基于高精度激光斷面高程的瀝青路面MTD測量

丁世海 戰(zhàn) 友 陽恩慧 王郴平

(1西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院, 成都 610031)(2西南交通大學(xué)道路工程四川省重點實驗室, 成都 610031)(3School of Civil and Environmental Engineering, Oklahoma State University, Stillwater 74078, USA)

道路交通事故與路面表面抗滑性能密切相關(guān).路面紋理構(gòu)造影響路面抗滑性能,路面構(gòu)造深度(MTD)是路面宏觀紋理的重要指標(biāo)之一[1].有效的MTD有助于路面排水,防止水滑現(xiàn)象發(fā)生.因此,對瀝青路面MTD進行測量具有重要意義.

現(xiàn)有構(gòu)造深度測量方法主要包括體積法和激光法[2-3].鋪砂法是最常用的體積測試法,通過鋪砂體積與鋪砂區(qū)域面積的比值獲取路面構(gòu)造深度.鋪砂法測試簡單,但測試過程中受人為影響因素較大,測試效率較低,測試結(jié)果的穩(wěn)定性和可重復(fù)性較差.隨著三維激光掃描技術(shù)[4-5]和數(shù)字圖像處理技術(shù)[6]的快速發(fā)展,通過道路表面超高分辨率三維圖像數(shù)據(jù)測試MTD成為可能,有望克服傳統(tǒng)測量方法的不足.周興林等[7]基于三角法測量原理建立激光視覺三維數(shù)學(xué)模型,采用圖像處理方法,通過斷面構(gòu)造深度(MPD)估算MTD.馮興樂等[8]基于激光視覺測量方法獲得瀝青路面點云數(shù)據(jù),通過研究輪胎和路面接觸摩擦的幾何結(jié)構(gòu)和抗滑機理,修正路面數(shù)據(jù)點,并采用斷面法估算MTD.竇光武[9]提出采用高精度激光測距傳感器作為主標(biāo)準器,利用相對運用原理,實現(xiàn)路面構(gòu)造深度的非接觸式測量.Cui等[10]提出了一種基于多線激光和雙目視覺技術(shù)的瀝青路面平均紋理深度的測量方法.Hong等[11]制備了一種新開發(fā)的具有3D激光掃描技術(shù)的宏觀紋理測量系統(tǒng),用于實現(xiàn)三維宏觀紋理測量.Gendy等[12]構(gòu)建了一種用于恢復(fù)路面表面紋理的四光源光度立體系統(tǒng),可顯示路面表面高度輪廓并估算平均輪廓深度.

目前,構(gòu)造深度的自動測量多采用激光法.激光法通常采用激光構(gòu)造深度儀,通過獲取路面平均斷面深度MPD值來推算路面平均構(gòu)造深度MTD值.激光構(gòu)造深度儀只能獲取少量路面斷面高程輪廓線數(shù)據(jù),樣本數(shù)據(jù)點少,不能真實反映路面構(gòu)造信息.

本文采用高精度三維激光掃描設(shè)備來獲取豐富的路面紋理數(shù)據(jù),借助數(shù)字圖像處理技術(shù)和蒙特卡洛期望法,提出了一種基于瀝青路面斷面高程輪廓的構(gòu)造深度測量方法.

1 三維激光成像技術(shù)

三維激光成像技術(shù)采用激光三角法測量原理,其采集單元為線激光和相機組成的激光-相機組件[13].目前,道路工程中主要采用直射式激光三角法(見圖1),其原理為：線激光器發(fā)出的激光垂直投射于待測瀝青道路表面,面陣CCD相機以特定傾角斜向捕獲激光圖像.采集單元中激光器和相機保持相對靜止?fàn)顟B(tài),由機械傳動裝置帶動采集單元沿采集方向移動,編碼器觸發(fā)相機采集激光所在的橫斷面數(shù)據(jù)(見圖2).隨著采集單元的移動,采集系統(tǒng)可獲取該檢測區(qū)域路面三維高程數(shù)據(jù).

圖1 直射式激光三角法

(a) 圖像采集過程

(b) 斷面數(shù)據(jù)點

2 紋理數(shù)據(jù)采集

2.1 測試試件

成型AC-13、SMA-13、OGFC三種級配類型的車轍板(見圖3),試件尺寸為300 mm×300 mm×50 mm,每種級配類型分別成型3塊車轍板,用于后續(xù)試驗.AC-13、SMA-13、OGFC級配瀝青混合料均取最佳瀝青用量,級配見表1.

表1 瀝青混合料級配 %

(a) AC-13

(b) SMA-13

(c) OGFC

圖3 車轍板

2.2 采集系統(tǒng)

LS-40便攜式路面表面分析儀是一種路面紋理數(shù)據(jù)采集與分析儀器(見圖4).其內(nèi)置采集單位為線激光和相機組成的激光-相機組件.通過電池驅(qū)動,內(nèi)置的馬達工作臺使采集單元按一定速率移動,投射到路面的線激光掃描選定區(qū)域,通過激光三角法原理實現(xiàn)路面表面的數(shù)據(jù)采集,其結(jié)果顯示為數(shù)值數(shù)據(jù)和二維/三維顯示.LS-40系統(tǒng)掃描的范圍為102 mm×115 mm的區(qū)域,能夠采集路面高精度三維紋理數(shù)據(jù),其橫向分辨率為0.05 mm,縱向分辨率為0.01 mm.原始數(shù)據(jù)由強度數(shù)據(jù)陣列和范圍數(shù)據(jù)陣列組成,每個陣列包含總共2 448×2 048 個16 bit數(shù)據(jù).采集數(shù)據(jù)過程中不受環(huán)境光源影響,實驗室車轍板和現(xiàn)場路面皆可進行數(shù)據(jù)采集.

圖4 LS-40軟件數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

3 基于高精度激光斷面高程的MTD求解

通過高精度激光斷面高程求解MTD的步驟為：① 通過圖像處理提取紋理斷面高程輪廓線；② 借助蒙特卡洛期望法的方法原理計算求解MTD.

3.1 紋理斷面高程輪廓線提取

LS-40系統(tǒng)采集路面紋理數(shù)據(jù)的過程是通過三維相機讀取投射在被掃描物體表面的激光線高程信息,并以數(shù)字圖像的形式輸入計算機進行處理和存檔.數(shù)碼相機的工作條件受傳感器工作狀態(tài)、儀器振動等因素干擾,由于激光器發(fā)射的線激光強度不均、被測瀝青路面含有油漬,數(shù)碼相機在圖像獲取、數(shù)據(jù)傳輸、信息輸出等情況下會產(chǎn)生噪聲,影響路面紋理斷面高程輪廓線的提取精度.較高精度的斷面高程輪廓線是保證后續(xù)MTD計算精度的基礎(chǔ).因此,需要對原始數(shù)字圖像進行預(yù)處理,抑制噪聲信號.

在去除噪聲信號的同時,應(yīng)盡可能減少非噪聲點特征信息的丟失.LS-40系統(tǒng)通過三維測量技術(shù)獲取大規(guī)模離散數(shù)據(jù),基于點云離散數(shù)據(jù)的光順?biāo)惴軌蛴行コ肼暤母蓴_.其中,平均曲率流光順?biāo)惴╗14]能有效去除噪聲,同時較好地處理瀝青路面表面的細節(jié)特征,達到光順目的,并保持斷面高程輪廓和特征點不變.

借助MATLAB平臺,導(dǎo)入LS-40采集的原始路面紋理數(shù)據(jù),采用數(shù)字圖像處理技術(shù)提取路面紋理斷面高程輪廓線.本文隨機提取1條根據(jù)原始數(shù)據(jù)形成的斷面高程輪廓線(見圖5).由圖可知,斷面高程輪廓線中有大量針刺和毛刺現(xiàn)象,說明原始路面紋理數(shù)據(jù)中存在少量孤立噪聲和大量毛刺噪聲.因此,要提取較高精度的斷面高程輪廓線,需要去除路面紋理高程信息噪聲.

圖5 原始紋理斷面高程輪廓線

為了完整地保留路面紋理高程信息,采取平均曲率流光順?biāo)惴ㄈコ龍D5中原始斷面高程輪廓線中的噪聲,結(jié)果見圖6.由圖可知,孤點噪聲和毛刺噪聲已被消除,同時,紋理斷面高程輪廓線基本不變,細節(jié)特征(即微觀構(gòu)造)依舊清晰可見.由此說明平均曲率流光順?biāo)惴ň哂休^好的噪聲抑制效果,并能夠保證非噪聲特征信息的完整性.為驗證去噪算法的穩(wěn)定性,進行了大量斷面高程輪廓線去噪處理,結(jié)果顯示該算法的去噪效果較好.因此,本文采用平均曲率流光順?biāo)惴ㄒ种圃肼?

圖6 濾波后紋理斷面高程輪廓線

3.2 蒙特卡洛期望法

蒙特卡洛期望法是以概率統(tǒng)計理論為指導(dǎo)的數(shù)值計算方法,其重要應(yīng)用是求定積分,即求區(qū)間[a,b]曲線下方的面積.在區(qū)間[a,b]之間隨機取一點x時,可得該點的函數(shù)值f(x),然后用f(x)(b-a)粗略估計曲線下方面積.當(dāng)[a,b]之間取一系列點xi時(xi滿足均勻分布),將估算的面積取平均值,作為積分估計的近似值.隨著采樣點的增多,積分的估計值逐漸接近真實值.

按照蒙特卡洛積分思路,可以計算出所求區(qū)間曲線下方的面積S為

(1)

式中,N為采樣點數(shù)量.

3.3 MTD計算

基于數(shù)字圖像處理后的斷面高程輪廓,通過蒙特卡洛期望法建立數(shù)學(xué)模型,可以快速準確地求出瀝青路面斷面高程輪廓面積,進而求解出MTD.以第1斷面高程輪廓為例(見圖7),MTD求解步驟如下：

① 根據(jù)LS-40數(shù)據(jù)采集精度,確定D、C點之間的高程點數(shù)目N,通過蒙特卡洛期望法計算圖7中黑色區(qū)域面積Shq,即

(2)

式中,f(xi)為紋理斷面橫坐標(biāo)xi處對應(yīng)的高程值.

② 以斷面j輪廓線為例,通過計算該斷面四邊形ABCD與黑色區(qū)域的面積差值,便獲得斷面高程輪廓面積Sjd及其MTD值GjMTD,即

Sjd=SjABCD-Sjhq

(3)

式中,SjABCD為斷面j的四邊形ABCD面積；Sjhq為斷面j的黑色區(qū)域面積.

③ 依次計算所有輪廓斷面MTD值.所有斷面的MTD均值便是該測量瀝青路面區(qū)域的MTD值,即

(4)

圖7 斷面高程輪廓面積求解示意圖

式中,M為斷面高程輪廓線計算個數(shù).

其中,步驟②中直線AB的確定是計算面積SjABCD的關(guān)鍵.首先,選取一定水平距離的紋理斷面,將其斷面基準線平分為左右2個基準線,找出左右兩側(cè)基準線上各自最大值VMAX1、VMAX2,且選取最大值盡量靠近外側(cè)的情況,連接VMAX1和VMAX2,確定直線AB(見圖8).LS-40系統(tǒng)掃描的紋理斷面橫向長度約102 mm,本文提取數(shù)十條橫向斷面高程輪廓線進行對比,發(fā)現(xiàn)水平距離為40～60 mm的紋理基本符合直線AB的確定規(guī)則.根據(jù)水平距離0～40、40～60、60～102 mm三個范圍分別對提取的橫向斷面高程輪廓線進行細分,然后計算2條相似橫向斷面高程輪廓線形成的斷面四邊形面積SjABCD.結(jié)果顯示,水平距離為0～40和60～102 mm時,兩者的SjABCD值偏差較大；水平距離為40～60 mm時,兩者的SjABCD值較為接近.因此,選擇水平距離為40～60 mm的紋理確定直線AB更為合理.計算橫向斷面高程輪廓線形成的斷面四邊形面積SjABCD發(fā)現(xiàn),依據(jù)水平距離為0～40 mm時計算的SjABCD值較水平距離為40～60 mm時偏小,最終導(dǎo)致MTD值偏小；依據(jù)水平距離為60～102 mm時計算的SjABCD值較水平距離為40～60 mm時偏大,最終導(dǎo)致MTD值偏大.

圖8 直線AB確定示意圖

4 結(jié)果與分析

4.1 結(jié)果驗證

為驗證基于三維激光亞毫米精度的瀝青路面MTD測量方法的精度和普適性,選取AC-13、SMA-13、OGFC三種級配類型的車轍板,采用傳統(tǒng)的鋪砂法和LS-40軟件分別對同一瀝青路面區(qū)域進行數(shù)據(jù)采集,測量出路面構(gòu)造深度值,計算出兩者之間的相對誤差δ,即

(5)

式中,X、Y分別為鋪砂法和本文方法測量所得的MTD值.

同時,在同一區(qū)域采用擺式摩擦儀測定瀝青路面的抗滑值,計算其與鋪砂法構(gòu)造深度和本文方法構(gòu)造深度之間的相關(guān)系數(shù),即

(6)

3種類型車轍板各試件構(gòu)造深度和抗滑值測量結(jié)果見表2.抗滑值為換算成標(biāo)準溫度20 ℃時的擺值T20.

表2 鋪砂法和本文方法結(jié)果對比

將試驗數(shù)據(jù)代入式(5)和(6),對比本文方法與鋪砂法,可計算出3種類型車轍板構(gòu)造深度值的相對誤差值以及MTD值與T20的相關(guān)系數(shù),結(jié)果見表3.

表3 試驗數(shù)據(jù)分析結(jié)果

注：I為X與T20的相關(guān)系數(shù)；J為Y與T20的相關(guān)系數(shù).

通過上述試驗數(shù)據(jù)分析結(jié)果可知,不同級配混合料瀝青混凝土AC-13、SMA-13、OGFC的構(gòu)造深度的相對誤差值分別為6.63%、4.85%、5.09%.本文方法檢測的MTD值與抗滑值T20的相關(guān)系數(shù)高達0.97.結(jié)果表明,基于三維激光亞毫米精度測量瀝青路面構(gòu)造深度方法適用于各種類型瀝青路面,且MTD自動測量結(jié)果和鋪砂法一樣,與路面抗滑值具有高相關(guān)性.

4.2 結(jié)果比對

目前,研究人員利用激光斷面數(shù)據(jù)或表面三維紋理數(shù)據(jù)估算MTD的方法主要有激光法[7]和平面擬合算法[15].激光法通過激光視覺獲得瀝青路面斷面光條,并計算激光光條線所在斷面MPD,建立MPD與MTD的線性關(guān)系式,進而估算MTD,其相關(guān)系數(shù)的確定采用統(tǒng)計學(xué)回歸方法,根據(jù)經(jīng)驗總結(jié)而得,不同學(xué)者采用不同的相關(guān)系數(shù)值.平面擬合算法通過三維掃描系統(tǒng)獲取路面三維高度數(shù)據(jù),對高度數(shù)據(jù)矩陣進行擬合,確定對應(yīng)位置的高度值矩陣,兩者相減取絕對值獲得差值矩陣,對差值矩陣進行均值處理,最終獲得MTD值,其高度數(shù)據(jù)擬合精度影響最終MTD值.本文采用車轍板OGFC試驗數(shù)據(jù),對不同方法進行比對分析.結(jié)果顯示,本文方法估算的MTD相對誤差值為5.09%,激光法、平面擬合算法估算的MTD相對誤差值分別為6.34%、5.86%,由此表明本文方法估算的MTD值與鋪砂法檢測值更為接近,優(yōu)于另外2種算法.

5 結(jié)論

1) 針對常用瀝青路面構(gòu)造深度測量方法阻礙交通、精度受人為操作影響以及測量設(shè)備采集樣本數(shù)據(jù)點少等問題,本文采用三維激光技術(shù),提出了一種基于亞毫米精度測量瀝青路面構(gòu)造深度的方法.

2) 基于高精度三維紋理數(shù)據(jù),通過數(shù)字圖像處理技術(shù),提取瀝青路面斷面高程輪廓線,結(jié)合蒙特卡洛期望法的思想設(shè)計算法,完成瀝青路面平均構(gòu)造深度(MTD)的自動測量.

3) 針對不同級配瀝青路面,基于亞毫米精度測量法與鋪砂法兩者測得的MTD結(jié)果較為接近.試驗結(jié)果進一步證明,運用三維激光技術(shù)可以實現(xiàn)路面紋理的非接觸檢測,用于路面抗滑性能智能化評價.