道路綜合檢測技術二維、三維融合技術研究

王 青

（西安中交一公院瑞通科研試驗檢測有限公司，陜西西安 710065）

1.二維檢測技術與三維檢測技術的發展

我國從20 世紀80 年代就開始進行道路快速自動化檢測設備的研究，在2005 年左右就生產出了自主研發的道路快速檢測車，主要集中在路面破損、路面平整度及路面車轍這3 項指標的突破上。路面破損采集裝置是通過對道路直射或者斜射完成圖片拍攝，得到路面圖像，依靠對圖像的識別完成在室內路面損壞的統計。而路面平整度及路面車轍則是通過激光測距機對地面高程值的測量，獲取不同車輛運動狀態下、不同路面情況下的激光器對地高程，在后處理軟件中，通過算法進行數據濾波、優化、計算得出路面平整度和車轍兩項標準。

二維檢測技術通過十幾年的發展，逐步變成穩定準確的檢測設備。但隨著我國從建設時代轉向養護時代，二維檢測技術只能通過拍攝路面圖像識別路面裂縫類、損壞類病害，但對于變形類病害確實沒有太好的辦法，比如擁包和沉陷。因此，三維檢測技術應運而生。三維檢測技術其主要原理等同于傳統平整度和車轍的測量原理。單點的激光測距機是通過三角成像原理，拍攝激光點進行成像再計算高程，隨著技術發展，技術人員逐步拓展思路，將一個大功率的激光器進行棱鏡分散，得到一條橫斷面的激光線，再通過相機對激光線上所有的點進行拍照成像，最終得到橫斷面所有高程值，進而計算路面車轍，這就是二維檢測技術中線激光圖像式車轍檢測技術。線激光圖像車轍檢測技術為后來發展的三維技術提供了思路，如果每個橫斷面在縱向采樣頻率能達到，那么就相當于得到每個橫斷面在縱向連續的斷面，即得到了路面上每個點的高程數據，進而可以進行三維建模，計算病害，這個思路持續了3 ～5 年。2016 年國內就掀起了這項技術的討論，先不說至今三維技術也不具備大面積應用推廣的條件，在當時的硬件環境下，根本也不滿足這個技術路線，主要因為縱向采樣頻率達不到1mm 的采樣間隔，因此在很長一段時間，這種理論僅存在于時速40km/h 的檢測速度下實現，直到2020 年前后，硬件技術完成突破，縱向采樣頻率不再是技術瓶頸，三維技術再次走進人們視線。

三維檢測技術即通過激光照明，相機同步進行拍攝，縱向連續采集獲得路面全方位的高程數據。三維路面檢測數據其特點為包含平面和深度信息，其優勢是能夠更加立體地展示路面病害，相較于二維平面數據，三維路面數據在變形類損壞的判別上具有明顯的優勢。通常我們進行三維路面的自動識別，是基于深度圖像來進行數據處理與自動識別技術設計。深度圖像是指將常見二維圖像中的灰度信息使用深度值的表征來代替而形成的圖像信息。

2.技術難點：如何平衡二維與三維檢測技術的弊端和優勢

隨著道路檢測技術的逐步發展，二維檢測技術在檢測過程中逐步暴露出很多技術瓶頸有待待解決，而三維技術也存在著不可逾越的技術瓶頸而不能進一步加以應用，這也是本文所論述的核心所在，下面我們來比較二維與三維檢測技術分別存在的弊端和優勢[1]。

2.1 二維檢測技術

優勢：（1）在車轍檢測技術上，具備單點精度優勢；（2）在病害識別技術上存在準確性，通過人工識別可有效避免誤識別。

弊端：（1）不能進行變形類病害的識別，技術狀況評定過程中的病害較為單一，不能夠滿足日益增長的需求；（2）在病害方面終究是以圖像為核心，而基于圖像的病害識別技術一直存在技術壁壘，很難突破基于圖像的裂縫自動識別，很難在不依靠高程數據的情況下完成變形類、裂縫類全病害自動識別；（3）系統集成度較低，成本較高。

2.2 三維檢測技術

優勢：（1）在病害識別技術上，可以進行大病害的自動識別；可以完成變形類病害識別，豐富了原有公路技術狀況評價體系；（2）原則上，在技術成熟后，完全可以替代二維的點車轍檢測技術和平整度檢測技術，成本大大降低。

弊端：（1）現階段技術不成熟，不能完全實現全病害的自動識別；（2）在線激光明顯問題未得到基本解決前，不能替代二維的車轍與平整度檢測裝置；（3）三維技術數據量存儲較大，能否有效提取三維數據中的核心數據是三維檢測技術取得突破性成就的關鍵，但現階段數據量較大，應用性較小。

現階段，二維和三維檢測技術的優缺點也逐步讓從業者和專家所認知。因此，在《公路技術狀況評定標準》5210-2018 的修訂中，并未對三維檢測強勢的變形類病害有所修訂；同樣，在《多功能路況快速檢測設備》的修訂評審意見中，廣泛調研了各地方專家的意見，給出的回復均是技術缺乏成熟性的工程性試驗，不急于在國標中加入三維檢測設備。而在實際的工程應用中，對沉陷、擁包類的病害愈發關注，需要實際的檢測數據進行支撐，城鎮道路方面，車轍已經不能滿足檢測需求，亟待加入變形類病害進行豐富。因此，基于各方面的要求、標準和工程實際訴求，推出二維和三維檢測融合技術，可有效地解決上述問題，可以進行進一步的技術探索。

2.3 評價二三維檢測系統的優劣勢

本文旨在對二維檢測技術路線和三維檢測技術路線進行論證，通過優劣勢的判定，通過去弱留強，摸清新一代道路綜合檢測技術的方向，具體技術問題如下[2]：（1）是否保留二維破損檢測技術，現有三維的破損檢測技術能否完全替代二維破損檢測技術。（2）如果二維檢測技術在精度上、流程上仍比較三維技術而言具有優勢，能否改進二維破損的檢測技術，使之在變形類病害的檢測上有所突破。（3）二維和三維車轍檢測技術在不同測試環境下的重復性，準確性；通過驗證準確性和重復性確定選用哪種車轍檢測技術。（4）三維檢測技術如果在精度和技術路線上均占有優勢，那么如何處理大數據量的三維數據，提取有用信息較為重要。（5）三維檢測數據量中能否提取有效數據進行其他指標的技術分析。

3.解決問題的思路：驗證破損能否融合，車轍數據論證

（1）二維檢測技術和三維檢測技術在路面破損此項指標上具有明顯的技術分別，雙方的優缺點均是不能互補解決的，因此，保留二維和三維檢測技術是現階段更能有效進行檢測的辦法。（2）通過試驗論證二維和三維檢測技術，在車轍指標上的差異性大小，如果差異性較大，那么保留技術精準的二維車轍檢測技術，如果差異性不大，則去除價格較高昂的多點共梁車轍檢測裝置。

4.具體解決問題的技術方案：二維與三維技術融合技術分析

從文章第二段論述的內容可以得出結論，二維和三維檢測融合技術，可以很好地解決現階段的各方面問題，唯一的缺點就是要保留原二維檢測技術的設備，還需加裝三維檢測設備，使得造價成本比較高。具體從5 個方面來看其具體的技術優勢。

（1）可以保留二維路面破損檢測裝置，從而保留根本的二維路面破損圖像，在經過三維路面高程值不能判定裂縫與否的個別點上，可以通過復核二維圖像，經過對二維圖像的人工識別確保準確率。二維圖像也可保留自動識別的算法和開發路線，在技術成熟后，可通過與三維自動識別的對比得出結論并驗證結論。由于公路檢測采集的多樣性與復雜性，所采集深度圖像的表現千差萬別，在不同采集條件下，采集的數據圖像化后會有完全不同的表現，因此，需要合適的圖像增強算法來對圖像中的有用元素進行強化，同時盡可能弱化不需要的元素。直方圖均衡算法作為圖像處理中非常重要的圖像增強方法，其優點是能夠比較好地適應不同光照條件下拍攝的圖像的均衡化，使得均衡過后的圖像其亮度水平趨于一致，同時能明顯增強圖像的對比度，放大有用元素與無用背景的色差。因此，本項目中采用直方圖均衡的方法對圖像進行增強處理。

（2）可以進行路面變形類病害的自動識別。變形類損壞與裂縫類損壞存在明線區別，他的影響面積范圍形狀特征具有很大的不確定性，為了能夠相對有效地進行變形類損壞的識別，針對變形類損壞的主要特征，即相對明顯變形區域，其存在深度信息與周邊非變形區域相比，存在連續的、較大的差異，針對這種特征表述，設計坑槽、擁包以及沉陷類病害的檢測模型，通過模型的篩選，篩選出疑似區域，在對疑似區域進行最終的識別判定，確定是否為變形類損壞，從而找出深度圖像中的變形類區域，并根據變形的特征判斷變形類損壞的類型。

當二維和三維路面破損檢測技術同時保留時，我們可以完全擬合兩種檢測裝置采集的路面圖片和路面高程值灰度圖片，從而全方位地進行病害識別，識別效率和準確率大大提高（見圖1）。

圖1 二維三維同時對病害進行采集效果對比

（3）路面車轍指標上，可以通過保留二維檢測設備中的多點共梁路面車轍檢測裝置，還能對三維路面檢測裝置中同步采集的橫斷面高程值進行復核，逐步完善線激光（三維獲取高程值計算橫斷面）車轍檢測技術。將多點共梁車轍檢測裝置的幾大優勢逐步融入到三維裝置中，包括橫斷面傾斜算法，及時計算傾斜角從而進行數據回歸；包括異常值處理方法，確保數據中剔除異常點，進行正常的計算。反之，也可通過三維描繪的橫斷面點云進行點車轍包絡線算法的驗證，完善二維的計算方法，提高精度。

（4）在數據量方面和數據點處理方面積累經驗。三維檢測技術現階段的問題雖然比較多，但畢竟是發展的主流方向。檢測過程中獲取三維數據點云是容易的，但數據量大，如何挑選有用的數據需要進行試驗和探索。如果能將二維和三維的檢測技術相互融合，解決實際應用性的問題，那么數據量提取有效數據僅僅是時間問題。如縱向數據點進行構造深度的檢測、驗證；如標識點或興趣范圍內所有數據點的提取用于病害深入分析，自動生成病害分布圖CAD 等。

（5）有效開發三維的其他路面指標的檢測功能，如現階段三維檢測技術可以原則上提取任一斷面的高程數據，并擬合真實曲線，完全可以通過這種技術完善現階段《公路技術狀況評定標準》中的路面跳車和路面磨耗等指標，通過多元化的觀察，判斷到底是路面剝落造成的數據差異還是計算模型導致的差異，可以解決目前部分的檢測爭議問題。

綜上所述，二維和三維檢測融合技術可有效進行技術過渡期的工程驗證和保證實際工程使用，對后續開發完善的三維檢測技術積累寶貴的經驗，為完善三維檢測數據的準確性提供了可參考性和比對基礎。

5.結語

二維與三維檢測融合技術可以較好地解決現階段設備的問題和發展方向，從破損方面出發，以人工復核，二維配合三維完成裂縫類及微小病害的識別，以三維點云的自動識別技術完成大病害以及變形類病害的自動識別。路面車轍和路面平整度保留現有二維道路綜合檢測車的激光反應類測量方法，依靠二維、三維共同擬合道路橫斷面的技術，加以優化算法及論證。最后，該項技術為三維數據量獲取有效數據、點云數據的濾波去除雜質提供有效的工程驗證時間，為三維的應用積累寶貴的經驗，為道路自動化檢測指明方向，取得突破。