CN115326656B - 交通土建用颗粒材料松铺层颗粒粒径及级配无损测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种交通土建用颗粒材料松铺层颗粒粒径及级配无损测量方法，涉及颗粒粒径测量领域。包括以下步骤：首先，运用获取的检测点位处交通土建用颗粒材料松铺层表面多视角数字图像，构建出交通土建用颗粒材料松铺层检测点位处的表面三维形貌数字模型；然后，运用局部区域生长分割法，得到表面检测区域范围内各颗粒在水平面上的投影图像的等效圆直径及各颗粒外露表面最高点距水平面的垂直距离；最后，计算出表面检测区域范围内每个颗粒等效粒径，并根据标准筛孔尺寸范围，累计得到交通土建用颗粒材料级配曲线。本发明可实现实时无损测量交通土建用颗粒材料松铺层颗粒粒径及级配。
Description
技术领域
本发明涉及颗粒粒径测量领域，具体是交通土建用颗粒材料松铺层颗粒粒径及级配无损测量方法。
背景技术
颗粒材料普遍存在于自然界，并广泛应用于工程建设中，尤其是大宗的交通土建工程中。决定颗粒材料工程性能的关键设计参数为颗粒粒径及颗粒组成级配。所谓级配，是指各级粒径颗粒的分布情况。随着交通等级的提高，现有交通土建工程中，如沥青混合料、级配碎石、水泥稳定级配碎石、二灰稳定级配碎石等颗粒材料，均采用厂拌然后运送到施工现场进行摊铺作业模式。虽然，在拌合厂拌和过程可以通过控制传送带速率来精确控制颗粒材料出厂时的级配严格符合设计级配。
但是，在颗粒材料运输至工程施工现场过程中，在路途颠簸等作用下易造成颗粒材料产生离析现象，即细颗粒在振动及重力共同作用下穿过粗颗粒组成的孔隙，往运输车辆底部汇聚，致使运输车辆中上部颗粒材料级配较粗，但是下部颗粒材料级配偏细，偏离设计级配。更为关键的是，在摊铺机摊铺过程中，螺旋摊铺杆搅拌传送过程时，粗颗粒更易聚集到道路边缘地带，致使其级配偏粗；而道路中央地带的颗粒材料因为损失了粗颗粒，致使其级配偏细。
因此，如何实时控制摊铺后的交通土建用颗粒材料级配，是控制交通土建用颗粒材料力学性能及变形稳定性的关键。但是，传统交通土建用颗粒材料松铺层颗粒级配测量，通常采用检测点开挖法，即在检测点将松铺颗粒材料挖出，然后运输至实验室烘干筛分，整个过程将持续4到6个小时，测试效率低下，难以实现交通土建用颗粒材料松铺层颗粒级配实时测试需求，且为有损测试，“事后”控制模式。如何如何实时准确测量摊铺后的交通土建用颗粒材料级配，是实现交通土建用颗粒材料“事中”控制的关键。
鉴于此，本发明创造性地提出了一种交通土建用颗粒材料松铺层颗粒粒径及级配无损测量方法，能够实现实时无损测量交通土建用颗粒材料松铺层颗粒粒径及级配。有望一改传统交通土建用颗粒材料松铺层颗粒级配“事后”控制模式，实现交通土建用颗粒材料松铺层颗粒级配“事中”控制。
发明内容
本发明目的在于提供交通土建用颗粒材料松铺层颗粒粒径及级配无损测量方法，解决了目前交通土建用颗粒材料级配测量效率低下的问题，实现交通土建用颗粒材料级配的高效测量及“事中控制”。
为了解决上述问题，本发明提供了交通土建用颗粒材料松铺层颗粒粒径及级配无损测量方法，对交通土建用颗粒材料施工过程中骨料颗粒形态表征与后续级配控制、调整提供技术基础。
为了实现上述目的，本发明采用的方法是：交通土建用颗粒材料松铺层颗粒粒径及级配无损测量方法，主要用于交通土建用颗粒材料施工质量控制过程中，对于交通土建用颗粒材料松铺层骨料颗粒进行识别，表征骨料颗粒形态与估算骨料颗粒级配，包括以下步骤。
S1、获取检测点位处交通土建用颗粒材料松铺层表面300mm×300mm范围的多视角数字图像，所述数字图像像素数不小于65536×65536像素点。
S2、运用基于尺度不变特征变换算法（SIFT）提取并匹配S1中所述交通土建用颗粒材料松铺层表面检测点位处的多视角数字图像中的图像特征描述子，然后依次进行松铺层表面数字图像拍摄姿态估计、松铺层表面形貌稀疏点云数字模型构建、松铺层表面形貌稠密点云数字模型构建、松铺层表面形貌点云网格建模及松铺层表面形貌三维矢量数字模型构建，进而得到检测点位处交通土建用颗粒材料松铺层表面三维形貌数字模型。
S3、对S2中所述检测点位处交通土建用颗粒材料松铺层表面三维形貌数字模型，进行倾斜修正与比例修正，得到与实际交通土建用颗粒材料松铺层表面被测点尺寸相同的颗粒材料松铺层表面三维形貌数字模型。
S4、运用所述改进局部区域生长分割法对S3中所述检测点位处交通土建用颗粒材料松铺层表面三维形貌数字模型进行颗粒的识别计算与分割计算，颗粒识别时，首先利用所述插值法对所述检测点位处交通土建用颗粒材料松铺层表面三维形貌数字模型进行网格划分，再使用所述分水岭算法识别所述局部区域极大值点与所述局部区域极小值点，最后使用所述四领域区域生长方式确定区域生长范围，将所述局部区域极大值点作为局部区域生长点及区域生长范围上限，所述局部区域极小值点中的最小值作为区域生长范围的下限；颗粒分割时，将所述网格间距系数设置为0.5，所述高度系数设置为0.4，所述局部区域极大值间距系数设置为50，所述局部区域极小值间距系数设置为10。
S5、获得所述每个颗粒在水平面内的二维投影图像，获得所述每个颗粒外露表面最高点距水平面的垂直距离，计算所述二维投影图像的截面凸度、截面长宽比、圆形度和所述二维投影图像的等效圆直径，计算表达式如下：
其中，A为截面凸度，SA为颗粒在水平面内二维投影图像的面积，SC为颗粒在水平面内二维投影图像的外切多边形面积，B为截面长宽比，L为颗粒在水平面内二维投影图像等效椭圆的主轴长度，W为颗粒在水平面内二维投影图像等效椭圆的次轴长度，C为圆形度，P为颗粒在水平面内二维投影图像周长，D为颗粒在水平面内二维投影图像的等效圆直径。
S6、运用S5中所述二维投影图像等效圆直径和所述每个颗粒外露表面最高点距水平面的垂直距离，计算所述每个颗粒等效粒径；并根据标准筛孔尺寸范围19mm、16mm、12.5mm、9.5mm、4.75mm，累计得到交通土建用颗粒材料级配曲线。所述每个颗粒等效粒径用下式计算：
式中，R为颗粒等效粒径，h为颗粒外露表面最高点距水平面的垂直距离，D为颗粒在水平面内二维投影图像的等效圆直径。
本发明实施例带来了以下有益效果。
该发明方法步骤简单，易于实现，基于局部区域生长分割法，提出了更为简单、参数更少的等效球体径计算公式，有效提高了骨料颗粒粒径估算的精确度；该方法不仅可以实现交通土建用颗粒材料松铺层施工过程中颗粒级配检测，还可以根据具体工程具体需要对骨料颗粒形态进行表征，为接下来的颗粒形态筛选以及颗粒级配控制与后续级配调整提供优质的参考数据，为交通土建用颗粒材料松铺层施工过程中级配监测提供了一种新型有效的方法。
下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步的说明。本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显。或通过本发明的实践了解到。
附图说明
下面结合附图说明和具体实施方式对本发明做进一步详细说明。
图1为交通土建用颗粒材料松铺层颗粒粒径及级配无损测量方法流程图。
图2为四领域区域生长方式流程图。
图3为四领域生长方向示意图。
图中：1-四领域区域生长方向，2-局部区域生长点。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进行清楚、完整的说明。本领域普通技术人员在基于这些说明的情况下将能够实现本发明。在结合附图对本发明进行说明前，需要特别指出的是，本发明中在包括下述说明在内的各部分中所提供的技术方案和技术特征，在不冲突的情况下，这些技术方案和技术特征可以相互组合。
此外，下述说明中涉及到的本发明的实施例通常仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。因此，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
关于本发明中术语和单位。本发明的说明书和权利要求书及有关的部分中的术语“包括”以及它的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。
交通土建用颗粒材料松铺层颗粒粒径及级配无损测量方法流程图，如图1所示，其实现步骤如下。
步骤一、获取检测点位处交通土建用颗粒材料松铺层表面300mm×300mm范围的多视角数字图像，所述数字图像像素数不小于65536×65536像素点。
步骤二、运用基于尺度不变特征变换算法（SIFT）提取并匹配步骤一中所述交通土建用颗粒材料松铺层表面检测点位处的多视角数字图像中的图像特征描述子，然后依次进行松铺层表面数字图像拍摄姿态估计、松铺层表面形貌稀疏点云数字模型构建、松铺层表面形貌稠密点云数字模型构建、松铺层表面形貌点云网格建模及松铺层表面形貌三维矢量数字模型构建，进而得到检测点位处交通土建用颗粒材料松铺层表面三维形貌数字模型。
步骤三、对步骤二中所述检测点位处交通土建用颗粒材料松铺层表面三维形貌数字模型，进行倾斜修正与比例修正，得到与实际交通土建用颗粒材料松铺层表面被测点尺寸相同的颗粒材料松铺层表面三维形貌数字模型。
步骤四、运用所述改进局部区域生长分割法对步骤三中所述检测点位处交通土建用颗粒材料松铺层表面三维形貌数字模型进行每个颗粒的识别与分割计算。颗粒识别计算时，利用所述插值法对所述检测点位处交通土建用颗粒材料松铺层表面三维形貌数字模型进行网格划分，并使用所述分水岭算法识别所述局部区域极大值点与所述局部区域极小值点；使用所述四领域区域生长方式确定区域生长范围，将所述局部区域极大值点作为局部区域生长点2及区域生长范围上限，所述局部区域极小值点中的最小值作为区域生长范围的下限，所述四领域区域生长方式流程图如图2所示；然后按照四领域区域生长方向1，即a所代表的y轴正向、b所代表的x轴正向、c所代表的y轴负向、d所代表的x轴负向，所述四领域生长方向示意图如图3所示；颗粒分割计算时，将所述网格间距系数设置为0.5，所述高度系数设置为0.4，所述局部区域极大值间距系数设置为50，所述局部区域极小值间距系数设置为10。
步骤五、获得所述每个颗粒在水平面内的二维投影图像，获得所述每个颗粒外露表面最高点距水平面的垂直距离，计算所述二维投影图像的截面凸度、截面长宽比、圆形度和所述二维投影图像的等效圆直径，计算表达式如下：
其中，A为截面凸度，SA为颗粒在水平面内二维投影图像的面积，SC为颗粒在水平面内二维投影图像的外切多边形面积，B为截面长宽比，L为颗粒在水平面内二维投影图像等效椭圆的主轴长度，W为颗粒在水平面内二维投影图像等效椭圆的次轴长度，C为圆形度，P为颗粒在水平面内二维投影图像周长，D为颗粒在水平面内二维投影图像的等效圆直径。
步骤六、运用S5中所述二维投影图像等效圆直径和所述每个颗粒外露表面最高点距水平面的垂直距离，计算所述每个颗粒等效粒径；并根据标准筛孔尺寸范围19mm、16mm、12.5mm、9.5mm、4.75mm，累计得到交通土建用颗粒材料级配曲线。所述每个颗粒等效粒径用下式计算：
式中，R为颗粒等效粒径，h为颗粒外露表面最高点距水平面的垂直距离，D为颗粒在水平面内二维投影图像的等效圆直径。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当理解本发明并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本发明的精神和范围，则都应在本发明所附权利要求的保护范围内。
Claims (3)
1.交通土建用颗粒材料松铺层颗粒粒径及级配无损测量方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、获取检测点位处交通土建用颗粒材料松铺层表面300mm×300mm范围的多视角数字图像，所述数字图像像素数不小于65536×65536像素点；
步骤2、运用基于尺度不变特征变换算法提取并匹配步骤1中所述交通土建用颗粒材料松铺层表面检测点位处的多视角数字图像中的图像特征描述子，然后依次进行松铺层表面数字图像拍摄姿态估计、松铺层表面形貌稀疏点云数字模型构建、松铺层表面形貌稠密点云数字模型构建、松铺层表面形貌点云网格建模及松铺层表面形貌三维矢量数字模型构建，进而得到检测点位处交通土建用颗粒材料松铺层表面三维形貌数字模型；
步骤3、对步骤2中所述检测点位处交通土建用颗粒材料松铺层表面三维形貌数字模型，进行倾斜修正与比例修正，得到与实际交通土建用颗粒材料松铺层表面被测点尺寸相同的颗粒材料松铺层表面三维形貌数字模型；
步骤4、运用改进局部区域生长分割法对步骤3中所述检测点位处交通土建用颗粒材料松铺层表面三维形貌数字模型进行颗粒的识别计算与分割计算；颗粒识别计算时，利用插值法对所述检测点位处交通土建用颗粒材料松铺层表面三维形貌数字模型进行网格划分，并使用分水岭算法识别局部区域极大值点与局部区域极小值点，使用四领域区域生长方式确定区域生长范围，将所述局部区域极大值点作为局部区域生长点及区域生长范围上限，所述局部区域极小值点中的最小值作为区域生长范围的下限，颗粒分割计算时，将网格间距系数设置为0.5，高度系数设置为0.4，局部区域极大值间距系数设置为50，局部区域极小值间距系数设置为10；
步骤5、获得每个颗粒在水平面内的二维投影图像，获得每个颗粒外露表面最高点距水平面的垂直距离，计算所述二维投影图像的截面凸度、截面长宽比、圆形度和所述二维投影图像的等效圆直径，计算表达式如下：
其中，A为截面凸度，SA为颗粒在水平面内二维投影图像的面积，SC为颗粒在水平面内二维投影图像的外切多边形面积，B为截面长宽比，L为颗粒在水平面内二维投影图像等效椭圆的主轴长度，W为颗粒在水平面内二维投影图像等效椭圆的次轴长度，C为圆形度，P为颗粒在水平面内二维投影图像周长，D为颗粒在水平面内二维投影图像的等效圆直径；
步骤6、运用步骤5中所述二维投影图像的等效圆直径和所述每个颗粒外露表面最高点距水平面的垂直距离，计算每个颗粒等效粒径；并根据标准筛孔尺寸范围19mm、16mm、12.5mm、9.5mm、4.75mm，累计得到交通土建用颗粒材料级配曲线，所述每个颗粒等效粒径用下式计算：
式中，R为颗粒等效粒径，h为颗粒外露表面最高点距水平面的垂直距离，D为颗粒在水平面内二维投影图像的等效圆直径。
2.根据权利要求1所述的交通土建用颗粒材料松铺层颗粒粒径及级配无损测量方法，其特征在于，步骤4中所述改进局部区域生长分割法将图像灰度信息重新定义为所述检测点位处交通土建用颗粒材料松铺层表面三维形貌数字模型中所述每个颗粒外露表面最高点距水平面的垂直距离。
3.根据权利要求1所述的交通土建用颗粒材料松铺层颗粒粒径及级配无损测量方法，其特征在于，步骤4中四领域区域生长表达式如下：
{(x-1,y),(x,y+1),(x+1,y),(x,y+1)}
其中，x、y分别为所述局部区域极大值点集{（x、y）}中的极大值点对应的坐标值。
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