段榮鑫

(內(nèi)蒙古交通設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010010)

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)近三十年來(lái)的高速發(fā)展，高等級(jí)公路的建設(shè)里程已經(jīng)位于世界前列，與此同時(shí)，早期建設(shè)的公路因?yàn)槭褂媚晗藓退幹車h(huán)境，路面破損問(wèn)題越來(lái)越突出。路面結(jié)構(gòu)層的變形加大、承受荷載的能力、耐久性、平整度與抗滑性能降低，致使車輛的安全速度降低、能量消耗增加、零部件磨損增大、碳排放增加，從而直接影響了公路的服務(wù)水平。以上這些問(wèn)題的解決必須依賴公路養(yǎng)護(hù)，而準(zhǔn)確的路面檢測(cè)就成為公路養(yǎng)護(hù)的前提條件,其中路面裂縫是衡量公路質(zhì)量最重要的一個(gè)指標(biāo)。路面裂縫是路面常見(jiàn)的破損狀態(tài)，包括縱向、橫向和網(wǎng)狀裂縫?，F(xiàn)階段，我國(guó)的高等級(jí)公路路面裂縫檢測(cè)還是以人工為主，這就導(dǎo)致了效率低、檢測(cè)人員不安全、檢測(cè)誤差大等情況。隨著計(jì)算機(jī)性能的提高和數(shù)字?jǐn)z像技術(shù)的發(fā)展，公路路面裂縫檢測(cè)技術(shù)也得到了發(fā)展。數(shù)字化的影像技術(shù)會(huì)使路面病害檢測(cè)和評(píng)估更加全面、準(zhǔn)確、實(shí)時(shí)。

1 國(guó)內(nèi)外數(shù)字化檢測(cè)的發(fā)展現(xiàn)狀

目前，各國(guó)技術(shù)人員對(duì)路面裂縫數(shù)字化自動(dòng)檢測(cè)技術(shù)進(jìn)行了很多相關(guān)的工作，這方面主要是利用前期攝像技術(shù)和后期的處理、識(shí)別技術(shù)，并以此開(kāi)發(fā)了基于計(jì)算機(jī)程序算法的路面裂縫檢測(cè)識(shí)別系統(tǒng)。數(shù)字化檢測(cè)識(shí)別系統(tǒng)包括路面信息收集系統(tǒng)和路面圖像信息分類識(shí)別系統(tǒng)。通過(guò)以上系統(tǒng)的協(xié)同工作，可以完成對(duì)路面已有裂縫的記錄、篩查、識(shí)別，保存具體位置，并可實(shí)時(shí)上傳存儲(chǔ)?，F(xiàn)在比較成熟的有日本的Komatsu系統(tǒng)、加拿大路德威(Roadware)公司生產(chǎn)的ARAN系統(tǒng)、澳大利亞的Hawkeye2000系統(tǒng)、美國(guó)的PCES 系統(tǒng)、瑞典的PAVUE系統(tǒng)等。

國(guó)內(nèi)對(duì)于公路路面病害尤其是裂縫數(shù)字自動(dòng)化檢測(cè)技術(shù)的工作研究發(fā)展較晚，大約開(kāi)始于20世紀(jì)90年代。隨著近年來(lái)公路總里程的不斷增加，國(guó)內(nèi)對(duì)于公路路面的養(yǎng)護(hù)和管理工作開(kāi)始得到重視，目前我國(guó)已經(jīng)開(kāi)發(fā)出具有相似功能的檢測(cè)系統(tǒng)，現(xiàn)在比較先進(jìn)的是南京理工大學(xué)開(kāi)發(fā)的JG-1型激光三維路面狀況智能檢測(cè)系統(tǒng)以及CiCS路況快速檢測(cè)系統(tǒng)，其中CiCS是我國(guó)完全知識(shí)產(chǎn)權(quán)，由交通部公路科學(xué)研究院牽頭研究開(kāi)發(fā)的路面檢測(cè)系統(tǒng)，它已經(jīng)通過(guò)國(guó)家各項(xiàng)檢測(cè)，并應(yīng)用到了許多省份的高等級(jí)公路路面病害檢測(cè)的工作中。

通過(guò)對(duì)比國(guó)內(nèi)外對(duì)于路面病害檢測(cè)技術(shù)發(fā)展研究，可以預(yù)見(jiàn)，基于數(shù)字影像技術(shù)和AI圖像自動(dòng)處理、識(shí)別的先進(jìn)科技將成為路面病害自動(dòng)檢測(cè)技術(shù)未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)。但是，目前國(guó)內(nèi)外還沒(méi)有開(kāi)發(fā)出一套適應(yīng)性強(qiáng)、全面可靠的綜合檢測(cè)系統(tǒng)，因此，雖然產(chǎn)品較多，然而由于各種原因的限制，已有的系統(tǒng)還不是很成熟，未能得以全面應(yīng)用。

2 TOF技術(shù)的特點(diǎn)

雖然目前基于影像視覺(jué)技術(shù)和數(shù)字圖像處理技術(shù)已經(jīng)比較成熟，但在路面檢測(cè)這種特殊的應(yīng)用場(chǎng)景下，尤其是在環(huán)境不斷發(fā)生變化或檢測(cè)時(shí)行駛速度不在規(guī)定的區(qū)間內(nèi)，現(xiàn)有的識(shí)別效果會(huì)急劇下降。由于目前大多采用的是CDD高分辨率成像，在采集時(shí)并沒(méi)有深度這個(gè)信息，這就導(dǎo)致必須依賴后期的圖像處理，不僅后期工作量大而且效率不高，準(zhǔn)確性也受到影響。近年來(lái)，隨著對(duì)于AI人工智能和深度信息測(cè)量技術(shù)的開(kāi)發(fā)，很多光學(xué)測(cè)量技術(shù)被開(kāi)發(fā)出來(lái)，他們都基于各種不同的技術(shù)實(shí)現(xiàn)了非接觸式三維深度的測(cè)量，這其中應(yīng)用比較成熟和廣泛的有TOF(Time of Flight)、結(jié)構(gòu)光和雙目立體成像。

表1 3種深度測(cè)量技術(shù)對(duì)比

這3種光學(xué)非接觸式的三維深度測(cè)量技術(shù)，它們各自采用的技術(shù)不同，技術(shù)規(guī)格也不盡相同。其中結(jié)構(gòu)光和雙目成像出現(xiàn)得比較早，而TOF即飛行時(shí)間法是近幾年出現(xiàn)的新技術(shù)，但它相對(duì)于前兩種深度測(cè)量技術(shù)有著不小的技術(shù)優(yōu)勢(shì)。由于TOF技術(shù)獨(dú)有的技術(shù)特征，可以預(yù)見(jiàn)它在路面病害檢測(cè)，尤其是路面裂縫測(cè)量上將有著很好地應(yīng)用。

3 TOF技術(shù)在路面裂縫檢測(cè)中應(yīng)用的可行性

TOF是Time of Flight的簡(jiǎn)稱，也叫飛行時(shí)間測(cè)距法，它由發(fā)光元件、光學(xué)部件、傳感接收器、控制電路以及處理電路等幾部單元組成。TOF發(fā)光元件向被測(cè)物體連續(xù)發(fā)射光脈沖，光被被測(cè)物體反射后由光學(xué)部件收到，這樣就有了光從發(fā)射到返回的時(shí)間差，依據(jù)這個(gè)時(shí)間差就可以知道被測(cè)物體表面的具體情況，在收到足夠多的光信息后，就可以對(duì)被測(cè)物體的表面進(jìn)行繪制。由于有了TOF攝像頭的作用，接收元件能夠比之前更快地獲取精度更高的景深信息和更大范圍的3D建模。相較于結(jié)構(gòu)光和雙目成像，被測(cè)物體的表面情況的細(xì)節(jié)和范圍都可以得到更好的反映。

圖1 TOF工作原理

通過(guò)光反射探測(cè)的TOF相機(jī)可以認(rèn)為是一種接收光脈沖的雷達(dá)系統(tǒng)，它通過(guò)光脈沖不停地照射和返回接收，像雷達(dá)一樣對(duì)空間中的物體進(jìn)行感知并繪制。TOF系統(tǒng)可以測(cè)量所有發(fā)出的光線從空間中的物體返回的時(shí)間，并將它與已有的影像照片相融合，借此創(chuàng)建包含影像信息和深度信息的空間被測(cè)物體的模型。

TOF技術(shù)采用主動(dòng)光探測(cè)方式，利用照射光信號(hào)與反射光信號(hào)的時(shí)間差來(lái)進(jìn)行距離的計(jì)算，所以，TOF的相機(jī)照到路面等被測(cè)物體后，得到不間斷的高頻圖像，可以建立整個(gè)路面的三維信息，從而不需要圖像后期處理即可繪制整個(gè)路面實(shí)際現(xiàn)狀，配合先進(jìn)的算法，可以快速檢測(cè)路面病害情況。

4 TOF路面裂縫檢測(cè)設(shè)備的集成

TOF檢測(cè)系統(tǒng)與雙目立體視覺(jué)或三角測(cè)量等系統(tǒng)相比，整個(gè)系統(tǒng)非常緊湊，與激光掃描系統(tǒng)相比，不需要機(jī)械運(yùn)動(dòng)部件，與傳統(tǒng)的激光測(cè)距相比能夠以一張鏡頭合成有深度信息的圖像。從TOF系統(tǒng)中的輸出信號(hào)中已經(jīng)有了空間的信息，僅需要很小的處理器單元即可完成提取，而其他光學(xué)非接觸式三維深度測(cè)量，需要非常繁復(fù)的算法，還需要更強(qiáng)大的處理器單元。另一方面，TOF相機(jī)可以不斷測(cè)量場(chǎng)景中的距離，可達(dá)到每秒160幀以上。

正是由于TOF的特點(diǎn)，使它能夠與道路裂縫檢測(cè)載體集成，雖然硬件成本較高，但是其算法開(kāi)發(fā)難度低、系統(tǒng)體積小，而且在集成多個(gè)攝像頭后，TOF裂縫檢測(cè)設(shè)備有更寬的掃描范圍和更高的精度。由于TOF檢測(cè)設(shè)備的體積小巧、掃描距離遠(yuǎn)，它不僅可以集成在汽車等地面行動(dòng)的載體上，還可以集成在無(wú)人機(jī)等飛行器上。

當(dāng)TOF系統(tǒng)使用無(wú)人機(jī)作為載體時(shí)，無(wú)人機(jī)上只需集成TOF相機(jī)、傳感器以及存儲(chǔ)設(shè)備，而復(fù)雜的計(jì)算與處理部分可以放到地面處理系統(tǒng)，使無(wú)人機(jī)部分不僅減少重量和體積，還只消耗很小的能量。由于無(wú)人機(jī)飛行高度的可調(diào)，使該系統(tǒng)能夠很好地適應(yīng)不同等級(jí)、不同寬度的公路，也能很好地適應(yīng)公路的平縱面線形。由于所生成的結(jié)構(gòu)是整個(gè)公路路面的裂縫分布情況，可以很好地依據(jù)我國(guó)瀝青路面裂縫評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)合我國(guó)路面管理系統(tǒng)，建立完善的路面裂縫評(píng)價(jià)系統(tǒng)，使此項(xiàng)技術(shù)能在我國(guó)得到更好的推廣應(yīng)用。

5 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)了解國(guó)內(nèi)外各種路面裂縫檢測(cè)技術(shù)可以知道，現(xiàn)階段國(guó)內(nèi)外還主要采用數(shù)字圖像處理技術(shù)識(shí)別路面裂縫，由于路面圖像特性，使它的準(zhǔn)確度有限。而TOF相機(jī)技術(shù)的使用，在路面檢測(cè)過(guò)程中可以建立整個(gè)路面的三維立體圖像。而且TOF的各項(xiàng)優(yōu)點(diǎn)使它可以很好地和各種載體集成，適應(yīng)各種不同的路況和環(huán)境要求。TOF集成系統(tǒng)可以符合我國(guó)各種高等級(jí)路面裂縫評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，最大程度地促進(jìn)我國(guó)高等級(jí)公路的養(yǎng)護(hù)和管理。