路用碎砾石颗粒三维形态特征分析与预测
李 宁1*，沙 波2，冯宁阳2，吴思玥3，司 伟3*
(1. 西安建筑科技大学 土木工程学院，陕西 西安 710055; 2. 新疆西域公路建设集团有限责任公司，新疆维吾尔自治区 乌鲁木齐 830000; 3. 长安大学 公路学院，陕西 西安 710064)
摘 要： 为快速获取路用集料颗粒的三维形态参数，以碎砾石颗粒的三维形态特征为分析目标，构建了三维形态参数预测模型;采用结构光扫描仪获取不同粒径碎砾石颗粒的三维点云模型，以延伸率、扁平度和凹凸度为三维形态参数，通过均一投影方法获取颗粒的二维形态，分析颗粒的细长度、凹凸度;采用Pearson相关性和灰色关联度分析方法分析了二维与三维形态参数间的相关性;采用随机森林模型、梯度提升树模型和堆叠模型构建了基于碎砾石颗粒二维形态参数的三维形态参数预测模型，并对预测模型的效果和影响因素进行了分析。研究结果表明：不同粒径颗粒的延伸率、扁平度和凹凸度相似，13.2～16.0 mm粒径颗粒形状更接近球形，而4.75～9.5 mm粒径颗粒则偏扁平;碎石和砾石颗粒形态整体相似，但碎石颗粒表面更加凹凸不平。砾石颗粒的长轴、短轴、细长度与延伸率的Pearson相关性均较高(0.45～0.96)，碎石颗粒的Pearson相关性高于砾石颗粒，而砾石颗粒的灰色关联度高于碎石。堆叠模型在预测碎砾石颗粒三维形态参数上优于单一模型，3种模型预测精度的差异性较小，但投影次数对预测精度有显著影响，12次投影时预测精度最高;线性模型和指数模型不能直接用于单颗粒的三维形态特征预测，而堆叠模型针对单颗粒三维形态参数则具有很高的预测精度，延伸率和凹凸度预测值的MSE值约为0.013和0.002，显著小于线性模型和指数模型。该研究成果可为提高颗粒形态特征预测的效率和准确性提供参考。
关键词： 颗粒三维形态; 碎砾石颗粒; 相关性分析; 颗粒点云模型; 颗粒投影; 预测模型
基金项目： 国家自然科学基金项目(52308465，52278430);新疆西域公路建设集团有限责任公司科研项目(220221230614)
引文格式： 李宁，沙波，冯宁阳，等. 路用碎砾石颗粒三维形态特征分析与预测[J]. 市政技术，2025，43(5)：211-221. (LI N，SHA B，FENG N Y，et al. Analyses and prediction of 3D morphological characteristics of road gravel particles[J]. Journal of municipal technology，2025，43(5)：211-221.)