基于三维纹理模型的路面集料分布均匀性评价方法及系统

技术领域

本发明涉及沥青路面施工技术领域，具体涉及一种基于三维纹理模型的 路面集料分布均匀性评价方法及系统。

背景技术

集料分布均匀性是沥青路面施工均匀性的重要方面，显著影响沥青路面 的使用性能。沥青路面上粗集料离析区域的构造深度偏大，细集料离析区域 偏小。目前，沥青路面构造深度的测量方法主要以铺砂法和激光法为主。

铺砂法操作简单方便，测试成本低，但测量的效率低且测试结果受人为 因素影响较大。激光法的测量效率高、测试结果准确，但是其所测构造深度 值为路面一定长度范围内的平均值，且设备价格昂贵，不利于推广应用。

随着图像处理技术和三维激光扫描技术的发展，这一技术也逐步应用到 沥青路面施工质量控制及评价中来。纹理构造深度是沥青路面抗滑性能的重 要指标，当前相关研究主要致力于工程中纹理检测与抗滑性能的评价方法。 但是，纹理构造深度(MTD)指标仅能反映沥青路面表面纹理构造的整体水 平，无法有效的表征路表纹理构造的分布特性(即粗细集料的分布均匀 性)。纹理构造整体水平相同的两段沥青路面，其路表的集料分布均匀性甚 至会差异很大。沥青路面的纹理构造特性直接反映了路表集料的分布情况， 亦可为评价路表集料的离析情况提供依据。

采用图像处理方法或三维激光扫描技术计算沥青路面的构造深度，克服 了铺砂法试验结果人为因素影响大的缺陷。由于集料离析现象的复杂性，如 何客观、有效地评价沥青路面的集料分布均匀性仍是研究的热点问题。考虑 到沥青路面的纹理构造较为复杂且极不规则，仅单纯依靠构造深度指标或二 维纹理构造特征评价沥青路面的集料分布情况，其可靠性得不到保证。

发明内容

本发明的目的在于提供一种通过路表的三维纹理构造特征来评价沥青路 面路表集料的分布情况，可以实时快速地检测沥青路面的施工质量的基于三 维纹理模型的路面集料分布均匀性评价方法及系统，以解决上述背景技术中 存在的至少一项技术问题。

为了实现上述目的，本发明采取了如下技术方案：

第一方面，本发明提供一种基于三维纹理模型的路面集料分布均匀性评 价方法，包括：

对路表图像的路面纹理构造进行三维重构，得到路表形貌模型；

将路表形貌模型网格化，计算路表形貌模型中路面纹理构造的分形维数 以及多重分形特性参数；其中，多重分形特性参数包括多重分形谱宽度和多 重分形谱差；

根据分形维数以及多重分形特性参数，计算路面纹理构造均匀性指标；

基于路面纹理构造均匀性指标，建立路面集料分布均匀性评价标准，评 价路面集料分布均匀性的优劣。

优选的，对切割后的路表图像进行预处理，根据单幅图像恢复沥青路面 的表面三维形貌，获取灰度图像的坐标和灰度，得到图像的像素矩阵，根据 像素矩阵重构沥青路面表面的三维纹理特性，得到路表形貌模型。

优选的，将路表形貌模型在三维空间中网格化，选取不同尺度的网格的 边长，绘制双对数曲线，利用最小二乘法对双对数曲线上的数据点进行线性 拟合，确定路面纹理构造的分形维数。

优选的，将路表形貌模型多重分形为多个小区域，根据该小区域的尺度 在该小区域的分布概率，确定该小区域的局部分形维数；根据所述分布概率 的分配函数与尺度的线性关系、多重分形谱与局部分形维数的线性关系，计 算路面纹理构造的多重分形谱宽度和多重分形谱差。

优选的，基于分形维数和多重分形谱宽度，分别计算基于整体的纹理构 造不均匀系数和基于局部的纹理构造不均匀系数；根据基于整体的纹理构造 不均匀系数和基于局部的纹理构造不均匀系数，计算三维纹理构造均匀性指 标。

优选的，多重分形后分成N个小区域，令第i个小区域尺度为ε

随着ε减小，各小区域的概率测度P(ε)的元素N(ε)增大，则：

N

N

定义分配函数

对于路表形貌具有多重分形特性，lnχ

则多重分形谱的宽度Δα为：

Δα＝α

则：

定义多重分形谱差Δf：

Δf＝f(α

则：

绘制出lnχ

优选的，基于描述路面形貌的分形维数和多重分形谱宽，计算三维纹理 构造均匀性指标TU包括：

TU＝U

优选的，将垂直投影为M×M的三维路表形貌模型在投影得到的平面上分 割成s×s的网格，M/2≥s≥2；其中，M为三维路表形貌模型垂直投影的边 长，s为切割的网格边长，且s为整数；

令r＝s/M，对于三维路表形貌模型，x轴与y轴表示平面位置，z轴表示 高度，x-y平面被分割成多个s×s的网格，在每个网格上，是一系列s×s×h的 盒子，其中，h为盒子高度，令h＝s/M；

设三维路表形貌模型高度在第(x,y)网格中最小值落在第k个盒子中，最大 值落在第l个盒子中，则：

n

其中，n

覆盖整个三维路表形貌模型曲面需要的盒子总数N(r)为：

则分形维数D的为：

优选的，建立路面集料分布均匀性评价标准包括：根据不同离析程度的 沥青板式料的集料分布均匀性指标的分布范围，建立基于路面纹理构造均匀 性指标的沥青路面集料分布均匀性评价标准。

第二方面，本发明提供一种基于三维纹理模型的路面集料分布均匀性评 价系统，包括：

重构模块，用于对路表图像的路面纹理构造进行三维重构，得到路表形 貌模型；

第一确定模块，用于将路表形貌模型网格化，计算路表形貌模型中路面 纹理构造的分形维数；

第二确定模块，用于根据路表形貌模型，计算路表形貌模型中路面纹理 构造的多重分形特性参数；其中，多重分形特性参数包括多重分形谱宽度和 多重分形谱差；

计算模块，用于根据分形维数以及多重分形特性参数，计算路面纹理构 造均匀性指标；

评价模块，用于基于路面纹理构造均匀性指标，建立路面集料分布均匀 性评价标准，评价路面集料分布均匀性的优劣。

本发明有益效果：基于路表三维纹理模型，计算了分形维数和多重分形 谱参数，提出三维纹理构造均匀性指标TU，建立了基于TU值的沥青路面表面 集料分布均匀性评价标准，有效评价沥青路面的施工质量均匀性。

本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，这些将从下面的 描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所 需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发 明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前 提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例所述的沥青路面纹理构造图像采集装置结构图。

图2为本发明实施例所述的采集的沥青路面路表纹理构造图像示意图。

图3为本发明实施例所述的构建的沥青路面表面纹理结构三维重构模型示 意图。

图4为本发明实施例所述的路表三维纹理分形维数与构造深度的关系示意 图。

图5为本发明实施例所述的路表多重分形谱宽与构造深度的关系示意图。

图6为本发明实施例所述的路表多重分形谱差与构造深度的关系示意图。

图7为本发明实施例所述的划分为四等分后的路表纹理图像示意图。

其中：1-工业相机镜头；3-拍摄高度调节杆；11-弧形采像壳；21-顶层 板；22-可折叠短杆；24-圆孔；33-万向轮；34-可摘取式塑料保护壳；41-遮光 帘片；42-固定杆；43-吸铁式下梁杆；52-金属软管；61-LED光源控制器一； 62-LED光源控制器二；63-LED光源控制器三；64-LED光源控制器四；211-采 像口；212-镜头大小调节壳；511-LED光源一；512-LED光源二；513-LED光 源三；514-LED光源四。

具体实施方式

下面详细叙述本发明的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出， 其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功 能的元件。下面通过附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本发明， 而不能解释为对本发明的限制。

本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语 (包括技术术语和科学术语)具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一 般理解相同的意义。

还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与 现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用 理想化或过于正式的含义来解释。

本技术领域技术人员可以理解，除非特意声明，这里使用的单数形式 “一”、“一个”、“所述”和“该”也可包括复数形式。应该进一步理解的是，本发 明的说明书中使用的措辞“包括”是指存在所述特征、整数、步骤、操作、元 件和/或组件，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、整数、步骤、 操作、元件和/或它们的组。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、 “具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特 征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。而且， 描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中 以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以 将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结 合和组合。

为便于理解本发明，下面结合附图以具体实施例对本发明作进一步解释 说明，且具体实施例并不构成对本发明实施例的限定。

本领域技术人员应该理解，附图只是实施例的示意图，附图中的部件并 不一定是实施本发明所必须的。

实施例1

本发明实施例1提供一种基于三维纹理模型的路面集料分布均匀性评价系 统，该系统包括：

重构模块，用于对路表图像的路面纹理构造进行三维重构，得到路表形 貌模型；

第一确定模块，用于将路表形貌模型网格化，计算路表形貌模型中路面 纹理构造的分形维数；

第二确定模块，用于根据路表形貌模型，计算路表形貌模型中路面纹理 构造的多重分形特性参数；其中，多重分形特性参数包括多重分形谱宽度和 多重分形谱差；

计算模块，用于根据分形维数以及多重分形特性参数，计算路面纹理构 造均匀性指标；

评价模块，用于基于路面纹理构造均匀性指标，建立路面集料分布均匀 性评价标准，评价路面集料分布均匀性的优劣。

在本实施例1中，利用上述的系统实现了基于三维纹理模型的路面集料分 布均匀性评价方法，该方法包括：

对路表图像的路面纹理构造进行三维重构，得到路表形貌模型；

将路表形貌模型网格化，计算路表形貌模型中路面纹理构造的分形维数 以及多重分形特性参数；其中，多重分形特性参数包括多重分形谱宽度和多 重分形谱差；

根据分形维数以及多重分形特性参数，计算路面纹理构造均匀性指标；

基于路面纹理构造均匀性指标，建立路面集料分布均匀性评价标准，评 价路面集料分布均匀性的优劣。

其中，对切割后的路表图像进行预处理，根据单幅图像恢复沥青路面的 表面三维形貌，获取灰度图像的坐标和灰度，得到图像的像素矩阵，根据像 素矩阵重构沥青路面表面的三维纹理特性，得到路表形貌模型。

将路表形貌模型在三维空间中网格化，选取不同尺度的网格的边长，绘 制双对数曲线，利用最小二乘法对双对数曲线上的数据点进行线性拟合，确 定路面纹理构造的分形维数。

将路表形貌模型多重分形为多个小区域，根据该小区域的尺度在该小区 域的分布概率，确定该小区域的局部分形维数；根据所述分布概率的分配函 数与尺度的线性关系、多重分形谱与局部分形维数的线性关系，计算路面纹 理构造的多重分形谱宽度和多重分形谱差。

基于分形维数和多重分形谱宽度，分别计算基于整体的纹理构造不均匀 系数和基于局部的纹理构造不均匀系数；根据基于整体的纹理构造不均匀系 数和基于局部的纹理构造不均匀系数，计算三维纹理构造均匀性指标。

多重分形后分成N个小区域，令第i个小区域尺度为ε

随着ε减小，各小区域的概率测度P(ε)的元素N(ε)增大，则：

N

N

定义分配函数

对于路表形貌具有多重分形特性，lnχ

则多重分形谱的宽度Δα为：

Δα＝α

则：

定义多重分形谱差Δf：

Δf＝f(α

则：

绘制出lnχ

基于描述路面形貌的分形维数和多重分形谱宽，计算三维纹理构造均匀 性指标TU包括：

TU＝U

其中，将垂直投影为M×M的三维路表形貌模型在投影得到的平面上分割 成s×s的网格，M/2≥s≥2；其中，M为三维路表形貌模型垂直投影的边长，s 为切割的网格边长，且s为整数；

令r＝s/M，对于三维路表形貌模型，x轴与y轴表示平面位置，z轴表示 高度，x-y平面被分割成多个s×s的网格，在每个网格上，是一系列s×s×h的 盒子，其中，h为盒子高度，令h＝s/M；

设三维路表形貌模型高度在第(x,y)网格中最小值落在第k个盒子中，最大 值落在第l个盒子中，则：

n

其中，n

覆盖整个三维路表形貌模型曲面需要的盒子总数N(r)为：

则分形维数D的为：

建立路面集料分布均匀性评价标准包括：根据不同离析程度的沥青板式 料的集料分布均匀性指标的分布范围，建立基于路面纹理构造均匀性指标的 沥青路面集料分布均匀性评价标准。

实施例2

本实施例2中，提供了一种基于三维纹理分形特性的沥青路面集料分布均 匀性评价方法。包括以下步骤：

步骤一：采用自主开发的沥青路面路表纹理成像装置，规范化地采集路 面表面的纹理构造图像。

步骤二：采用图像三维重构技术，基于灰度图像对路面表面的纹理构造 进行三维重构，以较高精度恢复原沥青路面的表面形貌。

步骤三：采用MATLAB软件，在三维空间中将重构的沥青路面路表形貌 模型网格化，选取不同尺度的小立方体边长，计算沥青路面路表三维纹理的 分形维数。

步骤四：基于重构的沥青路面路表形貌模型，采用MATLAB编写程序计 算沥青路面三维纹理形貌的多重分形谱参数。

步骤五：基于路表纹理形貌的分形维数和多重分形特性参数谱宽Δα，从 整体和局部出发计算三维纹理构造均匀性指标TU。

步骤六：根据基于TU值的沥青路面施工质量均匀性评价标准，评价沥青 路面集料分布均匀性的优劣。

在本实施例2中，所述的步骤一中，使用路表纹理构造图像采集装置进行 沥青路面路表图像采集。该装置是由工业相机、装置框架、拍摄高度调节杆 和遮光调节机构等组成的一种沥青路面纹理构造成像装置，根据实验需求规 范化地采集沥青路面表面的纹理构造图像。

所述的步骤二中，对切割后的路表纹理图像进行预处理，根据单幅图像 恢复沥青路面的表面三维形貌，通过MATLAB读取灰度图像的坐标和灰度得 到图像的像素矩阵，根据像素矩阵重构沥青路面表面的三维纹理模型。

所述的步骤三中，通过MATLAB编写程序，将沥青路面表面三维形貌模 型在三维空间中网格化，选取不同尺度的小立方体边长r，绘制ln N(r)-ln(1/r) 双对数曲线，利用最小二乘法对数据点(ln(1/r),ln N(r))进行线性拟合，确定沥 青路面表面三维纹理的分形维数。

所述的步骤四中，基于重构的沥青路面路表纹理形貌模型，采用 MATLAB编写程序，绘制出lnχ

所述的步骤五中，将路表图像等分为四个区域，基于描述路面形貌的分 形维数和多重分形特性参数谱宽Δα，将两者综合起来计算三维纹理构造均匀 性指标TU，如公式1所示。

TU＝U

式中，U

式中：D

n-路表的区域数，这里取4。

式中：Δα

所述的步骤六中，通过室内模拟无离析(N)、轻度离析(L)、中度离析 (M)、重度离析(H)和细集料离析(F)五种标准离析程度的沥青混合料板式试 件，采用图像采集装置获取试件表面的纹理构造图像，利用MATLAB图像处 理技术对路表纹理进行三维重构，并计算图像的集料分布均匀性指标。根据 不同离析程度的平行板式试件表面图像集料分布均匀性指标的分布范围，建 立基于TU值的沥青路面表面集料分布均匀性评价标准。

综上，本实施例2中，使用沥青路面纹理构造成像装置对路表的纹理图像 进行规范化采集，基于路表灰度图像重构三维纹理模型，在纹理构造特征上 以较高精度恢复原沥青路面的表面形貌。基于路表纹理形貌的分形维数和多 重分形特性参数谱宽，从整体和局部出发计算三维纹理构造均匀性指标。根 据不同离析程度的沥青混合料平行试件表面图像，确定沥青路面集料分布均 匀性指标的分布范围，建立基于三维纹理构造均匀性指标值的沥青路面施工 质量均匀性评价标准。

实施例3

本实施例3中，提供了一种沥青路面纹理构造成像装置，使用该装置对路 表的纹理图像进行采集，规范化地采集路表的纹理图像。利用图像三维重构 技术，对路面表面的纹理构造进行三维重构。同时，在图像处理技术的基础 上，探讨沥青路面路表纹理三维形貌的分形特性。基于路表纹理形貌的分形 维数和多重分形特性参数谱宽，从整体和局部出发计算三维纹理构造均匀性 指标TU，并建立基于TU值的沥青路面施工质量均匀性评价标准，用于有效评 价沥青路面的施工质量均匀性。

如图1所示，所述沥青路面纹理构造成像装置包括工业相机、装置框架、 拍摄高度调节杆3、遮光调节机构、LED光源，LED光源控制器，所述装置框 架包括顶层板21、可折叠短杆22、连接器，所述顶层板21下端四角各设有连 接器用于固定可折叠短杆22上端并调整使用张开角度，所述可折叠短杆22下 端从各拍摄高度调节杆3顶端插入，拍摄高度调节杆3距其离顶部1.5cm处设有 圆形孔和圆柱形调节底脚螺丝，用于调整可折叠短杆22插入拍摄高度调节杆3 深度，即控制图像采集拍摄高度；所述拍摄高度调节杆3底部设有万向轮33， 万向轮33配有可摘取式塑料保护壳34，图像采集状态需套上可摘取式塑料保 护壳34用于固定万向轮33。

所述顶层板21设有4个采像口211，所述工业相机配套有弧形采像壳11， 所述采像口211上方套有镜头大小调节壳212，所述弧形采像壳11小口一端通 过镜头大小调节壳212放入采像口211，所述工业相机镜头1从弧形采像壳11大 口一端插入采像口211。

所述顶层板21上部距离四角1cm分别设有LED光源控制器一61，LED光源 控制器二62，LED光源控制器三63，LED光源控制器四64，金属软管52从圆 形孔53穿入装置内部，金属软管另一端分别为LED光源一511，LED光源二 512，LED光源三513，LED光源四514。

所述顶层板21每边中间设置直径为0.4mm的圆孔24，手提吊钩可根据需要 扣入任意两边圆孔24，便于提携。

所述遮光调节机构包括遮光帘片41、固定杆42、吸铁式下梁杆43，所述 装置框架四个侧面上顶部各设有固定杆42，固定杆42连接遮光帘片41，吸铁 式下梁杆43设在遮光帘片41下部，可与可折叠短杆22和拍摄高度调节杆3相 吸，用于调整遮光调节机构下拉长度。

所述装置框架设置连接器，调节可折叠短杆22与顶层板21所成角度范围 为0°～135°。

所述工业相机配有特定弧形采像壳11，弧形彩像壳11为普通塑料材质， 其小口端直径与镜头外径相等，其与采像口211接触面横向设有5条固定环形 条纹用于调整工业相机拍摄角度。

所述遮光帘片41展开面为梯形，其外表面除中心长方形及中心长方形下 底边8cm设有魔术贴毛面，外表面中心长方形其余部分设有魔术贴粘面，其内 表面两边边缘设有磁条，遮光帘片41为全遮光材质，内侧涂有黑色吸光材 料。

所述拍摄高度调节杆3材质为金属材质，其长度为70cm，距离顶部1.5cm 处设有直径为8mm的圆形孔并配有螺丝M8*24mm、底脚29*11mm的圆柱形调 节底脚螺丝，拍摄高度调节杆3底部设有直径为48mm的万向轮33，万向轮33 配套有长*宽*高为4mm*4mm*60mm的可摘取式塑料保护壳34。

所述可折叠短杆22底部插入拍摄高度调节杆3中，通过调节圆柱形调节底 脚螺丝后，垂直状态下采集高度范围为30cm～100cm。

所述顶层板21为木质材质，其长*宽*厚＝90cm*90cm*1cm，在其中心位置 及以几何中心为圆心、半径为30cm～40cm的圆环上每间隔120°位置分别设有 所述采像口211，为直径为10cm的圆形口，所述采像口211上方套有镜头大小 调节壳212，可根据需要调整采像口大小。

所述金属软管52拉直长度为80cm，可随意调节角度，LED光源控制器7与 LED光源6通过金属软管52连接，其中LED光源一511、LED光源二512为冷白 色光源，LED光源三513、LED光源四514为暖白色光源，光照功率为 5～15W。

本实施例3中，沥青路面纹理构造成像装置可满足不同图像采集高度、采 集角度、光照强度、光照高度和光照角度等采集要求，其中图像采集高度范 围为30cm～100cm，采集角度为0°～45°，光照强度设置在0～15W，光照颜色 为冷白色或暖白色，光照高度、光照角度可满足装置内任意设置。

装置具体使用方法如下：

S101、根据拍摄需要组装装置，将各部分取出，并将折叠状态的可折叠 短杆打开。

S102、根据采集高度要求调整，调整可折叠短杆和拍摄高度调节杆。当 图像采集高度小于等于40cm时，无需组装拍摄高度调节杆；当采集高度大于 40cm时，需组装拍摄高度调节杆，并据实际采集高度需求，通过调整可折叠 短杆插入拍摄高度调节杆深度和固定圆柱形调节底脚螺丝进行调节；用可摘 取式塑料保护壳套住万向轮。

S103、根据采集角度要求，调整各弧形采像壳倾斜角度后固定在各采像 口，根据弧形采像壳倾斜角度调整各可折叠短杆与顶层板所成角度，并修整 装置采集高度。

S104、根据采集光照要求，通过调整金属软管位置调整光照角度与高 度，通过各LED光源控制器调节LED光源亮度、颜色，通过调整遮光帘片下 拉长度调整遮光亮度。

S105、检查装置是否稳定固定，确保稳定后，根据实验要求选择1～4个工 业相机，并选择所放置的采像口的位置，将工业相机镜头通过弧形采像壳和 镜头大小调节壳插入采像口，调整焦距进行拍摄。

S106、根据实际实验要求，可调整不同图像采集高度、采集角度、光照 强度、光照颜色、光照角度、遮光亮度等，进行试验。

S107、选取不同实验路段进行图像采集，沥青路面表面的纹理构造图像 如图2所示，可通过手提吊钩和万向轮移动装置。

S108、采集结束后，将工业相机、弧形采像壳取出，拆下拍摄高度调节 杆等，将可折叠短杆折叠为初始状态。

实施例4

本实施例4中，提供一种基于三维纹理分形特性的沥青路面集料分布均匀 性评价方法。通过图像采集装置对路表的纹理图像进行采集，沥青路面纹理 构造成像装置对路表的纹理图像进行规范化采集，基于路表灰度图像重构三 维纹理模型，在纹理构造特征上以较高精度恢复原沥青路面的表面形貌。基 于路表纹理形貌的分形维数和多重分形特性参数谱宽，从整体和局部出发计 算三维纹理构造均匀性指标TU。根据不同离析程度的沥青混合料平行试件表 面图像，确定沥青路面集料分布均匀性指标的分布范围，建立基于TU值的沥 青路面施工质量均匀性评价标准。

在本实施例4中，基于三维纹理分形特性的沥青路面集料分布均匀性评价 方法，具体包括如下步骤：

1、使用实施例3所述的装置进行沥青路面图像的规范化采集；

2、沥青路面表面纹理的三维重构：

通过二维灰度图像重构物体三维形貌，即明暗恢复形状(SFS)。利用相 机拍摄沥青路面时会发生漫反射，图像上每个像素的灰度的不同代表路面对 应点的凹凸状况。对于背景简单、光照均匀且目标点处表面走向一致的情况 下，灰度值与实测构造深度线性相关，灰度值随深度增大而降低，图像变 暗。通过比例尺修正灰度值与沥青路面构造深度实测值的关系，即可得到沥 青路面的三维形貌模型，基于简化的SFS原理来恢复沥青路面表面三维形貌是 适用的。

针对如图2所示的路表图像，采用MATLAB编写程序，对采集的路表纹理图 像进行预处理，主要包括中值滤波降噪处理和灰度化。根据SFS算法原理，将 沥青路面灰度图像的灰度值作为高度，对应像素点的编号即为坐标，可根据 单幅图像恢复沥青路面的表面三维形貌。通过MATLAB读取灰度图像的坐标和 灰度，得到该图像的像素矩阵，根据像素矩阵重构沥青路面表面的三维纹理 模型，如图3所示。

3、沥青路面路表三维纹理的分形维数计算：

采用差分盒维数法计算沥青路面表面三维纹理的分形参数。

具体计算过程为：将垂直投影为M×M的三维空间曲面在投影得到的平面 上分割成s×s的网格(M/2≥s≥2，其中，M为三维空间曲面垂直投影的边 长，s为切割的网格边长，且s为整数)；令r＝s/M，对于三维空间曲面，x轴 与y轴表示平面位置，z轴表示高度(灰度)，x-y平面被分割成许多s×s的网 格，在每个网格上，是一系列s×s×h的盒子。其中，h为盒子高度(灰度)，令 h＝s/M。

设三维空间曲面高度在第(x,y)网格中最小值落在第k个盒子中，最大值落 在第l个盒子中，则有

n

其中：n

则根据定义，分形维数D的计算公式为

在沥青路面表面的三维纹理形貌分形维数计算时，首先构造一些边长为r 的立方体盒子，然后用这些盒子去覆盖三维纹理形貌曲面，计算出与不同边 长r相对应的同三维纹理形貌曲面相交的盒子的个数N(r)，绘制ln N(r)-ln(1/r) 双对数曲线，利用最小二乘法对数据点(ln(1/r),ln N(r))进行线性拟合，可求得 直线方程：

ln N(r)＝Dln(1/r)+b (式7)

分形维数D即为双对数坐标系统中拟合直线的斜率。

在沥青路面上每间隔10m选择12个出现不同集料离析情况的位置，规范化 地采集路表的理构造图像，并在相应的位置采用铺砂法实测路面的构造深 度。采用MATLAB软件，对路表的纹理构造图像进行三维重构，并将沥青路面 表面三维形貌模型在三维空间中网格化，选取不同尺度的小立方体边长，计 算沥青路面表面三维纹理的分形维数。沥青路面不同位置路表的三维形貌分 形维数与相应的实测构造深度间的关系，如图4所示。

从图4可以看出，沥青路面不同位置表面三维纹理的分形维数与构造深度 具有良好的线性相关性，相关系数达到了0.88以上。沥青路面表面三维纹理 形貌的分形维数随着构造深度的增大呈现出逐渐减小的趋势。当构造深度较 小时，沥青路面表面纹理构造较丰富，凹凸峰的密度较大，即分形维数较 大。当构造深度较大时，沥青路面表面纹理构造的复杂程度较低，具体表现 为凹凸峰的高度与间距较大，即分形维数较小。

具体考虑到集料离析的沥青混合料，随着粗集料离析程度的增加，试件表 面的三维分形维数表现出减小趋势。主要是因为当沥青路面出现粗集料离析 后，沥青混合料整体“变粗”，表面形貌则表现出凹凸峰的高度和间距变 大，虽然构造深度指标变大，但构造的复杂程度降低。对于细集料离析的沥 青混合料，试件表面构造更加精细复杂，反映在三维分形维数上，表现为分 形维数值较大。

综上，分形维数能够表征沥青路面路表的三维纹理构造特性，可以基于分 形维数从整体上反映沥青路面表面的集料分布情况。

4、沥青路面三维纹理形貌的多重分形谱参数计算

多重分形把研究对象划分成N个小的区域，令第i个小区域尺度为ε

当ε

式9表明，α是局部分形维数，表征分形几何体在某个小区域的分维，反 应了该趋于质量分布的概率。

随着ε减小，各概率测P(ε)的元素N(ε)增大，由此可导出

N

N

定义分配函数

如果沥青路面表面形貌具有多重分形特性，则lnχ

定义多重分形谱的宽度Δα

Δα＝α

根据式11可进一步推导出

式12表明，多重分形谱的谱宽Δα反映了概率分布范围的大小，f(α)曲线 越宽，即Δα越大时，相应的概率分布越不均匀。对于沥青路面表面三维形 貌，Δα反映了表面形貌的起伏程度。

多重分形谱的形状反映了概率分布的特征，定义谱差Δf

Δf＝f(α

式13中，α

利用沥青路面在12个不同点位处路表的纹理形貌三维重构模型，采用 MATLAB软件，绘制出lnχ

从图5可以看出，沥青路面在不同点位处路表的三维形貌多重分形谱谱宽 Δα与构造深度之间存在较好的线性相关，相关系数达到0.85以上。多重分形 谱参数谱宽Δα从沥青路面表面三维局部形貌角度出发，表征沥青路面表面三 维形貌高度最大概率与最小概率的差异，能较好的通过概率分布差异反映出 沥青路面表面三维形貌的起伏情况，量化路表纹理概率测度分布的不均匀程 度。Δα越小，说明大概率和小概率测度越相近，沥青路面表面三维形貌起伏 变化范围越小，即路面表面纹理多表现为光滑的平坦区域，相应的构造深度 越小；反之，Δα越大，沥青路面表面三维形貌起伏变化范围越大，即路面表 面纹理多表现为尖锐突出的粗糙区域，路表的集料分布均匀性相对较差。

从图6可以看出，沥青路面表面三维纹理形貌的谱差Δf与构造深度的相关 性不佳。谱差Δf代表着具有最大、最小概率单元的数目间的比例，反映的是 沥青路面表面形貌不同起伏幅度的分布状况，沥青路面表面形貌中的“凹 谷”与“凸峰”均会影响其构造深度的大小，这是导致三维纹理形貌的谱差 Δf与路面的构造深度缺乏良好相关性的主要原因。

综上，对于沥青路面表面三维纹理形貌，谱宽参数Δα反映表面形貌的起 伏程度，可以量化三维空间中局部平坦与陡峭区域的均匀特性。推荐采用谱 宽参数Δα作为沥青路面表面集料分布均匀性的评价指标。

5、沥青路面三维纹理构造均匀性指标计算

三维形貌分形维数指标从整体上反映沥青路面路表纹理构造的复杂程度， 三维纹理构造的谱宽参数Δα从局部反映沥青路面纹理构造的分布情况，二者 与路表的构造深度均具有良好的相关性，可以用来评价沥青路面的施工质量 均匀性。为有效地评价沥青路面的集料分布均匀性，将路表图像等分为四个 区域，如图7所示。基于描述路面形貌的分形维数和多重分形特性参数谱宽 Δα，将两者综合起来计算三维纹理构造均匀性指标TU，如公式1所示。

从公式1中可知，TU值越大，说明沥青路面的集料分布均匀性越差，即沥 青路面的施工质量均匀性越差。

6、基于TU值的沥青路面施工质量均匀性评价

在实验室内，采用轮碾法制备不同级配无离析(N)、轻度离析(L)、中度离 析(M)、重度离析(H)和细集料离析(F)的AC-13、AC-20和AC-25沥青混合料的 板式试件，用以分析沥青混合料试件表面的集料分布均匀性。通过采集不同 离析程度的AC-13、AC-20和AC-25板式试件的表面纹理图像，利用MATLAB图像 处理技术对路表纹理进行三维重构，并计算图像的集料分布均匀性指标TU 值。根据不同离析程度的平行板式试件表面图像集料分布均匀性指标的分布 范围，建立基于TU值的沥青路面表面集料分布均匀性评价标准。

接下来，根据沥青路面集料分布均匀性指标TU和相应的评价标准，即可判 定沥青路面施工质量均匀性的优劣。

在本实施例4中，以某高速公路沥青路面中面层为例，对本实施例4的技术 方案进行详细说明。

选择长度1000m的路段A和路段B作为检测路段，采用开发的路表图像采集 装置采集沥青路面路表的纹理构造图像。纹理构造图像采集时的纵向间距为 10m，即每个检测路段采集100张纹理构造图像。

采用MATLAB软件对路表采集的图像进行处理，对检测路段A和B各路表图像 的纹理形貌进行三维重构，分别计算路面表面纹理形貌的三维分形维数和谱 宽参数，确定不同路表图像的集料分布均匀性指标。按照基于TU值的集料离 析标准，对检测路段上不同区域的集料分布均匀性指标进行统计分析，确定 各检测路段路表发生不同程度的集料离析区域的比例，统计分析结果见表1。

表1检测路段路表不同集料离析区域的比例(％)

进一步地，根据式17计算检测路段施工质量均匀性的得分UN，以直观地 评价不同检测路段沥青路面的施工质量。

UN＝∑d

式中：d

基于检测路段的实际情况和相关研究，对沥青路面不同集料离析程度的 赋值见表2。

表2不同集料离析程度赋值

根据检测路段A和B不同集料离析区域的比例，按照公式17和表2的赋值 计算两个路段施工质量均匀性得分：

UN

UN

沥青路面检测路段的施工质量均匀性得分UN值越大，说明沥青路面的施 工质量越好。通过计算发现，检测路段B的UN值大于检测路段A，可以判定检 测路段B的施工质量均匀性优于检测路段A。

综上所述，本发明实施例所述的基于三维纹理模型的路面集料分布均匀 性评价方法及系统，利用沥青路面纹理构造成像装置对路表的纹理图像进行 规范化采集，基于路表灰度图像重构三维纹理模型，在纹理构造特征上以较 高精度恢复原沥青路面的表面形貌。基于路表纹理形貌的分形维数和多重分 形特性参数谱宽Δα，从整体和局部出发计算三维纹理构造均匀性指标TU。根 据不同离析程度的沥青混合料平行试件表面图像，确定沥青路面集料分布均 匀性指标的分布范围，建立基于TU值的沥青路面施工质量均匀性评价标准。

本发明实施例从路表三维纹理构造的分形特性着手评价沥青路面的集料 分布均匀性，为沥青路面施工质量均匀性的检测与评价提供相应的参考依 据。其优势主要体现以下几点：

(1)自用自主开发的沥青路面纹理构造成像装置，规范化地采集沥青路 面的纹理构造图像，可避免外界环境对纹理构造成像质量的干扰。采用 MATLAB图像处理技术，基于路表灰度图像重构的三维纹理模型在纹理构造 特征上以较高精度恢复原沥青路面的表面形貌，用于路表分形维数和多重分 形谱参数等三维空间特性指标的计算。

(2)三维分形维数能够表征沥青路面路表的纹理构造特性，通过基于三 维分形维数从整体上反映沥青路面表面的集料分布情况。多重分形谱参数谱 宽Δα从沥青路面表面三维局部形貌角度出发，不同离析程度沥青路面表面纹 理形貌的谱宽Δα与构造深度之间存在较好的线性相关。

(3)根据路表图像纹理构造的分布形态特征，从整体和局部出发，基于 描述路表纹理形貌的分形维数和多重分形特性参数谱宽Δα，将二者综合起来 提出三维纹理构造均匀性指标TU，可以有效评价沥青路面的施工质量均匀 性。通过室内模拟标准离析程度的沥青混合料试件，建立的基于TU值的沥青 路面表面集料分布均匀性评价标准，可为路面施工质量均匀性的优劣提供直 接的判定依据。

本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、系统、或 计算机程序产品。因此，本发明可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、 或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个 其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘 存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序 产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程 图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流 程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算 机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使 得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现 在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功 能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设 备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器 中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或 多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上， 在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处 理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一 个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

以上所述仅为本公开的优选实施例而已，并不用于限制本公开，对于本 领域的技术人员来说，本公开可以有各种更改和变化。凡在本公开的精神和 原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护 范围之内。

上述虽然结合附图对本公开的具体实施方式进行了描述，但并非对本公 开保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明公开的技术方案 的基础上，本领域技术人员在不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或 变形，都应涵盖在本发明的保护范围之内。