CN115876661A - 一种基于三维探地雷达图像的沥青路面空隙率评价方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于三维探地雷达图像的沥青路面空隙率评价方法，通过在实验室内制备不同空隙率的沥青混合料车辙板试件，利用小型三维探地雷达测得检测，利用改进共中心点法建立试件厚度与电磁波在试件内部的传播速度及试件介电常数的关系，同时测量得出试件的空隙率，将试件介电常数与空隙率再进行拟合。在实际路面检测中，对三维探地雷达检测得到的图像，则利用Canny边缘检测图像处理得到沥青面层厚度，再根据上述关系式进而得到实际沥青路面面层的空隙率。

Description

一种基于三维探地雷达图像的沥青路面空隙率评价方法

技术领域

本发明涉及道路无损检测方法，尤其涉及一种用于评价沥青路面孔隙率的三维探地雷达检测方法。

背景技术

沥青面层作为路面主要结构受力层，其压实质量对新建路面的路用性能和使用寿命具有重要影响。沥青面层压实质量的评价指标为压实空隙率。对于密级配沥青混合料，压实空隙率范围应控制在3％～8％之间，空隙率每超过上限值1％，路面寿命相应降低约10％。在施工过程中，空隙率主要受压路机压实参数及压实温度影响，压实不足或过压都可导致沥青混合料空隙率超出控制范围。因此，在施工过程中应严格控制现场空隙率，以保证沥青路面全寿命周期内的服务质量。

传统的路面空隙率检测主要有钻芯法和无核密度仪：钻芯法不仅破坏了路面结构的完整性而且以点代面，不能很好地代表整条道路的性能；通过核子密度仪或者无核密度仪对路面空隙率进行检测的方法，虽然保留了路面的完整性，但仪器价格昂贵，且对操作员要求高，同样也存在以点代面的问题。无核密度仪虽可进行无损检测，但该方式同样只可对离散点进行检测，检测效率较低，并且检测值受路面温度和湿度影响，检测精度及稳定性较差，亦不适用于沥青面层压实质量实时监控。

另外，国内已有发明专利利用探地雷达实现沥青路面空隙率的检测。一种基于探地雷达的沥青混凝土路面孔隙率检测方法(2018年7月27日公开，专利号：CN108333096A)，公开了一种基于探地雷达的沥青混凝土路面孔隙率检测方法，通过实验室制备沥青混合料试件利用探地雷达设备测定其空隙率再与探地雷达获取的介电常数拟合。该方法在实际路面快速检测中存在缺陷，需要对路面取芯样进行测试，具有破坏性且代表性不强，无法直接从探地雷达检测图像中获取沥青路面空隙率。

发明内容

发明目的：本发明的目的是提供一种能实现迅速、无损检测沥青路面面层及基层孔隙率的评价沥青路面孔隙率的三维探地雷达检测方法。

技术方案：本发明的沥青路面空隙率评价方法，包括以下步骤：

S1，制备若干块空隙率不同、厚度不同的沥青混合料车辙板试件，从四个顶点、边线中点及中心点分别测量试件的厚度h，用介电常数测试系统测试车辙板试件相同位置处的介电常数ε；

S2，根据沥青混合料配合比设计计算试件的理论密度G_mm，测量试件的干密度G_mb，据此计算得到试件的空隙率V_a；

S3，根据改进共中心点法获取试件厚度h与雷达波在路面内部传播速度v及介电常数之间的关系；

S4，将试件的介电常数ε与试件的空隙率V_a进行拟合，得到二者的回归关系模型，结合S3中建立的试件厚度h与介电常数ε的关系，得到试件厚度h与空隙率V_a之间的拟合关系；

S5，在实际新建或者运营道路，利用大型车载三维探地雷达获取沥青路面面层的雷达图像，通过Canny边缘检测从探地雷达检测图像中提取面层厚度，利用步骤S4中建立的拟合关系实现面层空隙率的自动检测。

进一步，步骤S1中，制备3至5块空隙率不同的沥青混合料车辙板试件；

用介电常数测试系统获取沥青混合料车辙板试件不同点位介电常数ε：

其中，A_max为测点的最大谐振值。

进一步，步骤S2中，空隙率V_a计算公式如下：

进一步，步骤S3中，利用改进共中心点法获取试件厚度h与雷达波在路面内部传播速度v及介电常数ε之间的关系的详细实现步骤如下：

S31，设三维探地雷达距离路面的距离为h₀，地面第一反射层(面层)距离地面的深度为h₁，探地雷达的发射器与接收器的距离为l₀，空气介质的介电常数为1；则电磁波在空气中的传播满足公式如下：

在沥青路面内部传播满足公式如下：

其中，c和v分别为电磁波在空气和沥青混合料中的传播速度，t₁和t₂分别为电磁波在空气和沥青混合料中的传播时间，l₁为探地雷达发射天线的电磁波在沥青混合料入射点与出射点的距离；

S32，设探地雷达发射器的雷达波以α₁角度进入沥青混合料，以α₂角度进行折射，则电磁波进入沥青混合料的角度满足公式如下：

电磁波反射出沥青混合料的角度满足公式如下：

沥青混合料介电常数满足公式如下：

S33，根据探地雷达电磁波在沥青混合料内部传播满足如下公式：

得出试件厚度h与雷达波在路面内部传播速度v及介电常数ε之间的关系式：

其中，T＝t₁+t₂，能直接从雷达图谱上得出。

进一步，步骤S5中，通过Canny边缘检测从探地雷达检测图像中提取面层厚度的详细实现步骤如下：

S51，对原始探地雷达检测图像进行灰度转换；

S52，选定阈值T₁、T₂，其中T1为高阈值，能够将提取的厚度边缘特征与背景区分开；T2为低阈值，能够平滑边缘的轮廓；利用edge函数对灰度图进行处理，检测出图像中所有的边缘，其中阈值T₁、T₂由edge函数自动计算得到；

S53，在处理后的雷达图像中，沥青面层与基层的分界面呈现为在水平方向上的两条连续贯通、相互平行的边缘线，并对该两条边缘进行提取；

S54，通过把提取出的两条边缘纵坐标的均值与道路表面纵坐标作差，再乘以设定比例，所述比例为纵坐标与路面实际深度的比例，最终求得沥青面层的厚度。

本发明与现有技术相比，其显著效果如下：

1、本发明的三维探地雷达检测方法为沥青路面空隙率无损检测方法，不破坏路面结构，不影响路面质量；

2、本发明操作简单，在路面验收过程中，无需对路面进行取芯开挖和室内试验测试，检测评价方法具有非破坏性和全面性，具有十分重要的实用价值；

3、本发明通过对探地雷达检测图像的快速识别能极大地提升沥青路面空隙率的检测速度，为路面检测评价以养护决策提供精确、高效、无损的数据来源；

4、本发明在进行路面空隙率检测时，能得到大量连续的数据点而非离散点，能减少数据采集的偶然性，提升数据的合理性。

附图说明

图1为本发明的流程图；

图2为沥青混合料车辙板试件尺寸、测试点位示意图；

图3为改进共中心点法的路面内部探地雷达电磁波传播计算模型；

图4为实施例中沥青混合料车辙板试件空隙率与介电常数拟合关系图；

图5为实施例中实际路面探地雷达图像Canny边缘检测提取面层厚度结果图。

具体实施方式

下面结合说明书附图和具体实施方式对本发明做进一步详细描述。

探地雷达(Ground Penetrating Radar，简称GPR)是一项基于电磁波传播原理的无损检测技术。在路面空隙率检测上，相比于传统检测方法，探地雷达具有迅速、无损、数据点多的特点。探地雷达检测原理是通过脉冲波形特征及传播时间获得面层介电常数，然后利用相应数学物理模型计算沥青路面的体积参数。因此，本发明提出一种用于评价沥青路面空隙率的三维探地雷达检测方法，从而实现沥青面层空隙率的快速无损检测。

如图1所示，本发明的三维探地雷达检测方法，包括如下步骤：

S1，制备若干块空隙率不同、厚度不同的沥青混合料车辙板试件，从四个顶点、边线中点及中心点分别测量试件厚度h，用介电常数测试系统测试车辙板试件相同位置处的介电常数ε；

沥青混合料车辙板试件尺寸为长300mm×宽300mm×厚度50～100mm，便于室内测试。制备3至5块空隙率不同的沥青混合料车辙板试件，以保证能为拟合曲线提供足够的数据点。

用介电常数测试系统获取沥青混合料车辙板试件不同点位介电常数ε的计算公式如下：

其中，A_max为测点的最大谐振值。

S2，根据沥青混合料配合比设计计算试件的理论密度G_mm，测量试件的干密度(毛体积密度)G_mb，据此计算得到试件的空隙率V_a；空隙率V_a计算公式如下：

S3，根据改进共中心点法获取试件厚度h与雷达波在路面内部传播速度v及介电常数之间的关系；详细的实现步骤如下：

S31，设三维探地雷达距离路面的距离为h₀，地面第一反射层(面层)距离地面的深度为h₁，探地雷达的发射器与接收器的距离为l₀，空气介质的介电常数为1。则电磁波在空气中的传播满足公式：

在沥青路面内部传播满足公式：

其中，c和v分别为电磁波在空气和沥青混合料中的传播速度，t₁和t₂分别为电磁波在空气和沥青混合料中的传播时间，两个部分传播的总时间T＝t₁+t₂可直接从雷达图谱上得出；l₁为探地雷达发射天线的电磁波在沥青混合料入射点与出射点的距离。

S32，假设探地雷达发射器的雷达波以α₁角度进入沥青混合料，以α₂角度进行折射，则电磁波进入沥青混合料的角度满足公式：

电磁波反射出沥青混合料的角度满足公式：

沥青混合料介电常数满足公式：

S33，探地雷达电磁波在沥青混合料内部传播满足公式下式：

最后将步骤S31、S32中的公式(4)-(7)联立，求解得出试件厚度h与雷达波在路面内部传播速度v及介电常数ε之间的关系式：

S4，将试件的介电常数ε与试件的空隙率V_a进行拟合，得到二者的回归关系模型，结合步骤S3中建立的试件厚度h与介电常数ε的关系，得到试件厚度h与空隙率V_a之间的拟合关系。

S5，在实际新建或者运营道路，利用大型车载三维探地雷达获取沥青路面面层的雷达图像，通过Canny边缘检测从探地雷达检测图像中提取面层厚度，通过中S4建立的拟合关系实现面层空隙率的自动检测。

通过Canny边缘检测从探地雷达检测图像中提取面层厚度的详细实现步骤如下：

S51，对原始探地雷达检测图像进行灰度转换，即如果原始图像为彩色图，则首先将其转换为灰度图；

S52，选定合适的阈值T₁、T₂，其中T1为高阈值(能够将提取的厚度边缘特征与背景区分开)，T2为低阈值(能够平滑边缘的轮廓)，利用edge函数对灰度图进行处理，检测出图像中所有的边缘，其中阈值T₁、T₂由edge函数自动计算得到；

S53，在处理后的雷达图像中，沥青面层与基层的分界面呈现为在水平方向上的两条连续贯通、相互平行的边缘线，根据这一特点对该两条边缘进行提取；

S54，通过把提取出的两条边缘纵坐标的均值与道路表面纵坐标作差，再乘以相应的比例(该比例是图像纵坐标的坐标值与路面实际深度的比例，实现图像长度到实际路面深度的转化)，最终求得沥青面层的厚度。

本发明中的实施例以不同厚度的沥青混合料车辙板为试件，详细的实现步骤如下：

步骤一，制备若4块空隙率不同、厚度分别为50mm、60mm、70mm及80mm的沥青混合料车辙板试件，如图2，从四个顶点、边线中点及中心点九个位置分别测量试件的厚度h，用介电常数测试系统测试车辙板试件相同位置处的介电常数ε；

步骤二，根据沥青混合料配合比设计计算试件的理论密度G_mm，测量试件的干密度(毛体积密度)G_mb，据此计算得到试件的空隙率V_a；

根据步骤一、步骤二，得到沥青混合料车辙板试件的厚度、空隙率及其介电常数，数据如下表1所示：

表1沥青混合料车辙板试件的的厚度、空隙率及介电常数测试值

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步骤三，根据改进共中心点法获取试件厚度h与雷达波在路面内部传播速度v及介电常数之间的关系，如图3所示；

步骤四，将试件的介电常数ε与试件的空隙率V_a进行拟合，得到二者的回归关系模型，见图4，可以得出介电常数与空隙率的拟合关系式为：y＝-97.82x+12.312(R²＝0.9456)，其中，x为空隙率，y为介电常数。结合(3)中建立的试件厚度h与介电常数ε的关系，进一步得到试件厚度h与空隙率V_a之间的拟合关系：

步骤五，在实际沥青路面检测中，利用大型车载三维探地雷达获取沥青路面面层的雷达图像，抽取10个检测位置取芯测量面层材料的空隙率，同时对这些位置的探地雷达图像通过Canny边缘检测提取面层厚度，测试结果如图5所示，根据步骤四中的关系式预测得到预测空隙率，10组的预测空隙率和实测空隙率的平均误差为2.31％。

表2三维探地雷达实测路面Canny提取面层厚度、预测空隙率及实测空隙率

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最后应说明的是：以上所述实施例，仅为本发明的具体实施方式，用以说明本发明的技术方案，而非对其限制，本发明的保护范围并不局限于此，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改或可轻易想到变化，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改、变化或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的精神和范围，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。

Claims (5)

1.一种基于三维探地雷达图像的沥青路面空隙率评价方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1，制备若干块空隙率不同、厚度不同的沥青混合料车辙板试件，从四个顶点、边线中点及中心点分别测量试件的厚度h，用介电常数测试系统测试车辙板试件相同位置处的介电常数ε；

S2，根据沥青混合料配合比设计计算试件的理论密度G_mm，测量试件的干密度G_mb，据此计算得到试件的空隙率V_a；

S3，根据改进共中心点法获取试件厚度h与雷达波在路面内部传播速度v及介电常数之间的关系；

S4，将试件的介电常数ε与试件的空隙率V_a进行拟合，得到二者的回归关系模型，结合S3中建立的试件厚度h与介电常数ε的关系，得到试件厚度h与空隙率V_a之间的拟合关系；

S5，在实际新建或者运营道路，利用大型车载三维探地雷达获取沥青路面面层的雷达图像，通过Canny边缘检测从探地雷达检测图像中提取面层厚度，利用步骤S4中建立的拟合关系实现面层空隙率的自动检测。

2.根据权利要求1所述的基于三维探地雷达检测图像的沥青路面空隙率评价方法，其特征在于，步骤S1中，制备3至5块空隙率不同的沥青混合料车辙板试件；

用介电常数测试系统获取沥青混合料车辙板试件不同点位介电常数ε：

其中，A_max为测点的最大谐振值。

3.根据权利要求1所述的基于三维探地雷达检测图像的沥青路面空隙率评价方法，其特征在于，步骤S2中，空隙率V_a计算公式如下：

4.根据权利要求1所述的基于三维探地雷达检测图像的沥青路面空隙率评价方法，其特征在于，步骤S3中，利用改进共中心点法获取试件厚度h与雷达波在路面内部传播速度v及介电常数ε之间的关系的详细实现步骤如下：

S31，设三维探地雷达距离路面的距离为h₀，地面第一反射层(面层)距离地面的深度为h₁，探地雷达的发射器与接收器的距离为l₀，空气介质的介电常数为1；则电磁波在空气中的传播满足公式如下：

在沥青路面内部传播满足公式如下：

其中，c和v分别为电磁波在空气和沥青混合料中的传播速度，t₁和t₂分别为电磁波在空气和沥青混合料中的传播时间，l₁为探地雷达发射天线的电磁波在沥青混合料入射点与出射点的距离；

S32，设探地雷达发射器的雷达波以α₁角度进入沥青混合料，以α₂角度进行折射，则电磁波进入沥青混合料的角度满足公式如下：

电磁波反射出沥青混合料的角度满足公式如下：

沥青混合料介电常数满足公式如下：

S33，根据探地雷达电磁波在沥青混合料内部传播满足如下公式：

得出试件厚度h与雷达波在路面内部传播速度v及介电常数ε之间的关系式：

其中，T＝t₁+t₂，能直接从雷达图谱上得出。

5.根据权利要求1所述的基于三维探地雷达检测图像的沥青路面空隙率评价方法，其特征在于，步骤S5中，通过Canny边缘检测从探地雷达检测图像中提取面层厚度的详细实现步骤如下：

S51，对原始探地雷达检测图像进行灰度转换；

S52，选定阈值T₁、T₂，其中T1为高阈值，能够将提取的厚度边缘特征与背景区分开；T2为低阈值，能够平滑边缘的轮廓；利用edge函数对灰度图进行处理，检测出图像中所有的边缘，其中阈值T₁、T₂由edge函数自动计算得到；

S53，在处理后的雷达图像中，沥青面层与基层的分界面呈现为在水平方向上的两条连续贯通、相互平行的边缘线，并对该两条边缘进行提取；

S54，通过把提取出的两条边缘纵坐标的均值与道路表面纵坐标作差，再乘以设定比例，所述比例为纵坐标与路面实际深度的比例，最终求得沥青面层的厚度。

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