CN117635582A - 一种基于图像分析的沥青类预防性养护剂裹覆率评价方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于图像分析的沥青类预防性养护剂裹覆率评价方法，属于道路养护技术领域，步骤如下：步骤一、制备排水沥青混合料路面样本；利用扫描技术获取路面样本的连续断层灰度图像；步骤二、通过散料老化和冻融循环对路面样本施加损伤，向处理后的路面样本上喷洒沥青类预防性养护剂，并利用扫描技术获取喷洒沥青类预防性养护剂的路面样本的连续断层灰度图像；步骤三、采用应用阈值法和图像二值化算法将步骤一和步骤二获取的灰度图像中的空隙区域定义为黑色，其余定义为白色；步骤四、对沥青类预防性养护剂残留物空间结构反演，计算沥青类预防性养护剂残留物的空间分布图；步骤五、裹覆率指标计算。本发明方法物理意义明确，计算方法简明。

Description

一种基于图像分析的沥青类预防性养护剂裹覆率评价方法

技术领域

本发明属于道路养护技术领域，具体涉及一种基于图像分析的沥青类预防性养护剂裹覆率评价方法。

背景技术

排水沥青路面，又称透水沥青路面，指压实后空隙率在20％左右，能够在混合料内部形成排水通道的新型沥青混凝土面层，排水沥青混合料是由粗集料、沥青砂浆和空隙构成的，在沥青-集料界面中沥青是以沥青膜的形式存在的，沥青膜的厚度对界面相的力学性能有很大影响。但是排水沥青路面长期暴露在外在环境下，受到诸多因素，如：紫外线、水分、氧化等影响，其结构发生变化，排水沥青混合料中沥青老化变硬变脆易剥落，空隙变大。

预防性养护剂主要包括乳化沥青、再生剂等成分，是一种具有一定粘度的乳液，可以在常温下进行施工。施工工艺主要是通过高压喷嘴将乳液喷洒在透水沥青路面的表面，使其自然下渗到透水沥青路面内部，达到修复微裂纹，补充沥青膜的效果。该养护工艺简单易行，可有效恢复透水沥青路面的抗剥落性能，提升其耐久性，另外也不会对透水沥青路面最重要的功能性产生较大扰动，包括排水、降噪、抗滑等。

但是，现阶段对于该类预防性养护剂材料的作用效果评价主要停留在室内性能试验，对于其渗透特性，及其对老化沥青砂浆的裹覆特征评价不足，而预防性养护剂对透水沥青路面内部老化砂浆的裹覆是其进一步对老化沥青砂浆修复再生的提供可能，因此如何定量其在透水沥青路面内部的裹覆情况是充分认识该类型材料作用过程的基础。

发明内容

发明目的：为解决对预防性养护剂在透水沥青路面内部裹覆情况认识不足，缺乏相应定量评价指标的问题，本发明提供一种基于图像分析的沥青类预防性养护剂裹覆率评价方法，本发明基于X-ray CT扫描技术和数字图像处理方法，通过图像反演的方法来表征并定量计算预防性养护剂裹覆率，可在透水沥青路面预防性养护工艺开发与提升方面发挥重要的作用。

技术方案：一种基于图像分析的沥青类预防性养护剂裹覆率评价方法，包括如下步骤：

步骤一、制备排水沥青混合料路面样本；利用扫描技术获取路面样本的连续断层灰度图像，所述排水沥青混合料是由粗集料、沥青砂浆和空隙构成的；

步骤二、通过散料老化和冻融循环对路面样本施加损伤，来模拟现场荷载和环境共同作用下材料的劣化；向处理后的路面样本上喷洒沥青类预防性养护剂，并利用扫描技术获取喷洒沥青类预防性养护剂的路面样本的连续断层灰度图像；

步骤三、采用应用阈值法和图像二值化算法将步骤一和步骤二获取的灰度图像中的空隙区域定义为黑色，其余定义为白色；

步骤四、对沥青类预防性养护剂残留物空间结构反演，计算沥青类预防性养护剂残留物的空间分布图。

步骤五、裹覆率指标计算，所述裹覆率是指沥青类预防性养护剂残留物与沥青砂浆和粗集料接触的长度与空隙总周长的比值。

进一步的，所述步骤一和步骤二中，均利用工业级X-ray CT扫描技术对路面样本进行扫描；CT扫描获取的平面及竖向图像精度均小于等于0.1mm/pixel；路面样本尺寸：直径为100±1mm，高度为40mm-60mm。

进一步的，所述步骤三中，在图像分割前，应用图像增强和中值滤波算法消除图像亮度不均匀和图像噪声；所述图像分割指的应用阈值法对图形进行处理。

步骤三具体操作如下：

1)对每张灰度图，应用阈值法在排水沥青混合料的沥青砂浆和粗集料中区分出空隙；

2)采用图像二值化算法将每张灰度图中的空隙区域定义为黑色，其余定义为白色。

进一步的，所述步骤四具体操作如下：

1)未喷洒沥青类预防性养护剂样本的图像精度为P₁，单位：mm/pixel；喷洒沥青类预防性养护剂样本的图像精度为P₂，单位：mm/pixel；则将喷洒过预防性养护剂样本的图像缩放P₁/P₂倍；

2)利用断层灰度图像所识别的粗集料和沥青砂浆的边缘特征，通过图像匹配算法匹配喷洒前后样本图像相同深度位置图像的起终点；

3)通过图像平移和图像旋转操作使得喷洒前后样本图像重合率达到最高，获得喷洒前样本图像M₁和喷洒后样本图像M₂；喷洒前后样本图像重合率达到最高，需要使所述喷洒前后样本图像尽可能重合，即喷洒前样本沥青砂浆和粗集料区域和被喷洒后样本图像的空隙区域重合面积最小所对应的状态；

4)利用图像布尔运算方法，根据公式1计算沥青类预防性养护剂残留物的空间分布图M₃：

M₃＝M₂-M₁ (1)。

进一步的，步骤五中、裹覆率指标计算方法如下：

1)针对喷洒前样本图像M₁，提取每张样本图像的空隙轮廓像素点并统计像素点个数为n；

2)针对路面样本中沥青质预防性养护剂残留物的空间分布图像M₃，通过逐点计算方法，提取喷洒前样本图像空隙轮廓像素点与喷洒后样本对应样本图像中沥青类预防性养护剂残留物接触部分的像素点，并统计像素点个数为k；

3)将每张图像的裹覆率指标C定义为沥青类预防性养护剂残留物与沥青砂浆和粗集料接触的长度与空隙总周长的比值k/n，即C＝k/n；

4)通过均值法计算整个样本的平均裹覆率C_a，用公式2计算。

式中：

C_a为样本内部沥青类预防性养护剂的平均裹覆率；

C_i为第i张喷洒沥青质预防性养护剂后的图像内部沥青类预防性养护剂的裹覆率；

h为喷洒后的待处理样本高度范围内灰度图像总数量。

进一步的，还包括，步骤六、沥青类预防性养护剂裹覆率应用：

1)用于判断沥青质预防性养护剂的养护效果：

C_a越大代表裹覆效果越好，C_a大于10％可认为是合格的沥青质预防性养护剂。

2)用于判断不同沥青质预防性养护剂的养护效果：

比较两沥青质预防性养护剂的裹覆率，裹覆率高的养护效果更好。

有益效果：本发明提供一种基于图像分析的沥青类预防性养护剂裹覆率评价方法，该方法通过工业级X-ray CT扫描获取排水沥青混合料预防性养护处理前后的断层扫描图像，利用数字图像处理技术，通过图像反演获取预防性养护剂残留物的空间结构，进一步分析其与老化沥青砂浆的接触面，量化深度方向预防性养护剂的裹覆率并提出相应指标。该方法物理意义明确，计算方法简明，为在役排水沥青路面的预防性养护工艺的质量控制和优化提供技术支撑。

附图说明

图1预防性养护剂残留物空间结构反算流程；

图2预防性养护剂残留物裹覆指标计算示意图；

图3预防性养护剂残留物裹覆率指标随深度的变化。

具体实施方式

下面通过附图对本发明技术方案进行详细说明，但是本发明的保护范围不局限于所述实施例。

针对一种常用最大公称粒径为13mm的PAC-13排水沥青路面，室内成型排水沥青混合料路面样本，样本直径为100mm，厚度为60mm。排水沥青混合料是由粗集料、沥青砂浆和空隙构成的；排水沥青混合料的级配设计如表1所示，沥青采用满足高温分级为PG76的SBS改性沥青，样本的空隙率为23.3％。室内通过散料老化和冻融循环对排水沥青混合料路面样本施加损伤，来模拟现场荷载和环境共同作用下材料的劣化。通过散料老化和冻融循环对路面样本施加损伤后，路面样本中，沥青砂浆出现老化变脆脱落等变化，使得空隙变大；后续喷洒的沥青类预防性养护剂自然下渗到路面内部，占据的其中空隙的位置，对空隙周边的粗集料和沥青砂浆进行裹覆，达到修复微裂纹的效果。

表1排水沥青混合料级配信息

1)选取两种慢裂阳离子乳化沥青作为沥青类预防性养护剂A和B，其基本性质如表2所示。沥青类预防性养护剂A和B的洒布量分别为0.6mm/m²和0.4mm/m²，固含量均为60％。采用工业级X-ray CT扫描技术分别获取沥青类预防性养护剂A和B处置前后排水混合料样本的连续断层图像。

表2沥青类预防性养护剂A和B的基本性质

2)针对获得的断层图像，在图像分割前，应用图像增强和中值滤波算法消除图像亮度不均匀和图像噪声；之后，应用阈值法从排水沥青混合料的沥青砂浆和粗集料中区分出空隙，采用图像二值化算法将每张灰度图中的空隙区域定义为白色，其余定义为黑色，本次X-ray CT扫描喷洒前后样本的深度方向的竖向精度均为0.1mm/图层，每张二维图像的平面精度为0.67mm/pixel，均获取600张连续断层图像。

分别对沥青类预防性养护剂A和B案例所得的处理前后二值图像计算和进行布尔运算，计算流程如图1所示，图1展示了一张具有代表性的二值图像中预防性养护剂残留物的计算结果，可以发现通过该计算流程，沥青类预防性养护剂可以很好地被识别出来。图1的(a)为喷洒沥青类预防性养护剂的二值化后的样本图片，图1的(b)为喷洒沥青类预防性养护剂前对应的的二值化后的样本图片，其中，白色区域为空隙区域，黑色区域为粗集料和沥青砂浆区域；图1中的(c)为对沥青类预防性养护剂残留物空间结构反演，利用图像布尔运算方法计算沥青类预防性养护剂残留物的空间分布图，图中，黑色区域为喷洒沥青类预防性养护剂后的空隙区域，白色为沥青类预防性养护剂残留物，灰色为粗集料和沥青砂浆的区域；

分别对沥青类预防性养护剂A和B案例所得地沥青类预防性养护剂残留物图像进行计算，计算示意图如图2所示。图2中，灰色区域为沥青砂浆和粗集料区域，黑色区域为空隙区域，白色区域为沥青类预防性养护剂填充的空隙区域。

每个案例均计算600张图像，以每50张图像统计裹覆率指标C，计算结果如图3所示。图3(a)展示了沥青类预防性养护剂A的裹覆率指标C随路面样本深度的变化，图3(b)展示了沥青类预防性养护剂B的裹覆率指标C随路面样本深度的变化。其中，喷洒沥青类预防性养护剂喷洒在路面样本的上表面，上表面的深度记为0，可以发现裹覆率指标C随深度也表现出明显的梯度特征。计算平均裹覆率指标Ca，计算结果见表3。可以发现该指标对不同洒布量的沥青类预防性养护剂非常敏感，可以很好地区分不同沥青类预防性养护剂在材料内部的裹覆效果。

表3沥青类预防性养护剂A和B的平均裹覆率指标计算结果

编号	Ca
		A	13.2％
B	7.2％

本发明通过计算沥青类预防性养护剂残留物与沥青砂浆的接触或者非接触来表征裹覆。提出量化指标平均裹覆率C_a。沥青类预防性养护剂A的C_a指标明显高于沥青类预防性养护剂B。C_a值越大代表裹覆效果越好。通过比较预防性养护剂A和B可以发现该指标可以很好地区分不同洒布量预防性养护剂在材料内部的裹附效果，其中预养护剂A的C_a指标大于10％，可被认为是合格的预养护剂，而预养护剂B的C_a指标不足10％，因此可被判定为不合格。

本发明运用图像反演沥青类预防性养护剂残留物在排水沥青混合料内部的空间分布，进一步利用微观形态量化分析预防性养护剂残留物的裹覆特征，数字化表征沥青类预防性养护剂残留物的裹覆效果，提出相应微观指标并具有很强的适用性。通过本发明提出的计算方法，可以有效量化沥青类预防性养护剂残留物在排水沥青混合料内部的渗透裹覆情况，物理意义清晰，计算方法简明，为该类型材料在多孔介质中的裹覆机理提供数字化依据。

如上所述，尽管参照特定的优选实施例已经表示和表述了本发明，但其不得解释为对本发明自身的限制。在不脱离所附权利要求定义的本发明的精神和范围前提下，可对其在形式上和细节上作出各种变化。

Claims (6)

1.一种基于图像分析的沥青类预防性养护剂裹覆率评价方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤一、制备排水沥青混合料路面样本；利用扫描技术获取路面样本的连续断层灰度图像；所述排水沥青混合料是由粗集料、沥青砂浆和空隙构成的；

步骤二、通过散料老化和冻融循环对路面样本施加损伤，来模拟现场荷载和环境共同作用下材料的劣化；向处理后的路面样本上喷洒沥青类预防性养护剂，并利用扫描技术获取喷洒沥青类预防性养护剂的路面样本的连续断层灰度图像；

步骤三、采用应用阈值法和图像二值化算法将步骤一和步骤二获取的灰度图像中的空隙区域定义为黑色，其余定义为白色；

步骤四、对沥青类预防性养护剂残留物空间结构反演，计算沥青类预防性养护剂残留物的空间分布图；

步骤五、裹覆率指标计算，所述裹覆率是指沥青类预防性养护剂残留物与沥青砂浆和粗集料接触的长度与空隙总周长的比值。

2.根据权利要求1所述的一种基于图像分析的沥青类预防性养护剂裹覆率评价方法，其特征在于，所述步骤一和步骤二中，均利用工业级X-ray CT扫描技术对路面样本进行扫描；CT扫描获取的平面及竖向图像精度均小于等于0.1mm/pixel；路面样本的尺寸：直径为100±1mm，高度为40mm-60mm。

3.根据权利要求1所述的一种基于图像分析的沥青类预防性养护剂裹覆率评价方法，其特征在于，所述步骤三中在图像分割前，应用图像增强和中值滤波算法消除图像亮度不均匀和图像噪声；

所述步骤三具体操作如下：

1)对每张灰度图，应用阈值法在排水沥青混合料的沥青砂浆和粗集料中区分出空隙；

2)采用图像二值化算法将每张灰度图中的空隙区域定义为黑色，其余定义为白色。

4.根据权利要求1所述的一种基于图像分析的沥青类预防性养护剂裹覆率评价方法，其特征在于，所述步骤四具体操作如下：

1)未喷洒沥青类预防性养护剂样本的图像精度为P₁，单位：mm/pixel；喷洒沥青类预防性养护剂样本的图像精度为P₂，单位：mm/pixel；则将喷洒过预防性养护剂样本的图像缩放P₁/P₂倍；

2)利用断层灰度图像所识别的粗集料和沥青砂浆的边缘特征，通过图像匹配算法匹配喷洒前后样本图像相同深度位置图像的起终点；

3)通过图像平移和图像旋转操作使得喷洒前后样本图像重合率达到最高，获得喷洒前样本图像M₁和喷洒后样本图像M₂；

4)利用图像布尔运算方法，根据公式1计算沥青类预防性养护剂残留物的空间分布图M₃：

M₃＝M₂-M₁ (1)。

5.根据权利要求4所述的一种基于图像分析的沥青类预防性养护剂裹覆率评价方法，其特征在于，所述步骤五中，裹覆率指标计算方法如下：

1)针对喷洒前样本图像M₁，提取每张样本图像的空隙轮廓像素点并统计像素点个数为n；

2)针对路面样本中沥青质预防性养护剂残留物的空间分布图像M₃，通过逐点计算方法，提取喷洒前样本图像空隙轮廓像素点与喷洒后样本对应样本图像中沥青类预防性养护剂残留物接触部分的像素点，并统计像素点个数为k；

3)将每张图像的裹覆率指标C定义为沥青类预防性养护剂残留物与沥青砂浆和粗集料接触的长度与空隙总周长的比值k/n，即C＝k/n；

4)通过均值法计算整个样本的平均裹覆率C_a，用公式2计算；

式中：C_a为样本内部沥青类预防性养护剂的平均裹覆率；

C_i为第i张喷洒沥青质预防性养护剂后的图像内部沥青类预防性养护剂的裹覆率；

h为喷洒后的待处理样本高度范围内灰度图像总数量。

6.根据权利要求5所述的一种基于图像分析的沥青类预防性养护剂裹覆率评价方法，其特征在于，还包括步骤六、沥青类预防性养护剂裹覆率应用：

1)用于判断沥青质预防性养护剂的养护效果：

C_a越大代表裹覆效果越好，C_a大于10％可认为是合格的沥青质预防性养护剂；

2)用于判断不同沥青质预防性养护剂的养护效果：

比较两沥青质预防性养护剂的裹覆率，裹覆率高的养护效果更好。