CN105352475A - 一种三维激光检测仪最佳水平架设夹角的确定方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种三维激光检测仪最佳水平架设夹角的确定方法，(1)根据三维激光检测仪及测量条件，设置各参数；(2)计算不同水平架设夹角下有效测量次数；(3)计算各个有效测量次数对应的水平架设夹角的范围、单次投影长度的范围以及有效长度比的范围；(4)根据有效长度比的范围确定最大有效长度比，进而得到与最大有效长度比对应的水平架设夹角的范围E；(5)计算三维激光检测仪的有效水平架设夹角的范围F；(6)计算集合E和集合F的交集G，G中最小的水平架设夹角即为三维激光检测仪最佳水平架设夹角。本发明能够为实现快速、安全、准确的检测水泥路面错台提供技术参考。

Description

一种三维激光检测仪最佳水平架设夹角的确定方法

技术领域

本发明涉及一种三维激光检测仪架设参数确定方法，具体涉及一种应用三维激光技术检测水泥路面错台时检测仪架设最佳水平夹角的确定方法。

背景技术

水泥混凝土路面因其具有强度高、较好的稳定性和耐久性、有利于夜间行车、材料来源广泛、施工工艺较简便等优点，目前是我国各等级路面结构的主要形式之一。但是，在重复荷载和环境交替变化作用下，水泥混凝土路面常出现断板、裂缝、错台、唧浆等病害，严重影响道路使用性能，并大大缩短了路面使用寿命。其中，错台是水泥混凝土路面最主要的病害之一，是由于基层在行车荷载作用下发生塑性累积位移、局部地基不均匀下沉或相邻水泥板间传荷能力下降，使水沿横向接缝或裂缝浸入基层，行车荷载使路面板发生泵吸现象，导致水泥混凝土路面板间高差。错台直接影响行车舒适性和行车质量，不仅会造成车辆磨损，也会产生行车安全隐患，并加速路面结构性破坏。准确、快速的获取错台检测数据，能及时对错台进行养护，防止路面进一步破坏，可以有效节约大量养护费用。因此，水泥路面错台检测精度对水泥混凝土路面管理养护具有十分重要的意义。

国外主要采用人工法，依靠佐治亚错台仪进行水泥路面错台检测，国内则采用水准测量法，使用直尺检测错台接缝前后相距300mm的两点的高差。经过长期工程实践发现，人工检测方法存在检测效率低、危险性高、检测精度低等缺点，常导致错过最佳的养护维修时机。随着传感器技术的发展，新兴的三维激光技术因其可在高速条件下(80-100km/h)，高频率、高解析率的获取细观路表三维模型正逐渐成为一种快速、安全、高精度的路面检测技术。三维激光检测技术利用了三角测量原理法，其原理为激光检测仪发出线激光到被测道路表面，通过光学系统成像到线阵CCD，由几何三角关系从像点在CCD上的位置即可计算得到所测点的坐标与高程，再通过激光检测仪的扫描运动就能将沿运动方向道路表面的三维数据得到。

目前采用三维激光技术检测车辙、纵向裂缝等平行于行车方向的路面病害时，激光检测仪垂直于路面发射具有一定宽度间隔的线激光；但是水泥混凝土路面错台是两水泥板间产生的相对竖向位移，宽度影响范围一般为3mm～15mm，长度影响范围大多延伸至整个水泥板(3.5m-3.75m)，且垂直于行车方向。如果三维激光检测仪架设时没有设置一定的水平夹角，会导致因激光线落入错台中而无法准确获取水泥面板两端的高差数据。目前，国外主要三维激光检测仪架设时设置一定的水平夹角(如附图1所示)，例如：美国基于佐治亚三维激光检测系统的架设水平夹角为12度，德克萨斯三维激光检测系统的架设水平夹角为15度。上述系统的三维激光检测仪的架设水平夹角依赖于各设备生产厂家经验确定，不同生产厂家、不同设备型号的三维激光检测仪因发射频率、激光点数量、检测视场等技术参数不同，水平架设夹角也不尽相同。因此，为了保证不同型号三维激光检测仪在有效检测视场条件下，全面、准确的获取错台高差数据，目前缺乏一种三维激光检测仪检测错台等横向病害中的架设水平夹角确定方法。

发明内容

本发明的目的在于提供一种三维激光检测仪最佳水平架设夹角的确定方法，以克服上述现有技术存在的缺陷，本发明能够为实现快速、安全、准确的检测水泥路面错台提供技术参考。

为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种三维激光检测仪最佳水平架设夹角的确定方法，包括以下步骤：

步骤1：根据三维激光检测仪及测量条件，设置参数：视场L、测量的断面长度M、相邻激光扫描线间的测量间隔D以及错台有效宽度S；

步骤2：根据视场L、相邻激光扫描线间的测量间隔D以及错台有效宽度S计算不同水平架设夹角α下三维激光检测仪对同一错台的最佳情况的测量次数N₁和最不利情况的测量次数N₂，N₁和N₂的计算公式如下：

$N_1=\frac{L_y}{D_y}+1=\frac{L\·sin\mathrm{\α}-S}{D/cos\mathrm{\α}}+1$

$N_2=\frac{L_y}{D_y}=\frac{L\·sin\mathrm{\α}-S}{D/cos\mathrm{\α}}$

并通过N₁和N₂得到有效测量次数N，公式如下：

N＝int(max(N₁,N₂))

步骤3：分别令N₁和N₂的计算公式中的N₁和N₂等于N进行反推，得到与各个有效测量次数N对应的水平架设夹角α的范围，并通过此范围及错台有效宽度S计算与各个有效测量次数N对应的单次投影长度P的范围，进而通过单次投影长度P的范围、有效测量次数N以及测量的断面长度M计算与各个有效测量次数N对应的有效长度比δ的范围；

步骤4：根据有效长度比δ的范围确定最大有效长度比，进而得到与最大有效长度比对应的水平架设夹角α的范围，定义为集合E；

步骤5：根据步骤1中参数计算三维激光检测仪的有效水平架设夹角α的范围，定义为集合F；

步骤6：计算集合E和集合F的交集，得到集合G，集合G中最小的水平架设夹角即为三维激光检测仪最佳水平架设夹角。

进一步地，步骤1中所述的错台有效宽度S指沿行车方向且以错台宽为中心的50mm长度。

进一步地，步骤2中所述的最佳情况指三维线激光第一次接触错台时就恰好完成一次有效测量，并且该有效测量的单次投影长度的端点与测量的断面的端点重合。

进一步地，所述的有效测量指三维线激光第一次接触错台时恰好在这一条激光线上能够得到一个完整的错台有效宽度。

进一步地，步骤2中所述的最不利情况指第一次错台测量收集的数据，恰好无法完成有效测量，但激光扫描的长度等于单次投影长度。

进一步地，步骤3中单次投影长度P的计算公式如下：

P＝S/tanα。

进一步地，步骤3中有效长度比δ的计算公式如下：

$\mathrm{\δ}=\frac{P\·N}{M}.$

进一步地，步骤5中三维激光检测仪的有效水平架设夹角的范围计算公式如下：

$L-{\mathrm{cos\α}}_{max}*M-2S/\sqrt{1-{\left({\mathrm{cos\α}}_{max}\right)}^2}=0$

${\mathrm{\α}}_{min}=arccos\left(\frac{S}{D}\right)$

其中，α_max表示三维激光检测仪的有效水平架设夹角的最大值；α_min表示三维激光检测仪的有效水平架设夹角的最小值。

与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

本发明从理论角度出发，寻求三维激光错台测量仪器的最佳水平架设夹角，代替以往实际经验总结出的结果，可信度较高，另外本发明结果具有良好的可操作性，面对不同层次的激光扫描设备，不同经验水准的操作人员和不同状况的检测条件，在水平架设夹角推算的过程中，通过将检测条件、设备参数等因素带入计算，得到一个与本次检测契合度最高的最佳水平架设夹角，代替以往由生产厂家提供单一经验结果对应所有检测过程的窘态。本方法得到的计算结果同现行的经验结果相比，有更高的针对性和适宜性，检测效率也得到提升。三维激光错台检测仪水平架设夹角的标定，为三维激光水泥错台检测技术的大面积推广应用提供关键要素，对研究三维激光公路病害检测具有十分重要的意义。

附图说明

图1是三维激光检测仪水平架设夹角示意图；其中，A为三维激光检测仪；Y方向为行车方向；X方向为道路横断面方向；Z方向为垂直路面的高程方向；水平架设夹角α即为图中两平面与路面的交线所成的夹角(顺时针)；

图2是本发明的工作流程图；

图3是单次投影长度计算示意图；

图4是有效测量次数计算示意图；

图5是有效长度比计算示意图；

图6是有效测量次数与有效长度比变化关系图；

图7是有效长度比与水平架设夹角的变化关系图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细描述：

参见图1至图7，一种三维激光检测仪最佳水平架设夹角的确定方法，

(1)在检测过程中，基于所使用的三维激光错台检测仪器，及该次检测的测量条件，取得相应的计算参数：视场L、断面的测量长度M、相邻激光扫描线间的测量间隔D、错台有效宽度S。

(2)计算不同水平架设角度对应下的单次投影长度P：

P＝S/tanα

(3)计算不同水平架设角度下三维激光测量仪对同一错台的最佳测量次数N₁：

$N_1=\frac{L_y}{D_y}+1=\frac{L\·\sin \mathrm{\α}-S}{D/cos\mathrm{\α}}+1$

和最不利测量次数N₂：

$N_2=\frac{L_y}{D_y}=\frac{L\·sin\mathrm{\α}-S}{D/cos\mathrm{\α}}$

将N₁、N₂带入，推出有效测量次数N：

N＝int(max(N₁,N₂))

(4)计算水平架设夹角范围[α_min，α_max]：

${\mathrm{\α}}_{max}=arccos\left(\frac{M}{L-2*P}\right)$

${\mathrm{\α}}_{min}=arccos\left(\frac{S}{D}\right)$

(5)为了对比不同水平架设夹角下三维激光检测仪的测量效果，引入新的评价单位：有效长度比δ，其值等于某一角度下错台的有效测量次数N乘以相应的单次投影长度P比上测量断面长度M，数值越大就表示可以在测量中获取更多的有效数据点，越能反映出错台高差的真实情况。有效长度比δ：

$\mathrm{\δ}=\frac{P\·N}{M}$

将有效测量次数和该测量次数对应的有效长度比的最大值以线性的形式表示在同一平面直角坐标系中。

(6)结合水平架设夹角范围(集合F)与最大有效长度比所对应的测量次数的角度范围(集合E)，确定适宜的角度范围(集合E和F的交集G)，将该范围的角度数与相应的有效长度比线性的表示在同一平面直角坐标系中，从图中导出最大有效长度比所对应的角度值，最小角为最佳，即为该设备结合此次测量条件得到的最佳水平架设夹角。

下面结合具体实施例对本发明做详细描述：

参见附图2，本发明的一种三维激光检测仪最佳水平架设夹角的确定方法包括：

(1)设备与检测条件的确定

本发明所述三维激光检测系统设备为Gocator2080型三维激光错台检测仪，其中具体参数如下：剖面轮廓所包含数据点数640个、视场390～1260mm、Z方向线性度为0.05、Z方向分辨率为0.123～0.65mm、X方向分辨率为0.75～2.2mm。测量范围800mm、净距离350mm。

本次试验条件为：相邻激光扫描线间的测量间隔D是10mm；测量的断面长度M为1000mm；视场L为1200mm。

设备水平架设夹角一般在0度至45度之间。夹角大于45度后，三维激光检测仪的检测长度会快速缩短，不利于工程实地测量，本次试验只讨论水平架设夹角在0度至45度范围内的数据。

(2)单次投影长度的确定

三维激光错台检测仪对错台检测，收集包括高程数据突变段即错台宽在内的检测点的三维数据。在垂直于错台方向50mm长度范围内，检测仪所取的数据点距离错台边缘较近，检测点的高程受附近错台真实高程影响，本发明认为垂直于错台方向包含错台宽在内的50mm范围内，即将沿行车方向且以错台宽为中心的50mm长度作为有效错台宽度S，此范围检测到的数据可用来计算最终的错台高差，视为有效数据。该有效数据段在路面横向的投影即为单次测量的投影长度(如附图3)，单次投影长度P：

P＝S/tanα(1)

由表1知，单次投影长度随着水平架设夹角的增大而减小，在角度小时投影长度减小缓慢，随着角度的增大，减小幅度逐渐增大。

表1水平架设夹角与单次投影长度的关系

(3)有效测量次数的确定

三维激光错台检测仪对错台进行测量，根据收集到的数据(至少包含错台宽在内的50mm数据)拟合出两水泥板的高程，就进行了一次有效的测量。假设检测角度为α，以错台断面(即道路横断向)为x轴，行车方向为y轴建立(如附图4所示)直角坐标系，三维激光线在y轴的投影总长度L_y：

L_y＝L·sinα-S(2)

对于三维激光检测仪，相邻两条三维激光线沿y轴方向的间隔长度D_y：

D_y＝D/cosα(3)

错台的出现是随机分布的，激光线对错台进行首次有效测量的位置也是随机，下面将有效测量次数分为最佳情况与最不利情况加以说明：

最佳情况是指三维线激光第一次接触错台时就恰好完成一次有效测量，即三维线激光第一次接触错台时恰好在这一条激光线上找到一个完整的错台有效宽度，并且该有效测量的单次投影长度的端点与测量断面长度的端点重合(如图4中的三维线激光L₁所示)。此时的有效测量次数N₁：

$N_1=\frac{L_y}{D_y}+1=\frac{L\·sin\mathrm{\α}-S}{D/cos\mathrm{\α}}+1$ (最佳情况)(4)

最不利情况与上一情况相似，不同点在于：不利情况下，三维线激光第一次与错台有效宽度接触时测量收集的数据，恰好无法完成有效测量，但激光扫描的长度等于单次投影长度P，有效测量次数的计数从下一条三维线激光开始(如图4中三维线激光L₂)，此时有效测量次数N₂：

$N_2=\frac{L_y}{D_y}=\frac{L\·sin\mathrm{\α}-S}{D/cos\mathrm{\α}}$ (最不利情况)(5)

将N₁、N₂带入计算，即为本角度下的有效测量次数N：

N＝int(max(N₁,N₂))(6)

由表2知，有效测量次数随着水平架设夹角的增加而增加，最大有效测量次数为56次。

表2角度与有效测量次数对应关系

(4)有效长度比的提出与计算

三维激光检测仪的水平架设夹角不仅对单次投影长度明显影响，同时也对有效测量次数有明显影响。随着水平架设夹角的增大，有效测量次数相应的增加，而单次投影长度则逐步减小。有效测量次数增加表明在对单个错台的检测过程中，可以通过更多次的扫描来收集错台的数据，使测量信息更全面。投影长度的减小说明在单次检测时，收集到的错台数据点要少于投影长度较大时，从而使整体数据量降低。故一定存在某一个水平架设夹角，在有效测量次数相对较多的情况下，也能保证足够的投影长度，而得到最佳的检测效果。引入新的评价单位：有效长度比，即检测的错台长度与实际的测量范围的比值，其值等于错台的有效测量次数乘以相应的单次投影长度比上测量的断面长度，数值越大就表明：如检测条件不变，三维激光错台检测仪能获得更多的数据点，越能反映出错台的真实情况(如附图5)。三维激光的有效长度比δ：

$\mathrm{\δ}=\frac{P\·N}{M}---\left(7\right)$

有效测量次数计算中，测量次数的计算结果为整数，水平架设夹角与有效测量次数的对应性并不强，在对比时先将有效测量次数作为自变量，再反推出水平架设夹角，并进行有效长度比的大小比较，分别令公式(4)和公式(5)中N₁和N₂等于N进行反推，分别得到一个水平架设夹角，这两个水平架设夹角之间的范围即表示与各个有效测量次数N对应的水平架设夹角α的范围，并通过公式(1)计算与各个有效测量次数N对应的单次投影长度P的范围，进而通过公式(7)计算与各个有效测量次数N对应的有效长度比δ的范围，结果见表3。

由表3知，水平架设夹角对有效测量次数和单次投影长度均有较大影响，且最终影响了有效长度比的不同。在设备水平架设夹角范围内，有效测量次数随着角度的增大而增加，有效测量次数为28次时，结合所对应的单次投影长度，获得最大有效长度比。将有效测量次数和该测量次数下得到的有效长度比的最大值以线性的形式表示在同一平面直角坐标系中，有效长度比随有效测量次数的变化趋势(如图6所示)，可知有效长度比随着有效测量次数的增加而逐渐增大，在达到最大值后缓慢下降。

表3有效测量次数与有效长度比对应关系

(5)水平架设夹角范围的确定

水平架设夹角为最大时，试验的检测长度减去两端测量不确定段(即由于最不利测量条件引起的数据缺失段)刚好满足该次检测的范围要求，由三维激光错台检测仪视场和测量断面长度推定，最大水平架设夹角α_max：

$L-{\mathrm{cos\α}}_{max}*M-2S/\sqrt{1-{\left({\mathrm{cos\α}}_{max}\right)}^2}=0---\left(15\right)$

达到最小水平架设夹角时，三维激光检测仪的测量投影恰好能覆盖整个错台。要达到以上目的，就要求相邻两次的单次投影长度间没有空隙出现，计算公式由激光测量间隔d和错台有效宽度范围的定长度S推出，最小水平架设夹角α_min：

${\mathrm{\α}}_{min}=arccos\left(\frac{S}{D}\right)---\left(16\right)$

水平架设夹角在角度范围内，测量结果可满足测量要求，获取有效数据。架设角度小于最小角度，相邻两次测量间存在数据缺少段，无法计算出结果。架设角度大于最大角度，检测长度将小于原定检测的范围，导致计算结果不具有代表性，与检测目的不符。

水平架设夹角范围确定为α∈[11.10°，21.68°]。

(6)最佳水平架设夹角的确定

扫射间隔为10mm，试验检测长度为1000mm，有效测量次数为28次，即水平架设夹角在[16.56°，17.73°]时，有效长度比最大，结合水平架设夹角范围α∈[11.10°，21.68°]，得出以下结论：在角度范围α∈[16.56°，17.73°]∩[11.10°，21.68°]＝[16.56°，17.73°]内存在最大有效长度比。有效长度比公式可知，有效长度比要越大，在有效测量次数不变的情况下，单次投影长度应越大，水平架设夹角应越小，则16.56度时，可以取得最大有效长度比为4.707。

如图7，有效测量次数确定后，水平架设夹角越小，单次投影长度越大，即有效长度比越大。角度为16.56度时，设备的单次投影长度最大，可得最大有效长度比。

本发明方法确定了该三维激光错台仪的最佳参数组合为：激光扫射间隔为10mm，检测长度为1000mm，视场范围为1200mm时，水平架设夹角定为16.56度可获得最大检测效率。

以上实例说明，一次检测过程中，激光扫射间隔、检测长度、视场均确定时，面对不同层次的激光扫描设备，不同经验水准的操作人员和不同状况的检测条件，得到一个与本次检测契合度最高的最佳水平架设夹角。同时，水平架设夹角的转向不影响最后的结果。

Claims (8)

1.一种三维激光检测仪最佳水平架设夹角的确定方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：根据三维激光检测仪及测量条件，设置参数：视场L、测量的断面长度M、相邻激光扫描线间的测量间隔D以及错台有效宽度S；

步骤2：根据视场L、相邻激光扫描线间的测量间隔D以及错台有效宽度S计算不同水平架设夹角α下三维激光检测仪对同一错台的最佳情况的测量次数N₁和最不利情况的测量次数N₂，N₁和N₂的计算公式如下：

$N_1=\frac{L_y}{D_y}+1=\frac{L\·sin\mathrm{\α}-S}{D/cos\mathrm{\α}}+1$

$N_2=\frac{L_y}{D_y}=\frac{L\·sin\mathrm{\α}-S}{D/cos\mathrm{\α}}$

并通过N₁和N₂得到有效测量次数N，公式如下：

N＝int(max(N₁,N₂))

步骤3：分别令N₁和N₂的计算公式中的N₁和N₂等于N进行反推，得到与各个有效测量次数N对应的水平架设夹角α的范围，并通过此范围及错台有效宽度S计算与各个有效测量次数N对应的单次投影长度P的范围，进而通过单次投影长度P的范围、有效测量次数N以及测量的断面长度M计算与各个有效测量次数N对应的有效长度比δ的范围；

步骤4：根据有效长度比δ的范围确定最大有效长度比，进而得到与最大有效长度比对应的水平架设夹角α的范围，定义为集合E；

步骤5：根据步骤1中参数计算三维激光检测仪的有效水平架设夹角α的范围，定义为集合F；

步骤6：计算集合E和集合F的交集，得到集合G，集合G中最小的水平架设夹角即为三维激光检测仪最佳水平架设夹角。

2.根据权利要求1所述的一种三维激光检测仪最佳水平架设夹角的确定方法，其特征在于，步骤1中所述的错台有效宽度S指沿行车方向且以错台宽为中心的50mm长度。

3.根据权利要求1所述的一种三维激光检测仪最佳水平架设夹角的确定方法，其特征在于，步骤2中所述的最佳情况指三维线激光第一次接触错台时就恰好完成一次有效测量，并且该有效测量的单次投影长度的端点与测量的断面的端点重合。

4.根据权利要求3所述的一种三维激光检测仪最佳水平架设夹角的确定方法，其特征在于，所述的有效测量指三维线激光第一次接触错台时恰好在这一条激光线上能够得到一个完整的错台有效宽度。

5.根据权利要求4所述的一种三维激光检测仪最佳水平架设夹角的确定方法，其特征在于，步骤2中所述的最不利情况指第一次错台测量收集的数据，恰好无法完成有效测量，但激光扫描的长度等于单次投影长度。

6.根据权利要求1所述的一种三维激光检测仪最佳水平架设夹角的确定方法，其特征在于，步骤3中单次投影长度P的计算公式如下：

P＝S/tanα。

7.根据权利要求1所述的一种三维激光检测仪最佳水平架设夹角的确定方法，其特征在于，步骤3中有效长度比δ的计算公式如下：

$\mathrm{\δ}=\frac{P\·N}{M}.$

8.根据权利要求1所述的一种三维激光检测仪最佳水平架设夹角的确定方法，其特征在于，步骤5中三维激光检测仪的有效水平架设夹角的范围计算公式如下：

$L-{\mathrm{cos\α}}_{max}*M-2S/\sqrt{1-{\left({\mathrm{cos\α}}_{max}\right)}^2}=0$

${\mathrm{\α}}_{\min }=arccos\left(\frac{S}{D}\right)$

其中，α_max表示三维激光检测仪的有效水平架设夹角的最大值；α_min表示三维激光检测仪的有效水平架设夹角的最小值。