CN111455787A - 一种基于路面三维数字化的路面检测系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于路面三维数字化的路面检测系统，包括如下步骤：步骤S1：获取路面三维数字化信息；步骤S2：路面三维数字化信息误差处理；步骤S3：构建路面三维数字化模型；步骤S4：基于三维数字化的路面质量评价；借此，可以为道路路面及时科学养护维修提供全面、客观、准确的三维数字信息，为道路路面“建设‑养护‑管理”全寿命周期的数字化奠定基础。

Description

一种基于路面三维数字化的路面检测系统

技术领域

本发明涉及一种道路检测系统，更具体地说，它涉及一种基于路面三维数字化的路面检测系统。

背景技术

目前国内外已有的主流路面自动检测设备虽然已经实现了自动化的采集功能，但多数仍采用二维图像采集、检测技术对路面进行检测识别，不但容易受到雨雪、光照等天气条件的影响，而且检测结果并不生成直观。

采用二维图像检测技术，一方面路面作为三维立体的客观实体，二维图像并不能完整的表现出路面的所有信息，这直接导致了识别检测精度的降低，另一方面，由于用于路面检测的数字图像处理技术往往达不到路面病害检测的精度要求，病害分类往往并不准确精细，还是需要人工辅助来提高精确度，费时费力的缺点依旧存在。

此外，为了达到较高的路面检测精确度，图像检测识别技术对路面图片的质量要求极高，往往需要价格昂贵的扫描、光照硬件系统予以配合，造成设备制造检测费用高昂。最重要的是，由于二维图像储存信息的有限性，使得损坏检测、车辙检测和平整度检测往往需要不同设备和系统来完成，这样就需要在检测车上同时安装多套系统同时工作，不但提高了检测车的制造难度，而且高昂的设备造价以及检测维修费用也将成为路面检测的重大负担，使得检测工作费时费力，难以高效完成。

发明内容

针对现有技术存在的不足，本发明的目的在于提供一种基于路面三维数字化的路面检测系统。

为实现上述目的，本发明提供了如下技术方案：

一种基于路面三维数字化的路面检测系统，包括如下步骤：

步骤S1：获取路面三维数字化信息；

步骤S2：路面三维数字化信息误差处理；

步骤S3：构建路面三维数字化模型；

步骤S4：基于三维数字化的路面质量评价

通过上述技术方案，采用三维数字化的路面检测系统可以精确快速的检测出道路路面的平整度，并且，可以为道路路面及时科学养护维修提供全面、客观、准确的三维数字信息，为道路路面“建设-养护-管理”全寿命周期的数字化奠定基础。

本发明进一步设置为：于步骤S1中，获取路面三维数字化信息的方式包括多探头激光检测法、激光转镜扫描法以及光电数字立体成像法。

通过上述技术方案，可以采用多方式检测方法来获取路面三维数字化信息，为道路路面平整度的检测提供了便利。

本发明进一步设置为：于步骤S1中，获取路面三维数字化信息的方式采用多探头激光检测法，在路面横断面方向布设多个激光探头用于检测车辙，在路面纵断面方向的两个轮迹带上，分别布设多个前后位置相关联的激光探头用于检测路表面两个轮迹带上的平整度，将横断面与纵断面两个方向的检测结果叠加，得到路表面三维数字信息。

通过上述技术方案，在横断面方向以及纵断面方向上分别布设多个激光探头，有助于提高横断面与纵断面的检测精度。

本发明进一步设置为：于步骤S2中，采用多个加速度传感器以及陀螺仪测量多个激光探头在采集数据时的纵向加速度和车辆颠簸度，用于修正测量数据，减小数据误差。

通过上述技术方案，采用多个加速度传感器以及陀螺仪，可以修正测量时的数据，同时也可以减小测量数据的误差。

本发明进一步设置为：于步骤S3中，构建路面三维数字化模型的流程包括读入路面数据、分析数据并对数据进行划分、生成扫面曲线并转换为三维曲线、生成路面、对生成的路面进行拼接与光顺以及对生成的路面进行评估和修正。

通过上述技术方案，可以进一步提高基于路面三维数字化路面检测系统的检测精度。

本发明进一步设置为：于构建路面三维数字化模型中，x轴表示路面横断面，y轴表示各点高程，z轴表示路面里程。

通过上述技术方案，利用三维的x轴、y轴以及z轴表示道路路面的各项信息，可以更加直观的得出道路路面的三维信息。

本发明进一步设置为：三维路面实体R＝f(x,y,z)。

通过上述技术方案，道路路面实体R等于x轴、y轴以及z轴各点的集合，便于三维数字化的检测运算。

本发明进一步设置为：于步骤S4中，借助路面三维数字化研究平台，通过试验研究采用路面变形面积、路面变形体积作为路面评价指标的计算方法，建立基于三维数字化的路面评价指标与传统的路面质量评价指标的相关关系。

通过上述技术方案，利用三维数字化数据可以从三维的角度去评价道路的质量，建立三维评价指标与传统路面质量指标之间的相关性。

综上所述，本发明具有以下有益效果：

(1)采用三维数字化的路面检测系统可以精确快速的检测出道路路面的平整度，并且，可以为道路路面及时科学养护维修提供全面、客观、准确的三维数字信息，为道路路面“建设-养护-管理”全寿命周期的数字化奠定基础；

(2)在横断面方向以及纵断面方向上分别布设多个激光探头，有助于提高横断面与纵断面的检测精度；

(3)利用三维数字化数据可以从三维的角度去评价道路的质量，建立三维评价指标与传统路面质量指标之间的相关性。

附图说明

图1为本发明的基于路面三维数字化的路面检测系统的方法流程图；

图2为本发明的路面三维形状的坐标系图；

图3为本发明的构建路面三维数字化模型的流程图；

图4为本发明的路面三维检测模型图。

附图标记：步骤S1、步骤S2、步骤S3、步骤S4。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术效果及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当可以理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。基于本发明中的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得所有其他实施例，均属于本发明所保护的范围。

目前，我国对路面的平整度、车辙等变形病害的检测与评价所获取的仅仅是路面的“一维”信息，或是一个轮迹带上的平整度，或是相隔间距较远的车辙大小。

车辙的检测，我国一些检测部门还在采用手工检测，由检测人员，肩扛横断面尺，沿着被检测路面行走，每隔一定间距如每20米或50米测量一次，记录车辙的深度、位置等信息，显然，手工检测车辙速度慢，效率低，在检测行走过程中时常要封闭交通，对正常通行造成影响，另外，手工检测结果受人为因素影响大，还存在检测人员人身安全问题，近年来，一些检测单位开始使用快速检测设备来进行车辙检测，这些检测设备主要采用点激光车辙或线激光车辙检测系统，由于线激光车辙系统采用图像处理技术，结构相对简单，近年来成为车辙检测的一个发展方向，但线激光车辙对检测车的运动比较敏感，因此检测精度较低，尤其是在路面不平整度较大时误差更大。

除平整度、车辙外，路面其他变形病害如沥青路面的沉陷、波浪、拥抱、搓板、冻胀等，水泥混凝土路面的沉陷、胀起、错台、拱起等的检测，目前国内也主要是采用三米直尺或水准仪手工检测，靠眼睛目视查看，当发现变形病害时，停下来测量记录变形的长度、宽度、位置、类型等，近年来也广泛采用图像方法对路面病害进行检测，但是其处理过程也需要人工参与。

下面结合附图对本发明进行详细描述。

实施例1

请参见图1，为本发明的基于路面三维数字化的路面检测系统的方法流程图，如图所示，其步骤可以包括：

步骤S1：获取路面三维数字化信息；具体的，于步骤S1中，获取路面三维数字化信息的方式可以包括多探头激光检测法、激光转镜扫描法以及光电数字立体成像法，更具体的，在本实施例中，获取路面三维数字化信息的方式采用多探头激光检测法，也即，在路面横断面方向可以不设多个激光探头用于检测车辙，较佳的，在本实施例中，可以布设21个以上的激光探头；在路面纵断面方向的两个轮迹带，也分别布设多个多个前后位置互相关联的激光探头，较佳的，在本实施例中，可以布设3个前后位置互相关联的激光探头，借此用于检测路面两个轮迹带上的平整度，并作为路面三维信息纵断面方向上的检测传递基准，将路面横断面、纵断面两个方向的检测结果叠加，以得到路面三维数字信息。

具体的，在检测车上安装一个刚性梁，并沿检测车横向布置，在横向的刚性梁上布置多个准直激光传感器，数量与检测的精度以及检测的宽度有关，然后沿着道路行驶方向按一定采样步长检测路面，这样即可以获得路面的相对横断面信息。

而路面纵断面的检测则直接和需要检测的路面波长范围有关。

例如，在ISO 8608-1995Mechanical vibration-Road surface profiles-Reporting of measured data标准中，指出了路面谱的波长范围为0.35m～90.9m；同时指出通过车辆进行路面检测时，路面波长范围为0.1m～100m，波长小于0.1米的路面激励属于噪声。

国标GB-T/7031-2005与ISO标准ISO 8608-1995内容基本等效，其规定的路面的波长范围也为0.35m～90.9m。

AASHTO标准MP 11-2008Standard Equipment Specification for InertialProfiler中，规定检测设备在5％误差范围内，应该能够测量的路面波长范围为0.3m～45m。

在ASTM E 1274－2003Standard Test Method for Measuring PavementRoughness Using a Profilograph中提到的路面纵断面检测设备最大的检测距离为30m。

并且，日本三菱公司在1993年开发了一套激光路形检测设备，用来大范围测量道路路形，用于各种汽车试验，前后在日本以及北欧多个地方进行了实际的道路采集，做出了德国、瑞典和日本等多个国家的路面谱数据，用于了三菱汽车的各种试验。此设备所能检测路面的激励波长为0.15m～30m。

长春汽车研究所赵济海教授在《路面不平度的测量分析与应用》明确指出道路不平度测量中路面波长一般在0.1m～100m之间。

美国密歇根州立大学针对参考断面仪设备的精度要求建立了一套评价鉴定规范，规定一台断面仪测量路面不平度的一般要求是能够测量的波长范围为0.15m～67m。

可见，波长范围越大，检测越复杂，检测系统成本越高。因此，在实际应用中可以根据实际的路面情况选择合适的检测范围。

长安大学在路面纵断面方法进行较深入的研究，利用多信息融合等技术，目前能够实现0.001m-500m波长范围内的路面纵断面的快速、精确检测，也即，对于路面纵断面的检测在现有技术比较普遍，故，在此不再赘述。

其中，在本实施例中，路面三维形状是指包含了整个道路路面的经度、纬度以及海拔高度，即整个道路在地球坐标中的位置信息，道路设计时需要确定的线性信息，影响行车舒适性的大波长信息和中波长信息，影响车辆高频振动的小波长信息，影响路面构造深度的纹理信息。

也即，路面三维形状的坐标系是地球坐标系，路面三维形状检测的目的是为了道路管理系统、地理信息系统、路谱精确计算等提供准确、充足的数据，一般地理信息系统需要路面的线性信息，路面管理系统需要得到路面的平整度、车辙、构造深度等信息，所以采用地球坐标系不能很好的适应所有的需要，因此采用了与实际检测过程相对应的坐标系，建立了以横断面为x轴，各点高程为y轴，路面里程为z轴的路面坐标系，具体请参见图2。

步骤S2：路面三维数字化信息误差的处理；具体的，在本实施例中，可以采用多探头激光检理论，研究路面颠簸、车辆震动、行驶速度变化等因素对检测结果的影响，分析路面三维数字化信息的误差来源和减小误差的处理方法，更加具体的，可以采用多个加速度传感器以及陀螺仪测量多个激光探头在采集数据时的纵向加速度和车辆颠簸的影响，通过积分计算得到激光探头的高度位移和车辆颠簸情况，借此用于修正测量数据，从而减少车辆颠簸造成的数据误差。

其中，在路面横断面检测中，需要精确的确定激光位移传感器的个数，检测车在实际检测过程中，多个激光位移传感器安装在检测梁上，由于路面的不同或检测过程中车速等因素的变化，激光位移传感器在检测过程中是一个复杂的运动过程，激光位移传感器检测获得的数据可能出现较大的误差，甚至数据不可信，借此，为了分析检测误差，将激光位移传感器的复杂运动分解为垂直运动、侧倾运动和横摆运动的三个基本运动，以分析其对检测结果的影响。

步骤S3：构建路面三维数字化模型；具体的，建立路面三维信息数字化模型，研究三维数字化软件实现方法，建立适用于路面数据采集、数据分析、结果评价判断、指导养护管理的通用软件平台，更加具体的，请参见图3，构建路面三维数字化模型的流程可以包括读入路面数据、分析数据并对数据进行划分、生成扫描曲线并转换为三维曲线、生成路面、对生成的路面进行拼接与光顺以及对生成的路面进行评估和修正。

其中，请继续参见图2，其中，从路面三维模型坐标系中可以看出路面R能表示为一个连续的三维函数，即，实体R＝f(x，y，z)，在这个坐标系中路面里程为z轴坐标，它将真实的路面纵断面展开成一直线，x轴宽度为检测宽度，通常为一个车道，y轴坐标为检测点的高程。

通过分析可知，实际路面可以表示为一个连续的三维函数，但是由于传感器本身的限制，不能得到路面的连续函数，只能够得到一些离散的点阵，将测量得到的点阵通过OpenGL将其绘制到三维模型中，这样即可以形成离散的三维路面，对得到的三维离散点经过插值、拟合等方法，就可以重构出具有实体路面信息的三维路面。

其中，在路面的三维模型重构中，为了得到接近真实道路路面的重构结果，不但要检测车检测得到纵断面和横断面信息，同时还要加进去GPS的经度以及纬度信息。

用一个平行于zox平面的基准平面y＝D，令D＝0去切分所建立的坐标系，设路面上各点到该基准面的距离为(z_i，x_j，y_i，j)，则三维路面实体R可表示为I以下各点的集合：

对于y坐标相同的各点T_i＝{(z_i，x₁，y_i1)(z_i，x₂，y_i2)...(z_i，x_m，y_im)}可以表示为:

也即，可知路面可以表示为横断面集合，对于x坐标相同的各点可以表示为：

借此，由以上公式可以得出，路面可以表示R＝{L₁ L₂...L_m}，也即各纵断面的集合。

由以上分析可知，只要知道路面的横断面和纵断面即可重构出路面的三维形状，具体请参见图4。

具体的，由于路面横断面是沿路面行驶方向展开的，即纵断面和横断面信息是相互耦合的，也即，只要获得两个轮迹带处的纵断面，就可以利用该模型构建出路面的三维形状。

步骤S4：基于三维数字化的路面质量评价；具体的，借助路面三维数字化研究平台，通过试验研究采用路面变形面积、路面变形体积等作为路面评价指标的计算方法，建立基于三维数字化的路面评价指标与传统的路面质量评价指标的相关关系，为在路面养护维修管理工程中的应用奠定坚实基础。

其中，利用路面三维检测技术实现了路面的三维数字化，利用三维数字数据可以从三维的角度去评价道路的质量，建立三维评价指标与传统路面质量指标之间的相关性。本实施例主要研究路面凹陷，而路面凹陷可以分为坑槽与沉陷，坑槽一般是由于路面材料没有达到技术要求，在行车荷载的作用材料不断散失造成的，因此其具有平面尺寸小、行车道内局部性、边缘至坑底的深度变化急剧等特点，多分布在轮迹集中部位，沉陷一般是由于路基变形引起的，具有行车道内全断面性、平面尺寸大、边缘至沉陷底部的深度变化缓慢等特点，多分布在高填方路基、涵洞附近、桥头附近等部位，此外，凹陷的深度明显高于路面平整度的深度变化范畴。坑槽、沉陷等级划分标准请参见下表。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。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前提下的若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种基于路面三维数字化的路面检测系统，其特征在于，包括如下步骤：

步骤S1：获取路面三维数字化信息；

步骤S2：路面三维数字化信息误差处理；

步骤S3：构建路面三维数字化模型；

步骤S4：基于三维数字化的路面质量评价。

2.根据权利要求1所述的基于路面三维数字化的路面检测系统，其特征在于，于步骤S1中，获取路面三维数字化信息的方式包括多探头激光检测法、激光转镜扫描法以及光电数字立体成像法。

3.根据权利要求2所述的基于路面三维数字化的路面检测系统，其特征在于，于步骤S1中，获取路面三维数字化信息的方式采用多探头激光检测法，在路面横断面方向布设多个激光探头用于检测车辙，在路面纵断面方向的两个轮迹带上，分别布设多个前后位置相关联的激光探头用于检测路表面两个轮迹带上的平整度，将横断面与纵断面两个方向的检测结果叠加，得到路表面三维数字信息。

4.根据权利要求3所述的基于路面三维数字化的路面检测系统，其特征在于，于步骤S2中，采用多个加速度传感器以及陀螺仪测量多个激光探头在采集数据时的纵向加速度和车辆颠簸度，用于修正测量数据，减小数据误差。

5.根据权利要求4所述的基于路面三维数字化的路面检测系统，其特征在于，于步骤S3中，构建路面三维数字化模型的流程包括读入路面数据、分析数据并对数据进行划分、生成扫面曲线并转换为三维曲线、生成路面、对生成的路面进行拼接与光顺以及对生成的路面进行评估和修正。

6.根据权利要求5所述的基于路面三维数字化的路面检测系统，其特征在于，于构建路面三维数字化模型中，x轴表示路面横断面，y轴表示各点高程，z轴表示路面里程。

7.根据权利要求6所述的基于路面三维数字化路面检测系统，其特征在于，三维路面实体R＝f(x,y,z)。

8.根据权利要求5所述的基于路面三维数字化的路面检测系统，其特征在于，于步骤S4中，借助路面三维数字化研究平台，通过试验研究采用路面变形面积、路面变形体积作为路面评价指标的计算方法，建立基于三维数字化的路面评价指标与传统的路面质量评价指标的相关关系。

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