شماره ركورد
34834
پديد آورنده
محمدحسن دانشوري
عنوان
تشخيص خرابي هاي قيرزدگي، دانهدانه شدن و چاله مبتني بر روش هاي پردازش تصوير و يادگيري ماشين
مقطع تحصيلي
دكتري تخصصي
رشته تحصيلي
مهندسي عمران- گرايش راه و ترابري
سال تحصيل
1398
تاريخ دفاع
1404/11/21
استاد راهنما
دكتر محمود عامري، دكتر برات مجردي
استاد مشاور
ندارم
دانشكده
مهندسي عمران
چكيده
شبكههاي راهي، ستون فقرات حملونقل زميني، نقشي حياتي در ايمني، پايداري اقتصادي و كيفيت خدمات دارند. با اين حال، خرابيهاي سطحي روسازي آسفالتي مانند دانهدانه شدن، قيرزدگي و چاله، در صورت عدم شناسايي بهموقع، به افزايش تصادفات و تحميل هزينههاي سنگين نگهداري ميانجامند. سامانههاي بازرسي كنوني يا پرهزينه و زمانبرند، يا متكي بر مدلهاي عميق پيچيدهاي هستند كه نيازمند دادههاي حجيم و توان پردازشي بالا بوده و تفسيرپذيري كافي براي تصميمگيري مديريتي ندارند. اين پژوهش، يك چارچوب هوشمند، سبك و تفسيرپذير براي تشخيص و ارزيابي خودكار سه خرابي كليدي روسازي ارائه ميدهد.
براي تشخيص دانهدانه شدن، رويكردي مبتني بر تلفيق LBP و GLCM با طبقهبند XGBoost توسعه يافت كه با برجستهسازي بينظميهاي ريزبافت و تحليل آماري سطح، تمايز مناطق سالم و خراب را ممكن ميسازد. تحليل SHAP نشان داد ويژگيهاي Contrast و Dissimilarity (ناهمگني) و Homogeneity و Correlation (يكنواختي) نقش اصلي در تصميمگيري مدل دارند. اين روش با دقت 97.63٪ روي دادههاي مستقل، تعميمپذيري بالا و عملكرد پايدار حتي در شرايط محدوديت داده را اثبات كرد.
براي قيرزدگي، با توجه به عدم توازن شديد دادهها، از چارچوبي مبتني بر OCSVM و ويژگيهاي HE-GLCM استفاده شد. متعادلسازي هيستوگرام پيش از استخراج GLCM، جزئيات بافتي را برجسته و تمايز كلاسها را تقويت كرد. اين رويكرد با دقت 97.29٪، قيرزدگي را بهعنوان ناهنجاري شناسايي نمود و در مقايسه با مدلهاي عميق، روي دادههاي نامتوازن عملكرد بهتري داشت. تحليل خطاها نشان داد اغلب اشتباهات در شدتهاي كم رخ ميدهد و مدل در شدتهاي متوسط و بالا عملكردي دقيق و قابلاتكا دارد.
براي تشخيص همزمان دو خرابي، تركيب HE–GLCM و LBP–GLCM به كار رفت؛ HE–GLCM تمايز قيرزدگي را از طريق الگوهاي كلان بهبود بخشيد و LBP–GLCM شناسايي دانهدانه شدن را با تحليل جزئيات ريز ميسر ساخت. اين تركيب مكمل، دقت را بيش از 7٪ افزايش داد و پايداري فوقالعادهاي (انحراف معيار كمتر از 0.65٪) به همراه داشت.
در گام بعد، يك چارچوب چندسطحي براي طبقهبندي شدت قيرزدگي با تلفيق LTP و GLCM و بهينهسازي TPE-SVM ارائه شد كه با دقت 96.76٪ سطوح بدون قيرزدگي، خفيف و شديد را تفكيك كرد. تحليل SHAP روي مدل جانشين LightGBM نشان داد ويژگيهاي LTP در شناسايي سطوح سالم و خفيف و GLCM در تشخيص قيرزدگي شديد غالباند كه با منطق فيزيكي پديده همخواني دارد. ارزيابي روي دادههاي مستقل نيز عملكرد قابلاتكاي مدل را تأييد كرد (F1-score = 94.80%).
در نهايت، براي چالهها، با توجه به كمبود دادههاي واقعي، روشي مبتني بر توليد داده مصنوعي با BAGAN-GP و آموزش YOLOv8m-Seg براي بخشبندي پيكسلي چاله توسعه يافت كه به mAP@50 برابر 95.5٪ در مكانيابي و 95.3٪ در بخشبندي دست يافت. استخراج خودكار ويژگيهاي هندسي (مساحت، محيط، قطر معادل) از ماسكهاي بخشبندي و توسعه سامانه نرمافزاري كاربرپسند، امكان اولويتبندي كمّي تعميرات را فراهم ساخت.
نتايج اين پژوهش نشان ميدهد راهكارهاي سبك، دقيق و تفسيرپذير مبتني بر يادگيري ماشين و پردازش تصوير، ميتوانند پايش هوشمند روسازي را متحول ساخته و به ارتقاي ايمني و بهينهسازي مديريت نگهداري شبكههاي راهي بينجامند.
تاريخ ورود اطلاعات
1405/02/26
عنوان به انگليسي
Detection of bleeding, raveling, and pothole based on image processing and machine learning methods
تاريخ بهره برداري
4/21/2026 12:00:00 AM
دانشجوي وارد كننده اطلاعات
محمدحسن دانشوري
چكيده به لاتين
Road networks form the backbone of land transportation and play a vital role in traffic safety, economic sustainability, and service quality. However, surface distresses in asphalt pavements—such as raveling, bleeding, and potholes—will, if not detected early, increase accident rates and impose heavy maintenance costs on road agencies. Current inspection systems are either costly and time-consuming field surveys or rely on complex deep learning models. These models demand massive datasets and high computational power, while lacking the interpretability needed for managerial decision-making. This study presents an intelligent, lightweight, and interpretable framework for the automatic detection and assessment of three critical pavement distresses.
For raveling detection, a novel approach was developed that combines Local Binary Pattern (LBP) and Gray-Level Co-occurrence Matrix (GLCM) features with an XGBoost classifier. The method highlights micro-texture irregularities and statistically analyzes the surface to separate sound from distressed areas. SHAP analysis revealed the most influential features. Contrast and Dissimilarity, which capture heterogeneity, and Homogeneity and Correlation, which capture uniformity, played the primary role in the model’s decisions. Tested on an independent dataset, the method achieved 97.63% accuracy, demonstrating strong generalizability and stable performance even under data-scarcity conditions.
To handle the severe class imbalance present in bleeding data, a framework based on a One-Class Support Vector Machine (OCSVM) and HE-GLCM features was employed. Histogram equalization prior to GLCM extraction enhanced textural details and strengthened class separation. This approach identified bleeding as an anomaly with 97.29% accuracy and outperformed deep models on imbalanced data. Error analysis showed that most misclassifications occurred at low severity levels. At medium and high severities, the model delivered precise and reliable performance.
For simultaneous detection of both distresses, a complementary feature set combining HE-GLCM and LBP-GLCM was designed. HE-GLCM improved bleeding differentiation through macro-level contrast patterns. LBP-GLCM enabled accurate raveling identification by analyzing fine-scale inhomogeneities. This fusion boosted accuracy by over 7% and yielded exceptional stability, with a standard deviation below 0.65%.
A multi-level severity classification framework for bleeding was then introduced. It integrated Local Ternary Pattern (LTP) and GLCM features optimized via Tree-structured Parzen Estimator (TPE) with SVM, achieving 96.76% accuracy in distinguishing no-bleeding, mild, and severe bleeding cases. SHAP analysis on a LightGBM surrogate model indicated that LTP-based features dominated the recognition of sound and mild states, while GLCM features prevailed for severe bleeding—a pattern fully consistent with the physical logic of the distress. Independent testing confirmed the model’s reliability (F1-score = 94.80%).
Finally, to address the scarcity of real pothole data, a method leveraging synthetic data generation with BAGAN-GP and training a YOLOv8m-Seg model for pixel-level segmentation was developed. It attained an mAP@50 of 95.5% for detection and 95.3% for segmentation. Automatic extraction of geometric properties—area, perimeter, equivalent diameter—from the segmentation masks, combined with a user-friendly software tool, enabled quantitative prioritization of repairs.
Overall, the findings demonstrate that lightweight, accurate, and interpretable machine learning and image processing solutions can transform intelligent pavement monitoring. They have the potential to improve road safety and optimize maintenance management across road networks.
كليدواژه هاي فارسي
تشخيص خرابي روسازي , تحليل بافت , يادگيري ماشين , آناليز SHAP , يادگيري عميق , توليد داده مصنوعي , بخشبندي تصوير
كليدواژه هاي لاتين
pavement distress detection , texture analysis , machine learning , SHAP analysis , deep learning , synthetic data generation , image segmentation
Author
Mohammad Hassan Daneshvari
SuperVisor
Dr. Mahmoud Ameri, Dr. Barat Mojaradi