羅魯華

（廣州市衡正工程質(zhì)量檢測有限公司，廣東 廣州 510000）

1 二維檢測技術(shù)與三維檢測技術(shù)的發(fā)展

我國從20 世紀80 年代開始進行道路快速自動化檢測設(shè)備的學習和研究，經(jīng)過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車，主要集中在路面破損、路面平整度及路面車轍這三項指標的突破上。路面破損采集裝置（又稱路面病害視頻采集裝置），是通過對道路直射或者斜射完成圖片拍攝，得到路面圖像，依靠對圖像的識別完成在室內(nèi)路面損壞的統(tǒng)計（如圖1所示）。而路面平整度及路面車轍則是通過激光測距機（圖像式激光傳感器）通過對地面高程值的測量，獲取不同車輛姿態(tài)下、不同路面情況下的激光器對地高程，在后處理軟件中，通過算法進行數(shù)據(jù)濾波、優(yōu)化、計算得出路面平整度和車轍兩項標準。

圖1 路面破損檢測裝置及損壞識別

因此，在2005—2020 年這15 年間，這種依靠采集路面圖像進行破損指標檢測，從而對公路進行技術(shù)狀況評價的方式方法被稱為二維道路綜合檢測車，是國內(nèi)外最主流的檢測技術(shù)。

二維檢測技術(shù)經(jīng)過十幾年的發(fā)展，逐步升級為穩(wěn)定準確的檢測設(shè)備。但隨著我國從建設(shè)時代轉(zhuǎn)向養(yǎng)護時代，越來越多的路需要進行改擴建、越來越多的路需要養(yǎng)護大中修、越來越多的城市路需要進行淺層缺陷的評價，因此變形類的病害逐步成為公路養(yǎng)護人員關(guān)注的重點。二維檢測技術(shù)只能通過拍攝路面圖像識別路面裂縫類、損壞類病害，但對于如擁包、沉陷等變形類病害的識別能力較差。因此，三維檢測技術(shù)應(yīng)運而生。

三維檢測設(shè)備主要原理等同于傳統(tǒng)平整度和車轍的測量原理。單點的激光測距機是通過三角成像原理，拍攝激光點進行成像，再計算高程（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，再通過相機對激光線上所有的點進行拍照成像，最終得到橫斷面所有高程值，進而計算路面車轍（如圖3所示），這就是二維檢測技術(shù)中線激光圖像式車轍檢測技術(shù)。但這項技術(shù)存在很大的缺點：①不耐強光的干擾；②兩側(cè)最邊緣地方容易因激光衰減，產(chǎn)生成像問題，從而影響精度；③線激光和相機線容易發(fā)生錯位；④傾斜狀態(tài)下容易產(chǎn)生誤差等，因此國內(nèi)在大多國家公路網(wǎng)檢測和監(jiān)測項目中均采用多個點激光并排的技術(shù)進行路面車轍的測量。但線激光圖像車轍檢測技術(shù)為后來發(fā)展的三維技術(shù)提供了思路，如果每個橫斷面的縱向采樣頻率能達到一定的標準，就能夠得到每個橫斷面在縱向連續(xù)的斷面，即得到了路面上每個點的高程數(shù)據(jù)，進而可以進行三維建模，計算病害，這個思路持續(xù)了3～5年。2016年，國內(nèi)掀起了針對這項技術(shù)的討論，但在當時的硬件環(huán)境下，該技術(shù)路線根本無法實現(xiàn)。由于縱向采樣頻率達不到1mm的采樣間隔，因此在很長一段時間內(nèi)，這種理論僅能在時速40km/h的檢測速度下實現(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)再次走進人們的視線。

圖2 OPTIMESS激光傳感器及測距原理示意

圖3 線激光車轍原理

三維檢測技術(shù)即通過激光照明，相機同步進行拍攝，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）。三維路面檢測數(shù)據(jù)其特點為包含平面和深度信息，其優(yōu)勢是能夠更加立體地展示路面病害，比對于通?；诙S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。因此，三維路面自動識別技術(shù)方案與二維平面數(shù)據(jù)的自動識別既有相同特點也有不同特點。通常進行三維路面的自動識別，是基于深度圖像來進行數(shù)據(jù)處理與自動識別技術(shù)設(shè)計。深度圖像是指將常見二維圖像中的灰度信息使用深度值的表征來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技術(shù)弊端與優(yōu)勢

隨著道路檢測技術(shù)的逐步發(fā)展，二維檢測技術(shù)在檢測過程中逐步暴露出很多技術(shù)瓶頸的問題亟待解決，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。二維與三維檢測技術(shù)分別存在的弊端與優(yōu)勢見表1。

表1 二維與三維檢測技術(shù)分別存在的弊端和優(yōu)勢

現(xiàn)階段，隨著國內(nèi)外技術(shù)的不斷發(fā)展，二維和三維檢測技術(shù)的優(yōu)缺點也逐步讓從業(yè)者和專家所認知。因此，在《公路技術(shù)狀況評定標準》（JTG 5210—2018）的修訂中，并未對三維檢測強勢的變形類病害有所修訂；同樣，在《多功能路況快速檢測設(shè)備》（GB/T 26764—2011）的修訂評審意見中，廣泛調(diào)研了各地方專家的意見，給出的回復均是技術(shù)缺乏成熟的工程性試驗，不急于在國標中加入三維檢測設(shè)備。而在實際的工程應(yīng)用中，在各大設(shè)計院的改擴建，對沉陷、擁包類的病害愈發(fā)關(guān)注，需要實際的檢測數(shù)據(jù)進行支撐、城鎮(zhèn)道路方面，車轍類病害已經(jīng)不能滿足檢測需求，亟待加入變形類病害進行豐富。因此，基于各方面的要求、標準和工程實際訴求，推出二維和三維檢測融合技術(shù)，可有效解決上述問題，需要進行進一步的技術(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，二維與三維檢測融合技術(shù)可以較好地解決現(xiàn)階段的各方面問題，但缺點是要保留原二維檢測技術(shù)的設(shè)備，還要加裝三維檢測設(shè)備，導致造價成本較高。二維和三維檢測融合技術(shù)的技術(shù)優(yōu)勢具體包括以下五點：

（1）可以保留二維路面破損檢測裝置，從而保留根本的二維路面破損圖像，在經(jīng)過三維路面高程值不能判定裂縫與否的個別點上，可以通過復核二維圖像，經(jīng)過對二維圖像的人工識別確保準確率。二維圖像也可保留自動識別的算法和開發(fā)路線，在技術(shù)成熟后，可通過與三維自動識別的對比，得出結(jié)論并驗證結(jié)論。由于公路檢測采集的多樣性與復雜性，所采集深度圖像的表現(xiàn)千差萬別，在不同采集條件下，采集的數(shù)據(jù)圖像化后會有完全不同的表現(xiàn)，因此，需要合適的圖像增強算法來對圖像中的有用元素進行強化，同時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方法，其優(yōu)點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，使均衡過后的圖像亮度水平趨于一致，同時能明顯增強圖像的對比度，放大有用元素與無用背景的色差。因此，本項目中采用直方圖均衡的方法對圖像進行增強處理。

（2）可以進行路面變形類病害的自動識別。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，為了能夠相對有效地進行變形類損壞的識別，針對變形類損壞的主要特征，即相對明顯變形區(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，針對這種特征表述，設(shè)計坑槽、擁包以及沉陷類病害的檢測模型，通過模型的篩選，篩選出疑似區(qū)域，再對疑似區(qū)域進行最終的識別判定，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。

當二維和三維路面破損檢測技術(shù)同時保留時，可以完全擬合兩種檢測裝置采集的路面圖片和路面高程值灰度圖片，從而全方位地進行病害識別，識別效率和準確率大幅提高（如圖5）。

圖5 二維三維同時對病害進行采集效果對比

（3）路面車轍指標上，可通過保留二維檢測設(shè)備中的多點共梁形式路面車轍檢測裝置，如此不僅可以保留原有路面車轍檢測裝置的精度，還能對三維路面檢測裝置中同步采集的橫斷面高程值進行復核，逐步完善線激光（三維獲取高程值計算橫斷面）車轍檢測技術(shù)。將多點共梁式車轍檢測裝置的幾大優(yōu)勢逐步融入三維裝置中，包括橫斷面傾斜算法，及時計算傾斜角從而進行數(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，進行正常的計算。反之，也可通過三維描繪的橫斷面點云進行點車轍包絡(luò)線算法的驗證，完善二維的計算方法，提高精度。

（4）在數(shù)據(jù)量方面和數(shù)據(jù)點處理方面積累經(jīng)驗。雖然三維檢測技術(shù)現(xiàn)階段的問題較多，但仍是發(fā)展的主流方向。檢測過程中獲取三維數(shù)據(jù)點云較容易，但數(shù)據(jù)量大，如何挑選有用的數(shù)據(jù)需要進行試驗和探索。如果能將二維和三維的檢測技術(shù)相互融合，便解決了實際應(yīng)用性的問題，提取有效數(shù)據(jù)僅是時間問題。如縱向線提取數(shù)據(jù)點進行構(gòu)造深度的檢測和驗證、標識點或興趣范圍內(nèi)所有數(shù)據(jù)點的提取用于病害深入分析、自動生成病害清繪圖CAD等。

（5）有效開發(fā)三維的其他路面指標的檢測功能，如現(xiàn)階段三維檢測技術(shù)原則上可以提取任一斷面的高程數(shù)據(jù)，并擬合真實曲線，完全可以通過這種技術(shù)完善現(xiàn)階段《公路技術(shù)狀況評定標準》（JTG 5210—2018）中的路面跳車和路面磨耗等指標，通過多元化的觀察，可以判斷究竟是由于路面剝落造成的數(shù)據(jù)差異還是由于計算模型導致的差異，從根本上解決目前的部分檢測爭議問題，為客觀的檢測提供支持。

4 結(jié)語

綜上所述，二維與三維檢測融合技術(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別，以三維點云的自動識別技術(shù)完成大病害以及變形類病害的自動識別，保留現(xiàn)有二維道路綜合檢測車的激光反應(yīng)類測量方法，依靠二維、三維共同擬合道路橫斷面的技術(shù)進行路面車轍和路面平整度的檢測，并優(yōu)化算法及論證，能夠較好地解決現(xiàn)階段道路綜合檢測中的各種問題。