基于骨料顆粒智能識別與評價系統

摘 要：水洗石工藝常用于生態步道、室外景觀道路、廣場公園等。基于水洗石施工工藝需求，開發出一套基于實時顆粒智能識別與評價的生態步道水洗石施工新技術。通過對水洗石路面施工過程實時監控并及時反饋，并配合激光測量實現機械化自動整平功能，使水洗石路面石子分布更加均勻，無色差，圖案清晰，成型效果好，為保障水洗石路面外觀成型質量、耐久性能、透水能力提供了高效的支撐。

關鍵詞：水洗石路面，顆粒識別系統；生態道路；施工工藝

中圖分類號：TU528.04 文獻標識碼：A 文章編號：2096-6903（2024）09-0117-03

收稿日期：2024-04-11

作者簡介：慕光明（1984—），男，青海海東人，本科，高級工程師，研究方向：水利工程。

1 工程背景

主題公園、景觀綠化、生態園林中多采用傳統彩色混凝土或傳統磚、石等鋪裝于地面之上，以營造出各種所需的主題效果。但傳統鋪裝材料易出現翻翹、斷裂、高低不平、銜接生硬等現象，并且在顏色和款式方面相較單一，生態效果有限[1]。隨著新材料、新技術的不斷推廣及大眾審美意識的不斷提高，人們對景觀生態步道所打造的特色要求也越來越高。水洗石作為一種生態環保、色澤豐富，具備耐磨和耐腐蝕等特性，使用壽命長，其作為一種綠色建筑材料，被逐漸被大量應用[2]。

本文以某市生態環境提升工程為例，該項目包含道路及沿線生態提升工程、生態公園及雨污水管網工程等。通過該項目的實施，不僅可以整體提升該市生活生態環境品質，也為打造文明城市示范區奠定基礎。

基于生態水洗石施工工藝需求，開發出一套基于實時顆粒智能識別與評價的生態步道水洗石施工新技術。研發了可實時監測骨料顆粒含量的智能識別與評價系統，對水洗石路面施工過程實時監控并及時反饋，并配合激光測量實現機械化自動整平功能，整體解決了水洗石路面傳統施工技術難以滿足外觀成型質量、耐久性能。該系統技術先進、工藝科學、應用效果良好。對于生態步道、室外景觀道路、廣場公園、商住小區等各類路面面層。

2 基于顆粒圖像識別的原理

數字圖像處理是指以數字信號儲存圖像信息并利用計算機來處理圖像信息的技術[3]。基于顆粒圖像識別原理，開發了由影像采集系統和圖像識別軟件處理系統組成的生態步道顆粒智能識別與評價系統。該系統采用非接觸式影像采集方式，運用圖像識別技術提取顆粒特征值，采用中值濾波及卷積處理等方法進行圖像增強。該檢測系統具有較高的識別可靠性，可基于圖像識別技術，對采集區域的運動顆粒個數統計與不同粒徑顆粒的識別[4]。主流流程簡述如下。

2.1 圖像預處理

圖像拍攝過程中可能會因傾斜產生圖像畸變，為減少影響，對圖像進行預處理，主要是對拍攝的圖像進行旋轉、裁剪等。

2.2 坐標系建立

待圖像進行矯正完成后，對矯正后的圖像重新建立新的坐標系，以更精確地劃定研究區域的范圍等。即以某標尺刻度線為相對坐標原點，將x方向定義為圖像寬度方向；y方向為圖像的高度方向。新坐標的建立為后續顆粒形態特征提取、暴露程度計算等提供了依據。

2.3 顆粒驗證

采用標尺對比法對擬投入使用的骨料粒徑進行驗證，其中混凝土骨料按橢圓形態進行分析。將計算結果與原粒徑相比較，以驗證。

2.4 灰度圖像

預處理后目標區域仍為彩色圖像，圖像中包含骨料及其他信息。為簡化圖像處理的復雜過程，提高計算效率，需把彩色圖像轉化為灰度圖像，通過不同的灰度等級覆蓋，繼而體現出圖像中的細節信息。在新的坐標系下，通過建立m×n階矩陣，把水洗石面層中的各元素改變成數字圖像的二維函數f（x，y），并采用矩陣形式表示。

2.5 最優閾值分割

根據圖像灰度值特征，對圖中的骨料形態進行進一步降噪即閾值分割處理，刪除一些呈點狀、孤立的較小目標，填充空洞。經處理后，可取得每個連通區域的周長面積信息，繼而計算暴露骨料的形狀參數等。因此，選擇合理的、最優的閾值就顯得尤為必要。

一般而言，形態閾值接近下限值。圖中暴露骨料的形態特征提取較為詳細。但對于距離較近的暴露骨料出現重疊和粘連特征，導致參數值出現極值，降低計算精度。當形態閾值接近上限時，雖暴露骨料出現重疊和粘連特征有所改善，但部分小顆粒被圖像腐蝕掉，也同樣降低了計算的精度，導致粒徑及形狀系數產生較大誤差。

2.6 顆粒形態學處理

經閾值化處理后，部分骨料圖像往往粘連在一起，即圖像中代表目標顆粒的白色區域之間互相貫通。此時需對圖像進一步處理，以實現單顆粒的切割。主要是腐蝕和膨脹，以改善圖像中的區域結構形態，也會造成一定的有效信息減少與無關信息增強，減少圖像信息的損失。即首先去除面積小于指定值的連通區域，并對缺失的區域進行填充，然后合并圖中連接區域。

2.7 統計及分析

根據提取得到的顆粒特征參數進行統計分析，如顆粒占比、平均粒徑和粒徑間的最小距離等，并把分析結果實時反饋給現場施工人員，根據指標情況指導下一步的施工工藝，直至達到設計指標。路面水洗石識別與評價系統識別系統界面如圖1所示。

3 施工裝置與工藝

3.1 施工裝置

先清理干凈后進行工區分割，并安裝3 m×3 mm不銹鋼格柵。然后采用混凝土界面處理劑對基層進行處理。采用一種生態路面水洗石實時智控裝置。包括龍門架、噴淋系統、面層整平振搗系統以及水洗石骨料顆粒識別及評價系統。基層處理的同時同步篩分碎石，采用M25水泥砂漿攪拌，攤鋪均勻。將龍門架布置在生態步道水洗石的上方，其跨度和施工寬度相關，高度可調節。利用龍門架底部安裝的整平與振搗機構，振動提漿及整平，后續完成提漿和收光工序。

噴淋系統為可調節大小的霧狀噴頭，通過電動葫蘆調節高度，以實現對面層骨料的充分清洗。利用噴頭噴淋系統并配合人工毛刷刷洗除去泥漿，使得骨料逐漸暴露。為避免暴露不均勻，待初步成型后采用骨料顆粒智能識別與評價系統對面層進行數據采集與分析，實時判斷骨料顆粒暴露程度的量化指標。根據顆粒暴露度指標參數指導現場施工，若不滿足設計要求，則需重新進行清洗，直至檢測合格。合格后再一步對面層進行養護，水洗石路面成型。水洗石路面施工操作流程圖如圖2示意。

3.2 工藝流程

3.2.1 地面清理

先將基層表面的積灰、油污、浮漿及雜物等清理干凈。如局部凹凸不平，應將凸處鑿平，凹處用砂漿補平；如有油污需用10%的火堿溶液洗刷干凈，并用清水沖洗干凈并晾干。

3.2.2 布設不銹鋼格柵

根據設計標高不銹鋼分隔條作為標高控制點，不銹鋼分隔條按@3 000 mm×3 000 mm布置。采用M8×80 mm膨脹螺栓固定。同步進行碎石篩分，將篩分好的碎石，粒徑4～6 mm為宜。采用M25水泥砂漿進行攪拌，將攪拌機拌好的水洗石混合料運入場內備用。

3.2.3 水洗石混合料攤鋪

在清洗干凈的混凝土基體上，涂刷處理劑一層，隨即抹水泥砂漿，要求抹灰時處理劑不能干。界面劑抹完后，對混合料均勻進行攤鋪，攤鋪時面層要高于分格條1 mm。

3.2.4 激光配合機械整平

待完成水洗石面完成攤鋪后，人工推龍門架，并利用調整好高度的整平輥筒對水洗石面層進行整平，同時利用振搗功能將水洗石路面面層內泥漿擠出，配合人工壓實溜光。可反復進行3～4遍，使其均勻密實填充整個路面。以達到設計要求。

3.2.5 噴霧水刷水洗路面

待激光整平后，養護0.5 h。開啟智能設備的伸縮水管、給水系統伸縮水管和噴淋噴頭，并根據實際情況調節噴水適合的強度完成噴霧。

3.2.6 水洗施工過程

用刷子蘸水刷去水泥漿，然后用手壓泵的噴頭噴水沖洗，噴頭一般距地面10～20 cm，把表面水泥漿沖洗干凈露出骨料，最后用小水壺澆水將骨料表面沖凈并進行封閉。

3.2.7 水洗施工

水洗施工應按地面泛水從高向低進行，大面積水洗石一天完不成，繼續施工沖刷新結合面之前，應將上一結合面做的水洗石用水淋透，以備噴刷時沾上水泥漿后便于清洗，防止污染地面。

3.2.8 顆粒暴露度檢測

待噴淋及水洗完成后，采用骨料顆粒智能識別與評價系統對面層進行數據采集與分析，實時判斷骨料顆粒暴露程度的量化指標。根據系統提示若顆粒占比小于30%，則重新噴淋；若顆粒占比接近或者大于30%，則表明此區域水洗石工作基本完成，進行下一步養護工作。當上述區域完成后，進行下一區域的噴淋工作。

3.2.9 養護成型

用清水清洗水洗石表面，去掉灰塵，待完全干燥后，用水性樹脂均勻涂刷在石子面層，以達到防水、耐污功效，涂抹保護劑后水洗石表面應顯光澤。養護成型效果如圖3所示。

4 結束語

利用該系統可確保水洗石路面石子分布均勻、無色差，平整度及成型效果好。對水洗石路面施工過程實時監控并及時反饋，保障水洗石路面外觀成型質量、耐久性能。后續將針對不同主題效果的圖形及圖案進行提高，進一步優化水洗石混合料攤鋪效率，提高水洗石路面一次成型質量，并進行應用推廣。

參考文獻

[1] 蔣泠.淺談園林鋪裝的藝術表現要素及設計原則[J].環球市場，2018（24）：218.

[2] 蔡韓琦.景觀建筑水洗石飾面施工的若干技術問題[J].建筑，2011（17）：88-89.

[3] 蔣濤.基于圖像處理的推移質數據采集方法及應用[D].楊凌：西北農林科技大學，2021.

[4] 高昂，劉明瀟，孫東坡，等.基于圖像識別的床面推移質分布密度檢測方法[J].人民黃河，2015（9）：20-23.