道路綜合檢測(cè)技術(shù)二維、三維融合技術(shù)研究

王 青

（西安中交一公院瑞通科研試驗(yàn)檢測(cè)有限公司，陜西西安 710065）

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 年代就開始進(jìn)行道路快速自動(dòng)化檢測(cè)設(shè)備的研究，在2005 年左右就生產(chǎn)出了自主研發(fā)的道路快速檢測(cè)車，主要集中在路面破損、路面平整度及路面車轍這3 項(xiàng)指標(biāo)的突破上。路面破損采集裝置是通過(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)。而路面平整度及路面車轍則是通過(guò)激光測(cè)距機(jī)對(duì)地面高程值的測(cè)量，獲取不同車輛運(yùn)動(dòng)狀態(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轍兩項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)。

二維檢測(cè)技術(shù)通過(guò)十幾年的發(fā)展，逐步變成穩(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，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)于變形類病害確實(shí)沒(méi)有太好的辦法，比如擁包和沉陷。因此，三維檢測(cè)技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。三維檢測(cè)技術(shù)其主要原理等同于傳統(tǒng)平整度和車轍的測(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，隨著技術(shù)發(fā)展，技術(shù)人員逐步拓展思路，將一個(gè)大功率的激光器進(jìn)行棱鏡分散，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)算路面車轍，這就是二維檢測(cè)技術(shù)中線激光圖像式車轍檢測(cè)技術(shù)。線激光圖像車轍檢測(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)橫斷面在縱向采樣頻率能達(dá)到，那么就相當(dāng)于得到每個(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)就掀起了這項(xiàng)技術(shù)的討論，先不說(shuō)至今三維技術(shù)也不具備大面積應(yīng)用推廣的條件，在當(dāng)時(shí)的硬件環(huán)境下，根本也不滿足這個(gè)技術(shù)路線，主要因?yàn)榭v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，這種理論僅存在于時(shí)速40km/h 的檢測(cè)速度下實(shí)現(xiàn)，直到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)人們視線。

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)。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，相較于二維平面數(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)。通常我們進(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。

2.技術(shù)難點(diǎn)：如何平衡二維與三維檢測(cè)技術(shù)的弊端和優(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)瓶頸有待待解決，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)一步加以應(yīng)用，這也是本文所論述的核心所在，下面我們來(lái)比較二維與三維檢測(cè)技術(shù)分別存在的弊端和優(yōu)勢(shì)[1]。

2.1 二維檢測(cè)技術(shù)

優(yōu)勢(shì)：（1）在車轍檢測(cè)技術(shù)上，具備單點(diǎn)精度優(yōu)勢(shì)；（2）在病害識(shí)別技術(shù)上存在準(zhǔn)確性，通過(guò)人工識(shí)別可有效避免誤識(shí)別。

弊端：（1）不能進(jìn)行變形類病害的識(shí)別，技術(shù)狀況評(píng)定過(guò)程中的病害較為單一，不能夠滿足日益增長(zhǎng)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(shí)別技術(shù)一直存在技術(shù)壁壘，很難突破基于圖像的裂縫自動(dòng)識(shí)別，很難在不依靠高程數(shù)據(jù)的情況下完成變形類、裂縫類全病害自動(dòng)識(shí)別；（3）系統(tǒng)集成度較低，成本較高。

2.2 三維檢測(cè)技術(shù)

優(yōu)勢(shì)：（1）在病害識(shí)別技術(shù)上，可以進(jìn)行大病害的自動(dòng)識(shí)別；可以完成變形類病害識(shí)別，豐富了原有公路技術(shù)狀況評(píng)價(jià)體系；（2）原則上，在技術(shù)成熟后，完全可以替代二維的點(diǎn)車轍檢測(cè)技術(shù)和平整度檢測(cè)技術(shù)，成本大大降低。

弊端：（1）現(xiàn)階段技術(shù)不成熟，不能完全實(shí)現(xiàn)全病害的自動(dòng)識(shí)別；（2）在線激光明顯問(wèn)題未得到基本解決前，不能替代二維的車轍與平整度檢測(cè)裝置；（3）三維技術(shù)數(shù)據(jù)量存儲(chǔ)較大，能否有效提取三維數(shù)據(jù)中的核心數(shù)據(jù)是三維檢測(cè)技術(shù)取得突破性成就的關(guān)鍵，但現(xiàn)階段數(shù)據(jù)量較大，應(yīng)用性較小。

現(xiàn)階段，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)》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》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)缺乏成熟性的工程性試驗(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，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，車轍已經(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)，可有效地解決上述問(wèn)題，可以進(jìn)行進(jìn)一步的技術(shù)探索。

2.3 評(píng)價(jià)二三維檢測(cè)系統(tǒng)的優(yōu)劣勢(shì)

本文旨在對(duì)二維檢測(cè)技術(shù)路線和三維檢測(cè)技術(shù)路線進(jìn)行論證，通過(guò)優(yōu)劣勢(shì)的判定，通過(guò)去弱留強(qiáng)，摸清新一代道路綜合檢測(cè)技術(shù)的方向，具體技術(shù)問(wèn)題如下[2]：（1）是否保留二維破損檢測(cè)技術(shù)，現(xiàn)有三維的破損檢測(cè)技術(shù)能否完全替代二維破損檢測(cè)技術(shù)。（2）如果二維檢測(cè)技術(shù)在精度上、流程上仍比較三維技術(shù)而言具有優(yōu)勢(shì)，能否改進(jìn)二維破損的檢測(cè)技術(shù)，使之在變形類病害的檢測(cè)上有所突破。（3）二維和三維車轍檢測(cè)技術(shù)在不同測(cè)試環(huán)境下的重復(fù)性，準(zhǔn)確性；通過(guò)驗(yàn)證準(zhǔn)確性和重復(fù)性確定選用哪種車轍檢測(cè)技術(shù)。（4）三維檢測(cè)技術(shù)如果在精度和技術(shù)路線上均占有優(yōu)勢(shì)，那么如何處理大數(shù)據(jù)量的三維數(shù)據(jù)，提取有用信息較為重要。（5）三維檢測(cè)數(shù)據(jù)量中能否提取有效數(shù)據(jù)進(jìn)行其他指標(biāo)的技術(shù)分析。

3.解決問(wèn)題的思路：驗(yàn)證破損能否融合，車轍數(shù)據(jù)論證

（1）二維檢測(cè)技術(shù)和三維檢測(cè)技術(shù)在路面破損此項(xiàng)指標(biāo)上具有明顯的技術(shù)分別，雙方的優(yōu)缺點(diǎn)均是不能互補(bǔ)解決的，因此，保留二維和三維檢測(cè)技術(shù)是現(xiàn)階段更能有效進(jìn)行檢測(cè)的辦法。（2）通過(guò)試驗(yàn)論證二維和三維檢測(cè)技術(shù)，在車轍指標(biāo)上的差異性大小，如果差異性較大，那么保留技術(shù)精準(zhǔn)的二維車轍檢測(cè)技術(shù)，如果差異性不大，則去除價(jià)格較高昂的多點(diǎn)共梁車轍檢測(cè)裝置。

4.具體解決問(wèn)題的技術(shù)方案：二維與三維技術(shù)融合技術(shù)分析

從文章第二段論述的內(nèi)容可以得出結(jié)論，二維和三維檢測(cè)融合技術(shù)，可以很好地解決現(xiàn)階段的各方面問(wèn)題，唯一的缺點(diǎn)就是要保留原二維檢測(cè)技術(shù)的設(shè)備，還需加裝三維檢測(cè)設(shè)備，使得造價(jià)成本比較高。具體從5 個(gè)方面來(lái)看其具體的技術(shù)優(yōu)勢(shì)。

（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，使得均衡過(guò)后的圖像其亮度水平趨于一致，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線區(qū)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(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，在對(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)，我們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)確率大大提高（見(jiàn)圖1）。

圖1 二維三維同時(shí)對(duì)病害進(jìn)行采集效果對(duì)比

（3）路面車轍指標(biāo)上，可以通過(guò)保留二維檢測(cè)設(shè)備中的多點(diǎn)共梁路面車轍檢測(cè)裝置，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）車轍檢測(cè)技術(shù)。將多點(diǎn)共梁車轍檢測(cè)裝置的幾大優(yōu)勢(shì)逐步融入到三維裝置中，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)。三維檢測(cè)技術(shù)現(xiàn)階段的問(wèn)題雖然比較多，但畢竟是發(fā)展的主流方向。檢測(cè)過(guò)程中獲取三維數(shù)據(jù)點(diǎn)云是容易的，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，解決實(shí)際應(yīng)用性的問(wèn)題，那么數(shù)據(jù)量提取有效數(shù)據(jù)僅僅是時(shí)間問(wèn)題。如縱向數(shù)據(jù)點(diǎn)進(jìn)行構(gòu)造深度的檢測(cè)、驗(yàn)證；如標(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)生成病害分布圖CAD 等。

（5）有效開發(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)可以原則上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)》中的路面跳車和路面磨耗等指標(biāo)，通過(guò)多元化的觀察，判斷到底是路面剝落造成的數(shù)據(jù)差異還是計(jì)算模型導(dǎo)致的差異，可以解決目前部分的檢測(cè)爭(zhēng)議問(wèn)題。

綜上所述，二維和三維檢測(cè)融合技術(shù)可有效進(jìn)行技術(shù)過(guò)渡期的工程驗(yàn)證和保證實(shí)際工程使用，對(duì)后續(xù)開發(fā)完善的三維檢測(cè)技術(shù)積累寶貴的經(jīng)驗(yàn)，為完善三維檢測(cè)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性提供了可參考性和比對(duì)基礎(chǔ)。

5.結(jié)語(yǔ)

二維與三維檢測(cè)融合技術(shù)可以較好地解決現(xiàn)階段設(shè)備的問(wèn)題和發(fā)展方向，從破損方面出發(fā)，以人工復(fù)核，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。路面車轍和路面平整度保留現(xiàn)有二維道路綜合檢測(cè)車的激光反應(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)，加以優(yōu)化算法及論證。最后，該項(xiàng)技術(shù)為三維數(shù)據(jù)量獲取有效數(shù)據(jù)、點(diǎn)云數(shù)據(jù)的濾波去除雜質(zhì)提供有效的工程驗(yàn)證時(shí)間，為三維的應(yīng)用積累寶貴的經(jīng)驗(yàn)，為道路自動(dòng)化檢測(cè)指明方向，取得突破。