得到的精确值。
优选的，所述三维扫描重建技术所用光源为白光、蓝光、红光、紫光、激光、结构光、调变光中的一种或几种。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1、可以精确得到骨料表面沥青包覆面积。本发明所用的三维扫描技术的扫描识别精度为0.05mm，可得到骨料表面沥青包覆面积的精确值；
2、可以得到精确的沥青包覆率。肉眼估计的沥青包覆率与观测者的经验有关，误差大；本发明根据骨料表面沥青包覆面积计算得到沥青包覆率，消除了人为因素的影响，同时计算过程中还消除了沥青厚度对计算结果的影响，计算结果更客观、准确，精度远高于肉眼估读，可认为是精确值。
3、适用性好。对骨料的形状无要求，可获得不规则骨料的表面沥青包覆面积和包覆率；
4、方便快捷。骨料的三维扫描重建和表面积处理分析操作简单，容易上手。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明白光三维扫描原理示意图；
图2为本发明骨料向三维实体模型转换流程图；
图3为本发明骨料表面沥青包覆面积计算原理示意图；
图4为本发明包覆沥青前的初始骨料三维形貌图；
图5为本发明包覆沥青水煮后的骨料三维形貌图；
图6为本发明水煮后残留在骨料表面的沥青三维形貌图；
图7为本发明所得骨料表面沥青包覆率与目测值对比表图。
附图中，各标号所代表的部件列表如下：
1、光发射器；2、光栅；3、摄像头；4、被扫描骨料；5、包覆沥青水煮后的骨料和残留沥青的总表面积；6、水煮后骨料表面残留沥青的外表面积；7、水煮后未被沥青覆盖的表面积；8、包覆沥青前的骨料初始表面积；9、骨料表面沥青包覆面积。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
请参阅图1-7，本发明提供一种技术方案：精确确定骨料表面沥青包覆面积和包覆率的方法，包括以下具体步骤：S1：利用三维扫描重建技术和三维实体布尔运算，获得骨料在包覆沥青前、包覆沥青水煮后的高精度三维实体模型，以及水煮后骨料表面残留沥青的高精度三维实体模型；
S2：利用数字图像处理技术获得包覆沥青前的骨料初始表面积S0、包覆沥青水煮后的骨料和残留沥青的总表面积S1以及水煮后骨料表面残留沥青外表面积S2；
S3：基于S0、S1和S2，计算得到骨料表面沥青包覆面积S和包覆率R。
其中，获取所述骨料三维实体模型的三维扫描重建技术包括以下两步：对骨料进行扫描，获得完整的骨料表面三维点云数据；对三维点云数据进行三角网格化重构骨料的表面信息，得到由三角形面片围成的高精度骨料三维实体模型。所述三维实体模型的各表面积是通过计算实体模型表面所包含的三角形面片的总面积得到的精确值。
其中，所述骨料表面沥青包覆面积S是通过计算包覆沥青前的骨料初始表面积S0和水煮后未被沥青覆盖的表面积的差值得到的精确值，所述水煮后未被沥青覆盖的表面积是通过计算包覆沥青水煮后的骨料和残留沥青的总表面积S1与水煮后骨料表面残留沥青外表面积S2的差值得到的精确值。
其中，所述包覆率R是通过计算骨料表面沥青包覆面积S和包覆沥青前的骨料初始表面积S0的比值得到的精确值。
其中，所述三维扫描重建技术所用光源为白光、蓝光、红光、紫光、激光、结构光、调变光中的一种或几种。
本发明的核心是利用白光(即混合光)三维扫描重建技术获得骨料的高精度三维实体模型。其基本原理为：从光发生器发出有粗细及位移变化的特定光栅条纹，投射到待测骨料表面，借助两个高分辨率数码相机对光栅干涉条纹进行拍照；利用光学拍照定位技术和光栅测量原理对获得的数据进行处理，获得骨料表面各个点数据在空间中的位置，重建得到骨料表面的完整点云原始数据如图1；对原始点云数据进行优选处理，对照扫描骨料消除体外离群点等坏点和噪点；对离散点云进行网格划分，生成多边形网格，即获得封装重构的多边形网格数据；分别在优选阶段和封装后阶段运用图像增强技术，对点云数据进行对齐拼接、去噪、简化等操作，对多边形网格数据进行补洞、平滑、锐化等处理，最终构造出真实可量测的三维实体模型如图2。三维实体模型表面是由多边形组成，重建实体模型后通过计算实体模型表面所包含的多边形面积即得到该模型的表面积。
骨料表面沥青包覆面积为骨料被沥青包覆的表面积，骨料表面沥青包覆率为骨料表面沥青包覆面积与包覆沥青前的骨料初始表面积的比值。包覆沥青前的骨料模型所测得的初始表面积可由骨料表面沥青包覆面积与水煮后未被沥青覆盖的表面积之和表示，包覆沥青水煮后的骨料模型所测得的表面积可由水煮后未被沥青覆盖的表面积与水煮后骨料表面残留沥青的外表面积之和表示，其中水煮后未被沥青覆盖的表面积为水煮后骨料表面裸露的面积。计算过程中，为消除沥青厚度不均匀产生的影响，得到更准确的计算结果，首先采用“包覆沥青水煮后的骨料和残留沥青的总表面积-水煮后骨料表面残留沥青的外表面积”得到水煮后未被沥青覆盖的表面积，其中，对包覆沥青前与包覆沥青水煮后的两个模型进行布尔运算得到水煮后残留在骨料表面的沥青模型，计算该模型外表面积即可得到水煮后骨料表面残留沥青的外表面积，然后采用“包覆沥青前的骨料初始表面积-水煮后未被沥青覆盖的表面积”得到骨料表面沥青包覆面积如图3，进而得到骨料表面沥青包覆率。根据上述原理，骨料表面沥青包覆面积和包覆率的确定主要分为以下四步：
1、运用白光扫描重建技术和图像增强技术获取包覆沥青前的骨料初始三维重建模型M0，并求得其表面积S0；
2、获取包覆沥青水煮后的骨料三维重建模型M1，并求得其表面积S1；
3、在三维空间中将包覆沥青前的骨料初始模型M0和包覆沥青水煮后的骨料模型M1的基准点或形貌特征点对齐，用M1减去M0(布尔操作)，获得水煮后残留在骨料表面的沥青三维模型M2，计算其外表面积S2；
4、代入公式计算得到骨料表面沥青包覆面积S和包覆率R，计算公式分别为：S＝S0-(S1-S2)、R＝S/S0×100％。
实施例：
1、骨料固定于一个可水平旋转的平台上，利用白光三维扫描技术，扫描得到骨料的初始点云模型；为消除扫描盲区，可扫描三次，每次得到点云模型并去除离群点和噪点后将骨料翻转并重新扫描，最终对齐拼接获得完整的骨料初始点云模型。利用简化点云数据、三角形网格划分离散点云等操作，将点云转化为三角面片，图像增强处理(补洞、平滑、锐化)后即可得到完整的骨料初始时的三维实体模型M0，如图4，三维实体模型由三角形面片围成，计算模型M0表面所包含的三角形面片的总面积即可精确获得其表面积S0；
2、在加热后的液态沥青中对骨料进行沥青包覆，冷却后置于微沸的水中浸煮3分钟，再次冷却后得到较稳定的沥青包覆状态，置于转台上，同第一步，获得包覆沥青水煮后的骨料三维实体模型M1，如图5，计算其表面积S1。同时目测包覆沥青水煮后骨料的沥青包覆率，此时肉眼无法精确确定骨料表面沥青包覆面积；
3、将骨料初始模型M0与包覆沥青水煮后的骨料三维实体模型M1进行对齐操作，对齐后方可进行布尔操作以获得水煮后残留在骨料表面的沥青三维实体模型M2。对齐方式有两种：对于沥青包覆率较低的骨料，沥青包覆下骨料的裸露区域特征较明显，此时以骨料初始模型M0为基础，选取包覆沥青水煮后骨料模型M1中裸露的特征点，以及与之相对应的骨料初始模型M0中的特征点作为基准点，至少选取三对基准点，使得二者在空间上对齐；对于沥青包覆率较高的骨料，固定骨料初始模型M0，根据骨料形貌特征自动调整包覆沥青水煮后的骨料模型M1，使得二者在空间上达到最优重合；
4、用对齐后的M1模型减去M0模型(布尔操作)，获得水煮后残留在骨料表面的沥青三维实体模型M2，如图6，计算其外表面积S2。
5、将包覆沥青前的骨料初始表面积S0、包覆沥青水煮后的骨料和残留沥青的总表面积S1和水煮后骨料表面残留沥青的外表面积S2代入公式S＝S0-(S1-S2)，可以确定高精度骨料表面沥青包覆面积。其中(S1-S2)是指水煮后骨料表面未被沥青覆盖的表面积。将骨料表面沥青包覆面积S和包覆沥青前的骨料初始表面积S0代入公式R＝S/S0×100％。即可确定高精度骨料表面沥青包覆率。
取9个骨料，按照上述实施方法得到包覆沥青前的骨料初始表面积S0、水煮后未被沥青覆盖的表面积S1-S2、骨料表面沥青包覆面积S、本发明计算结果(包覆率和黏附性等级)、目测值(包覆率和黏附性等级)以及包覆率的相对误差和黏附性等级的一致性，如图7所示，为所得骨料表面沥青包覆率与目测值对比表图。
由图7可以看出，按照本专利实施方法可以精确地确定骨料表面沥青包覆面积，精度高，相比肉眼优势明显。
由图7还可看出，本技术可得到精确的骨料表面沥青包覆率，依据该包覆率做出的沥青与骨料的黏附性等级分类准确，而肉眼有很大的误差。如骨料1～6，水煮后包覆率在70％～90％，沥青与骨料的黏附性等级属于3级；但肉眼估计法估计的包覆率相对误差最大可达24.8％，且6个骨料中有5个黏附性等级分类错误。骨料7～9，水煮后包覆率均在90％以上，沥青与骨料的黏附性等级属于4级；肉眼估计法估计的包覆率相对误差最大可达10.5％，且3个骨料得到3个不同的黏附性等级，两个分类错误。由以上分析可看出，应用本技术可精确得到骨料表面沥青包覆面积，进而可求得精确的沥青包覆率，进而可得到准确的沥青与骨料的黏附性等级分类。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“示例”、“具体示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
以上公开的本发明优选实施例只是用于帮助阐述本发明。优选实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为所述的具体实施方式。显然，根据本说明书的内容，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地理解和利用本发明。本发明仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。

Claims (6)

1.精确确定骨料表面沥青包覆面积和包覆率的方法，其特征在于：包括以下具体步骤：
S1：利用三维扫描重建技术和三维实体布尔运算，获得骨料在包覆沥青前、包覆沥青水煮后的高精度三维实体模型，以及水煮后骨料表面残留沥青的高精度三维实体模型；
S2：利用数字图像处理技术获得包覆沥青前的骨料初始表面积S0、包覆沥青水煮后的骨料和残留沥青的总表面积S1以及水煮后骨料表面残留沥青外表面积S2；
S3：基于S0、S1和S2，计算得到骨料表面沥青包覆面积S和包覆率R。
2.根据权利要求1所述的精确确定骨料表面沥青包覆面积和包覆率的方法，其特征在于：获取所述骨料三维实体模型的三维扫描重建技术包括以下两步：对骨料进行扫描，获得完整的骨料表面三维点云数据；对三维点云数据进行三角网格化重构骨料的表面信息，得到由三角形面片围成的高精度骨料三维实体模型。
3.根据权利要求2所述的精确确定骨料表面沥青包覆面积和包覆率的方法，其特征在于：所述三维实体模型的各表面积是通过计算实体模型表面所包含的三角形面片的总面积得到的精确值。
4.根据权利要求1所述的精确确定骨料表面沥青包覆面积和包覆率的方法，其特征在于：所述骨料表面沥青包覆面积S即骨料被沥青包覆的表面积，是通过计算包覆沥青前的骨料初始表面积S0和水煮后未被沥青覆盖的表面积的差值得到的精确值，所述水煮后未被沥青覆盖的表面积是通过计算包覆沥青水煮后的骨料和残留沥青的总表面积S1和水煮后骨料表面残留沥青外表面积S2的差值得到的精确值。
5.根据权利要求1所述的精确确定骨料表面沥青包覆面积和包覆率的方法，其特征在于：所述包覆率R是通过计算骨料表面沥青包覆面积S和包覆沥青前的骨料初始表面积S0的比值得到的精确值。
6.根据权利要求1所述的精确确定骨料表面沥青包覆面积和包覆率的方法，其特征在于：所述三维扫描重建技术所用光源为白光、蓝光、红光、紫光、激光、结构光、调变光中的一种或几种。
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