二維與三維檢測(cè)技術(shù)在道路綜合檢測(cè)中的應(yīng)用研究

羅魯華

（廣州市衡正工程質(zhì)量檢測(cè)有限公司，廣東 廣州 510000）

1 二維檢測(cè)技術(shù)與三維檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展

我國(guó)從20 世紀(jì)80 年代開(kāi)始進(jìn)行道路快速自動(dòng)化檢測(cè)設(shè)備的學(xué)習(xí)和研究，經(jīng)過(guò)10 余年的探索和研發(fā)，于2005年生產(chǎn)出了自主研發(fā)成果的道路快速檢測(cè)車(chē)，主要集中在路面破損、路面平整度及路面車(chē)轍這三項(xiàng)指標(biāo)的突破上。路面破損采集裝置（又稱路面病害視頻采集裝置），是通過(guò)對(duì)道路直射或者斜射完成圖片拍攝，得到路面圖像，依靠對(duì)圖像的識(shí)別完成在室內(nèi)路面損壞的統(tǒng)計(jì)（如圖1所示）。而路面平整度及路面車(chē)轍則是通過(guò)激光測(cè)距機(jī)（圖像式激光傳感器）通過(guò)對(duì)地面高程值的測(cè)量，獲取不同車(chē)輛姿態(tài)下、不同路面情況下的激光器對(duì)地高程，在后處理軟件中，通過(guò)算法進(jìn)行數(shù)據(jù)濾波、優(yōu)化、計(jì)算得出路面平整度和車(chē)轍兩項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)。

圖1 路面破損檢測(cè)裝置及損壞識(shí)別

因此，在2005—2020 年這15 年間，這種依靠采集路面圖像進(jìn)行破損指標(biāo)檢測(cè)，從而對(duì)公路進(jìn)行技術(shù)狀況評(píng)價(jià)的方式方法被稱為二維道路綜合檢測(cè)車(chē)，是國(guó)內(nèi)外最主流的檢測(cè)技術(shù)。

二維檢測(cè)技術(shù)經(jīng)過(guò)十幾年的發(fā)展，逐步升級(jí)為穩(wěn)定準(zhǔn)確的檢測(cè)設(shè)備。但隨著我國(guó)從建設(shè)時(shí)代轉(zhuǎn)向養(yǎng)護(hù)時(shí)代，越來(lái)越多的路需要進(jìn)行改擴(kuò)建、越來(lái)越多的路需要養(yǎng)護(hù)大中修、越來(lái)越多的城市路需要進(jìn)行淺層缺陷的評(píng)價(jià)，因此變形類的病害逐步成為公路養(yǎng)護(hù)人員關(guān)注的重點(diǎn)。二維檢測(cè)技術(shù)只能通過(guò)拍攝路面圖像識(shí)別路面裂縫類、損壞類病害，但對(duì)于如擁包、沉陷等變形類病害的識(shí)別能力較差。因此，三維檢測(cè)技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。

三維檢測(cè)設(shè)備主要原理等同于傳統(tǒng)平整度和車(chē)轍的測(cè)量原理。單點(diǎn)的激光測(cè)距機(jī)是通過(guò)三角成像原理，拍攝激光點(diǎn)進(jìn)行成像，再計(jì)算高程（如圖2所示）。隨著技術(shù)發(fā)展，技術(shù)人員逐步拓展思路，將大功率的激光器利用棱鏡分散，得到一條橫斷面的激光線，再通過(guò)相機(jī)對(duì)激光線上所有的點(diǎn)進(jìn)行拍照成像，最終得到橫斷面所有高程值，進(jìn)而計(jì)算路面車(chē)轍（如圖3所示），這就是二維檢測(cè)技術(shù)中線激光圖像式車(chē)轍檢測(cè)技術(shù)。但這項(xiàng)技術(shù)存在很大的缺點(diǎn)：①不耐強(qiáng)光的干擾；②兩側(cè)最邊緣地方容易因激光衰減，產(chǎn)生成像問(wèn)題，從而影響精度；③線激光和相機(jī)線容易發(fā)生錯(cuò)位；④傾斜狀態(tài)下容易產(chǎn)生誤差等，因此國(guó)內(nèi)在大多國(guó)家公路網(wǎng)檢測(cè)和監(jiān)測(cè)項(xiàng)目中均采用多個(gè)點(diǎn)激光并排的技術(shù)進(jìn)行路面車(chē)轍的測(cè)量。但線激光圖像車(chē)轍檢測(cè)技術(shù)為后來(lái)發(fā)展的三維技術(shù)提供了思路，如果每個(gè)橫斷面的縱向采樣頻率能達(dá)到一定的標(biāo)準(zhǔn)，就能夠得到每個(gè)橫斷面在縱向連續(xù)的斷面，即得到了路面上每個(gè)點(diǎn)的高程數(shù)據(jù)，進(jìn)而可以進(jìn)行三維建模，計(jì)算病害，這個(gè)思路持續(xù)了3～5年。2016年，國(guó)內(nèi)掀起了針對(duì)這項(xiàng)技術(shù)的討論，但在當(dāng)時(shí)的硬件環(huán)境下，該技術(shù)路線根本無(wú)法實(shí)現(xiàn)。由于縱向采樣頻率達(dá)不到1mm的采樣間隔，因此在很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)，這種理論僅能在時(shí)速40km/h的檢測(cè)速度下實(shí)現(xiàn)，直至2020年前后，硬件技術(shù)完成突破，縱向采樣頻率不再是技術(shù)瓶頸，三維技術(shù)再次走進(jìn)人們的視線。

圖2 OPTIMESS激光傳感器及測(cè)距原理示意

圖3 線激光車(chē)轍原理

三維檢測(cè)技術(shù)即通過(guò)激光照明，相機(jī)同步進(jìn)行拍攝，縱向連續(xù)采集獲得路面全方位的高程數(shù)據(jù)（如圖4所示）。三維路面檢測(cè)數(shù)據(jù)其特點(diǎn)為包含平面和深度信息，其優(yōu)勢(shì)是能夠更加立體地展示路面病害，比對(duì)于通常基于二維平面數(shù)據(jù)，三維路面數(shù)據(jù)在變形類損壞的判別上具有明顯的優(yōu)勢(shì)。因此，三維路面自動(dòng)識(shí)別技術(shù)方案與二維平面數(shù)據(jù)的自動(dòng)識(shí)別既有相同特點(diǎn)也有不同特點(diǎn)。通常進(jìn)行三維路面的自動(dòng)識(shí)別，是基于深度圖像來(lái)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理與自動(dòng)識(shí)別技術(shù)設(shè)計(jì)。深度圖像是指將常見(jiàn)二維圖像中的灰度信息使用深度值的表征來(lái)代替而形成的圖像信息。

圖4 全方位高程數(shù)據(jù)

2 平衡二維與三維檢測(cè)技術(shù)弊端與優(yōu)勢(shì)

隨著道路檢測(cè)技術(shù)的逐步發(fā)展，二維檢測(cè)技術(shù)在檢測(cè)過(guò)程中逐步暴露出很多技術(shù)瓶頸的問(wèn)題亟待解決，而三維技術(shù)也存在著不可逾越的技術(shù)瓶頸而不能進(jìn)一步加以工程應(yīng)用，這也是本文所論述的核心所在。二維與三維檢測(cè)技術(shù)分別存在的弊端與優(yōu)勢(shì)見(jiàn)表1。

表1 二維與三維檢測(cè)技術(shù)分別存在的弊端和優(yōu)勢(shì)

現(xiàn)階段，隨著國(guó)內(nèi)外技術(shù)的不斷發(fā)展，二維和三維檢測(cè)技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)也逐步讓從業(yè)者和專家所認(rèn)知。因此，在《公路技術(shù)狀況評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)》（JTG 5210—2018）的修訂中，并未對(duì)三維檢測(cè)強(qiáng)勢(shì)的變形類病害有所修訂；同樣，在《多功能路況快速檢測(cè)設(shè)備》（GB/T 26764—2011）的修訂評(píng)審意見(jiàn)中，廣泛調(diào)研了各地方專家的意見(jiàn)，給出的回復(fù)均是技術(shù)缺乏成熟的工程性試驗(yàn)，不急于在國(guó)標(biāo)中加入三維檢測(cè)設(shè)備。而在實(shí)際的工程應(yīng)用中，在各大設(shè)計(jì)院的改擴(kuò)建，對(duì)沉陷、擁包類的病害愈發(fā)關(guān)注，需要實(shí)際的檢測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行支撐、城鎮(zhèn)道路方面，車(chē)轍類病害已經(jīng)不能滿足檢測(cè)需求，亟待加入變形類病害進(jìn)行豐富。因此，基于各方面的要求、標(biāo)準(zhǔn)和工程實(shí)際訴求，推出二維和三維檢測(cè)融合技術(shù)，可有效解決上述問(wèn)題，需要進(jìn)行進(jìn)一步的技術(shù)探索。

3 二維與三維技術(shù)融合技術(shù)分析

從上段論述的內(nèi)容可以得出，二維與三維檢測(cè)融合技術(shù)可以較好地解決現(xiàn)階段的各方面問(wèn)題，但缺點(diǎn)是要保留原二維檢測(cè)技術(shù)的設(shè)備，還要加裝三維檢測(cè)設(shè)備，導(dǎo)致造價(jià)成本較高。二維和三維檢測(cè)融合技術(shù)的技術(shù)優(yōu)勢(shì)具體包括以下五點(diǎn)：

（1）可以保留二維路面破損檢測(cè)裝置，從而保留根本的二維路面破損圖像，在經(jīng)過(guò)三維路面高程值不能判定裂縫與否的個(gè)別點(diǎn)上，可以通過(guò)復(fù)核二維圖像，經(jīng)過(guò)對(duì)二維圖像的人工識(shí)別確保準(zhǔn)確率。二維圖像也可保留自動(dòng)識(shí)別的算法和開(kāi)發(fā)路線，在技術(shù)成熟后，可通過(guò)與三維自動(dòng)識(shí)別的對(duì)比，得出結(jié)論并驗(yàn)證結(jié)論。由于公路檢測(cè)采集的多樣性與復(fù)雜性，所采集深度圖像的表現(xiàn)千差萬(wàn)別，在不同采集條件下，采集的數(shù)據(jù)圖像化后會(huì)有完全不同的表現(xiàn)，因此，需要合適的圖像增強(qiáng)算法來(lái)對(duì)圖像中的有用元素進(jìn)行強(qiáng)化，同時(shí)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(qiáng)方法，其優(yōu)點(diǎn)是能夠比較好地適應(yīng)不同光照條件下拍攝的圖像的均衡化，使均衡過(guò)后的圖像亮度水平趨于一致，同時(shí)能明顯增強(qiáng)圖像的對(duì)比度，放大有用元素與無(wú)用背景的色差。因此，本項(xiàng)目中采用直方圖均衡的方法對(duì)圖像進(jìn)行增強(qiáng)處理。

（2）可以進(jìn)行路面變形類病害的自動(dòng)識(shí)別。變形類損壞與裂縫類損壞存在明顯區(qū)別，其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(duì)有效地進(jìn)行變形類損壞的識(shí)別，針對(duì)變形類損壞的主要特征，即相對(duì)明顯變形區(qū)域，其存在深度信息與周邊非變形區(qū)域相比，存在連續(xù)的、較大的差異，針對(duì)這種特征表述，設(shè)計(jì)坑槽、擁包以及沉陷類病害的檢測(cè)模型，通過(guò)模型的篩選，篩選出疑似區(qū)域，再對(duì)疑似區(qū)域進(jìn)行最終的識(shí)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(qū)域，并根據(jù)變形的特征，判斷變形類損壞的類型。

當(dāng)二維和三維路面破損檢測(cè)技術(shù)同時(shí)保留時(shí)，可以完全擬合兩種檢測(cè)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(jìn)行病害識(shí)別，識(shí)別效率和準(zhǔn)確率大幅提高（如圖5）。

圖5 二維三維同時(shí)對(duì)病害進(jìn)行采集效果對(duì)比

（3）路面車(chē)轍指標(biāo)上，可通過(guò)保留二維檢測(cè)設(shè)備中的多點(diǎn)共梁形式路面車(chē)轍檢測(cè)裝置，如此不僅可以保留原有路面車(chē)轍檢測(cè)裝置的精度，還能對(duì)三維路面檢測(cè)裝置中同步采集的橫斷面高程值進(jìn)行復(fù)核，逐步完善線激光（三維獲取高程值計(jì)算橫斷面）車(chē)轍檢測(cè)技術(shù)。將多點(diǎn)共梁式車(chē)轍檢測(cè)裝置的幾大優(yōu)勢(shì)逐步融入三維裝置中，包括橫斷面傾斜算法，及時(shí)計(jì)算傾斜角從而進(jìn)行數(shù)據(jù)回歸；包括異常值處理方法，確保數(shù)據(jù)中剔除異常點(diǎn)，進(jìn)行正常的計(jì)算。反之，也可通過(guò)三維描繪的橫斷面點(diǎn)云進(jìn)行點(diǎn)車(chē)轍包絡(luò)線算法的驗(yàn)證，完善二維的計(jì)算方法，提高精度。

（4）在數(shù)據(jù)量方面和數(shù)據(jù)點(diǎn)處理方面積累經(jīng)驗(yàn)。雖然三維檢測(cè)技術(shù)現(xiàn)階段的問(wèn)題較多，但仍是發(fā)展的主流方向。檢測(cè)過(guò)程中獲取三維數(shù)據(jù)點(diǎn)云較容易，但數(shù)據(jù)量大，如何挑選有用的數(shù)據(jù)需要進(jìn)行試驗(yàn)和探索。如果能將二維和三維的檢測(cè)技術(shù)相互融合，便解決了實(shí)際應(yīng)用性的問(wèn)題，提取有效數(shù)據(jù)僅是時(shí)間問(wèn)題。如縱向線提取數(shù)據(jù)點(diǎn)進(jìn)行構(gòu)造深度的檢測(cè)和驗(yàn)證、標(biāo)識(shí)點(diǎn)或興趣范圍內(nèi)所有數(shù)據(jù)點(diǎn)的提取用于病害深入分析、自動(dòng)生成病害清繪圖CAD等。

（5）有效開(kāi)發(fā)三維的其他路面指標(biāo)的檢測(cè)功能，如現(xiàn)階段三維檢測(cè)技術(shù)原則上可以提取任一斷面的高程數(shù)據(jù)，并擬合真實(shí)曲線，完全可以通過(guò)這種技術(shù)完善現(xiàn)階段《公路技術(shù)狀況評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)》（JTG 5210—2018）中的路面跳車(chē)和路面磨耗等指標(biāo)，通過(guò)多元化的觀察，可以判斷究竟是由于路面剝落造成的數(shù)據(jù)差異還是由于計(jì)算模型導(dǎo)致的差異，從根本上解決目前的部分檢測(cè)爭(zhēng)議問(wèn)題，為客觀的檢測(cè)提供支持。

4 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，二維與三維檢測(cè)融合技術(shù)能夠從路面破損出發(fā)，以二維配合三維完成裂縫類及微小病害的識(shí)別，以三維點(diǎn)云的自動(dòng)識(shí)別技術(shù)完成大病害以及變形類病害的自動(dòng)識(shí)別，保留現(xiàn)有二維道路綜合檢測(cè)車(chē)的激光反應(yīng)類測(cè)量方法，依靠二維、三維共同擬合道路橫斷面的技術(shù)進(jìn)行路面車(chē)轍和路面平整度的檢測(cè)，并優(yōu)化算法及論證，能夠較好地解決現(xiàn)階段道路綜合檢測(cè)中的各種問(wèn)題。