路面車轍檢測工作中三維線激光技術的應用

宋 雙

（中鐵十九局集團第二工程有限公司，遼寧遼陽 111000）

0 引言

路面養護是增強道路耐久性、營造良好通車環境的重要前提，需要選擇合適的技術準確檢測路面車轍。在道路工程發展初期階段，人工檢測方法得到廣泛應用，但有精度低、效率低的局限性。科學技術的發展促使激光傳感技術逐步被應用于道路工程領域，為路面車轍檢測提供了重要技術支持。

1 三維線激光檢測系統的組成及工作原理

路面車轍激光檢測技術有較多的細分形式，其中三維線激光檢測系統較為典型。激光器可提供光源，照相機則協同運行，確定被測路面上產生的光斑，最終完成檢測[1]。

激光器是重要的裝置，通常以結構光激光器為主，照相機則選擇市面上較普遍的CCD（Charge Coupled Device，電荷耦合器件）照相機。通過激光的作用可有效照射路面，若待檢測的區域內存在車轍，則形成的光線狀況將發生變化，即出現變形現象，根據檢測數據，通過軟件可以確定被測路面的平整情況；CCD 照相機則記錄三維圖像，經過處理后得到二維變形條紋圖像，再提取光條中心線，根據此信息創建車轍變形曲線，從而得到車轍的深度情況（圖1）。

圖1 中，a 為激光器與路表面虛交點至透鏡的距離，m；b 為透鏡至CCD 感光面的距離，m；θ 為路表面法線與成像鏡頭光軸的夾角，°；h'為像點在成像面上的位移，m。根據圖1 各項要素的幾何關系，確定車轍深度h，h=。

2 LMI 三維線激光檢測系統

2.1 系統組成

圖1 三維線激光檢測原理

圖2 LMI 三維線激光檢測系統在路面檢測中的應用

三維線激光檢測系統是路面車轍檢測中的新型方式，但采購成本較高，且在技術層面仍有深入的空間，因此在國內工程建設領域應用較少。值得一提的是，LMI 公司推出的三維線激光檢測系統具有突破性意義，具有性能良好、采購成本較低等特點，在國內有一定的市場份額（圖2）。

LMI 三維智能傳感器有兩種較為主流的形式，即Gocator2000 系列和Gocator2300：兩者的掃描效率較高，能夠與車輛高速行駛狀態相適應，且數據的準確性有保障；運行穩定性好，可有效抵御光照影響，可用于各種條件的路面工程。這兩類產品具有如下3 個特點。

（1）配置了激光器以及高度穩定的光學系統，由于采用的是出廠前標定方式，因此實際使用更為便捷，無需繁瑣的準備工作。

（2）傳感器的功能豐富，如激光測量和數據處理，在確定被測物的輪廓后可以將其轉化為三維坐標，期間可獨立運行，無需硬件支持，并且傳感器內置軟件，能與瀏覽器連接，對傳感器相機的控制更靈活。

（3）配備了全密閉鋁合金外殼，其防水等級達到IP67 級，在多種工業環境中均具有適用性，可以按照實際需求組合傳感器，靈活性更強。

路面車轍檢測的受擾因素較多，對路面檢測設備的要求較高：設備要有較高的掃描速度，以便與道路上高速行駛的車輛相適配，及時且準確地獲取車輛數據；配套的設備要具有較強的覆蓋能力，當路面存在粗糙現象時即可及時獲取數據；由于光照對路面車轍檢測的影響較大，設備要具備較強的抗光照干擾能力；在潮濕路面、新鋪路面等工程中均要具有適用性。

2.2 實際應用

下面則引入工程實例，圍繞三維線激光技術在路面車轍檢測中的應用展開探討。三維線激光傳感器是重要的裝置，掃描頻率為700 Hz，正常狀態下每秒可獲取高達700 個的圖像數據。本文所探討的案例中，選取規格為300 mm×300 mm×60 mm 的瀝青車轍板，對其展開測量工作。所用工具為精度0.1 mm 的游標卡尺，在其支持下確定車轍深度，并選取多個車轍位置，經計算后得到其平均值，將其作為最終結果。

從車轍板的轍槽底部來看，其較為平整，選擇該處的激光數據點，經整理后取均值，將所得結果作為車轍深度測量值。按照參數標定試驗結果，合理控制好三維線激光檢測設備的工作參數，曝光值1200 μs，架設高度1.4 m，檢測寬度1400 mm。

3 工程實踐

3.1 工程概況

某公路總長42 km，設計時速90 km/h，路面寬24.5 m。伴隨使用時間的延長，受行車荷載、降雨等因素的影響，局部路面出現車轍病害。為準確掌握病害類型，采取抽樣測量的方法，以手工直尺為主要工具檢測路面車轍深度，再整理兩邊和中間的測點所得到的深度，取其平均值，將所得結果作為測量真實值。此后，再使用LMI 三維線激光檢測系統進一步采集車轍深度數據，按照相同的參數采集4 次，計算所得結果的平均值，將該結果作為測量值。

3.2 檢測結果

根據上述檢測方法，將形成人工測量數據和系統檢測數據，按照JT/T 677—2009《車載式路面激光車轍儀》[2]展開計算分析，確定偏差系數（表1）。

根據上述內容得知，4 次測量結果產生的絕對誤差穩定在0.1～0.8 mm，并且相對誤差幾乎控制在2%以內。從檢測值偏差系數來看，也完全滿足規范“＜5%”的要求。由此說明，此處所選用的三維線激光設備工作狀態良好，具有較高的測量精度。以測量數據為基礎，對其展開相關性分析，綜合考慮真實值y和測量值x，創建兩項指標的線性回歸方程y=1.159 4x-2.074 9，并求得具體的相關系數R2=0.978 3。

表1 車轍測量值與人工測量真實值的對比結果

計算結果表明，此處的相關系數為0.978 3，滿足規范“相關系數大于0.90”的要求。

4 三維線激光技術應用的影響因素分析

從上述案例來看，對比測量值和表面平整度等級，可以發現兩者并非完全符合，結合表面激光數據重復穩定性不同值之間所具有的差異性情況，推測對激光數據特性造成不利影響的因素主要源自于表面色彩、構造深度等方面。

4.1 色彩的影響

從我國公路建設狀況來看，高速公路建設領域絕大部分都使用的是瀝青路面，顏色方面均呈黑色，且道路還設置了兩種標線，顏色呈黃色和白色。根據此特點，在激光檢測時易受到路面顏色的影響，伴隨此因素的變化所得到的檢測結果也存在差異。各顏色的測量值誤差不盡相同，具體關系為“黑色＞黃色＞白色”，表明激光測量在白色條件下可以有效控制誤差，黑色對激光測量精度的影響最為明顯。

4.2 構造深度的影響

現階段，三維線激光技術主要見于瀝青路面工程中，但在路面材料類型、粒徑、油石比等方面的影響下，最終路面表現出的構造深度具有差異性，也不利于三維線激光檢測結果的可靠性。并且，通過對道路表面構造的分析，能夠較為準確地呈現出路表孔隙情況。

經分析后得知，細孔瀝青路面所產生的正值誤差相對較大，但從負值誤差的角度來看，最明顯的則是粗孔瀝青路面。分析各自的置信區間，得知細孔、中孔和粗孔分別對應的是［-0.1，+0.1］、［-0.11，+0.11］和［-0.13，+0.13］，所以細孔瀝青路面的值最小，進一步說明在經過檢測后所得數據的誤差高度集中，檢測結果可以更為準確地反映真實情況，精度相對較高。基于對中孔和粗孔的進一步分析得知，其在99%置信區間呈現出依次增加的特點，因此應用三維線激光技術所得到的結果精度較好。

5 結束語

瀝青路面在長時間使用后易產生車轍病害，嚴重時易引發安全事故。本文探討三維線激光檢測技術在工程實例中的應用情況，得知其檢測結果精度較高，且在實際應用中有操作便捷的特點，有較顯著的應用效果，可用于路面車轍的檢測工作。