利用栅格地图智能评判路面压实程度的方法

2018-02-07吴定略唐建亚

交通科技与经济 2018年1期

吴定略，唐建亚，盛帆

(1.广东长大公路工程有限公司，广东广州 510000;2.江苏中路信息科技有限公司，江苏南京 211100)

路基路面压实是现代高速公路建设中的重要一环，路基路面压实度是保证路基路面成功投入使用的重要组成部分。为了保证路面质量，每类压路机都会对应的碾压遍数的规定。碾压遍数的差异将直接影响路面工作区域内的碾压均匀度，平整度也会因为碾压均匀度不能达到目标值而受到较大的影响。

传统的路基路面压实遍数主要是由施工单位或者监理单位来进行抽样的检查，而压路机操作手在进行碾压工作时，普遍都是根据自身多年的操作经验。依照这种的工作模式，会造成路基路面一定程度上的均匀度与平整度的不合格，不能保证施工的整体施工质量，也大大加大施工单位、监理单位与业主单位的抽样检查的难度。

随着GPS技术的不断发展，智能压实技术也在国内形成一定量的发展热潮，但是单纯的智能压实仅仅是得到相关的压实部分的参数信息，无法直观地显示出施工过程中的压实情况。获得的参数信息通常包括压实速度、压实温度、压实位置等信息，如何将全部的信息结合到一体，则是现代GPS技术与传统压实技术相结合需要突破的难题。

通常情况下，传统的GPS所获得的位置信息往往和GIS系统相结合，例如数字城市、数字旅游等等。结合简单的智能压实所采集的各项参数信息，则可通过类似GIS模式的压实状态展示效果表征智能压实的综合信息，这部分的表现形式可以归纳为智能压实的栅格地图展示方式。

1 基于栅格地图的智能压实遍数计算方法

1.1 栅格地图简介

栅格地图也称之为光栅图像，指在空间和亮度上都已经离散化的图像。完整的一幅栅格地图可被认为是一个矩阵，矩阵中的任意元素对应图像中的一个点，相应的数值代表该单元的参数值。相对于其他的地图表现形式，栅格图具有数据结构简单、易于算法计算、输出方法简便，成本较低等优势，且广泛运用于各类地图。

1.2 基于栅格地图的智能压实遍数计算方法

1.2.1 道路线性栅格化

所有道路的线性都是由道路的平面曲线要素所构成，包括直线、缓和曲线、圆曲线等。根据道路的曲线要素的参数，建立道路中线的二维数据模型，再根据道路的设计宽度，则可建立相应的道路线性模型，道路二维线性模型，如图1所示。

图1 道路二维线性模型

根据图1道路二维线性模型所示，首先要判断模型两端的最远端。在此线性模型中，K0+0和K20+400两点为该道路线性模型的两端的最远点，则分别以K0+0和K20+400两点分别做竖直的垂线L1,L2。总体框架将线性模型整体包含，K0+0和K20+400则是该矩形的两个端点。再根据矩形的宽，均分n个7 mm长的等间距线，在L1和L2上也均分出n个7 mm的等间距线，将该矩形平分成若干7 mm×7 mm的小方格，此过程则称之为道路二维线性模型栅格化，道路二维线性模型栅格化，如图2所示。

将线性模型栅格化后，整条道路都会由若干个小方格组成，并且在这条道路线性中，以不同的属性值来定义这条道路在栅格图中的走向，这个过程称之为栅格图的属性化，栅格图中道路的属性值，如图3所示，道路的线性模型将方格圈出一片，定义为1，则这片区域为道路的数。道路的线性将方格切割开，有的包含的栅格的面积大于1/2，有的小于1/2，根据面积占优法，则定义面积大于1/2的方格赋值1，面积小于1/2的方格不赋值。

因为方格的边长较短，则可认为道路的线性是以直线的形式切割方格。经过线性切割之后，方格由规则的三角形或者梯形组成。

图2 道路二维线性模型栅格化

图3 栅格图中道路的属性值

1.2.2 道路栅格坐标数据计算

在建立道路线性模型时，可知道路中线的全部坐标数据。在根据平移原理，则可推出道路全部的坐标数据。所有的道路模型数据都基于项目的当地坐标系，此处以WGS-84坐标为例。A点(X1，Y1)为中线上的某一点，B(X2,Y2)、C(X3,Y3)点则分别平移的点，根据距离计算式为：

(1)

求出对应的点的坐标。根据式(1)距离计算公式，则可求出栅格地图中各个方格的坐标，这时的道路栅格地图则为一种具有属性值的栅格地图，也称之为矢量化。

1.2.3 压实遍数计算

压路机定位设备的原理是利用RTK技术来对压路机在碾压过程中的轨迹、速度和平面坐标等等进行系统的采集工作。RTK也随着现代技术的不断发展，采集坐标的频率也得到了很大的提升，现如今已经达到1 s/次的速度。因为RTK采集数据的频率很高，连续性较好，所以我们可以根据RTK采集的坐标点绘制出压路机在碾压过程中行进的轨迹等。

RTK在采集过程中，采集的是一个点的坐标。所以在前期的安装过程中，一般会将RTK的接收机安置在压路机车顶的中间位置，这样采集的数据则是压路机中央的数据。和道路平移的原理类似，可以根据压路机的轮轴的直径，得出两边点的坐标，这样压路机在实际的碾压过程中默认为一条线的碾压载体，道路线性图中的碾压轨迹(局部)，如图4所示。

在图4道路线性图中的碾压轨迹(局部)中，压路机的轨迹由数条直线构成，因为压路机在行驶的过程中，RTK采集的是压路机中心点的坐标。

图4 道路线性图中的碾压轨迹(局部)

在栅格图中，压路机的轨迹则是根据轮轴的两边的坐标走过的轨迹形成的一个工作面来体现。当压路机的工作面经过某一个方格时，判断是否超过方格本身面积的1/2，若工作面占方格的面积超过1/2，则可认为压路机碾压过这一区域，将赋予这一方块新的属性值；若不足1/2，认为压路机未曾碾压过这片区域，该方块的属性值保持原样。

由于压路机行驶的过程中，不会一直是直行的状态，所以运行的轨迹不会一直是规则的矩形。RTK采集的时间为1 s，因为时间很短，所以当t=1 s时，我们可以认为在1 s的时间内，压路机走过的轨迹为规则的矩形。1 s内压路机走过的轨迹(放大)如图5所示。

图5 1 s内压路机走过的轨迹(放大)

在图5中，当t=1 s压路机走过的轨迹(放大)中，矩形的四点分别为压路机轮轴的两边点，则我们可以判断这块矩形的工作区域覆盖了方格的面积为多少。最后，根据面积最大占优法决定该区域内哪些方格的面积被覆盖大于或小于1/2。属性值变化(放大)，如图6所示，面积大于等于1/2的方格，定义该方格的定义值为2，小于1/2的区域的方格定义值不变，依旧为1。

图6 属性值变化(放大)

面积占优法的定义是占用面积与本身面积的比较。计算面积依旧使用坐标点的计算，因为采集的时间较短，可以认为矩形的宽是一条直线，所以方格会被规则的分割成三角形或者梯形。根据式(1)距离计算式，求得碾压轨迹的宽度，再通过计算由轨迹的宽和范围内的方格组成的图像面积与方格的面积做比较。

当栅格中的方格属性值变化过一次，则可以认为此区域的碾压遍数为1。经过连续不断的轨迹工作面覆盖方格面，方格中的属性值也会随着变化。若这时的方格属性值为n，属性值的变化数则为n-1，则相应的碾压遍数为

N=n-1/2.

(2)

1.2.4 压实遍数占比计算

当压路机完成一个工作区域，这片区域中所有碾压过的地方都会被赋予不同的属性值(1，2，3…)。在道路施工系统内，选择整条道路中的这一段工作区域。计算出该区域内所有的涵盖拥有各类属性值方格，记为总数。分别将各类属性的方格的数量与总数相比较，则可以得出该区域内不同的压实遍数的占比情况。碾压后效果图(放大)，如图7所示。

图7 碾压后效果图(放大)

在图7碾压后效果图(放大)中，总共由47个方格，代表着这块区域由47个方格构成。其中，属性值为2的方格数为21个，属性值为3的方格数为3个，属性值为7的方格数为5个，属性值为9的方格数为1个。式(3)为属性值方格占比计算式

(3)

求得碾压1遍的占比为44%，碾压3遍的占比为10%。以此类推，各类的属性值方格的占比情况都可以求出。

1.2.5 压实遍数的表现方法

在统计各个属性值的方格之后，整条道路会有若干个带有不同属性值的方格组成。属性值是由碾压的情况决定，所以不同的属性值代表的就是不同的碾压遍数。在质量体系中，我们通过定义不同属性值带有的方格中的颜色深浅，也就是可以通过不同颜色分块来决定该区域的不同碾压遍数。

方格中颜色属性(放大)，如图8所示，方格的属性值为3，它对应的方格颜色属性为蓝色，属于颜色较深的部分。方格的属性值为7，它对应的方格颜色属性为红色，属于颜色较鲜艳的部分。所以，方格中的颜色越鲜艳，代表该区域的碾压遍数越多。

图8 方格中颜色属性(放大)

1.2.6 压实遍数合格率分析

在《公路沥青路面施工技术规范JTG F40-2004》中，对压实遍数与速度标注了详细的要求。压路机压实分为初压、复压和终压三种模式，每种模式都对应相应的压实要求。初压类的压路机在压实过程中，压路机压实的遍数不应超过往返3遍，速度应保持在2～4 km/h范围内。复压类的压路机在压实过程中，压路机压实的遍数不应超过往返2遍，速度应保持在4～6 km/h范围内。终压类的压路机在压实过程中，压路机压实的遍数不应超过往返2遍，速度应保持在4～6 km/h范围内。

根据规范的要求，可以得出质量较高的压实遍数，在每米桩号的统计情况下，应属于7～9遍。相应的情况分析下，小于4遍是质量较差(欠压)的压实情况，5～9遍是质量较高(正常)的压实情况，大于10遍是质量较差(超压)的压实情况。根据计算处理后得出的压实轨迹图，可以清晰地反映出道路的实际压实情况，不同的颜色对应不同的压实遍数，在图8中获取哪些区域的压实遍数没有符合规范的要求，根据规范的要求添加相应的压实遍数。