CN105606150B - 一种基于线结构光和地质雷达的道路综合检测方法及系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种基于线结构光和地质雷达的道路综合检测方法及系统。它实现了道路路面和路基的同步检测，相对现有道路检测方法获取道路信息单一的情况，本发明能获得全面的路面三维信息和路基信息。所述方法将线结构光三维测量技术和地质雷达探测技术结合应用到道路检测；线结构光三维测量实现路面检测，获得的路面三维数据用于构建路面三维模型；地质雷达探测路基的浅层地质构造，获取路基雷达数据信息。融合路面三维模型和雷达图谱信息最终构建全面的道路信息模型。所述系统由车载的路基检测模块、路面检测模块、触发检测与测距模块、车身运动信息检测模块、数据采集模块、数据处理与道路模型生成模块组成，各个模块协调工作，实现所述方法。

Description

一种基于线结构光和地质雷达的道路综合检测方法及系统
技术领域
本发明涉及道路信息检测技术，尤其涉及一种基于线结构光和地质雷达的道路综合检测方法及系统。
背景技术
公路交通是交通运输业的重要组成部分，截止到2015年，我国的公路总里程数达到450公里，其中高速公路通车里程达到10.8公里。如此庞大公路交通系统给我国的公路养护和管理提出了巨大的挑战，如何对公路交通网进行更加高效、综合的道路信息检测从而为道路的养护和管理提供更加全面的信息支撑成为摆正各部门面前的难题。
传统的道路检测以人工或半人工检测为主，通过人眼观察、铺沙或利用连续式平整度仪进行路面信息检测，传统的检测方法效率低下、工作量大、影响正常交通。之后为了提高检测效率，有人通过采集路面行驶加速度反推路面信息的方法进行路面检测(中国专利CN102409599)，但这种方法得到的路面信息简单，无法准确反映真实路面情况。激光扫描检测(中国专利CN101487221、CN103605135B等)是近年来被广泛应用到路面检测的方法之一，在行驶的检测车上搭载激光扫描设备，激光器向路面投射激光束，再通过计算发射光和反射光的相位差反推出激光投射点的高程信息；经过一次检测将获得被测路面的点云信息，利用点云数据重构出三维路面。这种方法具有较高的检测精度和检测效率高，可以得到逼真的路面模型。随着光学测量技术发展，光学路面检测方法成为路面检测方法的主流研究方向，利用线结构光路面检测(中国专利CN102706880)能够获得高精度的路面整体三维结构。
虽然道路检测方法从最初的人工检测到现在高效的激光扫描检测和线结构光检测已经取得了很大的进步，但是这些检测方法只停留在道路的路面检测层面，路面检测和路基检测相结合的道路检测方法较少，即便存在结合检测方法也只是将简单路面摄像与路基检测相结合(中国专利CN203625754)；因此现有的道路检测方法只能获取单一的道路信息无法全面获得道路的路面和地下信息，进而无法给道路养护和管理部门提供全面的道路信息。
发明内容
本发明为了解决现有的道路检测方法获取的道路信息相对单一，检测结果对道路养护参考价值相对有限等问题，提供了一种基于线结构光和地质雷达的道路综合检测方法及系统。本方法和系统将线结构光三维测量和地质雷达地下探测技术相结合，实现了道路路面和路基的同步检测，获得了道路的路面三维信息和路基信息，构建了道路信息模型。全面的道路信 息给道路的养护和管理提供了更有意义的参考价值，为道路的病害识别、质量评价提供了更强大的信息基础。
本发明通过以下技术方案来实现：一种基于线结构光和地质雷达的道路综合检测方法是一种将线结构光三维测量技术和地质雷达探测技术结合应用于道路检测的方法。利用线结构光三维测量技术实现道路路面检测，检测获得的路面三维数据构建路面三维模型；同时利用地质雷达探测道路路基的浅层地质构造，获取路基雷达数据信息。最终实现道路信息模型的构建，完成道路从路面到路基的综合检测。
一种基于线结构光和地质雷达的道路综合检测方法包括以下步骤：
(1)车辆行进，编码测距系统产生触发采集信号；
(2)数据采集：采集车辆行驶过程中车身运动信息，包括航向角、俯仰角、倾角、三轴角速度和加速度等；记录车辆行驶距离与时间关系；线结构光三维测量实现对道路路面三维数据采集，地质雷达实现路基雷达数据采集；
(3)数据处理：补偿和校正路面三维数据；对地质雷达数据进行后期处理，如降噪等；
(4)数据同步：实现车辆行进方向上路面三维数据和地质雷达数据的同步；
(5)道路信息模型构建。
所述步骤(2)中，线结构光三维测量实现对道路路面三维数据采集包括以下几步：
(2.1)对面阵相机和线结构光激光平面进行标定，获得相机参数(内参-N，外参-M)和激光平面的参数(L)；
(2.2)线结构光激光器向路面投射线结构光，面阵相机每收到触发采集信号将拍摄待测路面的结构光条图像；
(2.3)提取出每张光条图像中光条上每个像素点的像素坐标(p)，利用相机参数和激光平面等参数，根据激光三角法(f)计算出光条上每个像素点对应的空间三维坐标P(x,y,z)＝f(p,N,M)，即路面被照射点的三维坐标。
上述(2.3)中所述的激光三角法是机器视觉领域的原理性测量方法。
所述步骤(2)中，车辆行驶过程中车身运动信息是利用的运动位姿传感器采集。
所述步骤(3)中，补偿和校正路面三维数据是利用车辆行驶距离与时间关系和车身运动信息和对三维路面数据进行补偿和校正。原始获得的路面某一照射点的三维坐标(x,y,z)为每次拍摄时所建世界坐标系下的坐标，x、y、z分别表示该点在路面宽度、长度和深度方向上的分量。在进行路面三维重构时原始三维数据x、z坐标正好对应重构世界坐标系下的x、z坐标，但是原始三维数据的y坐标并不表示重构世界坐标系下的路长信息，因此需要补偿路长信息。可以利用记录的车辆行驶距离与时间关系(S(t))对三维数据的路长信息进行补偿(g)，补偿后P1(x,y,z)＝g(P,S(t))。此外，车在行进过程中，相机的位姿不断变化，为了保证三维路面信息的准确性需要利用车身的倾角(φ)、角速度(W)和加速度(A)信息进行校正(F)，校正结果 P2(x,y,z)＝F(P1,φ,W,A)。
所述步骤(5)中构建的道路信息模型是由路面三维模型和路基雷达图谱模型构建，通过道路信息模型能够形象、逼真地反应出道路路面和路基情况，为后续的路面病害和路基病害提取，道路质量评价提供有力支撑。
一种基于线结构光和地质雷达的道路综合检测系统由路基检测模块、路面检测模块、触发检测与测距模块、车身运动信息检测模块、数据采集模块、数据处理与道路模型生成模块六部分组成，所有模块一并安装在检测车上。路基检测模块是通过多通道地质雷达设备实现对道路路基的检测。路面检测模块实现对道路路面三维信息的检测，包括面阵相机线和线结构光激光器。触发检测与测距模块主要包含为一个光电式旋转脉冲编码器，被安装在车后轮轴上，编码器产生的触发脉冲一方面用于生成车辆的行驶距离信息；另一方面用于触发路基检测模块和路面检测模块工作，它们在收到触发脉冲后将分别采集一道地质雷达数据和一幅路面光条图像。车身运动信息检测模块利用车辆运动位姿传感器实时检测车体的运动信息，包括车辆的航向角、俯仰角、倾角、三轴角速度和加速度信息。数据采集模块实现对雷达数据、脉冲编码器信息、车身运动数据采集。数据处理与模型生成模块将对采集到的数据进行换算、补偿、校正、降噪和同步等运算，得到精确的路面三维数据和路基雷达数据。利用路面三维数据构建逼真的路面三维模型，再融合路基雷达数据生成道路整体信息模型。
上述路基检测模块中的地质雷达是一种基于高频电磁波用于确定地下介质分布的高精度无损探测设备，由控制单元、发射天线、接收天线和数据采集单元四部分组成。发射天线向地下发射高频电磁波，接收天线接收由地下介质反射的电磁波，部分地质雷达的发射天线和接收天线合并在一个天线内。地质雷达能够实现道路地下介质分布情况、道路病害等得探测。
上述路基检测模块中的多通道地质雷达设备，是由多个地质雷达设备单元组成，包括多通道地质雷达天线阵列、多通道主机等。所述多通道地质雷达天线阵列是由多个主频分别为200MHz和400MHz的地质雷达天线按照一定的阵列方式组合而成。所述地质雷达天线阵列方式包括“单行式-三通道式”、“两行-五通道式”和“两行-八通道式”。“单行式-三通道式”包括2个主频为200MHz的雷达天线和1个主频为400MHz的雷达天线；3个天线放置成一列，400MHz在中间，2个200MHz放于两侧。“两行-五通道式”包括2个主频为200MHz的雷达天线和3个主频为400MHz的雷达天线；2个200MHz天线均匀放置成一列，3个400MHz天线均匀放置成另外一列。“两行-八通道式”包括3个主频为200MHz的雷达天线和5个主频为400MHz的雷达天线；3个200MHz天线均匀放置成一列，5个400MHz天线均匀放置成另外一列。使用以上三种阵列方式能依次完成3条、5条、8条测线检测。利用这些阵列方式能够对道路路基进行多深度、多精度、多测线检测。
上述路面检测模块的线结构光激光器和面阵相机一并安装在汽车顶部的后悬臂梁上，相 对位置固定，线结构光激光器向地面斜着投射线结构光，面阵相机垂直拍摄待测路面的结构光条图像，图像直接通过USB口输入工控计算机。
上述车辆运动位姿传感器是一个车辆六轴姿态传感器，类似一个三轴陀螺仪和一个三轴加速度计的组合。
上述数据采集模块是一个多数据采集模块，经过数据采集模块采集到的数据一并输入工控计算机。
上述数据处理与模型生成模块在工控计算机上实现。所述工控计算机完成各种数据的存储以及所建道路信息模型的显示。
上述数据换算、补偿、校正、降噪和同步运算依次为：面阵相机拍摄光条图像的二维坐标换算成空间三维坐标；给空间三维坐标补偿路长信息；根据车身运动过程信息校正拍摄路面点的三维坐标；对三维坐标数据和地质雷达数据进行降噪，降低噪声干扰；实现路面三维数据和地质雷达数据的同步。
本发明提供的这种基于线结构光和地质雷达的道路综合检测方法及系统相比现有的方法或系统具有的优点在于：本方法和系统能够同时实现道路的路面三维检测和路基检测，能全面获取路面信息和地下信息。所建道路模型能逼真的反映路面的真实情况，同时形象表征道路地下情况。检测效率高、精度高，获得道路信息全面，实现了道路的全方位检测，全面的道路信息给道路的养护和管理提供了更有意义的参考价值。
附图说明
图1为本发明所述方法的流程图；
图2为本发明所述系统的原理框图；
图3为本发明所述系统的示意图；
图4为本发明实施例构建的道路信息模型示意图；
图5为本发明中多通道地质雷达天线阵列方式。
其中：10-路基检测模块，110-地质雷达控制单元，120-地质雷达天线阵列，121-发射天线，122-发射天线，123-200MHz雷达天线，124-400MHz雷达天线，125-天线支架，126-牵引臂，20-路面检测模块，210-面阵相机，220-线结构光激光器，30-触发检测与测距模块(光电式旋转脉冲编码器)，40-车身运动信息检测模块，50-数据采集模块，60-数据处理与道路模型生成模块，610-显示器，70-机箱，80-后悬臂梁，910-道路路面三维模型，920-道路路基雷达图谱，921-400MHz地质雷达图谱，922-200MHz地质雷达通道图谱。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明：
实施例1：
附图1示出了实施例1中的一种基于线结构光和地质雷达的道路综合检测方法流程，包括以下步骤：
步骤S110：车辆启动，编码测距系统开始工作；
步骤S210：车载运动位姿传感器采集车身的运动信息，包括航向角、俯仰角、车身倾角、三轴角速度和加速度，编码测距系统实时记录车辆行驶距离信息；
步骤S310：检测编码测距系统是否产生触发路面检测设备和路基检测设备工作所需要的脉冲触发采集信号，如果检测到，则执行步骤S410和S420，否则在步骤S310等待；
步骤S410、S420：这两步是同时执行，在获得脉冲触发采集信号后，线结构光三维测量系统拍摄一张待测路面的光条图像，根据激光三角法计算出光条上照射点对应的三维数据信息，同时地质雷达开启一个工作周期，采回一道路基雷达数据；
步骤S510：对路面三维数据进行补偿和校正，添加数据点路长信息，即投射点的在路面重建世界坐标系中y坐标，得到补偿后路面三维坐标；再利用车身的倾角、角速度和加速度信息进行校正；
步骤S520：对采集到的地质雷达数据进行后期处理，主要包括降噪处理，为形成雷达图谱准备；
步骤S610：同步车辆行驶方向上的路面三维数据和地下雷达数据；
步骤S710：依据补偿和校正后的路面三维数据构建路面三维模型，依据地质雷达数据形成路基雷达图谱；再将路面三维模型和雷达图谱进行融合，形成道路的综合信息模型；
步骤S810：判断检测是否完成，完成则退出，否则进入下一个检测环节。
实施例2：
附图2、3示出了实施例2一种基于线结构光和地质雷达的道路综合检测系统。其中图2示出了实施例的系统原理框图，综合检测系统由路基检测模块10、路面检测模块20、触发检测与测距模块30、车身运动信息检测模块40、数据采集模块50、数据处理与道路模型生成模块60六部分组成。路基检测模块10包括地质雷达控制单元110和雷达天线矩阵120，而雷达天线矩阵120中包含数个主频为200MHz和400MHz的雷达天线，每个雷达天线有各自的发射天线121和接收天线122。路面检测模块20由一个面阵相机210和线结构光激光器220组成；触发检测与测距模块30为一个光电式旋转脉冲编码器；车身运动信息检测模块40为一个车辆六轴位姿传感器；数据采集模块50包含三部分：雷达数据采集单元510、脉冲编码信号采集单元520、车身运动数据采集单元530。数据处理与道路模型生成模块60在工控计算机中实现，其中包括路面三维数据补偿、校正、融合和道路模型的建立。
图2示出了实施例的系统示意图。雷达天线阵列120放置在天线支架125内，车尾的两个牵引臂126将雷达天线阵列120和天线支架125固定在车辆尾部。面阵相机210和线结构光激光器220安装在车辆顶部的后悬臂梁80的末端，相对位置固定，面阵相机210垂直向下拍摄，线结构光激光器220向地面斜着投射线结构光。后悬臂梁80的末端还安装有车身运动数据采集单元530。触发检测与测距模块30安装在车辆左侧后轮轴上。在车厢内部有固定机箱70，其中安置有工控计算机主机、电源、地质雷达控制单元、数据采集模块50(包括：地质雷达数据采集卡、六轴位姿传感器采集电路和光电式旋转脉冲编码器采集电路)；车厢内还有显示器610，用于显示实时构建的道路信息模型。
上述雷达天线阵列120包含3个主频为200MHz的雷达天线123和5个主频为400MHz的雷达天线124，其它的雷达天线阵列方式参见实施例3；每个地质雷达天线通过数据传输电缆与安置在机箱70的地质雷达控制单元和地质雷达数据采集卡连接。
上述面阵相机210包括一个图形数据输出串口和一个控制信号输入端口，图形数据输出串口通过数据线与计算机USB口连接，控制信号端口接收光电式旋转脉冲编码器输出的触发采集信号。
上述线结构光激光器220光轴与竖直方向夹角范围为10°-15°。
本实施例中的道路信息模型如图4所示，其中包括道路路面三维模型910和道路路基雷达图谱模型920。路面三维模型910能逼真的反映出路面的坑槽、裂缝等信息；道路路基雷达图谱920中包含五个400MHz地质雷达的图谱921和三个200MHz地质雷达的图谱922，由于200MHz地质雷达具有更深的探测距离，故其图谱相对400MHz地质雷达图谱具有更多的深部信息。
实施例3：
本实施例所述为多通道地质雷达天线阵列方式，图5示出了本实施方式。本实施例给出了三种多通道地质雷达天线阵列方式。图5-a为“单行式-三通道式”，3个天线放置成一列，1个主频为400MHz在中间，2个主频为200MHz放于两侧，该阵列方式能够一次完成路基3条测线检测。图5-b为“两行-五通道式”，2个200MHz天线均匀放置成一列，3个400MHz天线均匀放置成另外一列，使用该阵列方式能够一次完成路基5条测线检测。图5-c为“两行-八通道式”，3个200MHz天线均匀放置成一列，5个400MHz天线均匀放置成另外一列，使用该阵列方式能够一次完成路基8条测线检测。

Claims (5)

1.一种基于线结构光和地质雷达的车载道路综合检测方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)车辆行进，编码测距系统产生触发采集信号；
(2)数据采集：采集车辆行驶过程中车身运动信息，包括航向角、俯仰角、倾角、三轴角速度和加速度；记录车辆行驶距离与时间关系；线结构光三维测量实现对道路路面三维数据采集，地质雷达实现路基雷达数据采集；
(3)数据处理：补偿和校正路面三维数据；对地质雷达数据进行后期处理，如降噪；
(4)数据同步：实现车辆行进方向上路面三维数据和地质雷达数据的同步；
(5)道路信息模型构建；
所述补偿和校正路面三维数据是利用车辆行驶距离与时间关系和车身运动信息对三维路面数据进行补偿和校正；原始获得的路面某一照射点的三维坐标(x,y,z)为每次拍摄时所建世界坐标系下的坐标，x、y、z分别表示该点在路面宽度、长度和深度方向上的分量；在进行路面三维重构时原始三维数据x、z坐标正好对应重构世界坐标系下的x、z坐标，但是原始三维数据的y坐标并不表示重构世界坐标系下的路长信息，因此需要补偿路长信息；利用记录的车辆行驶距离与时间关系S(t)对三维数据的路长信息进行补偿g,补偿后P1(x,y,z)＝g(P,S(t))；所述车辆行驶过程中车身运动信息是通过安装在车上的运动位姿传感器采集，车在行进过程中，相机的位姿不断变化，为了保证三维路面信息的准确性需要利用车身的倾角φ、角速度W和加速度A信息进行校正F，校正结果P2(x,y,z)＝F(P1,φ,W,A)。
2.根据权利要求1所述的一种基于线结构光和地质雷达的车载道路综合检测方法，其特征在于，所述道路信息模型是由道路路面三维模型和道路路基雷达图谱模型组成。
3.一种基于线结构光和地质雷达的车载道路综合检测系统，其特征在于包括路基检测模块(10)、路面检测模块(20)、触发检测与测距模块(30)、车身运动信息检测模块(40)、数据采集模块(50)、数据处理与道路模型生成模块(60)六部分组成；路基检测模块(10)是通过多通道地质雷达设备实现对道路路基的检测；路面检测模块实现对道路路面三维信息的检测，包括面阵相机(210)和线结构光激光器(220)；触发检测与测距模块(30)主要包含为一个光电式旋转脉冲编码器，被安装在车后轮轴上，编码器产生的触发脉冲一方面用于生成车辆的行驶距离信息；另一方面用于触发路基检测模块(10)和路面检测模块(20)工作，它们在收到触发脉冲后将分别采集一道地质雷达数据和一幅路面光条图像；车身运动信息检测模块(40)利用车辆运动位姿传感器实时检测车体的运动信息，包括车辆的航向角、俯仰角、倾角、三轴角速度和加速度信息；数据采集模块(40)实现对雷达数据、脉冲编码器信息、车身运动数据采集；数据处理与模型生成模块(50)对采集到的数据进行换算、补偿、校正、降噪和同步运算，所述数据换算、补偿、校正、降噪和同步运算依次为：面阵相机(210)拍摄光条图像的二维坐标换算成空间三维坐标；给空间三维坐标补偿路长信息；根据车身运动过程信息校正拍摄路面点的三维坐标；对三维坐标数据和地质雷达数据进行降噪，降低噪声干扰；实现路面三维数据和地质雷达数据的同步，得到精确的路面三维数据和路基雷达数据；利用路面三维数据构建逼真的路面三维模型，再融合路基雷达数据生成道路整体信息模型。
4.根据权利要求3所述的一种基于线结构光和地质雷达的车载道路综合检测系统，其特征在于，所述路基检测模块中的多通道地质雷达设备，是由多个地质雷达设备单元组成，包括多通道地质雷达天线阵列、多通道主机；所述多通道地质雷达天线阵列是由多个主频分别为200MHz和400MHz的地质雷达天线按照一定的阵列方式组合而成；所述阵列方式包括“单行式-三通道式”、“两行-五通道式”和“两行-八通道式”；“单行式-三通道式”包括2个主频为200MHz的雷达天线和1个主频为400MHz的雷达天线；3个天线放置成一列，400MHz在中间，2个200MHz放于两侧；“两行-五通道式”包括2个主频为200MHz的雷达天线和3个主频为400MHz的雷达天线；2个200MHz天线均匀放置成一列，3个400MHz天线均匀放置成另外一列；“两行-八通道式”包括3个主频为200MHz的雷达天线和5个主频为400MHz的雷达天线；3个200MHz天线均匀放置成一列，5个400MHz天线均匀放置成另外一列；使用以上三种阵列方式能依次完成3条、5条、8条测线检测；利用这些阵列方式能够对道路路基进行多深度、多精度、多测线检测。
5.根据权利要求3所述的一种基于线结构光和地质雷达的车载道路综合检测系统，其特征在于，所述路面检测模块(20)的面阵相机(210)和线结构光激光器(220)一并安装在汽车顶部的后悬臂梁(80)上，相对位置固定；面阵相机(210)垂直拍摄待测路面的结构光条图像，线结构光激光器(220)向地面斜着投射线结构光，图像直接通过USB口输入工控计算机。
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