路面车辙检测工作中三维线激光技术的应用

宋 双

（中铁十九局集团第二工程有限公司，辽宁辽阳 111000）

0 引言

路面养护是增强道路耐久性、营造良好通车环境的重要前提，需要选择合适的技术准确检测路面车辙。在道路工程发展初期阶段，人工检测方法得到广泛应用，但有精度低、效率低的局限性。科学技术的发展促使激光传感技术逐步被应用于道路工程领域，为路面车辙检测提供了重要技术支持。

1 三维线激光检测系统的组成及工作原理

路面车辙激光检测技术有较多的细分形式，其中三维线激光检测系统较为典型。激光器可提供光源，照相机则协同运行，确定被测路面上产生的光斑，最终完成检测[1]。

激光器是重要的装置，通常以结构光激光器为主，照相机则选择市面上较普遍的CCD（Charge Coupled Device，电荷耦合器件）照相机。通过激光的作用可有效照射路面，若待检测的区域内存在车辙，则形成的光线状况将发生变化，即出现变形现象，根据检测数据，通过软件可以确定被测路面的平整情况；CCD 照相机则记录三维图像，经过处理后得到二维变形条纹图像，再提取光条中心线，根据此信息创建车辙变形曲线，从而得到车辙的深度情况（图1）。

图1 中，a 为激光器与路表面虚交点至透镜的距离，m；b 为透镜至CCD 感光面的距离，m；θ 为路表面法线与成像镜头光轴的夹角，°；h'为像点在成像面上的位移，m。根据图1 各项要素的几何关系，确定车辙深度h，h=。

2 LMI 三维线激光检测系统

2.1 系统组成

图1 三维线激光检测原理

图2 LMI 三维线激光检测系统在路面检测中的应用

三维线激光检测系统是路面车辙检测中的新型方式，但采购成本较高，且在技术层面仍有深入的空间，因此在国内工程建设领域应用较少。值得一提的是，LMI 公司推出的三维线激光检测系统具有突破性意义，具有性能良好、采购成本较低等特点，在国内有一定的市场份额（图2）。

LMI 三维智能传感器有两种较为主流的形式，即Gocator2000 系列和Gocator2300：两者的扫描效率较高，能够与车辆高速行驶状态相适应，且数据的准确性有保障；运行稳定性好，可有效抵御光照影响，可用于各种条件的路面工程。这两类产品具有如下3 个特点。

（1）配置了激光器以及高度稳定的光学系统，由于采用的是出厂前标定方式，因此实际使用更为便捷，无需繁琐的准备工作。

（2）传感器的功能丰富，如激光测量和数据处理，在确定被测物的轮廓后可以将其转化为三维坐标，期间可独立运行，无需硬件支持，并且传感器内置软件，能与浏览器连接，对传感器相机的控制更灵活。

（3）配备了全密闭铝合金外壳，其防水等级达到IP67 级，在多种工业环境中均具有适用性，可以按照实际需求组合传感器，灵活性更强。

路面车辙检测的受扰因素较多，对路面检测设备的要求较高：设备要有较高的扫描速度，以便与道路上高速行驶的车辆相适配，及时且准确地获取车辆数据；配套的设备要具有较强的覆盖能力，当路面存在粗糙现象时即可及时获取数据；由于光照对路面车辙检测的影响较大，设备要具备较强的抗光照干扰能力；在潮湿路面、新铺路面等工程中均要具有适用性。

2.2 实际应用

下面则引入工程实例，围绕三维线激光技术在路面车辙检测中的应用展开探讨。三维线激光传感器是重要的装置，扫描频率为700 Hz，正常状态下每秒可获取高达700 个的图像数据。本文所探讨的案例中，选取规格为300 mm×300 mm×60 mm 的沥青车辙板，对其展开测量工作。所用工具为精度0.1 mm 的游标卡尺，在其支持下确定车辙深度，并选取多个车辙位置，经计算后得到其平均值，将其作为最终结果。

从车辙板的辙槽底部来看，其较为平整，选择该处的激光数据点，经整理后取均值，将所得结果作为车辙深度测量值。按照参数标定试验结果，合理控制好三维线激光检测设备的工作参数，曝光值1200 μs，架设高度1.4 m，检测宽度1400 mm。

3 工程实践

3.1 工程概况

某公路总长42 km，设计时速90 km/h，路面宽24.5 m。伴随使用时间的延长，受行车荷载、降雨等因素的影响，局部路面出现车辙病害。为准确掌握病害类型，采取抽样测量的方法，以手工直尺为主要工具检测路面车辙深度，再整理两边和中间的测点所得到的深度，取其平均值，将所得结果作为测量真实值。此后，再使用LMI 三维线激光检测系统进一步采集车辙深度数据，按照相同的参数采集4 次，计算所得结果的平均值，将该结果作为测量值。

3.2 检测结果

根据上述检测方法，将形成人工测量数据和系统检测数据，按照JT/T 677—2009《车载式路面激光车辙仪》[2]展开计算分析，确定偏差系数（表1）。

根据上述内容得知，4 次测量结果产生的绝对误差稳定在0.1～0.8 mm，并且相对误差几乎控制在2%以内。从检测值偏差系数来看，也完全满足规范“＜5%”的要求。由此说明，此处所选用的三维线激光设备工作状态良好，具有较高的测量精度。以测量数据为基础，对其展开相关性分析，综合考虑真实值y和测量值x，创建两项指标的线性回归方程y=1.159 4x-2.074 9，并求得具体的相关系数R2=0.978 3。

表1 车辙测量值与人工测量真实值的对比结果

计算结果表明，此处的相关系数为0.978 3，满足规范“相关系数大于0.90”的要求。

4 三维线激光技术应用的影响因素分析

从上述案例来看，对比测量值和表面平整度等级，可以发现两者并非完全符合，结合表面激光数据重复稳定性不同值之间所具有的差异性情况，推测对激光数据特性造成不利影响的因素主要源自于表面色彩、构造深度等方面。

4.1 色彩的影响

从我国公路建设状况来看，高速公路建设领域绝大部分都使用的是沥青路面，颜色方面均呈黑色，且道路还设置了两种标线，颜色呈黄色和白色。根据此特点，在激光检测时易受到路面颜色的影响，伴随此因素的变化所得到的检测结果也存在差异。各颜色的测量值误差不尽相同，具体关系为“黑色＞黄色＞白色”，表明激光测量在白色条件下可以有效控制误差，黑色对激光测量精度的影响最为明显。

4.2 构造深度的影响

现阶段，三维线激光技术主要见于沥青路面工程中，但在路面材料类型、粒径、油石比等方面的影响下，最终路面表现出的构造深度具有差异性，也不利于三维线激光检测结果的可靠性。并且，通过对道路表面构造的分析，能够较为准确地呈现出路表孔隙情况。

经分析后得知，细孔沥青路面所产生的正值误差相对较大，但从负值误差的角度来看，最明显的则是粗孔沥青路面。分析各自的置信区间，得知细孔、中孔和粗孔分别对应的是［-0.1，+0.1］、［-0.11，+0.11］和［-0.13，+0.13］，所以细孔沥青路面的值最小，进一步说明在经过检测后所得数据的误差高度集中，检测结果可以更为准确地反映真实情况，精度相对较高。基于对中孔和粗孔的进一步分析得知，其在99%置信区间呈现出依次增加的特点，因此应用三维线激光技术所得到的结果精度较好。

5 结束语

沥青路面在长时间使用后易产生车辙病害，严重时易引发安全事故。本文探讨三维线激光检测技术在工程实例中的应用情况，得知其检测结果精度较高，且在实际应用中有操作便捷的特点，有较显著的应用效果，可用于路面车辙的检测工作。