（计算机应用技术专业论文）基于图像处理的沥青路面裂缝检测系统研究.pdf

摘要 沥青高速公路路面裂缝自动检测技术对于整个高速公路路面养护管理系统有着非 常重要的意义。传统的人工检测方法已经不能满足现代检测的需求，随着计算机技术的 发展，路面检测技术已经与计算机技术相结合，进入了自动检测阶段。本文作者参加了 教育部重点实验室沥青路面裂缝的图像检测、识别及自动评价方法研究项目，对沥 青高速公路路面裂缝图像检测系统进行了研究。 论文完成的主要工作有： 1 提出了一种改进的中值滤波算法。原始图像增强算法在平滑图像的同时易模糊 裂缝的边缘。经过改进的中值滤波处理后，大部分噪声被去除并很好的保持了 边缘，为边缘检测提供了高质量的数字图像。 2 应用一种改进的c a n n y 算法对裂缝图像进行边缘检测处理。经典的边缘检测算 法检测效果差，容易出现伪边缘，应用一种结合阈值选择的改进的c a n n y 准则 算法对裂缝图像进行边缘检测，该方法实验效果满意。 3 设计了高速公路养护管理s q l 数据库系统。结合高速公路养护管理系统的实际 应用环境和操作业务流程，设计出适用于各种高速公路养护管理系统的数据库， 并建立了s q l 数据库应用系统。 4 设计了一个路面裂缝检测系统。根据高速公路路面检测系统的特点，按照模块 化思想，对系统进行设计，并进行了实验。对系统的实验结果进行了分析，并 对系统开发中仍需要解决的问题进行了简要的阐述。 关键字：路面裂缝，中值滤波，边缘检测，s q l 数据库系统 a b s t r a c t f o rt h ee n t i r eh i g h w a yp a v e m e n tm a i n t e n a n c em a n a g e m e n ts y s t e m ，t h ea s p h a l th i g h w a y p a v e m e n tc r a c k sa u t o m a t i cd e t e c t i o nt e c h n o l o g yh a sv e r yi m p o r t a n tm e a n i n g t h et r a d i t i o n a l m e t h o do fd e t e c t i o ni su n a b l et of i tt h en e e d so fm o d e md e t e c t i o n a l o n gw i t ht h e d e v e l o p m e n to fc o m p u t e rt e c h n o l o g y , t h er o a dd e t e c t i o nt e c h n o l o g yi sc o m b i n e dw i t h c o m p u t e rt e c h n o l o g y , a n de n t e r st h ea u t o m a t i cd e t e c t i o na g e t h ea u t h o rp a r t i c i p a t e di nt h e r e s e a r c hp r o j e c to ft h ek e yl a b o r a t o r yo ft h em i n i s t r yo fe d u c a t i o n t h ei m a g ed e t e c t i o n ， i d e n t i f i c a t i o na n da u t o m a t i ce v a l u a t i o nm e t h o d sr e s e a r c ho fa s p h a l tp a v e m e n tc r a c k s ，a n d s t u d i e dh i g h w a ya s p h a l tp a v e m e n tc r a c k si m a g ed e t e c t i o ns y s t e m t h em a i nc o n t e n to ft h i st h e s i ss u m m a r i z e sa sf o l l o w s ： 1 p r o p o s e sm o d i f i e dm e d i a nf i l t e r i n ga l g o r i t h m t h eo r i g i n a le n h a n c e m e n ta l g o r i t h m m a ye a s i l yf u z ze d g e so fc r a c k sw h i l es m o o t h i n gi m a g e s h o w e v e r , i tr e m o v e sm o s to ft h e n o i s e ，a n dm a i n t a i n se d g e sw e l lv i at h i sa d v a n c e da l g o r i t h m s ，t h u sp r o v i d e sh i g h q u a l i t y d i g i t a li m a g e sf o rt h ee d g ed e t e c t i o n 2 a p p l i e si m p r o v e dc a n n ya l g o r i t h mt od e t e c te d g e si nt h ec r a c ki m a g e s ，a st h ec l a s s i c a l e d g ed e t e c t i o na l g o r i t h mr u n sp o o r , a n dp r o n et of o r mp s e u d o e d g e t h et h e s i sa p p l i e sa n i m p r o v e dt h r e s h o l ds e l e c t i o nb a s e dc a n n ya l g o r i t h mt od e t e c tc r a c ki m a g e s t h ee x p e r i m e n t a c h i e v e ss a t i s f a c t o r y 3 d e s i g n sas q l d a t a b a s es y s t e m ，a n de s t a b l i s h e st h es q ld a t a b a s ea p p l i c a t i o ns y s t e m w h i c hf i t sa l lk i n d so fh i g h w a ym a i n t e n a n c em a n a g e m e n ts y s t e m ，b a s e do nt h ep r a c t i c a l a p p l i c a t i o ne n v i r o n m e n ta n db u s i n e s so p e r a t i o np r o c e s s e so ft h eh i g h w a ym a i n t e n a n c e m a n a g e m e n ts y s t e m 4 d e s i g n sah i g h w a yr o a dd e t e c t i o ns y s t e m t h et h e s i sd e s i g n sa n dt e s t st h es y s t e m m o d u l a r l y , a c c o r d i n gt ot h ec h a r a c t e r i s t i c so fh i g h w a yd e t e c t i o ns y s t e m t h ee x p e r i m e n t a l o u t c o m ei sa n a l y z e d ，a n dab r i e fs t a t e m e n ta b o u tt h ee x i s t e n tp r o b l e m si s 西v e n k e yw o r d s ：r o a dc r a c k s ，m e d i a nf i l t e r i n g ，e d g ed e t e c t i o n ，s q ld a t a b a s es y s t e m 论文独创性声明 本人声明：本人所呈交的学位论文是在导师的指导下，独立进行研究工 作所取得的成果。除论文中已经注明引用的内容外，对论文的研究做出重 要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本论文中不包含任何 未加明确注明的其他个人或集体已经公开发表的成果。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名： 彳刁帮厶百後 z o - 0 8 年r 月fe l 论文知识产权权属声明 本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产权归属学 校。学校享有以任何方式发表、复制、公开阅览、借阅以及申请专利等权 利。本人离校后发表或使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成 果时，署名单位仍然为长安大学。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名： 彳匀靓弓级 力冶罗年r 月r 日 导师签名：後呈嘣2 新年r 月，矿日 长安大学硕上学位论文 1 1 概述 1 1 1 我国高等级公路的发展 第一章绪论 随着我国经济的发展，汽车数量的增加，公路交通在国民经济和人民生活中已经越 来越占据重要的地位。公路交通是最广泛、最基本的交通运输方式，是国民经济赖以发 展的重要基础设施，在国家整个综合交通体系中有着广阔的发展前途。近年来，我国的 交通运输业持续快速的发展，其中高等级公路的发展尤为迅速，在公路总里程中所占的 比例越来越大1 。 高速公路是二十世纪三十年代在西方发达国家开始出现的专门为汽车交通服务的、 一种安全、快速、通过能力大的新型交通设施【2 】【3 】，一般能适应1 2 0 k m h 或更高的行使 速度，采用沥青混凝土或者水泥混凝土的高级路面，有4 - - - , 6 车道的宽度，中间设分割 带。修建高速公路能够极大地缩短行程时间、降低交通事故率、加快地区之间的运输 周转速度，同时还使原驻地居民向高速公路两侧疏散，可有效缓解城市人口密集问题。 我国的高速公路建设发展起步于2 0 世纪8 0 年代中期。与世界发达国家高速公路相 比，虽然起步较晚，但发展很迅速。改革开放以来，国民经济发展对公路运输的要求越 来越高。国家对公路进行了大规模的资金投入，公路建设特别是高速公路建设后来居上， 发展速度大大超过了铁路和其他运输行业。我国大陆高速公路的出现，酝酿于2 0 世纪 7 0 年代，起步于8 0 年代，在9 0 年代蓬勃发展。 1 9 8 8 年1 0 月上海沪嘉高速公路的建成通车，拉开了中国高速公路建设的帷幕。进 入9 0 年代后，高速公路的发展更是突飞猛进。到1 9 9 5 年底，中国高速公路通车里程达 到2 1 4 1 公里，1 9 9 7 年末达到4 7 7 1 公里，1 9 9 8 年末达到8 7 3 3 公里。“九五 期间国家 加大公路建设投资，到1 9 9 9 年，我国高速公路通车里程已达1 1 6 1 0 4 k m ，2 0 0 1 年达 1 9 4 1 0 4 k m ，2 0 0 2 年达2 5 1 1 0 ，到2 0 0 4 年底通车里程超过3 4 万公里。可见， 我国的高速公路在过去的几十年中，得到了长足的发展，总里程数已相当客观。 第一章绪论 1 1 2 路面检测技术 虽然目前我国公路的通车总里程已经位于世界前列，但道路养护、路况监测、数据 采集和使用性能评价等方面的技术和手段还远远落后于世界发达国家，已明显满足不了 公路养护的需求。2 0 0 1 年结束的全国公路养护管理工作会议上曾明确地提出：在公路交 通工作中要牢固树立“建设是发展，养护管理也是发展”的观念。同时也提出应加大公 路养护技术研究力度，积极研究开发先进、实用的公路养护新技术、新设备、新工艺， 应用现代科技技术，以全面提高公路养护技术水平和工作效率。目前，道路检测技术正 由人工检测向自动化无损检测技术发展，使道路质量的监测、评估和破损分析更加快捷， 道路养护更加合理和经济。 道路检测技术的发展大体经过了三个主要阶段：传统人工检测一半人工半自动化 检测_ 全自动化检测。 传统的人工检测技术是完全依靠人工采集，测量及评价的方法。这种方法主要缺点 是： 1 ) 人工检测是靠检测人员的肉眼对一段公路的破损状况进行调查统计，因此一般 需相当数量的人力。 2 ) 人工检测速度极慢，需耗费大量时间，很难保证检测的及时性、周期性。 3 ) 人工检测需要封闭路面，影响正常的交通次序。 4 ) 人工检测系室外操作，工作条件恶劣，检测人员的安全无法得到保证。 5 ) 人工检测结果易受检测人员人为因素干扰，同时无法对检测结果进行重复判读， 不利于对路面破损进行客观和准确的评价p 】。 半人工半自动化检测技术主要是指采集的过程是通过采集车在高速公路上完成，并 把采集的结果存储在磁带或者硬盘上。由工作人员检查存储在计算机硬盘上的路面图 像，在图像上标注出破损，再由计算机进行统计。随着图像处理技术以及人工智能技术 ( 如：神经网络、专家系统和模糊逻辑等) 在路面图像破损识别中的广泛应用，后来的 计算机辅助半自动裂缝识别系统通过一些路面图像处理算法进行破损识别，提高了系统 自动化水平。这种技术的代表有a r r b ( 澳大利亚公路研究所) 开发的路面信息检测车 等。 随着计算机、图像处理、g p s ( g l o b a lp o s i t i o n i n gs y s t e m ，全球定位系统) 、数字化 c c d ( c h a r g ec o u p l e dd e v i c e ，电荷耦合器件) 摄像机等技术的发展，开发实时检测路 2 长安大学硕上学位论文 面破损的检测系统成为可能。全自动化检测应具有以下几个特点1 6 1 ： 1 ) 实时采集、处理路面平整度、车辙、路面图像数据； 2 ) 采用高分辨率的数字图像采集装置，图像数据直接存储在计算机硬盘中； 3 ) 使用并行计算机处理路面破损数据； 4 ) 利用g p s 对路面破损定位； 5 ) 采用人工智能技术识别路面破损； 6 ) 建立路面破损数据库与公路g i s ( g e o g r a p h i ci n f o r m a t i o ns y s t e m ，地理信息系 统) 、路面管理系统有机地结合在一起，使路面的检测和养护一体化。 1 1 3 国内外发展现状 近年来，c c d 技术取得了惊人的发展。c c d 摄像机具有较高的动态范围、分辨率、 灵敏度，c c d 摄像机配有电子快门即可用于场景图像采集。由于计算机视频、计算机 图像技术的发展，通过视频采集卡或图像采集卡即可将c c d 摄像机的视频信号采集到 计算机的内存中，实时显示、存储、处理。目前，高档的c c d 摄像机采用d s p 技术能 够有效地实现逆光的背景补偿，自动跟踪白平衡，并以数字化图像再现原始图像，计算 机通过接口可直接处理c c d 摄像机所采集的图像。随着计算机硬件的迅速发展，基于 c c d 摄像机的数字化图像系统成本大大降低。因此，数字化路面破损自动检测系统的 开发中c c d 摄像机和计算机图像处理技术得到了广泛应用。典型的有a r r b ( 澳大利 亚公路研究所) 交通研究所开发的路面信息检测车、美国p a v e d e x 公司开发的路面信 息检测系统p a s l 、美国南达科塔交通运输部研制的路面信息检测车、澳大利亚n s w 公路交通局与c r i s o 公司共同开发的自动化路面破损检测车r o a d c r a c k 等 7 1 。 a r r b 路面信息采集车采集路面图像时，最高车速可达1 0 0 k m h ，面阵c c d 摄像 机安装在检测车的顶部，摄像机的水平分辨率为5 7 0 电视线。当摄像机的焦距为1 4 m m 时，最小照度为o 0 4 1 u x ，c c d 摄像机采集的图像可实时显示在车载计算机的屏幕上， 并实时存储在计算机的硬盘中。离线处理路面图像数据时，检测的路面裂缝最小可达 3 m m 。 p a s l 系统( 包括路面信息采集检测车和离线图像处理系统) ，采集路面信息时，车 速可达8 8 5k m h 。具有7 0 0 电视线水平分辨率的c c d 摄像机安装在汽车的项部并垂直 于路面，以减小阳光对摄像机的干扰。摄像机最小照度为5 5 1 u x ，可自动调焦并具有电 第一章绪论 子快门。此外，摄像机还具有r s 2 3 2 串行口，可与车载计算机进行直接通信。车载计算 机为普通的奔腾系列的兼容机，摄像机所采集的图像存储在一个专用的具有s c s i ( s m a l l c o m p u t e rs y s t e mi n t e r f a c e ，小型计算机系统接口) 接口的硬件中，其容量达9 g b 。车上 安装有2 3 c m 的彩色高分辨率监视器，通过监视器可以观察摄像机采集的图像是否清晰， 以便精调摄像机。检测车还安装有高精度的距离传感器，用于控制存储图像的空间频率。 摄像机每秒可采集3 0 帧的图像，图像取景宽度大约为一个车道，检测到的路面裂缝最 小宽度为1 5 m m 。在采集图像前，操作者从键盘输入检测路段的起点、终点、检测时间、 检测方向、路标或地形特征等。摄像机采集的图像通过计算机主板的i s a ( i n d u s t r i a l s t a n d a r da r c h i t e c t u r e ) 总线存储，这样计算机的c p u 可以进行其它的操作。为了保证图 像的高质量，在存储图像时采用4 ：1 的压缩比，图像的水平分辨率为5 5 0 水平线，远 远高于v h s ( v i d e oh o m es y s t e m ，家用录像系统) 和s v h s ( s u p e r v h s ，高清晰v h s ) 录像带的分辨率。若按1 5 2 4 m 间隔存储一幅图像，该系统可采集3 3 6 8 k m 的路面图像。 美国南达科塔州交通运输部研制的路面信息检测车引入了网络技术，不但可以利用计算 机实时采集，压缩、存储路面图像，而且可同时将路面图像文件和路面信息数据上传到 网络服务器中，用户通过网络即可访问这些数据。 r o a d c r a c k 路面破损自动检测车将数据采集系统安装在底盘上，且安装了特殊的反 光装置，从而保证了车辆高速行驶时，数码摄像机可以正常拍摄路面信息。该检测车可 以检测各种路面裂缝，检测速度可达1 0 1 0 5k m h ，检测裂缝的最小宽度可达l m m ，检 测路面宽度为5 m 。该车还备有g p s 系统，可以记录路面破损位置信息。 2 0 0 3 年，由江苏省宁沪高速公路股份有限公司、南京理工大学和南京路达基础工程 新技术研究所共同研制的新型路面状况智能检测车f 8 j 通过鉴定。该成果为国内公路建设 与养护提供了智能化的高技术检测设备。该检测车外形为普通的面包车，工作时以每小 时7 0 公里的速度在高速公路上行驶，既可提供包括公路平整度、路面裂缝、破损等情 况的系列数据，还能在计算机显示的图像上观测到细到l m m 的裂缝，并标明裂缝所在 的位置。据该项目课题组组长南京理工大学杨静宇教授介绍，这台国内首辆公路智能检 测车是利用安装在检测车辆上的高速、高精度图像采集与处理设备，在检测车以正常速 度行驶的同时，进行路面图像采集与存储。在获得路面全部图像后，利用图像处理与分 析软件对获得的全部图像进行处理与分析，从中提取出路面破损、平整等方面的精确测 量数据。这套系统对3 m m 至5 m m 裂缝的正确识别率达到9 0 以上，甚至可以检测出 l m m 的裂缝，同时检测路面平整度精度达到0 1 m m ，车辙检测精度达到l m m 。这是国 4 k 安大学硕i 学位论立 内第一个多功能路面质量自动检测系统，该车的价格仅为美国同类产品的三分之一。试 验人员曾用这辆智能检测车对南京市1 6 条不同类型公路进行全面普测，两天的检测就 完成了过去需要几个月爿能完成的工作。 2 0 0 4 年，南京理工大学的贺安之、徐友仁、贺宁、贺斌共同研制出了“路面状况激 光三维智能检测车”p 】，如罔1 l 所示。该车可以在每小时8 0 1 2 0 公里的车速下扫描 所经过路面的任何裂缝和车辙并给出及时的路面检测报告。该检测车有三项技术超越 国外同类产品，产品投放市场一年内，国外同类产品被迫两次升级，价格降半。该检测 车已经在北京、浙 工、河南、天津等地多个城市进行过检测服务，这台检测系统还被国 家交通部列为车载式公路路面检测系统的国家标准。 图1 1 路面状况激光三维智能检测车 然而，路面破损数据的准确、实时、高效采集问题已经成为我国推广和应用路面破 损检测系统的“瓶颈”。此外，在高等级公路路面的长期性能研究邻域中，也需要检测 路面破损状况数据，以建立路碡1 性能模型，为高等级公路路面的设计、施工服务。因此， 结合高新技术，开发高效、快速、准确的路面破损检测系统具有重要的现实意义。 基于这种情况，国内外许多研究人员都在此邻域进行了深入的研究特别是利用 c c d 摄像技术开发路面破损信息采集系统，并结合图像处理、模式识别和其它先进的 传感器技术处理路面破损信息。纵观国内外的发展现状可以看到，基于数字图像处理方 法的路面检测技术研究己经成为路面无损自动检测技术研究的主流方向，并且随着图像 传感器技术的发展，图像采集新技术、新方法的应用，其发展前景会更加广阔。 1 2 本文主要研究工作 奉论文的研究内容主要针对教育部重点实验室研究项目“沥青路面裂缝的图像检 测、_ 【 别及自动评价方法研究”展开进行的。主要的研究工作包括以下几个方面： 第一章绪论 1 由于图像噪声恶化图像质量，使图像模糊，甚至淹没特征给后续的裂缝提取带 来很大的困难。因此必须对图像进行增强处理，本文拟在研究图像增强算法的 基础上，研究既能较好的去除噪声又能保护裂缝边缘的算法。 2 传统的边缘检测算法，在提取边缘特征的时候容易出现伪边缘，本文拟在总结 和分析路面裂缝检测中的边缘检测算法的基础上，针对沥青公路路面裂缝图像 的特点，研究相关算法，并对其进行试验。 3 根据数据库的设计原理、方法及路面管理系统原理，结合高速公路养护管理系 统的实际应用环境和操作业务流程，设计一个适用于各种高速公路检测系统的 s q l 数据库，建立通用的s q l 数据库应用系统。 4 设计基于机器视觉的由计算机、c c d 摄像机、图像采集卡、g p s 定位仪、承载 车等构成的路面破损信息自动无损检测系统，并将建立基于机器视觉的路面裂 缝实时自动检测实验平台，对实验结果进行研究分析。 1 3 本文的内容安排 论文主要包括以下六个部分： 第一章，概括介绍了沥青高速公路路面自动检测系统当前的发展概况，讲述了课题 研究的目的、背景及意义。 第二章，主要介绍了沥青路面破损及其检测的知识，为后续的检测系统数据库的建 立做相关知识的铺垫。 第三章，介绍路面检测的主要技术，着重对系统中的图像增强技术和边缘检测技术 进行研究，并对相关算法进行实验。 第四章，结合高速公路养护管理系统的实际应用环境和操作业务流程，着重对系统 的数据库部分进行设计。 第五章，详细介绍系统的设计及软硬件实现，并对实验结果做分析。 最后，总结了本论文所做的工作，并提出了有待改善的问题。 6 长安大学硕上学位论文 2 1 引言 第二章沥青公路路面破损的分类及检测方法 路面是最重要的工程结构物。沥青路面作为我国公路主要的路面结构形式，在高级、 次高级公路路面中占有很高的比例，约为8 0 。因其具有地质条件适应性强、行车舒适、 维护方便等优点，而被广泛用于高等级公路中。沥青路面在使用过程中，在载荷与自然 因素长期作用下，公路路面就会出现各种各样的破损现象，逐渐失去服务能力。为了评 估和预测这些路面破损对公路的使用性能、汽车运输费用以及行驶舒适性的影响，人们 研究分析了沥青路面的各种破损产生的原因并合理地对它们进行了分类，以便精确的测 量和计算它们对路面使用性能和寿命的影响，科学合理的安排公路的养护作业。 本章主要依据2 0 0 2 年中华人民共和国交通部最新发布的高速公路养护质量评价 方法( 试行) i 0 1 对沥青路面破损进行分类，并对路面破损检测方法进行研究。 2 2 沥青路面破损分类 沥青公路路面的破损情况因路基路面的类型、地区、气候和交通等差异而不同。从 大的方面可分为结构性破损和功能性破损两大类】。按形状路面破损可分为裂缝类、松 散类、变形类和表面损坏类四种类型，每种类型破损包含的内容见表2 1 。 表2 1 沥青路面破损类型 分类路面破损类型 裂缝类龟裂、不规则裂缝、纵向裂缝、横向裂缝 松散类坑槽( 含啃边) 、松散( 含脱皮、麻面) 变形类沉陷、车辙、拥包、搓板、桥头跳车 表面损坏泛油、磨光、老化、露骨、修补损坏 2 2 1 结构性破损 结构性破损，是由于路面各结构层的承载能力不能抵抗现有行车载荷的反复作用， 而产生路面结构整体性破坏，其结果反映到路面上就是各种形状的裂缝，如龟裂、块裂、 7 第二章沥青公路路面破损的分类及检测方法 纵裂和横裂。这些裂缝是由于路基下沉、路面材料品质不良、施工控制不合格、渗水和 交通荷载剪切作用引起的。路面结构性破损是最严重的一种早期破损，路面一旦发生结 构性破损，其它使用性能就根本无从谈起。 路面裂缝最为普遍的也是路面早期破损最常见的病害之一。它的危害在于沥青路面 产生裂缝后，从裂缝中不断进入水分使基层甚至路基软化，导致路面承载能力下降，加 速路面破坏。常见的结构性破损有以下几类2 1 ：横向裂缝、纵向裂缝、龟裂网裂、块状 裂缝。下面对各种裂缝病害做一下简要的介绍0 3 1 1 4 1 。 1 ) 横向裂缝 裂缝与路中心线基本垂直，缝宽不一，缝长有的贯穿整个路幅，有的贯穿部分路幅， 裂缝弯弯曲曲、有枝有叉。横向裂缝将导致裂缝两侧凹陷，同时会对路基造成冲刷。横 向裂缝可分为载荷性裂缝和非载荷性裂缝两大类。载荷性裂缝是由于路面设计不当或者 施工质量低劣，或由于车辆严重超载，致使沥青面层或半刚性基层内产生的拉应力超过 其疲劳强度而产生的裂缝。非载荷性裂缝是横向裂缝的主要形式，它有两种情况：沥青 面层温度收缩性裂缝和基层反射性裂缝。 2 ) 纵向裂缝 裂缝走向基本与行车方向平行，裂缝长度和宽度不一，一般都发生在高填方路基的 公路上。纵向裂缝容易形成沿行车方向的台阶状，影响行车舒适性。一种情况是由于路 基压实度不均匀以及路面不均匀沉陷而引起的，如发生在半填半挖处的裂缝；另一种情 况是在沥青面层分幅摊铺时接茬处未处理好，在行车荷载作用下，易形成纵向裂缝。此 外，有时车辙边缘也会出现纵向裂缝。 3 ) 龟裂网裂 在重复的运输载荷作用下，沥青路面表面会产生疲劳破坏，形成一系列相互连接的 裂缝。随着载荷大小和数量的增加纵向裂缝开始形成( 通常是在车轮轨迹处) ，之后在 载荷的重复作用下纵向裂缝相互连接形成了多边的带尖角的块儿，这些块儿发展成类似 鳄鱼背部纹理的形状，即龟裂网裂。龟裂是指缝宽3 m m 以上，且多数缝距在1 0 e m 以内， 面积1m 2 以上的块状不规则裂缝；网裂是指缝宽l m m 以上或缝距在4 0 c m 以下，面积 在l 朋2 以上的网状裂缝。龟裂网裂通常是由于路面整体强度不足，基层软化，稳定性不 良等原因引起的。 4 ) 块状裂缝 路面上产生的不规则大网格式网状裂缝，裂缝间距大小相近，裂块的网格在形状和 8 长安大学硕十学位论文 尺寸上都有别于网状裂缝，裂缝块的大小一般在0 0 9 2 m 2 到9 2 m 2 之间。较大块通常分 类为纵向裂缝和横向裂缝。块裂通常发生在路面较大的范围内，但有时也只出现在没有 交通负载的位置上，沥青路面老化变脆，也会发展成块状裂缝。 本文后面介绍的公路路面病害自动检测系统主要就是实现对这几种沥青路面裂缝 病害进行自动检测。 2 2 2 功能性破损 功能性破损，是由于路面提供给道路用户的服务能力下降引起的，反映在路面上则 是平整度降低和车辙加深。常见的功能性破损有不平整性、坑洞拥包、泛油、波浪、修 补、车辙( 少量) 和局部裂缝等。 1 ) 车辙 车辙是在道路横断面上由于车辆轮胎重复行驶产生的一种路面沉陷现象。产生原因 为重载交通的作用、渠化交通和路面材料质量低下等，夏季的高温也是车辙因素之，。 车辙现象在一般公路上不常见，原因是汽车的混合行驶使轮迹分布在一个较宽的范围 内，从整体上降低了发生车辙的可能性。高速公路运营时间较短，且交通量远未饱和， 因而还没有出现严重的车辙现象。随着交通量的增加，与其他发达国家一样，高速公路 及汽车专用公路上的车辙必须予以充分考虑，包括评价办法和处理对策。 2 ) 松散 由于沥青混合物骨料和沥青粘接性下降而产生的骨料松散、脱落，其原因为：骨料 质量差和混合物浸水分离。 3 ) 坑槽 当沥青混合物骨料和沥青粘接性下降较为严重时，将形成坑洞。 4 ) 沉陷 当沥青未经压实或压实度不够使得路基表面作竖向位移，或路基处于软弱地基上而 形成。 5 ) 波浪拥包 波浪是沿道路纵向形成的一种波长较短振幅较大的凹凸现象。拥包是表面的局部隆 起。 6 ) 修补不良 修补后的路面由于与原路面存在结构材料差异而衔接不良。修补往往会导致路面的 9 第二章沥青公路路面破损的分类及检测方法 不平整。按面积计算。 7 ) 泛油 泛油是路面上发生沥青浸出的现象，路表呈现沥青膜、发亮、有轮印，按面积计算。 泛油使得路面抗滑性能大为降低，导致这种现象的原因多为沥青材料质量差和施工质量 不良。 2 3 沥青公路路面破损检测方法及评价指标 2 3 1 沥青路面破损的检测方法 高速公路养护质量检评方法( 试行) 中规定高速公路养护质量评定所需的沥青 路面状况数据调查频率为：每三个月进行一次全面调查。调查方法如下i lo 】： 1 ) 根据目的选择各类破损调查的时间，如对强度不足或疲劳引起的裂缝( 龟裂) ， 宜在春季或雨季最不利季节之后调查：对于温度收缩引起的非荷载性裂缝( 块状裂缝及 横向裂缝) ，应在冬季以后观测；对车辙、波浪拥包等热稳定性变形，宜在夏季观测； 对松散类破损宜在雨季观测，也可在规定的同一时间观测，需要时可定期观测，以了解 破损状况。为便于裂缝观测，宜选择在雨后( 或预先洒水) 路表已干燥但尚有水迹的时 候观测； 2 ) 选择测试路段并测量其路面的长度、宽度，计算测试路段总面积； 3 ) 检测前应通报有关交通管理部门，检测时应有专人指挥交通( 必要时可封锁交 通) ，并设置安全标志等以确保检测车及检测者的安全； 4 ) 当采用高速摄影车或其它高效测试设备时，按有关使用说明书操作。采用自动 摄影车测试时，进行连续摄影或录像，然后在室内评定或用计算机检测裂缝等各类破损 量。当人工检测时，由2 4 人组成一组，沿路面仔细观察路面各类破损状况。若观测裂 缝时，一般以逆光观测较为清楚，对不明显的裂缝，可在裂缝位置用粉笔做出标记； 5 ) 目测或用量尺测试路段的路面上各类破损的长度或范围，准确至0 1 米。车辙检 测按规程t 0 9 7 3 的规定进行。拥包、波浪、沉陷等变形类损坏除记录面积外，尚应测记 拥起高度或下陷深度； 6 ) 记录破损位置( 桩号 ，就地在方格纸上按比例描绘破损图，记录破损类别。 l o 长安人学硕士学位论文 2 3 2 沥青路面破损评价指标 公路路面使用品质与路面状况评定是公路管理部门运用一定的科学检测手段与方 法对公路进行必要的技术检查，以确定其路面结构现实的使用性能。根据我国的实际情 况和国外的公路管理技术发展趋势，从整体的评价角度，路面使用性能评价可分为如下 4 项指标【】： ( 1 ) 路面结构承载能力，指路面在达到预定的损坏状况之前还能够承受的行车载 荷的作用次数，或者还能使用的年数。路面强度的调查指标为路面弯沉值。 ( 2 ) 路面结构损坏状况，反映了路面结构在行车载荷与自然因素的双重作用下保 持路面整体稳定性与结构完整性的程度。 ( 3 ) 路面行驶质量，路面行驶质量的好坏，从路面状况的角度考虑，主要因素是 路面的平整度。路面的平整度是路面诱使行车出现振动的高程变化。路面不平整引起的 车辆振动对车辆磨损、燃油消耗、行车舒适、行车速度、路面损坏和交通安全等多方面 产生直接影响。 ( 4 ) 路面的抗滑性能，是指行驶车辆轮胎受到制动时，沿路表面滑移所产生的抗 滑力。它是路面安全性能评价的主要指标，其调查指标为轮胎与路面的摩擦系数。 2 3 3 路面破损分级 公路各种路面破坏类型处于不同发展阶段时，对于路面使用性能有不同程度的影 响。例如，在裂缝出现时，缝隙细微，边缘处材料完整，因而对行车的舒适性影响极小， 裂缝间也尚有较高的传荷能力；发展到后期，缝隙变得很宽，边缘处严重碎裂，行车出 现较大颠簸，裂缝之间几乎没有传荷能力。因而，为了区别同一种损坏对路面使用性能 的不同影响，对各种损坏按照影响的严重程度划分为几个等级( 一般有2 - - 3 个等级) 。 对于断裂或裂缝损坏，分级时主要考虑对结构整体性影响的程度，可采用缝隙宽度、 边缘碎裂程度、裂缝发展情况等指标表征；对于变形类损坏，主要考虑对行车的舒适性 的影响程度，可采用平整度指标进行分级；对于表面损坏类，则不需分级。而具体指标 和分级标准则根据各地区的特点和其他因素综合考虑确定。 根据中华人民共和国行业标准公路沥青路面养护技术规范( j t j 0 7 3 2 2 0 0 1 ) ， 各类破损类型及其分级见表2 2 。 第二章沥青公路路面破损的分类及检测方法 表2 2 沥青路面破损分类分级1 2 1 类型分级 外观描述分级指标 块度： 轻缝细，无散落，裂区无变形 2 0 c m - 5 0 c m 龟裂 中 裂块明显，缝较宽，无或轻散落或轻度变形块度： 2 0 c m 裂 重裂块破碎，缝宽，散落重，变形明显块度： l o o c m 类 块裂 块度： 重缝宽，裂块小 5 0 c m - l o o c m 纵裂轻缝壁无散落或轻微散落，无或少支缝 缝宽： 5 m m 轻 坑浅，面积较小( 2 5 m m 类 轻 细集科散失，路表粗麻 松散 重 细集科散失，表面剥落 轻 深度浅，行车无明显不适感 深度： 2 5 m m 形 轻 变形较浅深度： 2 5 m m 拥包 轻 波峰波谷高差小 高差： 2 5 m m 泛油 路表显现沥青膜，发亮，有轮印 其它 磨光路面原有粗构造衰退或丧失、路面光滑 2 3 4 路面破损测量方法及计算 为了定量化的比较各路段的损坏状况或严重程度，应采用一项综合的评价指标。一 般采用路面状况指数p c i ( p a v e m e n tc o n d i t i o ni n d e x ) 来对路面损坏状况进行评价。扣 分法是确定路面状况指数p c i 的常用方法，如公式( 2 1 ) 。其是对不同的损坏类型、严 重程度和范围规定不同的扣分值，按路段的损坏状况累计扣分值后，以剩余的数值表征 路面的完好程度，评价路面的好坏。 p c = 1 0 0 一c t o d r q ( 2 1 ) 1 2 长安大学硕上学位论文 2 l 彬4 d r = 1 0 0 午 ( 沥青混凝土路面) ( 2 2 ) 式中：d r 沥青混凝土路面破损率，为路面各种破损的折合面积之和与调查路 面面积之比，以百分数表示： 4 沥青混凝土路面破损中，第i 类破损( 分严重程度) 的调查面积，m 2 ； 彳沥青混凝土路面的实际调查面积( 调查路段与有效路面宽度之积) ，m ： 彬沥青混凝土路面第i 类破损( 分严重程度) 的权重； 标定系数，采用1 5 o o ； 标定系数，采用o 4 1 。 上面的计算式中测试路段的沥青路面各类破损的长度或面积可按高速公路养护质 量评价方法( 试行) 提供的沥青混凝土路面破损类型和换算系数进行分类统计，见表 2 3 。 表2 3 沥青混凝土路面破损类型和换算系数表1 2 1 “ 类型程度权重( 晰)单位 轻0 6 龟裂中0 8 平方米( 肌2 ) 重 1 0 轻o 4 裂块状裂缝平方米( 肌2 ) 重o 6 缝 轻o 4 类 纵向裂缝长度( m ) 0 2 ( 聊) 重1 o 轻o 4 横向裂缝长度( 聊) 0 2 ( 朋) 重1 o 轻0 8 坑槽 平方米( 肌2 ) 松 重 1 0 散 轻o 6 松散平方米( m 2 ) 类 重1 o 轻o 4 沉陷平方米( 朋2 ) 变 重1 0 形 车辙轻0 4 * 府r 啪、n f 、 第二章沥青公路路面破损的分类及检测方法 类 重 1 o 轻 0 4 波浪拥包平方米( m 2 ) 重 0 8 其泛油 o 2 平方米( 肌2 ) 他 修补不良 0 2 平方米( 聊2 ) 注：横向裂缝、纵向裂缝和车辙的检测单位为米( m ) 路面裂缝类破损的类型多样且复杂，是沥青路面破损中最主要的破损之一，因此有 必要单独给出其表征值裂缝率，用来描述路面状况，其计算公式如下 i s l ： g = 生竽 ( 2 3 ) 式中：g 沥青路面总裂缝率( m 2 1 0 0 0 m 2 ) ； i 广一单根裂缝的总长度( m ) ； e 龟裂及块裂的总面积( m 2 ) ； a 测试路段面积，以1 0 0 0 m 2 计； o 3 为单根裂缝长度换算成面积的影响系数； 在没有龟裂和块裂的路面上，沥青路面横向裂缝或纵向裂缝等单根裂缝按式2 4 ， 2 5 计算裂缝度，总裂缝度按式( 2 6 ) 计算【”】： y j c l d 。等 q 4 f 厂2 c 2 d2 等 q 5 g = g d + g d + ( 2 6 ) 式中：q 沥青路面的总裂缝度( m 2 1 0 0 0 m 2 ) ； q d 沥青路面的横向裂缝裂缝度( m 2 l o o o m 2 ) ； c 2 d 沥青路面的纵向裂缝裂缝度( m 2 1 0 0 0 m 2 ) ； 三1 横向裂缝总长度( m ) ； 三2 纵向裂缝总长度( 聊) 。 这种用扣分法评价路面损坏状态的方法，较早在美国w a s h i n g t o n 州路面管理系统中 得到应用。后来在p a v e r 系统中得到进一步完善，从而促进了该方法在评价路面状况 中的广泛应用。我国在“七五”国家攻关期间根据北京市和广东省的路面状况，也利用 1 4 长安大学硕上学位论文 这种扣分方法开发了路面状况指数p c i 模型【1 6 1 。 路面损坏状况评价指标作为评价路面质量的重要指标之一，无论在网级还是在项目 级的路面管理系统中，都起着重要的作用。在某些地方由于设备、费用等原因而导致平 整度和抗滑能力的检测比较困难，在这些地方和城市的路面管理系统中，通常将路面损 坏状况指标作为唯一的路面质量评价指标。表2 4 为路面损坏状况评价标准及养护对策。 表2 4 路面损坏状况评价标准及养护对簧 损坏状况 特优优 良中差很差 评级 路面状况 9 1 l o o8 l 9 07 l 8 05 l 7 03 l 5 l 3 0 指数p c i 路面较平整，通 路面有轻到中度路面破损较多，路段内有人范围路面破损 常无破损形式出裂缝存在，但尚有纵向裂缝和横纵向裂缝和横向极度严重 现或仅有发丝状未发现坑槽，松向裂缝，裂缝较裂缝，裂缝很宽。需要进 裂缝出现。养护散等破损形式，宽，块裂一般发，行车道有龟裂行路面结 主观评 工作量小，日常为维持路面正常育不完全，有少，坑槽，松散，构改建。 价标准 养护即能维持路使用性能，有时量坑槽，松散，等伴随发生，需 面正常使用性能。需要采取小修等需要采取中修等要及时采取大修 养护措施。养护措施。以保证路面正常 使用性能。 养护对策不需保养维修维修，专项专项，大修大修 2 4 本章小结 在进行路面破损图像处理、分析系统的研究之前，本章结合2 0 0 2 年中华人民共和 国交通部最新发布的高速公路养护质量评价方法( 试行) 对沥青路面破损的分类及 路面破损检测方法进行了研究。本论文中对路面破损状况的检测评价均以该评价方法为 标准。 长安大学硕上学位论文 3 1 引言 第三章沥青路面裂缝图像边缘检测 数字图像的边缘检测是图像分割、目标区域的识别、区域形状提取等图像分析邻域 十分重要的基础，图像理解和分析的第一步往往就是边缘检测，目前它以成为机器视觉 研究邻域最活跃的课题之一，在工程应用中占有十分重要的地位。 物体的边缘是图像局部变化的重要特征，以不连续性的形式出现，通常用方向和幅 度描述图像的边缘特性。一般来讲，沿边缘走向的像素变换平缓，而垂直于边缘走向的 像素变化剧烈。基于边缘检测的基本思想是先检测图像中的边缘点，再按一定策略连接 成轮廓，从而构成边缘图像【1 7 1 。 对于图像的边缘检测来说，一般在识别过程中有如下的要求： 1 ) 能够正确的检测出边缘； 2 ) 边缘的定位精度要高； 3 ) 检测的响应最好是单像素的； 4 ) 对于不同尺度的边缘都能有较好的响应并尽量减少漏检； 5 1 对噪声应该不敏感； 6 ) 检测的灵敏度受边缘影响应该小。 这些要求往往都很矛盾，很难在一个边缘检测方法得到完全的统一。判断一种检测 方法的好坏是先看边缘图像，再评价其性能。边缘检测主要有三种误差：丢失的有效边 缘、边缘定位误差和将噪声误判为边缘。因此，寻求一种适合裂缝图像的边缘检测算法 成为裂缝检测与特征计算的关键步骤。 本章首先对路面裂缝图像的特征进行分析，然后结合路面裂缝图像对图像应用改进 的中值滤波算法和改进的基于c a n n y 准则的算法进行试验，并对实验结果进行分析。 3 2 路面裂缝图像的特征 线状裂缝作为主要的路面病害，是路面病害检测的重点。路面裂缝在采集图像中所 呈现的特点直接关系到后面图像处理环节采用的方法，所以分析路面尤其是路面裂缝的 成像特点对后续工作十分有意义。 1 7 第三章沥青路面裂缝图像边缘