路面三维检测技术研究

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1、路面三维检测技术研究王建锋1)，马建1)，马荣贵2),宋宏勋3)(长安大学汽车学院1）,西安710064)（长安大学信息工程学院2），西安710064）（长安大学光电技术应用研究所3），西安710064)摘要：为了建立一个信息完整、功能强大的路面三维数据库，以便完整、直观的评价路面质量，提出了一种基于激光位移传感器和陀螺仪的路面三维检测方法。该方法采用TCP/IP协议进行检测数据的实时高速传输，对检测到的激光传感器信号、加速度传感器信号和陀螺仪信号进行数据融合处理，用计算机技术重构出路面的三维形状，建立起路面的三维数据库。通过水准仪测量结果和激光检测系统测量结果对比证明，该方法可以测量整

2、个车道的路面形状，检测精度高，检测速度快。关键词：交通工程；道路三维形状；三维重构；激光检测；数据融合中国法分类号：U416.06；TP31950引言随着公路建设的飞速发展，社会上各类建筑企业纷纷涌入公路建设市场，这就要求路检部门对施工质量进行严格的控制；同时，随着交通运输的迅猛发展，以往的公路也需要进行维护。无论是新修道路的验收还是已修道路的维护，都需要对道路的质量进行系统的检测，只有掌握最新、最详细的道路质量信息，才能科学的对道路进行验收和维护。传统的道路评价一般采用路面平整度、车辙深度等指标。路面平整度不仅直接影响车辆行驶的安全性和舒适性【1-2】，而且影响公路运输的经济效益。通常

3、道路平整度采用国际平整度指数IRI作为检测和评定指标，IRI通过路面的横断面计算获得【3-4】；车辙深度直接反映道路的好坏和行车的安全性。车辙深度通过路面的横断面计算获得。对于道路管理部门来说，某时段道路路面平整度指数IRI值和车辙深度的大小固然值得关注，但更希望建立一个道路三维形状的数据库，通过此数据库能够直观的评价整段道路路面的质量。通过对路面形状三维数据库的分析和加工处理可以获得路面任意位置的纵断面和横断面信息，以及掌握各局部路段各时段的路面平整度指数IRI值和车辙深度的变化量及变化速率，为道路质量的评估和验收工作提供可靠、科学的基础数据。1检测原理1.1路面三维形状定义路面三维形

4、状模型是用一组点的X、Y、Z坐标的数字形式来描述地表空间分布形态的有序数值阵列，即把地形表面用一种密集网格点的高程来表示，存储在一个数据处理外围设备中，作为路形资料库，从中可以获得不同形式的计算输出，以用于对道路质量进行系统、完整的评价。X表示道路的横断面方向，Y表示道路的纵断面方向(行车方向)，Z表示路面的标高【5-6】。1.2路面三维形状检测方法通过安装在刚性梁上的多路激光位移传感器测量路面的横断面相对高程；通过安装在刚性梁两端的加速度传感器，测量刚性梁的振动量，并对测量的振动量进行两次积分得到刚性梁的振动位移，用此振动位移量对激光位移传感器测量值进行修正，得到路面小波长内的相对纵断

5、面高程。通过安装在检测车上的陀螺仪测量路面的地理趋势。把陀螺仪测量的道路地理信息与激光位移传感器和加速度传感器共同测量的路面小波长内的高程信息相互融合，计算出整个路面的三维形状。检测横断面时，每个横断面检测过程中检测横梁须保持统一的测量基准，但实际测量中由振动影响，检测横梁一直绕理想检测基准振动。如图1所示。55收稿日期：2009-11-04王建锋：男，28岁，博士，主要研究领域为：人-车-路系统工程以及道路交通安全改善国家自然科学基金（50908020）；国家西部交通建设科技项目(200431881213)；陕西自然科学基金项目（SJ08E215）资助5图1检测横梁倾斜时的横断面检测状

6、态设基准面横断面曲线T的方程为：（1）则由于检测横梁振动，测得的横断面曲线为（2）式中表示横梁相对于理想检测基准的倾角，表示横梁相对于理想基准的截距。要想得到横断面，必须求出和。通常采用线性矫正法得到路面的横断面。将检测得到横断面数据带入直线方程（3）得到（4）通过最小二乘法得到和。带入式（2）得（5）由式（5）即可准确计算横断面的车辙。但是上式求得的和不是统一的检测基准面，而是相对于横断面的线性回归基准面。每个横断面拥有自己的基准，各横断面之间没有统一的基准。因此，实际检测过程中只能检测横断面信息，无法获得准确的三维信息。要得到路面的三维曲面，必须增加纵断面标高信息【7-8】。为了得到

7、路面的三维信息，就要准确确定横断面检测中横梁相对于理想检测面的倾角和高度变化。通过在横梁上引入两点纵断面信息，就可以解决，模型见图2。图2横断面和纵断面结合的三维重建模型设纵断面控制点1的坐标为，纵断面控制点2的坐标为，因为该坐标相对于标准检测面，所以，根据该两点的位置变化能准确得到第i点各横断面倾斜参数和各点相对于基准面的高度变化。（6）（7）式中：j—横断面上第j个采样点；m—横断面上总的采集点数；—各点的振动因子；—各点相对于