基于骨料颗粒智能识别与评价系统

摘 要：水洗石工艺常用于生态步道、室外景观道路、广场公园等。基于水洗石施工工艺需求，开发出一套基于实时颗粒智能识别与评价的生态步道水洗石施工新技术。通过对水洗石路面施工过程实时监控并及时反馈，并配合激光测量实现机械化自动整平功能，使水洗石路面石子分布更加均匀，无色差，图案清晰，成型效果好，为保障水洗石路面外观成型质量、耐久性能、透水能力提供了高效的支撑。

关键词：水洗石路面，颗粒识别系统；生态道路；施工工艺

中图分类号：TU528.04 文献标识码：A 文章编号：2096-6903（2024）09-0117-03

收稿日期：2024-04-11

作者简介：慕光明（1984—），男，青海海东人，本科，高级工程师，研究方向：水利工程。

1 工程背景

主题公园、景观绿化、生态园林中多采用传统彩色混凝土或传统砖、石等铺装于地面之上，以营造出各种所需的主题效果。但传统铺装材料易出现翻翘、断裂、高低不平、衔接生硬等现象，并且在颜色和款式方面相较单一，生态效果有限[1]。随着新材料、新技术的不断推广及大众审美意识的不断提高，人们对景观生态步道所打造的特色要求也越来越高。水洗石作为一种生态环保、色泽丰富，具备耐磨和耐腐蚀等特性，使用寿命长，其作为一种绿色建筑材料，被逐渐被大量应用[2]。

本文以某市生态环境提升工程为例，该项目包含道路及沿线生态提升工程、生态公园及雨污水管网工程等。通过该项目的实施，不仅可以整体提升该市生活生态环境品质，也为打造文明城市示范区奠定基础。

基于生态水洗石施工工艺需求，开发出一套基于实时颗粒智能识别与评价的生态步道水洗石施工新技术。研发了可实时监测骨料颗粒含量的智能识别与评价系统，对水洗石路面施工过程实时监控并及时反馈，并配合激光测量实现机械化自动整平功能，整体解决了水洗石路面传统施工技术难以满足外观成型质量、耐久性能。该系统技术先进、工艺科学、应用效果良好。对于生态步道、室外景观道路、广场公园、商住小区等各类路面面层。

2 基于颗粒图像识别的原理

数字图像处理是指以数字信号储存图像信息并利用计算机来处理图像信息的技术[3]。基于颗粒图像识别原理，开发了由影像采集系统和图像识别软件处理系统组成的生态步道颗粒智能识别与评价系统。该系统采用非接触式影像采集方式，运用图像识别技术提取颗粒特征值，采用中值滤波及卷积处理等方法进行图像增强。该检测系统具有较高的识别可靠性，可基于图像识别技术，对采集区域的运动颗粒个数统计与不同粒径颗粒的识别[4]。主流流程简述如下。

2.1 图像预处理

图像拍摄过程中可能会因倾斜产生图像畸变，为减少影响，对图像进行预处理，主要是对拍摄的图像进行旋转、裁剪等。

2.2 坐标系建立

待图像进行矫正完成后，对矫正后的图像重新建立新的坐标系，以更精确地划定研究区域的范围等。即以某标尺刻度线为相对坐标原点，将x方向定义为图像宽度方向；y方向为图像的高度方向。新坐标的建立为后续颗粒形态特征提取、暴露程度计算等提供了依据。

2.3 颗粒验证

采用标尺对比法对拟投入使用的骨料粒径进行验证，其中混凝土骨料按椭圆形态进行分析。将计算结果与原粒径相比较，以验证。

2.4 灰度图像

预处理后目标区域仍为彩色图像，图像中包含骨料及其他信息。为简化图像处理的复杂过程，提高计算效率，需把彩色图像转化为灰度图像，通过不同的灰度等级覆盖，继而体现出图像中的细节信息。在新的坐标系下，通过建立m×n阶矩阵，把水洗石面层中的各元素改变成数字图像的二维函数f（x，y），并采用矩阵形式表示。

2.5 最优阈值分割

根据图像灰度值特征，对图中的骨料形态进行进一步降噪即阈值分割处理，删除一些呈点状、孤立的较小目标，填充空洞。经处理后，可取得每个连通区域的周长面积信息，继而计算暴露骨料的形状参数等。因此，选择合理的、最优的阈值就显得尤为必要。

一般而言，形态阈值接近下限值。图中暴露骨料的形态特征提取较为详细。但对于距离较近的暴露骨料出现重叠和粘连特征，导致参数值出现极值，降低计算精度。当形态阈值接近上限时，虽暴露骨料出现重叠和粘连特征有所改善，但部分小颗粒被图像腐蚀掉，也同样降低了计算的精度，导致粒径及形状系数产生较大误差。

2.6 颗粒形态学处理

经阈值化处理后，部分骨料图像往往粘连在一起，即图像中代表目标颗粒的白色区域之间互相贯通。此时需对图像进一步处理，以实现单颗粒的切割。主要是腐蚀和膨胀，以改善图像中的区域结构形态，也会造成一定的有效信息减少与无关信息增强，减少图像信息的损失。即首先去除面积小于指定值的连通区域，并对缺失的区域进行填充，然后合并图中连接区域。

2.7 统计及分析

根据提取得到的颗粒特征参数进行统计分析，如颗粒占比、平均粒径和粒径间的最小距离等，并把分析结果实时反馈给现场施工人员，根据指标情况指导下一步的施工工艺，直至达到设计指标。路面水洗石识别与评价系统识别系统界面如图1所示。

3 施工装置与工艺

3.1 施工装置

先清理干净后进行工区分割，并安装3 m×3 mm不锈钢格栅。然后采用混凝土界面处理剂对基层进行处理。采用一种生态路面水洗石实时智控装置。包括龙门架、喷淋系统、面层整平振捣系统以及水洗石骨料颗粒识别及评价系统。基层处理的同时同步筛分碎石，采用M25水泥砂浆搅拌，摊铺均匀。将龙门架布置在生态步道水洗石的上方，其跨度和施工宽度相关，高度可调节。利用龙门架底部安装的整平与振捣机构，振动提浆及整平，后续完成提浆和收光工序。

喷淋系统为可调节大小的雾状喷头，通过电动葫芦调节高度，以实现对面层骨料的充分清洗。利用喷头喷淋系统并配合人工毛刷刷洗除去泥浆，使得骨料逐渐暴露。为避免暴露不均匀，待初步成型后采用骨料颗粒智能识别与评价系统对面层进行数据采集与分析，实时判断骨料颗粒暴露程度的量化指标。根据颗粒暴露度指标参数指导现场施工，若不满足设计要求，则需重新进行清洗，直至检测合格。合格后再一步对面层进行养护，水洗石路面成型。水洗石路面施工操作流程图如图2示意。

3.2 工艺流程

3.2.1 地面清理

先将基层表面的积灰、油污、浮浆及杂物等清理干净。如局部凹凸不平，应将凸处凿平，凹处用砂浆补平；如有油污需用10%的火碱溶液洗刷干净，并用清水冲洗干净并晾干。

3.2.2 布设不锈钢格栅

根据设计标高不锈钢分隔条作为标高控制点，不锈钢分隔条按@3 000 mm×3 000 mm布置。采用M8×80 mm膨胀螺栓固定。同步进行碎石筛分，将筛分好的碎石，粒径4～6 mm为宜。采用M25水泥砂浆进行搅拌，将搅拌机拌好的水洗石混合料运入场内备用。

3.2.3 水洗石混合料摊铺

在清洗干净的混凝土基体上，涂刷处理剂一层，随即抹水泥砂浆，要求抹灰时处理剂不能干。界面剂抹完后，对混合料均匀进行摊铺，摊铺时面层要高于分格条1 mm。

3.2.4 激光配合机械整平

待完成水洗石面完成摊铺后，人工推龙门架，并利用调整好高度的整平辊筒对水洗石面层进行整平，同时利用振捣功能将水洗石路面面层内泥浆挤出，配合人工压实溜光。可反复进行3～4遍，使其均匀密实填充整个路面。以达到设计要求。

3.2.5 喷雾水刷水洗路面

待激光整平后，养护0.5 h。开启智能设备的伸缩水管、给水系统伸缩水管和喷淋喷头，并根据实际情况调节喷水适合的强度完成喷雾。

3.2.6 水洗施工过程

用刷子蘸水刷去水泥浆，然后用手压泵的喷头喷水冲洗，喷头一般距地面10～20 cm，把表面水泥浆冲洗干净露出骨料，最后用小水壶浇水将骨料表面冲净并进行封闭。

3.2.7 水洗施工

水洗施工应按地面泛水从高向低进行，大面积水洗石一天完不成，继续施工冲刷新结合面之前，应将上一结合面做的水洗石用水淋透，以备喷刷时沾上水泥浆后便于清洗，防止污染地面。

3.2.8 颗粒暴露度检测

待喷淋及水洗完成后，采用骨料颗粒智能识别与评价系统对面层进行数据采集与分析，实时判断骨料颗粒暴露程度的量化指标。根据系统提示若颗粒占比小于30%，则重新喷淋；若颗粒占比接近或者大于30%，则表明此区域水洗石工作基本完成，进行下一步养护工作。当上述区域完成后，进行下一区域的喷淋工作。

3.2.9 养护成型

用清水清洗水洗石表面，去掉灰尘，待完全干燥后，用水性树脂均匀涂刷在石子面层，以达到防水、耐污功效，涂抹保护剂后水洗石表面应显光泽。养护成型效果如图3所示。

4 结束语

利用该系统可确保水洗石路面石子分布均匀、无色差，平整度及成型效果好。对水洗石路面施工过程实时监控并及时反馈，保障水洗石路面外观成型质量、耐久性能。后续将针对不同主题效果的图形及图案进行提高，进一步优化水洗石混合料摊铺效率，提高水洗石路面一次成型质量，并进行应用推广。

参考文献

[1] 蒋泠.浅谈园林铺装的艺术表现要素及设计原则[J].环球市场，2018（24）：218.

[2] 蔡韩琦.景观建筑水洗石饰面施工的若干技术问题[J].建筑，2011（17）：88-89.

[3] 蒋涛.基于图像处理的推移质数据采集方法及应用[D].杨凌：西北农林科技大学，2021.

[4] 高昂，刘明潇，孙东坡，等.基于图像识别的床面推移质分布密度检测方法[J].人民黄河，2015（9）：20-23.