一、概述
透水混凝土主要由开级配材料组成，包含硅酸盐水泥、粗骨料、少量或没有细骨料、外加剂和水。由于其可增加透水性、减少地表径流（增加防滑阻力）、吸收噪声等，广泛应用于路面表面。透水混凝土人行道的结构性能受到内部孔隙网络的极大影响，随着非破坏性评估技术和计算机成像技术的进步，现在通常采用 CT 扫描确定路面材料的内部结构。
基于图像处理的分割算法在计算透水混凝土孔隙网络特性时可能会产生重大差异。本研究采用分水岭（Watershed）分割算法进行 CT 图像数据的分割，比较选择不同的高程函数对孔隙网络特性如孔隙体积、平面度、伸长率、形状因子、球度分布的影响。
二、图像处理
由筛分后 2.38 – 4.75 mm 的硅质骨料制造直径为 150 mm 的透水混凝土圆柱体，使用 Somatom Emotion XRCT 设备获取试样的扫描数据。将图像导入 Simpleware 软件，采用 Multilevel Otsu segmentation 工具基于图像强度直方图进行全局阈值分割，计算每个组分的像素强度阈值，使组分之间的灰度方差最大，透水混凝土被分割为孔隙相和水泥-骨料相。应用 Watershed 工具的分水岭分割算法，根据高程函数将互通的透水混凝土孔隙结构分为若干较小的孔隙，在高程函数的选项中分别使用基于梯度的 Background gradient 和基于距离映射的 Mask distance transform。
三、结果与讨论
3.1 孔隙体积分布
由未进行分水岭算法分割的孔隙结构分析可观察到，单个互通的孔隙体积约在 238000-249000 mm3 的范围内，近 187 个独立的孔隙体积均小于 1000 mm3。通过不同高程函数的分水岭分割后，基于梯度的互通和孤立孔隙体积在 1264 mm3 内，基于距离映射的在 6059 mm3 内。
结合对孔隙结构的数据统计可以看出，与距离映射高程函数相比，梯度高程函数会导致孔隙体积分布范围较小，孔隙和喉道数量较多。
3.2 孔隙形状分布
对透水混凝土的孔隙形状特性进行统计分析。形状因子表征孔隙的形状，球体或立方体为 1，更细长的形状小于 1，而更平坦的板形将大于 1。球度为孔隙 3D 形状与球体相似的程度，数值范围是 0-1（球体）。
未进行分水岭算法分割导致将互通的孔隙视为一个单独孔隙结构，因此在孔隙网络特性统计中有明显的误差。无分水岭算法处理的孔隙结构与基于分水岭-梯度高程函数孔隙结构在对应累积到 50% 孔隙处伸长率、平面度、形状因子、球度的百分比误差分别是 0.95％、4.52％、3.21％和37.03％。而基于梯度和距离映射两种高程函数算法得到的结果则几乎完全一致。
3.3 喉道
分水岭分割算法处理后的喉道截面面积均在 78.9 mm2 内，基于梯度和距离映射高程函数的平均喉道面积分别为 6.84 mm2 和 5.51 mm2。两者孔隙中约有 29.04％ 和 32.24％ 的孔隙配位数（PCN）为 0，平均 PCN 值分别为 7.03和7.58。显然，在分水岭分割算法的帮助下可以研究很难获得的透水混凝土孔隙喉道特性。
四、总结
本研究采用数字图像处理和基于 XRCT 的非破坏性孔隙结构分析，评估分水岭分割算法和不同高程函数选择对透水混凝土孔隙网络特性的影响。
- 与单独的 Otsu 分割算法相比，Otsu-Watershed 分割算法能够更准确地预测有效和孤立的孔隙网络特性。
- 缺少分水岭算法视互通孔隙为单个孔隙结构将导致孔隙网络特性的显著误差。
- 在分水岭算法的帮助下可以研究透水混凝土的孔隙喉道特性。
五、参考
- Jagadeesh A, Ong G P, Su Y M. Evaluation of pervious concrete pore network properties using watershed segmentation approach[C]//International Airfield and Highway Pavements Conference 2019. Reston, VA: American Society of Civil Engineers, 2019: 437-446.