CN107796325A - 一种路面纹理构造深度的测量方法与测量系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种路面纹理构造深度的测量方法与测量系统，利用断面扫描对待测路面表面进行高程三维扫描，获得路面纹理的高程数值；并以铺沙平面为基准建立基准面，将高于基准面的路面表面按照轮面包络拟合形成拟合面，以拟合面与低于基准面的路面表面之间的间隙作为路面的三维凹凸间隙模型；最后将拟合面与低于基准面的路面表面之间的体积作为待测路面的间隙体积，以间隙体积除以待测路面的面积之商作为待测路面的路面纹理构造深度。利用本发明获得的路面纹理构造深度，自动化程度高且贴合定义，相比于现有的各类测量方法兼具准确可靠、快速方便的优点。

Description

一种路面纹理构造深度的测量方法与测量系统

技术领域

本发明涉及交通领域，特别是道路路面纹理的检测。

背景技术

路面纹理结构与构造深度指标是路面的主要技术指标，虽有明确的定义，但长期缺乏明确的理论模型和计算方法，以致至今业界尚无公认的满意模型与计算方法。虽然人工铺沙测量方法基本符合这一定义，即用和轮-地接触面相当的直径300毫米范围的路面起伏间隙的标准堆沙量计算间隙体积并除以沙子填充的面积来计算平均深度，上述方法概念是明确的，但人工操作堆沙不确定因素多；改进的电动铺沙法提高了效率，但速度仍低，稳定性仍令人不满意。

在现代高速公路量大、高速在线检测的要求下发展出了以激光测距为基础线扫描高程统计方法。为满足在线高速检测需要，该方法以一条纵线的高程数据为基础计算平均高程，并与堆沙法作相关标定。其实质是用一维数据统计的模型于方法，显然是不符合定义基本概念中的三维要求；并且该方法一致性差，自身重复性也不满意；在新规程中为达到相关性进行了复杂的修正，物理含义很不明确，不为业界公认，成为规程缺陷。

发明内容

发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种路面纹理构造深度的测量方法与测量系统，用于解决现有的测量方法中存在不确定因素多、一致性差、重复性差等问题。

技术方案：为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种路面纹理构造深度的测量方法，包括顺序执行的以下步骤：

第一步、利用断面扫描对待测路面表面进行高程三维扫描，获得路面纹理的高程数值；

第二步、以铺沙平面为基准建立基准面，将高于基准面的路面表面按照轮面包络拟合形成拟合面，以拟合面与低于基准面的路面表面之间的间隙作为路面的三维凹凸间隙模型；

第三步、将拟合面与低于基准面的路面表面之间的体积作为待测路面的间隙体积，以间隙体积除以待测路面的面积之商作为待测路面的路面纹理构造深度。

本发明按照路面纹理构造深度定义和物理概念建立了构造深度的模型，凹凸起伏的间隙为轮包面以下间隙的平均深度，并使用断面扫描方法给出路元高程起伏分布，进一步计算得到三维间隙内的平均高程；上述方法中，断面扫描能准确获得路表纹理三维结构，同时拟合面按照轮面包络拟合而成，符合实际车辆的行车状态，最终根据定义计算纹理构造深度。

进一步的，在本发明中，根据构造深度的定义和物理概念，选取和堆沙法一致的尺度范围---即车轮贴地路面尺度300mm*300mm作测量区。

进一步的，在本发明中，步骤二中，拟合时取每个断面上高于基准面的路面表面最大的2～3个点以及每个断面两侧边缘的各1个边缘点参与轮面包络拟合而成。由于路面纹理中，上表面的最大值是路面纹理中对车轮行进过程与路面接触形状影响最大的因素，因此，按照最大值参与拟合轮面包络所获得的拟合面与实际车轮行进过程中的情况相当。

进一步的，在本发明中，所述断面扫描时按照如下方法进行：

为了满足高速扫描的要求，扫描激光设置为多片光组，发射垂直待测路面并沿待测路面的横向形成线纵距相等的多条平行激光标线；

根据一预定横断间隔的图像采集控制信号控制激光标线图像采集装置连续采集上述激光标线图像，根据横向数据间隔以及线纵距构建与待测路面位置对应的路元网格，同时根据激光标线图像获得与待测路面位置对应的路面纹理高程数据。

激光断面扫描，划分待测路面为路元网格，并精确地重现了待测路面的三维高程分布情况，获得三维高程数据阵列，上述路元网格与三维高程数据阵列均与待测路面上的位置形成一一对应关系。

在此基础上，本方法进一步给出间隙体积的法计算方法：V＝V1+V2；

其中：

V为间隙体积；

V1为拟合面与基准面之间的体积，由于拟合面为弧形曲面，因此可将V1拆分为拟合面与基准面之间的各断面包络条形元体积之和；

V2为低于基准面的路面表面与基准面之间的体积，由于低于基准面的路面表面数据可直接从三维高程阵列中获得，因此V2可通过低于基准面的路面表面高程数据的绝对值之和乘以单个路元网格的面积获得；

所述路面纹理构造深度按照如下方法计算：D＝V/S；

其中：S为待测路面的面积，为路元网格面积之和。

路元网格的大小是横向数据间隔与线纵距的乘积，若路元网格越小，则计算越精确，但会导致数据量大的问题，反之则数据量小但计算误差大；优选所述横向数据间隔为1mm～3mm，所述线纵距为5mm～10mm，可根据需要进行调整。

相比于铺沙法，上述测量方法直观方便，且与铺沙法相比更加准确。若参照铺沙法，由于沙粒无法填充在路面表面的凸起内，故铺沙法的实质铺设的沙粒体积即铺沙法的间隙体积是在本发明中所述的V1和V2之和的基础上再需减去所有高于基准面的路面表面与基准面之间的体积，然而根据定义，所有高于基准面的路面表面与基准面之间的体积应该是在计算路面纹理构造深度中不能忽略的部分，而铺沙法却无法将上述部分考虑进去。因此，本发明方法相比于铺沙法更加贴近定义，准确度更高。

与上述方法配套的，本发明提供一种路面纹理构造深度的测量系统，包括激光发射装置、激光图像采集装置、计算机图像采集与信息处理系统；

所述激光发射装置包括多片光组，用于向待测路面发射垂直待测路面并沿待测路面的横向形成线纵距相等的多条平行激光标线；

所述激光图像采集装置为一面阵CCD，用于采集激光标线图像；

所述计算机图像采集与信息处理系统用于向激光图像采集装置发送图像采集控制信号以控制激光图像采集装置进行路面激光标记图像采集，并且根据所采集到的激光标线图像进行图像处理：根据横向数据间隔以及线纵距构建与待测路面位置对应的路元网格，同时根据激光标线图像获得与待测路面位置对应的路面纹理高程数据；以铺沙平面为基准建立基准面，将高于基准面的路面表面按照轮面包络拟合形成拟合面，以拟合面与低于基准面的路面表面之间的间隙作为路面的三维凹凸间隙模型；将拟合面与低于基准面的路面表面之间的体积作为待测路面的间隙体积，以间隙体积除以待测路面的面积之商作为待测路面的路面纹理构造深度。

有益效果：

本发明提供的路面纹理构造深度的测量方法与测量系统，利用激光断面扫描的方法直观准确地再现了路表纹理的三维结构，并严格按照定义建立路面纹理结构的模型，根据路面和轮胎之间摩擦的物理分析，以轮包面拟合高于基准面的路面表面，在此基础上根据定义给出了简单的计算方法，获得了路面纹理构造深度。相比与铺沙法，整个过程更为自动化，且模型更为直观且科学严谨，计算快速准确；

实施上述方法的系统包括激光发射装置、激光图像采集装置、以及计算机图像采集与信息处理系统，按照基本定义建立和相应物理原理概念完全一致的模型，采用三维断面重构方法得到路元数据库，很直观方便的计算出开口间隙体积与平均构造深度，相比于国内外规程中基于一维高程测量的技术方法更为贴近技术指标的基本定义；并且整个系统组成简易、造价低，适用于快速检测的需求，有极大的推广空间。

附图说明

图1为本发明的流程图；

图2为本发明的测量系统的示意图；

图3为本发明的模型原理图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作更进一步的说明。

如图1所示，为本发明的一种路面纹理构造深度的测量方法的流程图，包括顺序执行的以下步骤：

第一步、利用断面扫描对待测路面表面进行高程三维扫描，获得路面纹理的高程数值；

第二步、以铺沙平面为基准建立基准面，将高于基准面的路面表面按照轮面包络拟合形成拟合面，以拟合面与低于基准面的路面表面之间的间隙作为路面的三维凹凸间隙模型；

第三步、将拟合面与低于基准面的路面表面之间的体积作为待测路面的间隙体积，以间隙体积除以待测路面的面积之商作为待测路面的路面纹理构造深度。

作为优选的实施例，按规程对路面构造深度定义和堆沙法取同样的面积，取待测路面的平面尺寸为300mm*300mm。

如图3所示，包括左右两种路面情况，左边一列代表了在纹理分布于基准面上下的路况，右边一列代表了路面纹理全部在基准面以下的路况；每一侧从上至下分别是轮-路实际接触状态图像的一个断面、该断面的路表纹理实际图像以及利用本方法经过断面扫描后的该断面的三维高程分布情况。轮-路实际接触过程中，轮胎随路面起伏变化产生摩擦，而路面在轮胎作用区域的凹凸起伏具有影响行车和产生摩擦的作用，因此定义轮包开口间隔区间三维高程平局值为路面纹理深度来表达这一路面性能。因此，对于左边这类路况，根据行车摩擦相关的轮-路二维作用问题，将高于基准面的路面表面的最大值参与轮面包络的拟合形成拟合面，图3中，e、f两点是最高的两点，a、b分别为该路面的边缘，在拟合时由于高于基准面的其它点与e、f相差较大对轮面包络影响不大故不做考虑，仅考虑最高点e、f以及边缘点a、b参与轮面包络的拟合获得拟合面，以还原左图中行车过程的轮-路的实际接触情形，模型建立恰当。

上述过程中，所述断面扫描时按照如下方法进行：

扫描激光为多片光组，一般取5-10个，发射垂直待测路面并沿待测路面的横向形成线纵距相等的多条平行激光标线，每个光组发射一条激光标线，即同时发射5-10条激光标线；

根据图像采集控制信号控制激光标线图像采集装置连续采集上述激光标线图像，多条激光标线图像同时采集，采集速度快；根据横向数据间隔以及线纵距构建与待测路面位置对应的路元网格，同时根据激光标线图像获得与待测路面位置对应的路面纹理高程数据。

优选横向数据间隔为1mm～3mm，线纵距为5mm～10mm；如横向数据间隔为1mm，线纵距为10mm，则由于待测尺寸为300mm*300mm，故需扫描30行共形成300*30个路元网格。

上述实施例中，充分考虑宏观纹理在轮面尺度内直接影响摩擦大小的这一物理关系，将所述间隙体积按照如下方法进行计算：V＝V1+V2；

其中：

V为间隙体积；

V1为拟合面与基准面之间的体积，为拟合面与基准面之间的各断面包络条形元体积之和；

V2为低于基准面的路面表面与基准面之间的体积，为低于基准面的路面表面高程数据的绝对值之和乘以单个路元网格的面积；

所述路面纹理构造深度按照如下方法计算：D＝V/S；

其中：S为待测路面的面积，为路元网格面积之和。

还有一些实施例中，可以参照铺沙法在V1与V2之和的基础上减去所有高于基准面的点与基准面之间的空间体积V3以获得间隙体积，并进一步与S作商获得路面纹理构造深度，该计算方法更加贴近铺沙法的结果。

如图2所示，为实施本发明方法的一种路面纹理构造深度的测量系统，包括激光发射装置1、激光图像采集装置2、计算机图像采集与信息处理系统；

所述激光发射装置1包括多片光组，用于向待测路面发射垂直待测路面并沿待测路面的横向形成线纵距相等的多条平行激光标线3；

所述激光图像采集装置2为一面阵CCD，用于采集激光标线图像；

所述计算机图像采集与信息处理系统用于向激光图像采集装置2发送图像采集控制信号以控制激光图像采集装置2进行路面激光标记图像采集，并且根据所采集到的激光标线图像进行图像处理：根据横向数据间隔以及线纵距构建与待测路面位置对应的路元网格，同时根据激光标线图像获得与待测路面位置对应的路面纹理高程数据；以铺沙平面为基准建立基准面，将高于基准面的路面表面按照轮面包络拟合形成拟合面，以拟合面与低于基准面的路面表面之间的间隙作为路面的三维凹凸间隙模型；将拟合面与低于基准面的路面表面之间的体积作为待测路面的间隙体积，以间隙体积除以待测路面的面积之商作为待测路面的路面纹理构造深度。

优选本系统工作时，激光发射装置1中包含10片光组，在距离尺寸为300mm*300mm的待测路面上方150mm处向下发射激光，在路面形成线纵距为10mm的多条平行激光标线3；激光图像采集装置2采用高分辨率面阵CCD，如2352*1952，镜头与视场大小匹配达到500毫米，保证对测量路面区域高分辨。在计算机图像采集与信息处理系统的控制下利用激光图像采集装置2将待测路面全部扫描完毕后获得与待测路面对应的路元网格以及纹理高程数据，自动化程度高且直观性强。

此后，通过计算机利用获得的路元网格以及纹理高程数据进行轮包面拟合和路面纹理构造深度的计算，快速准确获得结果。

本发明与人工传统方法堆沙法比较，都符合规程定义，原理方法类似，但堆沙法仅是一种人工填标准沙，人工数填沙体积来计算的，不仅费工费时，且不同操作人和次也有不同。但因其原理直观，可索源，至今仍作为比较标准。本发明继承堆沙法满足公识定义的合理原理，在严格激光三维扫描重构技术基础上，实现完全自动智能数值检测，建立数值模型与直观方便的计算方法。

与国内外规程中基于一维高程测量的技术方法比较，国内外现用的构造深度自动检测仪器是车载激光测距仪，测量沿纵断面系列高程数据计算平均高程，进口仪器基本都用对纵断面曲线高程进行最小二乘平均拟合，统计对平均拟和线的差值-即距离平均来定义构造深度，长期应用中发现和仍作为比较标准的堆沙法差别较大，为此又作了复杂的修正，仍不如人意。其根本原因在于：纵断面高程测距方法实现了自动检测，但脱离技术指标的基本定义，把行车摩擦相关的轮-路二维作用问题简化为一维问题，和轮包面相关的作用区简化为其中一条线的高程问题，显然是不合定义的。而本发明完全按照基本定义，建立和相应物理原理概念完全一致的模型，采用了最新三维断面重构方法得到区域网格路元数据库，很直观方便的计算出开口间隙体积与平均构造深度。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种路面纹理构造深度的测量方法，其特征在于：包括顺序执行的以下步骤：

第一步、利用断面扫描对待测路面表面进行高程三维扫描，获得路面纹理的高程数值；

第二步、以铺沙平面为基准建立基准面，将高于基准面的路面表面按照轮面包络拟合形成拟合面，以拟合面与低于基准面的路面表面之间的间隙作为路面的三维凹凸间隙模型；

第三步、将拟合面与低于基准面的路面表面之间的体积作为待测路面的间隙体积，以间隙体积除以待测路面的面积之商作为待测路面的路面纹理构造深度。

2.根据权利要求1所述的路面纹理构造深度的测量方法，其特征在于：待测路面的平面尺寸为300mm*300mm。

3.根据权利要求1所述的路面纹理构造深度的测量方法，其特征在于：步骤二中，拟合时取每个断面上高于基准面的路面表面最大的2～3个点以及每个断面两侧边缘的各1个边缘点参与轮面包络拟合而成。

4.根据权利要求3所述的路面纹理构造深度的测量方法，其特征在于：所述断面扫描时按照如下方法进行：

扫描激光为多片光组，发射垂直待测路面并沿待测路面的横向形成线纵距相等的多条平行激光标线；

根据图像采集控制信号控制激光标线图像采集装置连续采集上述激光标线图像，根据横向数据间隔以及线纵距构建与待测路面位置对应的路元网格，同时根据激光标线图像获得与待测路面位置对应的路面纹理高程数据。

5.根据权利要求4所述的路面纹理构造深度的测量方法，其特征在于：所述间隙体积按照如下方法计算：V＝V1+V2；

其中：

V为间隙体积；

V1为拟合面与基准面之间的体积，为拟合面与基准面之间的各断面包络条形元体积之和；

V2为低于基准面的路面表面与基准面之间的体积，为低于基准面的路面表面高程数据的绝对值之和乘以单个路元网格的面积；

所述路面纹理构造深度按照如下方法计算：D＝V/S；

其中：S为待测路面的面积，为路元网格面积之和。

6.根据权利要求4所述的路面纹理构造深度的测量方法，其特征在于：所述横向数据间隔为1mm～3mm。

7.根据权利要求4所述的路面纹理构造深度的测量方法，其特征在于：所述线纵距为5mm～10mm。

8.一种路面纹理构造深度的测量系统，其特征在于：包括激光发射装置、激光图像采集装置、计算机图像采集与信息处理系统；

所述激光发射装置包括多片光组，用于向待测路面发射垂直待测路面并沿待测路面的横向形成线纵距相等的多条平行激光标线；

所述激光图像采集装置为一面阵CCD，用于采集激光标线图像；

所述计算机图像采集与信息处理系统用于向激光图像采集装置发送图像采集控制信号以控制激光图像采集装置进行路面激光标记图像采集，并且根据所采集到的激光标线图像进行图像处理：根据横向数据间隔以及线纵距构建与待测路面位置对应的路元网格，同时根据激光标线图像获得与待测路面位置对应的路面纹理高程数据；以铺沙平面为基准建立基准面，将高于基准面的路面表面按照轮面包络拟合形成拟合面，以拟合面与低于基准面的路面表面之间的间隙作为路面的三维凹凸间隙模型；将拟合面与低于基准面的路面表面之间的体积作为待测路面的间隙体积，以间隙体积除以待测路面的面积之商作为待测路面的路面纹理构造深度。

9.根据权利要求8所述的路面纹理构造深度的测量系统，其特征在于：所述激光发射装置的光组数量为5～10。