車載激光掃描技術(shù)在路況檢測(cè)中的應(yīng)用

張向陽 鐘棉卿

（甘肅正昊測(cè)繪工程有限公司 甘肅省天水市 741000）

1 車載激光掃描技術(shù)

車載激光掃描系統(tǒng)隨車輛的運(yùn)動(dòng)，通過多種傳感器收集周圍環(huán)境的信息。配置的激光掃描儀以每秒百萬次至千萬次的頻率向周圍表面實(shí)施動(dòng)態(tài)的距離測(cè)量，經(jīng)GNSS/IMU定位定姿系統(tǒng)的聯(lián)合解算與系統(tǒng)內(nèi)參數(shù)的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換[1]，獲得每激光束的空間指向，進(jìn)而得到沿路徑的密集三維點(diǎn)云條帶。

與地基三維激光掃描儀相比，車載激光掃描系統(tǒng)具有更遠(yuǎn)的探測(cè)距離，利用移動(dòng)的優(yōu)勢(shì)，能高速測(cè)量道路沿線的信息。與機(jī)載雷達(dá)數(shù)據(jù)相比，車載激光數(shù)據(jù)距離路面更近，能得到高分辨率的路面影像和高精度、高密集的路面點(diǎn)云[2]。另外，車載的形式更加靈活，對(duì)采集數(shù)據(jù)的環(huán)境和天氣條件要求更低。與車載攝影測(cè)量系統(tǒng)相比，車載激光掃描護(hù)具有更高的精度。

目前，商用車載激光掃描系統(tǒng)的掃描范圍普遍超過百米。掃描速度，又稱為激光重復(fù)頻率或點(diǎn)頻，普遍都能達(dá)到百萬量級(jí)，一些高端產(chǎn)品可達(dá)幾千點(diǎn)/秒，這對(duì)于生成精細(xì)的路面模型來說是足夠的，也是高效的。另外，車載掃描數(shù)據(jù)信息量豐富，同一數(shù)據(jù)集助攻含有多個(gè)類別的信息，數(shù)據(jù)的可利用率顯著提高，能激發(fā)其在多個(gè)行業(yè)的應(yīng)用潛能。

2 工程概況

工程位于長(zhǎng)深高速公路（北段），檢測(cè)對(duì)象為部分瀝青路面路段。路段基橫斷面為：0.75m（土路肩）+3.0m（硬路肩）+3×3.75m（車行道）+0.75m（路緣帶）+3.0m（中央分隔帶）+0.75m（路緣帶）+3×3.75m（車行道）+3.0m（硬路肩）+0.75m（土路肩），總寬度34.5m。路面檢測(cè)任務(wù)重，選取了9km長(zhǎng)的路段采用車載激光掃描系統(tǒng)進(jìn)行掃描，利用車載掃描數(shù)據(jù)檢測(cè)路況，提供路面破損、路面平整度、路面車轍深度等參數(shù)，并與常規(guī)檢測(cè)手段結(jié)果做比較，以評(píng)價(jià)利用車載激光掃描技術(shù)開展路面檢測(cè)的技術(shù)適用性與精度。

本項(xiàng)目使用中國(guó)測(cè)繪科學(xué)研究院、北京四維遠(yuǎn)見信息技術(shù)有限公司、首都師范大學(xué)多家單位合作研發(fā)的SSW車載激光建模測(cè)量系統(tǒng)。本項(xiàng)目中系統(tǒng)的安裝高度為2.315m，設(shè)定的激光發(fā)射點(diǎn)頻500KHz，掃描線頻200Hz。在2.70m高度支架兩側(cè)分布搭載3臺(tái)（共6臺(tái)）像元大小6μ，2400萬像素的相機(jī)對(duì)路面拍照，獲取連續(xù)的路面影像，經(jīng)匹配后生成真彩色路面點(diǎn)云。數(shù)據(jù)采集時(shí)，以中央隔離帶為界，對(duì)兩側(cè)車道分別掃描。

3 利用車載點(diǎn)云數(shù)據(jù)評(píng)價(jià)路面狀況

3.1 路面破損

一般來說，路面破損包含多種類型，如龜裂、塊狀裂縫、縱裂、橫裂、坑槽、沉陷等。本路段的路面病害主要為橫向裂縫、縱向裂縫、龜裂、沉陷，并有部分修補(bǔ)。路面破損基于不同類型，設(shè)置了多種分級(jí)指標(biāo)，使用規(guī)定的換算系數(shù)計(jì)算路面破損率DR，得到路面狀況指數(shù)PCI，由PCI得分情況將路面評(píng)定為優(yōu)、良、中、次、差等級(jí)。

本實(shí)例將激光點(diǎn)云與影像進(jìn)行精匹配，將將車載激光掃描系統(tǒng)的獲取的影像拼接為基于點(diǎn)云坐標(biāo)系統(tǒng)的整體路面的正射影像，利用坐標(biāo)與點(diǎn)云數(shù)據(jù)關(guān)系，在影像數(shù)據(jù)中識(shí)別與標(biāo)記路面損害類型，勾勒損害的邊界，計(jì)算損害法平面參數(shù)，如塊度、縫寬、縫長(zhǎng)等。對(duì)于必須提供深度的損害類型，如沉陷、坑槽等，由對(duì)應(yīng)坐標(biāo)處的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)提供。路面破損率按車道統(tǒng)計(jì)，表1列出了檢測(cè)結(jié)果。

表1：路面破損率DR檢測(cè)結(jié)果（單位：%）

從檢測(cè)車道的平均破損率來看，車道2的破損率最高，達(dá)1.91%，車道1和車道3的破損率相差不大。從每公里的破損率可以看出，路面破損情況并非在整個(gè)路段上都有發(fā)生，而是在局部路段出現(xiàn)較大的破損率數(shù)值，路面破損的類型以縱向裂縫和龜裂為主。破損率較小法路段上，路面損壞的類型以橫向裂縫、修補(bǔ)為主。

3.2 路面平整度

我國(guó)的路面平整度檢測(cè)通常采用四分之一車模型獲取國(guó)際平整度指數(shù)（International Roughness Index, IRI）指標(biāo)。本文基于車轍處的激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)，仿照連續(xù)式平整度儀評(píng)估路面平整度標(biāo)準(zhǔn)差σ，即在車輪的位置沿路面縱向位置按照一定的采樣間隔，采集測(cè)試的高程信息，采用數(shù)理統(tǒng)計(jì)的方法統(tǒng)計(jì)方差。車輪位置選擇離車道邊界0.5m處。

我國(guó)交通部公路科學(xué)研究所經(jīng)過大量試驗(yàn)研究，提出了σ與IRI的關(guān)系：σ=0.6×IRI。

表2列出了基于縱向激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)計(jì)算的平整度指數(shù)IRI的檢測(cè)結(jié)果。

表2：平整度指數(shù)IRI檢測(cè)結(jié)果（單位：m/km）

根據(jù)平整度的檢測(cè)結(jié)果，三個(gè)車道的平整度值相差不大，平整度IRI值超過2.00m/km的僅有2個(gè)路段，其余基本都在此之下。

3.3 路面構(gòu)造深度

路面構(gòu)造深度是表現(xiàn)路面宏觀粗糙度、路表面排水及抗滑性能的重要指標(biāo)。目前我國(guó)公路路面構(gòu)造深度以鋪砂法為標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試方法，其他方法的檢測(cè)結(jié)果須轉(zhuǎn)化為鋪砂法的路面構(gòu)造深度。本文根據(jù)鋪砂法的檢測(cè)，基于路面激光點(diǎn)云三維信息計(jì)算構(gòu)造深度。

鋪沙法是將已知體積（25cm3）的標(biāo)準(zhǔn)砂攤鋪在測(cè)試路面上，用底部粘有橡膠片的推平板盡量將砂推平成一圓形，用鋼尺測(cè)量所構(gòu)成圓的兩個(gè)垂直方向的直徑，取其平均值，精確至5mm。砂的體積與所攤鋪圓平均面積之比即為路面的構(gòu)造深度，準(zhǔn)確至0.01mm。取平均值代表該路面這一點(diǎn)的構(gòu)造深度。計(jì)算公式為：

式中，MTD表示路表面的構(gòu)造深度；V為砂的體積（一般取25cm3），D為攤平砂的平均直徑。

本文仿照鋪砂法的原理，以一定的間距沿車轍帶選擇測(cè)點(diǎn)。預(yù)設(shè)一個(gè)虛擬鋪砂直徑D0，基于采集的點(diǎn)云三維信息計(jì)算虛擬鋪砂體積V0，與標(biāo)準(zhǔn)鋪砂體積（25cm3）比較，基于一個(gè)線性模型糾正虛擬鋪砂直徑D1，再次計(jì)算體積V1，使用式（1）計(jì)算構(gòu)造深度。檢測(cè)結(jié)果如表3所示。

表3：路面構(gòu)造深度檢測(cè)結(jié)果（單位：mm）

根據(jù)路面構(gòu)造深度的檢測(cè)結(jié)果，各路段數(shù)據(jù)沒有顯著的差異。

3.4 與常規(guī)方法的比較

本實(shí)例為長(zhǎng)深高速公路全線路況評(píng)定的一部分，已有用常規(guī)技術(shù)手段提供的結(jié)果。本文將利用車載激光掃描得到的路面指標(biāo)與常規(guī)方法評(píng)估的路面狀況進(jìn)行比較，以驗(yàn)證車載激光掃描技術(shù)對(duì)路況調(diào)查的技術(shù)適應(yīng)性。由于全線路路面損害也使用了基于圖像的方法，因此，只比較了路面平整度和路面構(gòu)造深度評(píng)估的差異。

比較結(jié)果表明，基于路面掃描點(diǎn)云評(píng)估的構(gòu)造深度結(jié)果基本與使用鋪砂法評(píng)估的結(jié)果相符，在一處存在較大偏差，經(jīng)查，是由于此路段車轍雜亂，本文統(tǒng)一使用車道一側(cè)0.5m不符合路面實(shí)際狀況所致。總體評(píng)價(jià)，基于車載激光點(diǎn)云可以開展路面構(gòu)造深度的評(píng)估。

通過比較結(jié)果可知，使用局部路面方差評(píng)估的路面平整度與常規(guī)方法（1/4車模型）的結(jié)果有明顯的差異，然而，隨里程的變化趨勢(shì)基本一致。因此本文建議對(duì)2種技術(shù)手段獲取的IRI進(jìn)行線性回歸，使二者的結(jié)果盡量相符。然而，平整度檢測(cè)的方法和設(shè)備多樣，采用的指標(biāo)也不盡相同，為使車載激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)適用于路面平整度的計(jì)算，有必要構(gòu)建適合此種數(shù)據(jù)的模型，并與通用IRI檢測(cè)方法獲取的結(jié)果在一段距離的路面上校準(zhǔn)。

4 結(jié)論

車載激光掃描系統(tǒng)已逐漸應(yīng)用于道路工程，本文嘗試使用車載掃描數(shù)據(jù)評(píng)估路面狀況，提取了路面損害、路面平整度、路面車轍的評(píng)價(jià)指標(biāo)，與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)、路面檢測(cè)車等提供的結(jié)果作比較，驗(yàn)證了該技術(shù)對(duì)于路況評(píng)估的技術(shù)適應(yīng)性和精度。實(shí)驗(yàn)證明，利用車載激光掃描數(shù)據(jù)評(píng)估路況是可行的，但需預(yù)先在一定長(zhǎng)度的路段上對(duì)結(jié)果的不確定性進(jìn)行評(píng)測(cè)與校準(zhǔn)。