探地雷达道路典型病害图像解译分析

孙 通， 刘延祥

(中国市政工程中南设计研究总院有限公司,湖北 武汉 430010)

0 引 言

道路检测与评价不仅是道路工程施工及养护中的关键性技术，还是路网维护决策是否科学和资金分配是否合理的决定性影响因素[1]。而路用探地雷达图像解译分析则可以比传统的钻芯取样更加全面、快速、无损地对道路进行评价，从而指导养护。

在探地雷达图像解译方面，国内外探地雷达使用者一直都在进行探索实践，但由于当前探地雷达检测技术依然处于起步阶段，即使雷达图像的精确度与分辨度均在快速提升[2]，依然没有一套通用可靠的规范与标准化图像解译理论以供参考，导致探地雷达使用者即使获取到大量图像数据却无法从中获悉道路情况，因此亟须建立一套完整的雷达图像解译方法，以提高道路检测工作者的工作效率。

探地雷达图像解译是当前国内外雷达研究中的基础性也是关键性问题[3]，当前的主要工作为结合道路设计文件以及病害形成机制对异常图像进行特征图像描述[4]。本文的中心问题就是结合具体的工程实例对此进行一系列的探究，从道路材料介电特性的角度进行典型病害图像特征的分析与部分验证等，其最终目的是为其他类型的雷达图像解译分析提供解译方法和解译结果参考，最终建立探地雷达图像解译标准，为更多道路检测工作者服务，从而更准确地指导养护决策。

1 探地雷达路面检测理论基础与工程资料

使用探地雷达进行路面检测时，由发射器发射的电磁波由于路面各面层结构层介电特性的不同在经过不同的结构层时会形成不同的反射波，由接收器接收后，形成一系列的信号波形，经过模数转换器对模拟信号进行处理转换为电压数字信号，进而自动绘制成波形图，最后将其传输到控制系统，控制系统将进行数据的储存和显示等[5]。雷达工作原理如图1所示。图中各层含义为：空气(A1)，面层(A2)，基层(A3)，底基层(A4)。

图1 雷达工作原理示意图

本次数据采集于某高速公路，其路面设计资料见表1，采集长度近100 km。

表1 某高速公路路面设计资料

结合设计文件资料，可以获悉道路结构为面层16 cm + 基层30 cm + 底基层30 cm，因此通过雷达检测系统自带的计算分析软件Pavecheck得到检测厚度为60 cm以上，即图像中可见的结构层至底基层中部，从而将雷达图像划分为如图2所示的3层。图2中图像颜色不仅代表该位置反射电压的大小，也代表着该位置介电特性的区别，一般说来红色代表介电常数极小，说明此处孔隙率较大，蓝色代表介电常数极大，意为此处含水率较大，建立了正常道路的典型图像后，接着通过图像逐点对比，发现异常图像后即进行图像分析解译。

图2 正常道路典型图像

2 沉陷病害图像解译分析

沉陷病害的特点是范围广，涉及的深度大，一般发生在挖方路段和填挖接壤位置。其成因一般为以下四点：①土质路堑排水功能降低，路床下部路基含水率大而导致不均匀回落，进而导致部分路面结构下移；②路面无法适应逐渐递增的交通量，从而出现疲劳损坏；③路基和基层强度不够或填方挖方路段路基压实度不同，在车辆荷载作用下，路基和基层遭损坏而引起下沉；④桥头道路接壤处高度不同而引起的沉陷[6]。在摄像资料里显示的与正常路面无异，而在雷达图像上却可以直观地反映出在一个区域内波形呈下陷趋势,如图3所示。

图3 沉陷病害雷达图像

由图3可知，图中基层中间的红色图像，为上、下基层黏结不紧密造成介电常数偏小而形成的分界线，而在沉陷病害出现的部位，分界线出现明显的断开，说明上、下基层在原本分界处已经没有明显的介电特性区别，由沉陷病害的成因是路基在车辆荷载作用和其他因素下，密度增大，因此在病害出现部位会出现介电常数变大，颜色由红变黄，符合图像展现的特征。

另外，上基层与中、下面层的图像出现多条黄色折线，在雷达图像中，黄色所代表的介电常数值相比于绿色代表的值更小，说明黄色折线的出现是此处介电常数减小所致，即此处混合料密度降低，而沉陷病害若是从基层开始发生，会往上逐层蔓延，使层间黏结性降低，空隙增大，与图像展现的特征吻合。

最后通过导出介电常数变化情况，证实上述推论，由于面层介电常数值的变化无法反映沉陷这类深层次病害，因此导出上下基层黏结处，即深度为30cm处的介电常数值，将导出的数据绘成折线图，如图4所示。

图4 沉陷病害深度为30cm处介电常数变化图

从图4可以发现，介电常数值在7.5以上的部分对应着图中偏黄色的图像，小于7.5的对应图中偏红色的图像，验证了前面说的沉陷处被进一步压实，压实度提高，因此介电常数增大，图像颜色由红变黄。

综上所述，从沉陷病害成因以及特性来分析其图像特征为存在一个横向颜色由红变黄的范围性突变，其介电常数在相应深度增大。

3 松散病害图像解译分析

松散病害由于层间黏结性降低，形成空隙，严重时甚至反映至面层，会导致面层出现网裂等病害[7]。从摄像资料中发现面层已有裂缝存在，而雷达图像中，在病害出现的位置出现了一组“红+蓝”线条，如图5所示。

图5 层间松散病害整体雷达图像

由设计资料和典型图像可知，图5中间所示的“红+蓝”组合线条，其位置在上、下基层层间，再由雷达图像中红色代表的介电常数值为极小，蓝色为极大，通常认为，红色指代此处有空气，蓝色指代有水，但由于道路材料一般为混合型复合材料，且雷达属于范围检测，得到的介电常数为一个范围内的均值，因此对于道路工程而言，雷达图像中出现红色指代空隙率较大，蓝色指代含水率较大。而在实际工程中，底基层由于其组分为水泥稳定砂砾土，因而易产生裂缝，从而为水气运动提供通道，同时底基层的水分子含量会比面层或是基层要高，因而水气会沿着通道向湿度较低的面层运动，上升到道路空隙处则可能会积聚形成液态水，导致空隙下部含水率较大，上部空气较多，符合雷达图像的“红+蓝”的特征，同时也证实此处层间存在较大空隙，属于层间松散。

综上所述，从松散病害成因以及特性来分析均符合检测图像所展现的特征，典型的图像为出现一组“红+蓝”线条。

4 层间松散病害工程实际验证

对于如松散、沉陷类病害，检测人员无法用肉眼从路面表观状态判断此处是否确如雷达检测结果所述存在病害，需进行钻芯取样验证。从检测现场情况以及安全因素等考虑，验证试验在另一高速改扩建段的老路上开展，检测车道为行车道中间，通过对雷达图像进行分析，发现存在松散病害。

通过对比里程读取和摄像资料得到病害桩号后，对该处进行钻芯取样，得到现场芯样，如图6所示。

图6 现场芯样图

从图6可以看出，此段沥青混合料面层厚度达39 cm，而从设计资料看来，此段的确存在多次加铺养护工程。在图6中卷尺刻度26厘米处的横断面处已经严重开裂，混合料松散，证实此处确有病害发生。且断裂处混合料比较松散，空隙率较大，推测是由于层间剪切破坏导致的界面破坏，再由车辆荷载作用下致使的层间空隙增大，从而形成层间松散病害。

对断面高度进行测量后得到其平均厚度为14.75 cm左右。接着通过图像处理软件计算病害深度。得到的病害深度为14.63 cm，与实测的断裂上部分平均厚度14.75 cm相近。

另外，从设计资料可知此段路并未铣刨旧路而是直接拉毛后加铺了新面层，而断裂部分的深度为14.75 cm，正处于新旧路面结合部位，极有可能由于老路面拉毛后此处喷洒的黏结剂不均匀而导致的新老路面层间黏结不紧密出现松散病害。

综上所述，可以发现松散病害“红+蓝”组合线条的图像特征是从理论分析与实际工程验证两个方面得到的统一结论，这从侧面说明了整个分析方法的可靠性。

5 结 论

本文通过结合实际工程采集探地雷达数据，对比正常道路典型图像并结合混合料介电特性及病害成因，对异常图像进行解译分析，建立了沉陷、松散病害特征图像，图像特征如下：

(1)沉陷病害出现的部位，在摄像资料上和正常道路无异，而其雷达图像特征为一个横向颜色由红变黄的范围性突变，且介电常数在相应深度增大。

(2)层间松散病害的雷达图像上会出现“红+蓝”组合线条图像。

在上述基础上，针对松散病害进行了钻芯验证，并通过验证结果说明了该图像解译方法的可靠性，但其他病害类型还需进一步分析研究与验证。

最后，每个人的解译方法和习惯以及雷达型号的不同导致解译的结果也会有所不同，因此在未进行实际验证的情况下，解译结果不能作为绝对的标准，只能通过了解解译过程作为参考依据[8]。雷达图像解译是一个不断累积经验不断更新的过程，一般说来，不同病害对应着不同的图像特征，但也可能不同病害对应着相同的图像特征，因此，其方法和技术仍需在今后的实践与研究中不断地优化完善及检验修正。