基于無人機(jī)實(shí)景建模的機(jī)場道路路基平整度檢測與分析研究

劉 穎 張 勇 盧 吉， 周 誠

(1.華中科技大學(xué) 土木與水利工程學(xué)院，武漢 430074； 2.武漢市市政建設(shè)集團(tuán)有限公司，武漢 430056)

引言

路基平整度是指在道路施工過程中，路基面縱向的凹凸量的偏差值，是控制路面平整度的一種重要手段，也是保證施工穩(wěn)定性和安全性的重要措施。路基平整度關(guān)系到道路路基層施工的準(zhǔn)確性以及路基層壓實(shí)性能，對道路整體驗(yàn)收質(zhì)量有重要影響[1]。此外，機(jī)場路基平整性關(guān)系到飛機(jī)起飛降落的安全、平穩(wěn)舒適以及路面所能承受沖擊力的大小和使用壽命，因此，為確保飛機(jī)起飛降落安全，機(jī)場道路需要對路面平整度進(jìn)行控制，確保平整度符合施工技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和要求[2]。

近年來，三維激光掃描技術(shù)應(yīng)用于平整度檢測引起了相關(guān)學(xué)者的關(guān)注，趙玉臣等利用激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)檢測墻面平整度[3]； 李偉等利用地面三維激光掃描技術(shù)進(jìn)行道路平整度的研究[4]； 高仁強(qiáng)等利用機(jī)載激光雷達(dá)對新疆某一道路建立三維地形表面模型，進(jìn)行平整度可視化表達(dá)[5]。目前，路面平整度的檢測方法仍然是利用3m直尺或者車載激光平整度檢測儀，三米直尺檢測的原理是每200m測試兩處，每處連續(xù)10尺，利用三米直尺進(jìn)行最大間隙的檢測和計(jì)算[6]； 車載激光平整度檢測是利用激光位移傳感器檢測四分之一車輪沿某一車道的路面高程變化[7]，目前的檢測方法僅僅利用選取的個(gè)別點(diǎn)或者個(gè)別車道線的平整度反映整條道路的平整性，使得平整度檢測存在片面性。

綜上所述，目前缺乏一種針對道路全場、全過程的平整度檢測的方法，因此本文提出了利用無人機(jī)掃描道路，通過實(shí)景建模得到道路的三維實(shí)景模型，在此基礎(chǔ)上可得到道路的三維高程曲面圖并進(jìn)行任意車道和路線的國際平整度指數(shù)(IRI)計(jì)算，從而進(jìn)行路基平整度檢測。為證明該方法的可行性，依托武漢某機(jī)場項(xiàng)目的滑行道進(jìn)行路基平整度檢測實(shí)驗(yàn)。

1 機(jī)場路基平整度檢測方案

1.1 工程概況

為了驗(yàn)證無人機(jī)實(shí)景建模進(jìn)行平整度檢測方法的可行性，選取武漢某機(jī)場飛行區(qū)擴(kuò)建項(xiàng)目滑行道作為實(shí)驗(yàn)場地，利用車載激光平整度檢測儀和無人機(jī)實(shí)景建模兩種檢測方法，進(jìn)行平整度的檢測。該機(jī)場位于武漢市漢南區(qū)，位于長江左岸的一級階地，場地地形較為平坦，地面標(biāo)高為22.88～23.86m，總施工面積達(dá)到200萬m2，該項(xiàng)目按照結(jié)構(gòu)形式分為停機(jī)坪、垂直聯(lián)絡(luò)道、滑行道以及跑道等(圖1)。

圖1 某機(jī)場滑行道施工現(xiàn)場實(shí)景圖

圖2 車載激光平整度實(shí)驗(yàn)布置方案

1.2 實(shí)驗(yàn)段檢測方法

本機(jī)場擴(kuò)建項(xiàng)目主要分為跑道和滑行道，其中滑行道寬度為18m，兩側(cè)道肩分別寬3.5m，總寬25m，本實(shí)驗(yàn)選取寬為18m，長度為350m，總實(shí)驗(yàn)面積為6 300m2的滑行道路基進(jìn)行平整度檢測。

本次實(shí)驗(yàn)選取的滑行道處于第一層水穩(wěn)，已經(jīng)完成水穩(wěn)攤鋪和壓實(shí)并且無養(yǎng)護(hù)布遮蓋，路基面沒有因降塵灑水而導(dǎo)致路面潮濕，保證了激光檢測以及無人機(jī)掃描的清晰性。首先利用車載激光平整度檢測儀進(jìn)行檢測，其次再進(jìn)行無人機(jī)掃描實(shí)景建模，并保證兩種實(shí)驗(yàn)方法下的實(shí)驗(yàn)條件相同。

(1)車載激光平整度檢測方法

車載激光平整度檢測儀進(jìn)行路基面平整度檢測的原理是利用激光位移傳感器測量路面高程，獲得路面與其沿線物的三維信息，最終得到國際平整度指標(biāo)，單位為m/km。車載激光平整度檢測的具體方法如下：在16m*350m的實(shí)驗(yàn)場地上，根據(jù)13路激光檢測設(shè)備和檢測車輛型號以及實(shí)驗(yàn)段的路基寬度，在豎直方向上平均劃分為0～4m、4～8m、8～12m、12～16m的4條車道，并在檢測車上安裝激光檢測儀； 檢測車按照30～60km/h的設(shè)計(jì)時(shí)速，從實(shí)驗(yàn)起點(diǎn)行駛至實(shí)驗(yàn)終點(diǎn)，并以10m為采樣間隔進(jìn)行4條實(shí)驗(yàn)車道平整度的檢測。

(2)無人機(jī)實(shí)景建模平整度檢測方法

圖3 無人機(jī)檢測平整度流程圖

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.1 車載激光平整度檢測結(jié)果

車載激光平整度檢測實(shí)驗(yàn)中，共4條車道，每條車道分為左右兩條車轍，得到平整度檢測數(shù)據(jù)。由于車輛在行駛過程中會出現(xiàn)偏離預(yù)定車道或者間斷測量等情況，使得獲取的激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)不能完全真實(shí)地反映被掃描路基面的表面信息，對于一些干擾噪聲點(diǎn)需要對獲取的激光點(diǎn)云進(jìn)行濾波處理，剔除極端點(diǎn)之后的車載激光平整度檢測儀得到的國際平整度檢測值能夠較為真實(shí)的反應(yīng)被測車道的路基面平整度。根據(jù)以上所述，經(jīng)過數(shù)據(jù)預(yù)處理得到的車載激光平整度檢測結(jié)果示意圖如圖4所示。

圖4 車載激光平整度檢測結(jié)果

根據(jù)車載激光平整度檢測儀的檢測數(shù)據(jù)可知，2車道在130～150m和220～250m的平整度有較大起伏變化，除此之外，實(shí)驗(yàn)路段的國際平整度指數(shù)均在0.5～2.0之間，波動(dòng)起伏不大，實(shí)驗(yàn)路段路基面整體較為平整。根據(jù)車載激光平整度檢測儀得到的檢測數(shù)據(jù)，并依據(jù)《公路路基路面現(xiàn)場測試規(guī)程》(JTG 3450—2019)和《公路工程質(zhì)量檢驗(yàn)評定標(biāo)準(zhǔn)》(JTG F80/1—2017)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，進(jìn)行路基面平整度檢測指標(biāo)分析，具體見表1。

表1 車載激光平整度指標(biāo)分析

分析結(jié)果表明每車道的國際平整度指數(shù)的平均值在1.000～1.400范圍內(nèi)，標(biāo)準(zhǔn)差在0.300～0.500之內(nèi)，IRI合格段數(shù)均為35，IRI合格率為95%～99%，因此路基面平整度良好，滿足了機(jī)場路基面的平整度質(zhì)量檢驗(yàn)的要求。

2.2 無人機(jī)實(shí)景建模平整度檢測實(shí)驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)無人機(jī)掃描得到的照片，劃分空中三角形，并按照精度要求確定60%～90%的采樣率并進(jìn)行實(shí)景建模，得到實(shí)驗(yàn)路基面的三維實(shí)景模型，具體見圖5。

圖5 三維實(shí)景模型

在三維實(shí)景模型中，首先根據(jù)標(biāo)記點(diǎn)確定車載實(shí)驗(yàn)對應(yīng)車道的車轍線，在車轍線上選取樣本點(diǎn)，設(shè)置樣本點(diǎn)的間隔為5cm，獲取各樣本點(diǎn)的高程信息，形成高程散點(diǎn)圖，相對大多無人機(jī)攝影而言，本次實(shí)驗(yàn)的無人機(jī)航行高度僅為10m，對于樣本點(diǎn)的高程精度可以達(dá)到0.0001m即0.1mm。以1車道右側(cè)車轍的高程數(shù)據(jù)為例，形成高程散點(diǎn)圖，如圖6。

圖6 1車道右側(cè)高程散點(diǎn)圖

圖7 無人機(jī)實(shí)景建模檢測結(jié)果

以10m為采樣間隔進(jìn)行無人機(jī)實(shí)景建模檢測，得到以上的平整度檢測結(jié)果。根據(jù)圖7無人機(jī)實(shí)景建模進(jìn)行平整度檢測的結(jié)果的可知，4條車道整體平整度較好，除1車道右側(cè)在0～30m的路段平整度變化較大之外，其他車道在0～150m路段的平整度較好，在150～350m的IRI檢測值起伏較大，路基面存在凹凸不平。根據(jù)無人機(jī)檢測結(jié)果，依據(jù)《公路路基路面現(xiàn)場測試規(guī)程》(JTG 3450—2019)和《公路工程質(zhì)量檢驗(yàn)評定標(biāo)準(zhǔn)》(JTG F80/1—2017)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，進(jìn)行路基面平整度檢測指標(biāo)分析，具體見表2。

表2 無人機(jī)檢測平整度結(jié)果分析

3 車載激光平整度檢測與無人機(jī)實(shí)景建模檢測結(jié)果比對

3.1 結(jié)果比對

車載激光檢測和無人機(jī)實(shí)景建模兩種實(shí)驗(yàn)得到的平整度檢測結(jié)果如圖8所示，根據(jù)圖8觀察可知，在0～30m的1車道右側(cè)以及150～300m的4車道左右兩側(cè)檢測結(jié)果存在較大的差別。觀察三維實(shí)景模型中對應(yīng)車道的部分，究其原因1車道右側(cè)部分地面存在水漬，路面較為潮濕，無人機(jī)掃描時(shí)可能存在水面反光、照片不清晰等誤差； 4車道為施工車輛行駛車道，在無人機(jī)掃描過程中有施工車輛來回運(yùn)輸，使得照片存在陰影以及重疊率降低并對建模精度可能有一定影響； 以上所述可能為誤差存在的主要原因。因此首先手動(dòng)排查照片存在的問題，除去部分不清晰以及誤差較大的照片，在誤差允許的范圍內(nèi)進(jìn)行補(bǔ)拍，利用無人機(jī)實(shí)景建模的檢測結(jié)果與車載激光檢測的方法實(shí)驗(yàn)結(jié)果是相似的，可以通過無人機(jī)實(shí)景建模的方法反映路面的

圖8 車載激光檢測與無人機(jī)實(shí)景建模檢測結(jié)果示意圖

平整度，并且該方法在一定程度上可以替代車載激光平整度檢測的方法。

3.2 無人機(jī)全路段的平整度檢測

相比于車載激光平整度檢測的方法，利用無人機(jī)建模的一大優(yōu)勢是可以得到道路全場區(qū)的任意樣本點(diǎn)高程數(shù)據(jù)，并形成三維空間的全路段相對高程曲面圖，達(dá)到道路全場景平整度檢測的目的，不再限制于檢測車只能檢測車轍所在直線的平整度，如圖9所示。

圖9 全路段相對高程曲面圖

全路段相對高程曲面圖是在準(zhǔn)確獲取任意點(diǎn)實(shí)際高程的基礎(chǔ)上，找到檢測路段的最小高程，能夠準(zhǔn)確形象地反映出被檢測道路的起伏變化，該機(jī)場滑行道的相對高程在0.05m范圍內(nèi)，并且本實(shí)例的測量精確度可以達(dá)到毫米級。根據(jù)無人機(jī)實(shí)景建模的結(jié)果得到全路段高程曲面圖，并根據(jù)檢測路段的要求設(shè)置樣本點(diǎn)間隔，進(jìn)而根據(jù)國際平整度指數(shù)的計(jì)算公式得到任意縱截面的IRI檢測值，實(shí)現(xiàn)全路段任意截面的平整度檢測。

4 結(jié)論

本文以武漢市漢南機(jī)場滑行道路基面為例，對平整度檢測進(jìn)行了相關(guān)研究，通過車載激光平整度檢測儀與無人機(jī)實(shí)景建模兩種平整度檢測方法的檢測結(jié)果對比分析結(jié)果如下：

(1)證明了利用無人機(jī)實(shí)景建模并進(jìn)行IRI指標(biāo)計(jì)算，是可以進(jìn)行道路平整度檢測的，并且該方法的檢測結(jié)果對于現(xiàn)有檢測結(jié)果而言具有一定的可參考性；

(2)此外，根據(jù)地面分辨率反算航拍高度并利用無人機(jī)實(shí)景建模的方法能夠獲取全路面的高程信息，在本實(shí)例中精確度可達(dá)到0.1mm，在保障精度的同時(shí)實(shí)現(xiàn)全路段的平整度檢驗(yàn)，克服了現(xiàn)階段平整度檢測片面性和偶然性的缺點(diǎn)。