CN117408928B - 基于图像处理的透水混凝土路面结构确定方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提出了基于图像处理的透水混凝土路面结构确定方法，步骤：对试铺段透水混凝土路面芯样图像采集；对采集到的图像进行编码；对编码后的图像进行图像增强；对增强后的图像数据增广；将彩色图像转化为灰度图像，计算得出透水混凝土路面孔隙率数值；初拟透水混凝土路面结构，验证承载能力；若不通过，则重新拟定路面结构组合；通过承载能力验证的透水混凝土路面结构，进一步验证透水能力；若不通过，则重新拟定路面结构组合。透水混凝土试件断面图像在经过编码、增强和数据增广处理过后，计算得到孔隙率，再进行路面结构结构承载能力和排水能力的验算，即可确定最终的路面结构形式。
Description
技术领域
本发明涉及信息模型技术领域，尤其涉及图像处理技术在路面工程中的应用。本发明提出了基于图像处理的透水混凝土路面结构确定方法。
背景技术
透水混凝土是经过特殊无机型透水保水水泥混凝土增强剂经与水混合形成稀释液再于水泥混合形成水泥浆包裹住粗、细骨料，配合精细施工制成具有连续孔隙的高强度透水混凝土，是一种新型生态环保型城市道路的铺装材料，它既可满足城市各种载荷道路的强度要求，又具有透气透水性，分解汽车尾气等有害气体，吸附微小粉尘，降音、降噪，缓解城市“热岛效应”等。
透水混凝土路面的基本构造要求合理选择路面结构，并根据筑路材料、施工最小厚度、土基土种类、土基承载能力、冻胀情况、水文情况以及当地经验，确定结构组合与厚度。同时，还要满足路面的排水、容水要求，并保证其使用寿命，7度以上地区要符合道路抗震要求。在路面结构设计中，应根据道路的使用任务、性质和要求，结合所处地理位置的气候、水文、土质、材料以及环境要求等，通过技术经济分析，提供一种合适的路面结构。
专利申请CN115434206A公开了透水混凝土路面结构及其施工方法。该透水混凝土路面结构包括设置在路基上的蓄水层和路面本体；蓄水层设置在路基和路面本体之间；路面本体包括从下至上依次设置的透水层、透水磨耗层以及透水防护层，透水层朝向蓄水层。
专利申请CN114606823A公开了一种水泥基透水混凝土路面结构及其铺设方法。包括从上到下依次设置的饰面层、上面层、下面层、基层、碎石垫层和反滤层，所述反滤层在两侧向上延伸包覆到上面层的中部形成U型的反滤层，所述饰面层、上面层和下面层分别由采用不同的级配集料配制的透水混凝土铺设压实而成；所述基层由级配碎石分层摊铺压实而成；所述碎石垫层由连续级配碎石摊铺压实而成；所述反滤层由级配砂砾、卵石与碎石组成，所述反滤层表面包覆有土工布。
专利申请CN113389103A公开了一种复合式钢纤维增强透水混凝土路面结构及其制备方法。该路面结构包括从下至上依次铺设的碎石底部基层、钢纤维增强粗骨料透水混凝土中间层以及钢纤维增强细骨料透水混凝土面层；钢纤维增强细骨料透水混凝土面层中开设有多个排水孔，排水孔沿竖直方向穿设钢纤维增强细骨料透水混凝土面层，钢纤维增强细骨料透水混凝土面层位于排水孔的顶部开口处固定有用于阻挡固体杂物进入排水孔的过滤网。
专利申请CN108252181A公开了一种透水混凝土路面结构及施工方法。透水混凝土路面结构包括素土夯实层、垫层、本色透水混凝土层和透水胶粘石层，所述素土夯实层表面设有垫层，所述垫层上铺筑有本色透水混凝土层，所述本色透水混凝土层上表面设有透水胶粘石层，具有抗压强度高，透水性能好的特点；其施工方法具有工艺简单、施工平整度高、劳动强度低、施工工效高、施工质量控制容易等特点。
专利申请CN107034767A公开了一种再生骨料全透水混凝土路面结构及其施工方法。包括由下至上铺设的透水垫层、透水基层、透水面层、透水罩层；所述透水垫层采用天然碎石；所述透水基层和透水面层采用再生骨料透水混凝土；所述透水罩层采用天然骨料配置的透水混凝土。
通过以上相关文献的分析可以发现，现有透水混凝土路面结构方面的研究主要集中在路面结构组合的直接提出以及结构材料的使用方面，对于确定透水混凝土的路面结构的流程以及方法方面尚处于空白状态，而透水混凝土的应用场景丰富且多变，不可能套用某几个固定的路面结构形式，因此基于图像处理的透水混凝土路面结构确定技术的提出显得迫切且必要。
发明内容
为解决在透水水泥混凝土路面路面结构如何确定的问题，本发明提出了基于图像处理的透水混凝土路面结构确定方法。
为了实现上述目的，本发明提供了如下方案：
基于图像处理的透水混凝土路面结构确定方法，包括以下步骤：
步骤一，对试铺段透水混凝土路面芯样图像采集；
步骤二，对采集到的图像进行编码；
步骤三，对步骤二编码后的图像进行图像增强；
步骤四，对步骤三增强后的图像数据增广；
步骤五，将彩色图像转化为灰度图像，计算得出透水混凝土路面孔隙率数值；
步骤六，初拟透水混凝土路面结构，验证承载能力；若不通过，则重新拟定路面结构组合；
步骤七，根据步骤六中通过承载能力验证的透水混凝土路面结构，进一步验证透水能力；若不通过，则重新拟定路面结构组合。
本发明的进一步技术：
优选的，步骤二中图像编码按照以下方法进行：
根据与目标点最接近的四个像素的坐标来计算该点的灰度值或RGB值，已知目标点A周围四个点P11、P12、P21、P22的坐标为（x1,y1）、（x1,y2）、（x2,y1）、（x2,y2），目标点A的像素值按照下式来计算：
式中点与/>点横坐标与A点横坐标相同；/>点纵坐标与P12、P22点纵坐标相同；/>点纵坐标与P11、P21点纵坐标相同，y为A点纵坐标。
优选的，步骤三中图像增强按照以下方法进行：
以目标点为中心的3*3矩阵，将矩阵中各个像素点按大小排列，并将序列中值赋予目标点。
优选的，步骤四中图像数据增广按照以下步骤进行：
（1）将步骤三中处理好的图像数据库分为2部分：图像数据库A和图像数据库B；
（2）在图像数据库A上使用增强模型进行训练,并利用训练好的增强模型生成新的图像作为增强数据；
（3）然后将原有的图像数据库A和增强数据合并为新的图像数据库,用于训练模型；
（4）在图像数据库B上评估分类器的预测准确率,并记录最高的分类准确率作为最终结果。
优选的，步骤五中透水混凝土路面孔隙率通过识别透水混凝土灰度图像中的孔隙像素点与总体积的像素点来确定，具体按照下式计算：
式中：—透水混凝土路面孔隙率；
—灰度水平/>在灰度直方图中所对应的数值；
—图像最大的灰度水平；
—图像最小的灰度水平；
—图像中灰度水平i对应的像素点尺寸；
n—整个图像的像素尺寸。
优选的，步骤六中透水混凝土路面承载能力按照下式验算：
式中：—透水混凝土面层在临界荷位处产生的行车荷载疲劳应力，MPa；
—透水混凝土面层在临界荷位处产生的温度梯度疲劳应力，MPa；
—透水混凝土弯拉强度标准值，MPa；
—透水混凝土抗压强度7d与抗折强度28d之比；
—透水混凝土抗折强度7d与抗折强度28d之比。
优选的，步骤七中验证透水能力按照下式计算：
式中：—透水和蓄水要求的路面厚度，mm；
—修正系数；
—降雨强度，mm/h；
—路基土的平均渗透数度，cm/s；
—降雨的持续时间，min；
—透水混凝土路面孔隙率，%。
优选的， 修正系数通过下列方法确定：
（1）在试验路选取边长为1m的正方形区域，将其均分为25个正方形子区域，若子区域受施工工艺影响，该子区域的透水系数记为“0”，若子区域未受施工工艺影响，子区域的透水系数记为“1”；
（2）取透水混凝土人行道的初始状态为“所有子区域都未受施工工艺的影响”，逐渐增加受施工影响的子区域的数量，直到整个路面完全堵塞，求出不同影响程度下的透水系数的变异系数；
（3）将不同影响程度下的透水混凝土路面透水系数的变异系数与堵塞面积的关系绘于图中并进行拟合出函数关系式；
（4）施工现场调查得到透水混凝土路面透水系数的变异系数，结合（3）中的图像与函数关系式，得出堵塞的面积S，则k=0.1S。
本发明的有益效果为：
本发明提出的基于图像处理的透水混凝土路面结构确定方法，通过对采集到的图像进行编码，在计算速度和关键信息保留上解决了压缩后的图像视觉失真的问题。通过对编码后的图像进行图像增强，避免图像噪点在不同程度上影响计算机对透水混凝土图像中关键信息的判读。通过二维重构透水混凝土图像，避免针对相同的图像由于不同的阈值分割方法而使计算结果相差较大的问题。考虑了实际施工时施工因素对于透水混凝土孔隙率的影响，通过图像处理实测试铺段的实际孔隙率，利用实测孔隙率验算透水混凝土的结构承载能力与透水能力，确保透水混凝土路面结构能满足承载、透水、抗滑和降噪等多重功能。
附图说明
图1为本发明基于图像处理的透水混凝土路面结构确定方法流程示意图。
图2为目标点A坐标图。
图3为图像进行图像增强示意图。
图4为图像数据增广示意图。
图5为透水混凝土灰度直方图分布曲线。
图6为正方形子区域划分模型。
图7为透水混凝土路面透水系数的变异系数与堵塞面积的关系图。
具体实施方式
为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本说明，并不用于限定本发明。
如图1，本发明提供一种基于图像处理的透水混凝土路面结构确定方法，包括以下步骤：
步骤一，对试铺段透水混凝土路面芯样图像采集；
步骤二，对采集到的图像进行编码；
步骤三，对步骤二编码后的图像进行图像增强；
步骤四，对步骤三增强后的图像数据增广；
步骤五，将彩色图像转化为灰度图像，计算得出透水混凝土路面孔隙率数值；
步骤六，初拟透水混凝土路面结构，验证承载能力；若不通过，则重新拟定路面结构组合；
步骤七，根据步骤六中通过承载能力验证的透水混凝土路面结构，进一步验证透水能力；若不通过，则重新拟定路面结构组合。
透水混凝土路面结构的确定和孔隙率息息相关，路面结构承载能力和排水能力的验算都要建立在孔隙率的基础之上。孔隙率的确定可以通过图像识别与处理来实现。而其中的难点在于集料与孔隙识别分割的难度较大。一方面是因为相较胶结料而言，集料与孔隙特征并不明显，同时还存在不同程度的外界干扰和图像噪点。另一方面则是因为原始图像尺寸较大、样本图像数量有限，会影响图像处理的速度和效果。因此需对采集到的透水混凝土图像进行编码、增强、数据增广以及孔隙率计算等一系列操作。
受制于测试用计算机的算力以及试验时间，需要对图像的尺寸和文件大小进行编码压缩处理。但同时还需保证原始图像中集料与孔隙的边缘、纹理等关键信息得到保留，因此需首先进行步骤二：进行图像编码。
经编码算法处理后的透水混凝土试件断面图像，虽在文件大小上有大幅度的降低，但同时也造成了图像中集料和孔隙的边缘细节在一定程度上的丢失、产生了不同类型的图像噪点。因此需要进行步骤三：图像进行增强。
透水混凝土试件断面原始图像在经过编码和增强理过后，能适应数据集的标注工作和缩短完成模型训练的时间。但为了防止网络在已有数据集上出现过拟合的问题，因此需要进行步骤四：图像进行数据增广。
透水混凝土试件断面图像在经过编码、增强和数据增广处理过后，得到了可以用于计算机识别计算的合格图像。然而传统的图像分析来计算孔隙率具有强烈的随机不确定性和对参数具有严重依赖性，如阈值分割算法虽然简单易行，但要确定合理的阈值需要进行大量的试验，不同的阈值对试验结果的影响较大。为了克服阈值分割法计算孔隙率具有不确定性这一缺点，因此进行在步骤五：将彩色图像转化为灰度图像，计算得出透水混凝土路面孔隙率数值。
透水混凝土试件断面图像在经过编码、增强和数据增广处理过后，计算得到孔隙率，再进行路面结构结构承载能力和排水能力的验算，即可确定最终的路面结构形式。
实施例：基于图像处理的透水混凝土路面结构确定方法，包括以下步骤：
步骤一，对试铺段透水混凝土路面芯样图像采集。对透水混凝土路面芯样进行切割、修整冲洗以及图像扫描等步骤，以得到洁净的芯样以及清晰的图像。
步骤二，对采集到的图像进行编码。
将步骤一种采集到的图像输入计算机，根据与目标点最接近的四个像素的坐标来计算该点的灰度值或RGB值。已知目标点A周围四个点P11、P12、P21、P22的坐标为（x1,y1）、（x1,y2）、（x2,y1）、（x2,y2）。目标点A的像素值按照下式来计算：
具体如图2所示。
步骤三，对步骤二编码后的图像进行图像增强。
为过滤随机出现的黑点或白点，同时保留图像中的边缘细节。使用目标点周围像素点的中间值代表目标点的像素值，以目标点为中心的3*3矩阵，将矩阵中各个像素点按大小排列，并将序列中值赋予目标点，具体如图3所示。
步骤四，对步骤三增强后的图像数据增广。
（1）将步骤三中处理好的图像数据库分为2部分：图像数据库A和图像数据库B。
（2）接下来在图像数据库A上使用增强模型进行训练,并利用训练好的增强模型生成新的图像作为增强数据。
（3）然后将原有的图像数据库A和增强数据合并为新的图像数据库,用于训练模型。
（4）在图像数据库B上评估分类器的预测准确率,并记录最高的分类准确率作为最终结果。
具体如图4所示。
步骤五，将彩色图像转化为灰度图像，计算得出透水混凝土路面孔隙率数值。
计算机在步骤四对透水混凝土图像处理的基础上，孔隙率按照下式计算：
式中：—透水混凝土路面孔隙率；
—灰度水平/>在灰度直方图中所对应的数值；
灰度直方图满足2个正态分布密度函数曲线的分布形式，如下式和图5所示。
，横坐标为灰度值，纵坐标为频度。
（a、、/>分别为为17.3，95.4，26.5。b、/>分别8.4，61.2，15.1）
—图像最大的灰度水平，为185；
—图像最小的灰度水平，为35；
—图像中灰度水平i对应的像素点尺寸，由计算机在图像识别中自动读取；
n—整个图像的像素尺寸，由计算机在图像识别中自动读取。
步骤六，初拟透水混凝土路面结构，验证承载能力。若不通过，则重新拟定路面结构组合。
初拟透水混凝土路面结构为：10cm透水混凝土+20cm水泥稳定碎石+20cm低剂量水泥稳定碎石。
依据《公路水泥混凝土路面设计规范》计算得到、/>分别为2.9MPa、0.6MPa。且透水混凝土应用于重载路面中，因此/>取5MPa。
另本项目的透水混凝土7d抗压强度和抗折强度、28d抗压强度和抗折强度数值、以及/>计算结果分别如下表1所示。
表1：透水混凝土强度数据
透水混凝土路面承载能力按照下式验算：
式中：—透水混凝土面层在临界荷位处产生的行车荷载疲劳应力（MPa）；
—透水混凝土面层在临界荷位处产生的温度梯度疲劳应力（MPa）；
—透水混凝土弯拉强度标准值（MPa）；
—透水混凝土抗压强度（7d）与抗折强度（28d）之比；
—透水混凝土抗折强度（7d）与抗折强度（28d）之比。
验算结果显示Abs=/>=0.3
=/>=0.84，因此拟定的路面结构可以应用。
步骤七，根据步骤六中通过承载能力验证的透水混凝土路面结构，进一步验证透水能力。若不通过，则重新拟定路面结构组合。
验证透水能力按照下式计算：
式中：式中：—透水和蓄水要求的路面厚度（mm）；
—修正系数；
—降雨强度（mm/h）；
—路基土的平均渗透数度（cm/s）；
—降雨的持续时间（s）；
—透水混凝土路面孔隙率（%）。
（1）修正系数通过下列方法确定：
在试验路选取边长为1m的正方形区域，如图6，将其均分为25个正方形子区域。若子区域受施工工艺影响，该子区域的透水系数记为“0”。若子区域未受施工工艺影响，子区域的透水系数记为“1”。
（2）取透水混凝土人行道的初始状态为“所有子区域都未受施工工艺的影响”，逐渐增加受施工影响的子区域的数量，直到整个路面完全堵塞，求出不同影响程度下的透水系数的变异系数，如下表2-3所示。
表2：不同区域设计状况条件下透水系数的变异系数（1）
表3：不同区域设计状况条件下透水系数的变异系数（2）
（3）将不同影响程度下的透水混凝土路面透水系数的变异系数与堵塞面积的关系绘于图中并进行拟合出函数关系式。
透水混凝土路面透水系数的变异系数与堵塞面积的关系图及关系式如图7所示。
（4）施工现场调查得到透水混凝土路面透水系数的变异系数，结合（3）中的图像与函数关系式，得出堵塞的面积S（%），则k=0.1S。
施工现场检测得到透水系数的变异系数为60.2%，因此对应的堵塞面积约为S=26（%），则k=0.1S=2.6。
式中：—透水和蓄水要求的路面厚度（mm）；
—修正系数，取2.6；
—降雨强度（mm/h），取50mm/h；
—路基土的平均渗透数度（cm/s），取7×10-4cm/s；
—降雨的持续时间（min），取60min；
—透水混凝土路面的平均孔隙率（%），取18%。
计算得到满足透水功能的透水混凝土面层厚度为36mm，即3.6cm。而步骤六中初拟的透水混凝土面层厚度为10cm，满足透水混凝土层3.6cm最小厚度的要求，因此拟定的路面结构可以应用。
综上所述，初拟透水混凝土路面结构通过了路面承载能力以及透水能力的检验。即最终的路面结构为：10cm透水混凝土+20cm水泥稳定碎石+20cm低剂量水泥稳定碎石。
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 (2)
1.基于图像处理的透水混凝土路面结构确定方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一，对透水混凝土路面芯样进行切割、修整冲洗以及图像扫描步骤，以得到洁净的芯样以及清晰的图像；
步骤二，对采集到的图像进行编码；
步骤三，对步骤二编码后的图像进行图像增强；
步骤四，对步骤三增强后的图像数据增广；
步骤五，将彩色图像转化为灰度图像，计算得出透水混凝土路面孔隙率数值；
步骤六，初拟透水混凝土路面结构，验证承载能力；若不通过，则重新拟定路面结构组合；
步骤七，根据步骤六中通过承载能力验证的透水混凝土路面结构，进一步验证透水能力；若不通过，则重新拟定路面结构组合；
步骤二中图像编码按照以下方法进行：
根据与目标点最接近的四个像素的坐标来计算该点的灰度值或RGB值，已知目标点A周围四个点P11、P12、P21、P22的坐标为(x1,y1)、(x1,y2)、(x2,y1)、(x2,y2)，目标点A的像素值按照下式来计算：
式中Q1点与Q2点横坐标与A点横坐标相同；Q1点纵坐标与P12、P22点纵坐标相同；Q2点纵坐标与P11、P21点纵坐标相同，y为A点纵坐标；
步骤三中图像增强按照以下方法进行：
以目标点为中心的3*3矩阵，将矩阵中各个像素点按大小排列，并将序列中值赋予目标点；
步骤四中图像数据增广按照以下步骤进行：
(1)将步骤三中处理好的图像数据库分为2部分：图像数据库A和图像数据库B；
(2)在图像数据库A上使用增强模型进行训练,并利用训练好的增强模型生成新的图像作为增强数据；
(3)然后将原有的图像数据库A和增强数据合并为新的图像数据库,用于训练模型；
(4)在图像数据库B上评估分类器的预测准确率,并记录最高的分类准确率作为最终结果；
步骤五中透水混凝土路面孔隙率通过识别透水混凝土灰度图像中的孔隙像素点与总体积的像素点来确定，具体按照下式计算：
式中：V—透水混凝土路面孔隙率；
H(ri)—灰度水平ri在灰度直方图中所对应的数值；
rmax—图像最大的灰度水平；
rmin—图像最小的灰度水平；
ni—图像中灰度水平i对应的像素点尺寸；
n—整个图像的像素尺寸；
步骤六中透水混凝土路面承载能力按照下式验算：
式中：σpm—透水混凝土面层在临界荷位处产生的行车荷载疲劳应力，MPa；
σtm—透水混凝土面层在临界荷位处产生的温度梯度疲劳应力，MPa；
fr—透水混凝土弯拉强度标准值，MPa；
Q抗压—透水混凝土抗压强度7d与抗折强度28d之比；
Q抗折—透水混凝土抗折强度7d与抗折强度28d之比；
步骤七中验证透水能力按照下式计算：
式中：Htx—透水和蓄水要求的路面厚度，mm；
k—修正系数；
i—降雨强度，mm/h；
q—路基土的平均渗透数度，cm/s；
t—降雨的持续时间，min；
V—透水混凝土路面孔隙率，％。
2.根据权利要求1中所述的基于图像处理的透水混凝土路面结构确定方法，其特征在于，修正系数k通过下列方法确定：
(1)在试验路选取边长为1m的正方形区域，将其均分为25个正方形子区域，若子区域受施工工艺影响，该子区域的透水系数记为“0”，若子区域未受施工工艺影响，子区域的透水系数记为“1”；
(2)取透水混凝土人行道的初始状态为“所有子区域都未受施工工艺的影响”，逐渐增加受施工影响的子区域的数量，直到整个路面完全堵塞，求出不同影响程度下的透水系数的变异系数；
(3)将不同影响程度下的透水混凝土路面透水系数的变异系数与堵塞面积的关系绘于图中，并拟合出函数关系式；
(4)施工现场调查得到透水混凝土路面透水系数的变异系数，结合(3)中的图像与函数关系式，得出堵塞的面积S，则k＝0.1S。
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