基于三维数字图像处理的层间粘结状态评价方法

本发明涉及三维数字图像处理，具体为基于三维数字图像处理的层间粘结状态评价方法。

背景技术：

1、三维数字图像处理技术是一种用于三维现实世界数字化的技术，其主要包括采集、处理和显示三个步骤。三维数字图像处理技术可以应用于图像可视化、图像切片，以及图像重构等。三维探地雷达技术反射的信号可以通过三维数字图像处理技术进行可视化操作。现有雷达检测技术通过路面具有不同平整、平行特征的水平层组成的层状系统，以及不同层位的介电差异性，电磁波在层间边界出现反射，而反射波的特征取决于接触区域的物理性质(剥落、脱空、开裂等)。因此，通过对反射波的形状和振幅分析可解决接触处区域显性物理状态存在的异常。

2、但是层间粘结状态作为路面隐性病害，还未有深入的识别图谱及方案研究。路面结构层的良好接触是车辆荷载正常传递的关键，粘结性能不良或退化时将使得各结构层的应力状态发生变化，如沥青层层底的受压状态转变成受拉状态，从而增加了开裂风险。所以，无论是新建路面还是在役路面，准确、及时的识别结构层层间接触状态对维持路面服务性能具有重要意义。

3、因此提供一种基于三维数字图像处理的层间粘结状态评价方法解决上述问题，传统依据振幅强度的方法，是从振幅的分布及代表其变异性的统计量的角度分析层间粘结状态根据层间粘结系数的大小。该方法具有简便、可操作性强等优点；但采用的指标评价方法过于单一，并未考虑不同程度粘结状况在整体路段中的影响。通过分析三维断面上不同形态的雷达波形图，定量评价路面层间粘结状况。利用数字图像处理技术，分析面层与基层交界的三维雷达断面图像，通过数据分析重构路面三维结构。

技术实现思路

1、为了克服现有技术的上述缺陷，本发明的实施例提供基于三维数字图像处理的层间粘结状态评价方法，以解决上述背景技术中提出的问题。

2、为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：基于非均质模型的道路探地雷达内部病害图像生成方法，包括以下步骤：

3、步骤1：对待测路段进行三维探地雷达无损检测，采集三维探地雷达数据；

4、步骤2：对三维探地雷达数据进行处理，有助于消除噪声、突出目标信号，并提高三维雷达数据信噪比；

5、步骤3：将处理后的波形图的振幅数据转换成rgb图像文件，能够直观地展示波形图的振幅变化；

6、步骤4：按照结构层位特征，对rgb图像进行切片，获取多层图像，展示原图像中不同深度或层次的细节；

7、步骤5：对截取的rgb图像进行图像处理，通过image pro plus(ipp)图像处理软件计算出不同色域的面积，最后获得每层不同粘结情况的面积占比；

8、步骤6：截取沥青路面层的上-中、中-下、下-基层三个层间图像，并计算每层的层间粘结面积占比，取平均值作为该被测面层的层间粘结状况，从而近似分析层间接触变化趋势；

9、步骤7：按照层间粘结中空气+松散体占比情况可将沥青路面结构层间接触状态3个等级；

10、步骤8：通过三维图像处理技术，利用所得数据对路面结构的层间粘结状态重构。

11、优选的，所述图像数据采集模块中将采集的道路内部数据构建为道路内部信号数据矩阵signal_data＝[x1,x2,...,xn]，其中xn无损检测第n个采样点的雷达信号。

12、优选的，所述图像数据预处理模块中三维探地雷达数据包括以下步骤：

13、步骤2.1：通过离散傅里叶变换，分离出雷达信号不同频率的噪声，离散傅里叶变换公式为：其中xn,xk表示数字雷达信号xn的频谱，n表示数字雷达信号xn的长度，k表示频率索引，j表示虚数单位；

14、步骤2.2：通过步骤2.1得到的频谱信息对三维探地雷达信号进行背景去除，消除数据中与地下结构无关的背景信号，其表达公式为：其中x'k表示消除无关背景信号的雷达信号，xk(n)表示第n个信号；

15、步骤2.3：对三维探地雷达数据进行均值滤波处理，均值滤波表达公式为：其中xmf表示经过均值滤波处理后的雷达信号，表示均值滤波器；

16、步骤2.4：对三维探地雷达数据进行高斯滤波处理，高斯滤波的公式主要基于高斯函数，其表达为：其中xg(n)表示经过高斯滤波处理后的雷达信号，μ为信号的均值，决定了高斯函数的中心位置，σ是标准差，决定了高斯函数的宽度，从而影响了滤波的强弱程度。σ越大，滤波效果越明显，图像越模糊；

17、步骤2.5：通过反选择性离散傅里叶变换，将这些频率成分转换回原始的时域信号，有助于恢复信号的完整波形，反选择性离散傅里叶变换表达公式为：其中x'n表示最终经过数据处理后的三维探地雷达信号；

18、步骤2.6：对三维探地雷达数据进行增益调节，增益调节表达公式为：其中ga表示采用增益调节后三维探地雷达信号第n个采样点的振幅，gan表示第n个采样点的原始振幅，ρ为增强系数。

19、优选的，所述图像数据预处理模块中将处理后的波形图的振幅数据转换成rgb图像文件，包括以下步骤：

20、步骤3.1：对振幅数据进行归一化，将其缩放到(0,1)的颜色映射的范围，表达公式为：其中ga'ni表示归一化后的第n个采样点第i个振幅，gani表示第i个初始振幅，gamax表示遍历n个采样点振幅的最大值，gamin表示遍历n个采样点振幅的最小值；

21、步骤3.2：将上述步骤3.1得到的归一化值转换成rgb值，并保存rgb图像文件，表达公式为：g＝255×(1-ga'ni)，其中r、g、b分别表示构成彩色图rgb三个通道的像素值。

22、优选的，所述图像特征提取模块中对rgb图像进行切片，包括以下步骤：

23、步骤4.1：通过三维数字图像处理获得rgb图像的三维数据矩阵，表达公式为：im_3d_data＝[xi,yi,zi]，其中(xi,yi,zi，i＝1,2,...,n)表示第i个rgb图像的三维数据；

24、步骤4.2：按照结构层位特征，选择了沿着z轴方向进行切片操作，获取多层图像矩阵，表达公式为：slice_image＝[xj,yj,zj,j＝1,2,...,k]，表示第i个rgb图像切片为j层图像；

25、步骤4.3：保存多层图像，再将切片数据转换成rgb图像矩阵，表达公式为：im_rgbi×j＝[255×im_3d_data×slice_image]。

26、优选的，所述图像特征量化模块中计算出不同色域的面积，最后获得每层不同粘结情况的面积占比，包括以下步骤：

27、步骤5.1：将截取的rgb图像导入到ipp软件中通过阈值设置将图像中的不同色域区域进行色彩分割，获得m个色域矩阵color＝(c1,c2,...,cm)；

28、步骤5.2：通过image pro plus(ipp)图像处理软件，计算面积占比，表达公式为：其中api×j表示每层不同粘结情况的面积占比，scolor表示特定色域的面积，表示该层总面积。

29、优选的，所述图像特征量化模块中计算每层的层间粘结面积占比，取平均值作为该被测面层的层间粘结状况，包括以下步骤：

30、步骤6.1：通过image pro plus(ipp)图像处理软件，按照沥青路面的颜色特征，截取上-中、中-下、下-基层三个层间图像，表示公式为：(l,l＝1,2,3)；

31、步骤6.2：通过image pro plus(ipp)图像处理软件，计算层间粘结面积占比，表达公式为：其中ibal表示第l层间粘结面积占比，sl表示粘结区域面积，ssl表示该层间图像总面积。

32、步骤6.3：通过image pro plus(ipp)图像处理软件，计算层间粘结面积的平均值，表达公式为：

33、优选的，所述图像层间粘结状态评估模块中计算层间粘结中空气+松散体占比情况，包括以下步骤：

34、步骤7.1：计算空气占比，表达公式为：其中vapi×j表示第i×j层的空气占比，va表示空气占据的体积，vs表示层间粘结的总空间；

35、步骤7.2：计算松散体占比，表达公式为：其中vlbpi×j表示第i×j层的松散体占比，vlb表示松散体所占体积；

36、步骤7.3：对应空气+松散体占比，表达公式为：vs＝vapi×j+vlbpi×j。

37、本发明的技术效果和优点：

38、1、本发明通过对三维探地雷达数据进行预处理，反选择性离散傅里叶变换有助于恢复信号的完整波形，背景去除与地下结构无关的背景信号，突出显示地下结构的反射信号，均值滤波可以帮助减少随机噪声，高斯滤波可以控制滤波的强度和效果，增益调节是通过调整幅度增强反射的雷达信号，进而有助于提高三维雷达数据的信噪比，能够更准确地提取地下结构信息；

39、2、本发明通过三维图像数字处理技术将处理后的波形图的振幅数据转换成rgb图像文件，用于提取特征并进行模式识别，可以方便地进行可视化展示，进而有助于研究人员或分析师更直观地理解波形数据的特性、趋势和模式；

40、3、本发明通过image pro plus(ipp)图像处理软件，根据预设的阈值或条件，自动识别和分割出图像中的不同色域，并计算出这些色域的面积，了解图像中不同颜色区域的分布情况，进而分析层间粘结状况，进行层间粘结状态评价。