CN102635056B - 一种沥青路面构造深度的测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种沥青路面构造深度测量方法：打开计算机、UPS电源、激光器、编码器和相机；对相机标定；推动手推车在待测路面上前进，编码器实时向计算机发出脉冲信号，激光器发射激光光束；相机接收计算机发送的触发信号采集图像并发送给计算机；计算机对接收到的每副图像依次进行图像去噪，再对每副图像通过阈值重心法逐列进行质心提取，将每一列的质心的坐标值与该副图像中其对应的参考基准面相应列的高度坐标值相减得到差值，再通过公式1计算每副图像每一列所代表的高度值，对所有得到的高度值求取算术平均值得到路面构造深度值。本发明提高了构造深度的测量精度，且操作简单灵活，计算方便。

Description

一种沥青路面构造深度的测量方法

技术领域

本发明属于测量构造深度的技术领域，是一种沥青路面构造深度的测量方法。

背景技术

随着交通事业的不断发展和路面等级的不断提高，沥青路面得到越来越多的应用。但随着交通量的增加，车辆速度的不断提高，导致交通事故不断发生，使得路面的抗滑问题日益突出。交通事故的发生与路面的抗滑性能有很大的关系，而路面的平均纹理与路面断面构造深度之间有良好的相关性，而表面构造深度较大的沥青路面可以提供较高的摩阻力，特别是在积水或冰雪的情况下，如果能够改善路面的抗滑性能，将在很大的程度上减少事故的发生。在降雨量较大的地区，如果沥青路面表面没有足够的构造深度来排水和蓄水，容易发生交通事故。因此，现阶段的沥青路面的抗滑问题解决的重点之一是检测路面的构造深度。

在现阶段，路面构造深度的检测方法和装置很多，常用的方法有人工铺沙法、数字图像检测法、激光测距仪。其中，人工铺沙法效率低，且测试结构受人为干扰的因素很多，重现性差，不易于潮湿天气测量，对于里程较长的公路，只能选择某些路段进行抽样调查，降低了测试结果对整个路段的路面构造深度的评价；数字图像检测法受外界环境的光照强度和光照角度的影响很大，且图像处理算法有待进一步提高；激光测距仪所得到的结果是不连续的，不能真实再现路面的微观纹理特征，所以误差较大。综上，现有检测技术存在着误差大、效率低等问题，研究一种自动化程度高、操作方便、效率高、检测精确的沥青路面构造深度检测装置是十分有必要的。

发明内容

针对上述现有技术存在的缺陷或不足，本发明的目的在于，提供一种基于沥青路面构造深度的测量装置及其测量方法，本发明利用线阵激光器垂直照射到沥青路面，线性激光器发出的激光束经准直聚焦后垂直入射到路面上，由CCD相机通过对路面漫反射的激光束进行成像，并对采集到的图片实时处理，大大提高了构造深度的测量精度，且操作简单灵活，计算方便。

为了达到上述目的，本发明采用如下的技术解决方案：

一种沥青路面构造深度测量方法，其特征在于，具体包括如下步骤：

步1：在手推车的前方安装三角支架，将计算机、UPS电源安装在手推车上，将编码器安装在手推车的任一轮子的轮轴上，编码器相对于轮轴静止；将线形激光器，发射透镜，接收透镜，CCD相机固定在所述的三角支架上，使得线形激光器正对地面设置；发射透镜设置在线性激光器发射光束的光路上且两者距离为发射透镜的焦距；接收透镜设置在发射透镜的正前方，接收透镜和发射透镜的法线的夹角为θ，且两者法线的交点落在地面上；CCD相机设置在接收透镜的前端上方且其靶面平行于接收透镜；CCD相机的靶面到接收透镜的距离为接收透镜的焦距b；将计算机、旋转编码器、线形激光器和CCD面阵相机分别连接UPS电源，将编码器、CCD面阵相机与计算机相连接；

步2：系统启动，分别打开计算机、UPS电源、线性激光器、编码器和CCD相机；对CCD相机标定，确定参考基准面；

步3：推动手推车在待测路面上前进，保证手推车每前进1毫米，编码器发出m个脉冲；手推车前进过程中，编码器实时向计算机发出脉冲信号，计算机每接收到m个脉冲，立即向CCD相机发送一次触发信号；

步4：线性激光器发射激光光束，光束经发射透镜到达被测沥青路面后，由于漫反射，该光束的一部分通过接收透镜反射到CCD相机的靶面上；

步5：CCD相机实时接收计算机发送的触发信号，每接收到一次触发信号采集一幅图像，并将采集到的图像实时发送给计算机，共得到N副图像；

步6：计算机对接收到的每副图像依次进行图像去噪，再对每副图像通过阈值重心法逐列进行质心提取，将每一列的质心的坐标值与该副图像中其对应的参考基准面相应列的高度坐标值相减得到差值x’，再通过公式1分别计算得到每副图像每一列所代表的高度值x，共得到M*N个高度值x，其中，M为每副图像在CCD相机的靶面上所占的列数，a为接收透镜和发射透镜的法线的交点到接收透镜6中心的距离，D为接收透镜和发射透镜的水平距离，b为接收透镜的焦距；

$x=\frac{a^2{x}^{\′}}{b*D}$

步7：对得到的M*N个高度值x求取算术平均值，即得到该测量区域的路面构造深度值。

本发明还包括如下其他技术特征：

所述方法还包括三维显示步骤：以每幅图像所对应的高度值x作为三维坐标系中的Z轴值，以对应的高度信息的值的个数为三维坐标系中的X轴值，以采集到的图像的个数为三维坐标系中的Y轴，通过提前三维显示软件将该测量区域路面的三维形貌图像显示在计算机上。

所述线性激光器距离地面的高度不小于1米。

所述接收透镜和发射透镜的法线的夹角θ取35°～50°。

所述步3中，手推车前进的总距离为1米。

本发明的有益效果如下：

本发明的沥青路面构造深度的测量装置，利用旋转编码器发送脉冲来触发相机采集图片，保证了沥青路面成像的完整性和无叠加性。采用红外线阵一字激光光源垂直照射沥青路面的表面上的发射光由接收透镜成像于CCD靶面上，由于实验采用的是面阵CCD相机，可以对采集到的图像进行实时，连续、快速的处理，通过激光三角测量原理计算得到路面的数据，并由多幅图像数据恢复出路面的三维图像，测量精度可达到亚像素级别。本发明降低了构造深度测量的劳动强度，提高了测量效率，且具有测量准确，精度高的优点。

本发明的原理如下：

无论何种图像，其成像规律是相同的：当一束平行光线照射到光滑表面时，表面各点反射回来的还是一束平行光线，且光线强度是一致的。这束平行光线反射到感光胶片上时，胶片各点的感光度是一致的，因此人们观察到图像的各个亮点度或灰度是均匀一致的，并由此得出所拍摄物体表面很光滑的结论，反之，当一束平行光线照射在粗糙的物体表面上时，反射回来的不再是一束平行的光线。此时，反射到感光胶片上各点光线的强度是不同的，因此人们观察到的图像各点亮度或灰度发生变化，表面凸起的部分亮，表面下凹的部分光线暗。根据图像各点的明暗差异，可以分析区分出物体表面凹凸不平的程度。本发明就是线性激光器光源发射一束光到被测沥青路面上，由于路面的粗糙会形成漫反射，从而根据采集的图像来得到沥青路面的构造深度。

如图2，本发明中采用直射式激光三角测量原理。线阵激光器与CCD面阵相机之间的夹角为θ，b是相机靶面到接收透镜中心的距离，即为接收透镜的焦距；D为发射透镜至接收透镜之间的水平距离；a为接收透镜到参考点的距离；x为物体表面的真实深度变化，x’为此高度变化反映在CCD靶面上的位移变化。最终计算公式如下：

$x=\frac{a^2{x}^{\′}}{b*D}$

其中，线性激光器与地面的高度必须满足激光线的宽度达到1米，且a与D之间满足三角关系，即：sinθ＝D/a，a与D随着夹角θ的变化而变化，每设定一个θ值，就相应的确定了a和D的值。由于CCD相机是斜置的，当被测物表面在垂直方向上发生位移变化(x)时，显示到相机靶面中为被测物体像元位移的变化(即x’)，最终通过公式计算可由像元位移 (x’)得到物体的真实位移变化x。

说明书附图

图1是本发明的结构示意图。

图2是激光三角测距的原理图。

以下结合附图和具体实施方式对本发明作进一步解释说明。

具体实施方式

如图1所示，本发明的沥青路面构造深度测量方法，具体包括如下步骤：

步1：在手推车8的前方安装三角支架，将计算机1、UPS电源2安装在手推车8上，将编码器3安装在手推车8的任一轮子的轮轴上；将线形激光器4，发射透镜5，接收透镜6，CCD相机7固定在所述的三角支架上，使得线形激光器4正对地面设置，且线性激光器4距离地面的高度不小于1米，以保证激光打到路面的宽度不小于1米；发射透镜5设置在线性激光器4发射光束的光路上且两者距离为发射透镜5的焦距；接收透镜6设置在发射透镜3的正前方，接收透镜6和发射透镜3的法线的夹角为θ，θ取35°～50°，且两者法线的交点落在地面上；CCD相机7设置在接收透镜6的前端上方且其靶面平行于接收透镜6；CCD相机7的靶面到接收透镜6的距离为接收透镜6的焦距b；

将计算机1、编码器3、线形激光器4和CCD面阵相机7分别连接UPS电源2，将编码器3、CCD面阵相机7与计算机1相连接；

步2：系统启动，分别打开计算机1、UPS电源2、线性激光器4、编码器3和CCD相机7；对CCD相机7标定，确定参考基准面。

步3：推动手推车8在待测路面上前进，保证手推车每前进1毫米，编码器3发出m个脉冲；手推车8前进过程中，编码器3实时向计算机1发出脉冲信号，计算机1每接收到m个脉冲，立即向CCD相机7发送一次触发信号；

步4：线性激光器4发射激光光束，光束经发射透镜3到达被测沥青路面后，由于漫反射，该光束的一部分通过接收透镜6反射到CCD相机7的靶面上；

步5：CCD相机7实时接收计算机1发送的触发信号，每接收到一次触发信号采集一幅图像，并将采集到的图像实时发送给计算机1，共得到N副图像；

步6：计算机1对接收到的每副图像依次进行图像去噪，由于激光线条有一定的宽度，在CCD相机7的靶面中占8个左右的像元宽度，会影响计算精度，因此，再对每副图像通过阈值重心法逐列进行质心提取，将每一列的质心的坐标值与该副图像中其对应的参考基准面相应列的高度坐标值相减得到差值x’，再通过公式1分别计算得到每副图像每一列所代表的 高度值x，共得到M*N个高度值x，其中，M为每副图像在CCD相机7的靶面上所占的列数，a为接收透镜6和发射透镜3的法线的交点到接收透镜6中心的距离，D为接收透镜6和发射透镜3的水平距离，b为接收透镜6的焦距；

$x=\frac{a^2{x}^{\′}}{b*D};$

步7：对得到的M*N个高度值x求取算术平均值，即得到该测量区域的路面构造深度值。

步8：以每幅图像所对应的高度值x作为三维坐标系中的Z轴值，以对应的高度信息的值的个数为三维坐标系中的X轴值，以采集到的图像的个数为三维坐标系中的Y轴，通过提前三维显示软件将该测量区域路面的三维形貌图像显示在计算机1上。

在本发明中，接收透镜6和发射透镜3的法线的夹角θ的设定很重要，如果夹角θ太大，线性激光器打在地面位置的视场较小，不能够完全拍摄到激光线打到的区域，影响检测的宽度；反之如果θ太小，路面表面高度位移变化较小的话，反应到CCD相机靶面的变化很微小，就难以计算公式计推导出物体的高度变化，而本发明的测量对象是沥青路面的构造深度，一般构造深度的数据大小基本只有几个毫米，所以角度θ不能设计过小。发明人经过试验比较计算，将夹角θ定位35°到50°之间，保证CCD相机的视场宽度，同时能够保证测量精度，即使只有毫米级的位移变化反映在CCD靶面上也有很明显的像元差距，便于计算。

实施例1：

计算机1的CPU采用RII350，硬盘6.0GB，内存64MB。编码器3采用欧姆龙E6B2-CWZ6C系列编码器。线性激光器4采用红外线阵一字激光器，CCD相机7采用CCD面阵相机，CCD靶面为1000*1000。

红外线阵一字激光器具有良好的光源特性，激光束发出的激光束是比较均匀，对红外光线比较敏感，频谱响应在面阵CCD相机的感光区域内，拍出来的图片的效果比较好，适用于高精度的测量和测试。

编码器3用于将手推车8的位移信号转换成电信号传输给计算机1，计算机1通过内置的软件控制将电信号以触发的形式发送给CCD相机6，以此控制CCD相机6的拍摄频率，即CCD相机6以一定的间隔时间采集图像，CCD相机6将采集到的图像传送给计算机1，最终得出路面的构造深度，并根据这些数据恢复出路面的三维图像。

夹角θ设置为45°，线性激光器4离地面的高度设置为1米，激光线打在地面上的宽度为1米；a为1.414米，D为1米，b为焦距5mm。

CCD相机7采集到的每幅图像在靶面上每行为1000个连续的数据；手推车8前行长度为 1米，每前进1毫米CCD相机7采集1幅图像，共连续采集1000幅图像。表1对每副图像经过阈值重心法处理之后的质心坐标的前10行和10列的原始数据，完整的质心坐标的原始数据有1000*1000个；表2为表1的原始数据与基准面的数据处理之后，并利用公式1计算后得到的对应的高度值x。

表1质心坐标的原始数据

表2高度值x

将表2中的高度值数据求算术平均值即可得到该区域的构造深度为0.4835mm，可以看出，该数据精确保留到小数点后4位。与铺砂法相比，本发明的方法得到的数据精度高，铺砂法受外界影响和人为因素也比较大；本发明的方法比激光构造仪得到的数据更真实、连续；该系统速度可控，测量方便，灵活，受到外界影响因素较小。

实施例2：本实施例与实施例1的区别是夹角θ设置为35度，a为1221mm，D为700mm，线性激光器4的高度为1米，视场为1米。得到测量区域的沥青路面构造深度为0.5.186mm。

Claims (1)

1.一种沥青路面构造深度测量方法，其特征在于，具体包括如下步骤：

步1：在手推车(8)的前方安装三角支架，将计算机(1)、UPS电源(2)安装在手推车(8)上，将编码器(3)安装在手推车(8)的任一轮子的轮轴上；将线性激光器(4)、发射透镜(5)、接收透镜(6)和CCD面阵相机(7)固定在所述的三角支架上，使得线性激光器(4)正对地面设置，且线性激光器(4)离地面的高度为1米，激光光束打在地面上的宽度为1米；发射透镜(5)设置在线性激光器(4)发射光束的光路上且两者距离为发射透镜(5)的焦距；接收透镜(6)设置在发射透镜(5)的正前方，接收透镜(6)和发射透镜(5)的法线的夹角为θ，且两者法线的交点落在地面上；CCD面阵相机(7)设置在接收透镜(6)的前端上方且其靶面平行于接收透镜(6)；CCD面阵相机(7)的靶面到接收透镜(6)的距离为接收透镜(6)的焦距b；将计算机(1)、编码器(3)、线性激光器(4)和CCD面阵相机(7)分别连接UPS电源(2)，将编码器(3)、CCD面阵相机(7)与计算机(1)相连接；

所述接收透镜(6)和发射透镜(5)的法线的夹角θ取35°；

步2：系统启动，分别打开计算机(1)、UPS电源(2)、线性激光器(4)、编码器(3)和CCD面阵相机(7)；对CCD面阵相机(7)标定，确定参考基准面；

步3：推动手推车(8)在待测路面上前进1米，保证手推车每前进1毫米，编码器(3)发出m个脉冲；手推车(8)前进过程中，编码器(3)实时向计算机(1)发出脉冲信号，计算机(1)每接收到m个脉冲，立即向CCD面阵相机(7)发送一次触发信号；

步4：线性激光器(4)发射激光光束，光束经发射透镜(5)到达被测沥青路面后，由于漫反射，该光束的一部分通过接收透镜(6)到CCD面阵相机(7)的靶面上；

步5：CCD面阵相机(7)实时接收计算机(1)发送的触发信号，每接收到一次触发信号采集一幅图像，并将采集到的图像实时发送给计算机(1)，共得到N幅图像；

步6：计算机(1)对接收到的每幅图像依次进行图像去噪，再对每幅图像通过阈值重心法逐列进行质心提取，将每一列的质心的坐标值与该幅图像中其对应的参考基准面相应列的高度坐标值相减得到差值x’，再通过公式1分别计算得到每幅图像每一列所代表的高度值x，共得到M*N个高度值x，其中，M为每幅图像在CCD面阵相机(7)的靶面上所占的列数，a为接收透镜(6)和发射透镜(5)的法线的交点到接收透镜(6)中心的距离，a＝1.221米；D为接收透镜(6)和发射透镜(5)的水平距离，D＝700mm；b为接收透镜(6)的焦距，b＝5mm；

  (公式1)

步7：对得到的M*N个高度值x求取算术平均值，即得到该测量区域的路面构造深度值。