三维激光路面多功能检测系统的技术研究
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为了精确地展现该三维激光自动检测设备在 不同车速、不同 路 面 类 型 （水 泥 路 面、沥 青 路 面）、 不同光照环境（白 天、黑 夜）等 各 种 复 杂 行 车 环 境 下路面图像采集 质 量，验 证 路 面 病 害 的 自 动 分 析 结果与实际人工 测 量 结 果 是 否 吻 合，本 文 对 实 际 路面进行定量与定性分析。选取成都市政道路路 面为试验段，在 试 验 段 上 进 行 多 功 能 检 测 车 和 人 工检测数据采集。
图 １ 激 光相 机 组 件 三 维 成 像 原 理 示 意 图
当激光相机沿着被扫描 物体表面 行进 时，激 光持续照亮物体表 面，ＣＭＯＳ 相 机 便 依 据 系 统 设 置 ，固 定 间 隔 地 收 集 不 同 时 刻 激 光 反 射 线 的 数 据 。 将每条激光线的数据拼接起来便形成了被扫描物 体 表 面 的 三 维 信 息 ，即 完 成 了 三 维 扫 描 的 全 过 程 。 应用该原理拼接的每张三维图像可表示为
总 第 ２９７ 期 ２０１９ 年 第 ６ 期
交 通 科 技 ＴｒａｎｓｐｏｒｔａｔｉｏｎＳｃｉｅｎｃｅ ＆ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ
ＤＯＩ１０．３９６３／ｊ．ｉｓｓｎ．１６７１７５７０．２０１９．０６．００１
ＳｅｒｉａｌＮｏ．２９７ Ｎｏ．６Ｄｅｃ．２０１９
三维激光路面多功能检测系统的技术研究
丁 世 海１，２ 阳 恩 慧１，２ 代 先 星１，２ 李 保 险１，２ 王 国 龙１，２
国家自然科学基金项目（Ｕ１５３４２０３、５１４７８３９８）资助 收 稿 日 期 ：２０１９０８１９
∫ ３Ｄ 图像 ＝ 犵（２Ｄ 横断面）ｄ狕
（１）
２
丁 世 海 等 ：三 维 激 光 路 面 多 功 能 检 测 系 统 的 技 术 研 究
２０１９ 年 第 ６ 期
式中：狕 为检测车行进的方向；犵（２犇 横断面）为关 系 到 行 进 速 度 、相 机 标 定 和 具 体 设 置 的 函 数 。 １．２ 数 据 采 集
（１．西 南 交 通 大 学 土 木 工 程 学 院 成 都 ６１００３１； ２．道 路 工 程 四 川 省 重 点 实 验 室 成 都 ６１００３１）
摘 要 为研究路面自动检测系统在工程中的应用，选取市政 道 路 中 的 沥 青 路 面 和 水 泥 路 面 作 为 试 验段，采用三维激光路面多功能检测系统获取１ｍｍ 精度路面三维数据，并进行试验段路面病害 人工检测。基于深度学习 算 法，采 用 分 析 软 件 ＡＤＡ 自 动 识 别 路 面 裂 缝，其 算 法 的 准 确 率 为 ９１． ４７％，召回率为９５．４６％。选取某试验段，进行系 统 在 不 同 速 度、不 同 时 刻 的 稳 定 性 验 证 及 重 复 性 分析。结果表明，系统自动识别裂 缝 总 面 积 的 标 准 差 为 ０．３４，其 变 异 系 数 为 ４．４６％，系 统 具 有 较 高 的 稳 定 性 。 同 时 ，人 工 检 测 与 自 动 识 别 的 路 面 裂 缝 影 响 面 积 之 间 的 相 对 误 差 在 合 理 范 围 内 。 关键词 市政道路 自动检测 三维激光 深度学习算法 稳定性 中 图 分 类 号 Ｕ４１６．２
近年来，路 面 激 光 三 维 扫 描 法 被 广 泛 使 用， ＷａｙＬｉｎｋ、Ｐａｖｅｍｅｔｒｉｃｓ、Ｌｅｉｃａ Ｇｅｏｓｙｓｔｅｍｓ、Ｄｙｎ ａｔｅｓｔ、ＡｍｅｓＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ、ＰａｔｈｗａｙＳｅｒｖｉｃｅｓ等 公 司成功研制了相关的路面检测设备。研究团队在 以往二维路面检测系统的基础上先后利用双目立 体视觉、三维激 光 成 像 技 术 研 发 三 维 道 路 勘 测 系 统（ＤＨＤＶ）［８９］，该 系 统 利 用 绿 激 光 三 维 成 像 技 术，可实现１００ｋｍ／ｈ检测速度下 采集 精 度 １ ｍｍ 的三维路面 数 据。 本 文 结 合 实 际 工 程，进 行 比 对 试验，通过人工 调 查 与 三 维 激 光 自 动 检 测 设 备 识 别的对比分析、不 同 测 试 环 境 下 三 维 激 光 检 测 设 备测试的稳定性、三 维 激 光 多 功 能 检 测 设 备 自 动
识别精度与准确率的验证等关键技术对三维激光 路面检测系统的工程应用展开研究。 １ 三 维 激 光 路 面 多 功 能 检 测 系 统 原 理 及 应 用 １．１ 激 光 三 角 法
在非接触三维 扫 描 中，激 光 三 角 法 由 于 结 构 简单、测 量 速 度 快，具 有 实 施 处 理 能 力、使 用 灵 活 等优点。本 文 采 用 激 光相 机 组 件 作 为 数 据 收 集 的硬件系统 组 成。其 原 理 为：将 线 激 光 垂 直 投 射 到物体表面，采用高性能 ＣＭＯＳ 相机 捕捉 每条物 体表面上 的 激 光 反 射 线。 激 光相 机 三 维 成 像 原 理 示 意 近 ２０ 年 的 大 量 建 设 ，我 国 公路路面将面临大规模的养护维修问题。先进的 路面自动检测装备及其配套技术可为路面养护工 程维修决策、设 计 与 施 工 提 供 大 量 的 基 础 数 据 支 撑。国内外道路路面检测技术经历了传统的人工 检测、半 自 动 化 检 测 及 无 损 自 动 检 测 ３ 个 阶 段。 从法 国 ＬＣＰＣ 开 发 的 ＧＥＲＰＨＯ 系 统 开 ［１］ 始，国 外路面损坏检测系统的发展经历了基于摄影技术 的路面损坏检 测 系 统［２］、基 于 视 频 技 术 的 路 面 损 坏检测系统［３］、基 于 热 成 像 技 术 的 路 面 损 坏 检 测 系统［４］、基于 ３Ｄ 激 光 扫 描 技 术 的 路 面 损 坏 检 测 系统［５］。２０ 世 纪 ８０ 年 代 末 期，我 国 也 开 展 了 路 面损坏检测系统的研究，如 ＣＴ５０１Ａ 高速激光道 路检测车［６］、ＺＯＹＯＭＲＴＭ 智能检测系统 。 ［７］
图 １ 激 光相 机 组 件 三 维 成 像 原 理 示 意 图
当激光相机沿着被扫描 物体表面 行进 时，激 光持续照亮物体表 面，ＣＭＯＳ 相 机 便 依 据 系 统 设 置 ，固 定 间 隔 地 收 集 不 同 时 刻 激 光 反 射 线 的 数 据 。 将每条激光线的数据拼接起来便形成了被扫描物 体 表 面 的 三 维 信 息 ，即 完 成 了 三 维 扫 描 的 全 过 程 。 应用该原理拼接的每张三维图像可表示为
总 第 ２９７ 期 ２０１９ 年 第 ６ 期
交 通 科 技 ＴｒａｎｓｐｏｒｔａｔｉｏｎＳｃｉｅｎｃｅ ＆ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ
ＤＯＩ１０．３９６３／ｊ．ｉｓｓｎ．１６７１７５７０．２０１９．０６．００１
ＳｅｒｉａｌＮｏ．２９７ Ｎｏ．６Ｄｅｃ．２０１９
三维激光路面多功能检测系统的技术研究
丁 世 海１，２ 阳 恩 慧１，２ 代 先 星１，２ 李 保 险１，２ 王 国 龙１，２
国家自然科学基金项目（Ｕ１５３４２０３、５１４７８３９８）资助 收 稿 日 期 ：２０１９０８１９
∫ ３Ｄ 图像 ＝ 犵（２Ｄ 横断面）ｄ狕
（１）
２
丁 世 海 等 ：三 维 激 光 路 面 多 功 能 检 测 系 统 的 技 术 研 究
２０１９ 年 第 ６ 期
式中：狕 为检测车行进的方向；犵（２犇 横断面）为关 系 到 行 进 速 度 、相 机 标 定 和 具 体 设 置 的 函 数 。 １．２ 数 据 采 集
（１．西 南 交 通 大 学 土 木 工 程 学 院 成 都 ６１００３１； ２．道 路 工 程 四 川 省 重 点 实 验 室 成 都 ６１００３１）
摘 要 为研究路面自动检测系统在工程中的应用，选取市政 道 路 中 的 沥 青 路 面 和 水 泥 路 面 作 为 试 验段，采用三维激光路面多功能检测系统获取１ｍｍ 精度路面三维数据，并进行试验段路面病害 人工检测。基于深度学习 算 法，采 用 分 析 软 件 ＡＤＡ 自 动 识 别 路 面 裂 缝，其 算 法 的 准 确 率 为 ９１． ４７％，召回率为９５．４６％。选取某试验段，进行系 统 在 不 同 速 度、不 同 时 刻 的 稳 定 性 验 证 及 重 复 性 分析。结果表明，系统自动识别裂 缝 总 面 积 的 标 准 差 为 ０．３４，其 变 异 系 数 为 ４．４６％，系 统 具 有 较 高 的 稳 定 性 。 同 时 ，人 工 检 测 与 自 动 识 别 的 路 面 裂 缝 影 响 面 积 之 间 的 相 对 误 差 在 合 理 范 围 内 。 关键词 市政道路 自动检测 三维激光 深度学习算法 稳定性 中 图 分 类 号 Ｕ４１６．２
近年来，路 面 激 光 三 维 扫 描 法 被 广 泛 使 用， ＷａｙＬｉｎｋ、Ｐａｖｅｍｅｔｒｉｃｓ、Ｌｅｉｃａ Ｇｅｏｓｙｓｔｅｍｓ、Ｄｙｎ ａｔｅｓｔ、ＡｍｅｓＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ、ＰａｔｈｗａｙＳｅｒｖｉｃｅｓ等 公 司成功研制了相关的路面检测设备。研究团队在 以往二维路面检测系统的基础上先后利用双目立 体视觉、三维激 光 成 像 技 术 研 发 三 维 道 路 勘 测 系 统（ＤＨＤＶ）［８９］，该 系 统 利 用 绿 激 光 三 维 成 像 技 术，可实现１００ｋｍ／ｈ检测速度下 采集 精 度 １ ｍｍ 的三维路面 数 据。 本 文 结 合 实 际 工 程，进 行 比 对 试验，通过人工 调 查 与 三 维 激 光 自 动 检 测 设 备 识 别的对比分析、不 同 测 试 环 境 下 三 维 激 光 检 测 设 备测试的稳定性、三 维 激 光 多 功 能 检 测 设 备 自 动
识别精度与准确率的验证等关键技术对三维激光 路面检测系统的工程应用展开研究。 １ 三 维 激 光 路 面 多 功 能 检 测 系 统 原 理 及 应 用 １．１ 激 光 三 角 法
在非接触三维 扫 描 中，激 光 三 角 法 由 于 结 构 简单、测 量 速 度 快，具 有 实 施 处 理 能 力、使 用 灵 活 等优点。本 文 采 用 激 光相 机 组 件 作 为 数 据 收 集 的硬件系统 组 成。其 原 理 为：将 线 激 光 垂 直 投 射 到物体表面，采用高性能 ＣＭＯＳ 相机 捕捉 每条物 体表面上 的 激 光 反 射 线。 激 光相 机 三 维 成 像 原 理 示 意 近 ２０ 年 的 大 量 建 设 ，我 国 公路路面将面临大规模的养护维修问题。先进的 路面自动检测装备及其配套技术可为路面养护工 程维修决策、设 计 与 施 工 提 供 大 量 的 基 础 数 据 支 撑。国内外道路路面检测技术经历了传统的人工 检测、半 自 动 化 检 测 及 无 损 自 动 检 测 ３ 个 阶 段。 从法 国 ＬＣＰＣ 开 发 的 ＧＥＲＰＨＯ 系 统 开 ［１］ 始，国 外路面损坏检测系统的发展经历了基于摄影技术 的路面损坏检 测 系 统［２］、基 于 视 频 技 术 的 路 面 损 坏检测系统［３］、基 于 热 成 像 技 术 的 路 面 损 坏 检 测 系统［４］、基于 ３Ｄ 激 光 扫 描 技 术 的 路 面 损 坏 检 测 系统［５］。２０ 世 纪 ８０ 年 代 末 期，我 国 也 开 展 了 路 面损坏检测系统的研究，如 ＣＴ５０１Ａ 高速激光道 路检测车［６］、ＺＯＹＯＭＲＴＭ 智能检测系统 。 ［７］