道路综合检测技术二维、三维融合技术研究

王 青

（西安中交一公院瑞通科研试验检测有限公司，陕西西安 710065）

1.二维检测技术与三维检测技术的发展

我国从20 世纪80 年代就开始进行道路快速自动化检测设备的研究，在2005 年左右就生产出了自主研发的道路快速检测车，主要集中在路面破损、路面平整度及路面车辙这3 项指标的突破上。路面破损采集装置是通过对道路直射或者斜射完成图片拍摄，得到路面图像，依靠对图像的识别完成在室内路面损坏的统计。而路面平整度及路面车辙则是通过激光测距机对地面高程值的测量，获取不同车辆运动状态下、不同路面情况下的激光器对地高程，在后处理软件中，通过算法进行数据滤波、优化、计算得出路面平整度和车辙两项标准。

二维检测技术通过十几年的发展，逐步变成稳定准确的检测设备。但随着我国从建设时代转向养护时代，二维检测技术只能通过拍摄路面图像识别路面裂缝类、损坏类病害，但对于变形类病害确实没有太好的办法，比如拥包和沉陷。因此，三维检测技术应运而生。三维检测技术其主要原理等同于传统平整度和车辙的测量原理。单点的激光测距机是通过三角成像原理，拍摄激光点进行成像再计算高程，随着技术发展，技术人员逐步拓展思路，将一个大功率的激光器进行棱镜分散，得到一条横断面的激光线，再通过相机对激光线上所有的点进行拍照成像，最终得到横断面所有高程值，进而计算路面车辙，这就是二维检测技术中线激光图像式车辙检测技术。线激光图像车辙检测技术为后来发展的三维技术提供了思路，如果每个横断面在纵向采样频率能达到，那么就相当于得到每个横断面在纵向连续的断面，即得到了路面上每个点的高程数据，进而可以进行三维建模，计算病害，这个思路持续了3 ～5 年。2016 年国内就掀起了这项技术的讨论，先不说至今三维技术也不具备大面积应用推广的条件，在当时的硬件环境下，根本也不满足这个技术路线，主要因为纵向采样频率达不到1mm 的采样间隔，因此在很长一段时间，这种理论仅存在于时速40km/h 的检测速度下实现，直到2020 年前后，硬件技术完成突破，纵向采样频率不再是技术瓶颈，三维技术再次走进人们视线。

三维检测技术即通过激光照明，相机同步进行拍摄，纵向连续采集获得路面全方位的高程数据。三维路面检测数据其特点为包含平面和深度信息，其优势是能够更加立体地展示路面病害，相较于二维平面数据，三维路面数据在变形类损坏的判别上具有明显的优势。通常我们进行三维路面的自动识别，是基于深度图像来进行数据处理与自动识别技术设计。深度图像是指将常见二维图像中的灰度信息使用深度值的表征来代替而形成的图像信息。

2.技术难点：如何平衡二维与三维检测技术的弊端和优势

随着道路检测技术的逐步发展，二维检测技术在检测过程中逐步暴露出很多技术瓶颈有待待解决，而三维技术也存在着不可逾越的技术瓶颈而不能进一步加以应用，这也是本文所论述的核心所在，下面我们来比较二维与三维检测技术分别存在的弊端和优势[1]。

2.1 二维检测技术

优势：（1）在车辙检测技术上，具备单点精度优势；（2）在病害识别技术上存在准确性，通过人工识别可有效避免误识别。

弊端：（1）不能进行变形类病害的识别，技术状况评定过程中的病害较为单一，不能够满足日益增长的需求；（2）在病害方面终究是以图像为核心，而基于图像的病害识别技术一直存在技术壁垒，很难突破基于图像的裂缝自动识别，很难在不依靠高程数据的情况下完成变形类、裂缝类全病害自动识别；（3）系统集成度较低，成本较高。

2.2 三维检测技术

优势：（1）在病害识别技术上，可以进行大病害的自动识别；可以完成变形类病害识别，丰富了原有公路技术状况评价体系；（2）原则上，在技术成熟后，完全可以替代二维的点车辙检测技术和平整度检测技术，成本大大降低。

弊端：（1）现阶段技术不成熟，不能完全实现全病害的自动识别；（2）在线激光明显问题未得到基本解决前，不能替代二维的车辙与平整度检测装置；（3）三维技术数据量存储较大，能否有效提取三维数据中的核心数据是三维检测技术取得突破性成就的关键，但现阶段数据量较大，应用性较小。

现阶段，二维和三维检测技术的优缺点也逐步让从业者和专家所认知。因此，在《公路技术状况评定标准》5210-2018 的修订中，并未对三维检测强势的变形类病害有所修订；同样，在《多功能路况快速检测设备》的修订评审意见中，广泛调研了各地方专家的意见，给出的回复均是技术缺乏成熟性的工程性试验，不急于在国标中加入三维检测设备。而在实际的工程应用中，对沉陷、拥包类的病害愈发关注，需要实际的检测数据进行支撑，城镇道路方面，车辙已经不能满足检测需求，亟待加入变形类病害进行丰富。因此，基于各方面的要求、标准和工程实际诉求，推出二维和三维检测融合技术，可有效地解决上述问题，可以进行进一步的技术探索。

2.3 评价二三维检测系统的优劣势

本文旨在对二维检测技术路线和三维检测技术路线进行论证，通过优劣势的判定，通过去弱留强，摸清新一代道路综合检测技术的方向，具体技术问题如下[2]：（1）是否保留二维破损检测技术，现有三维的破损检测技术能否完全替代二维破损检测技术。（2）如果二维检测技术在精度上、流程上仍比较三维技术而言具有优势，能否改进二维破损的检测技术，使之在变形类病害的检测上有所突破。（3）二维和三维车辙检测技术在不同测试环境下的重复性，准确性；通过验证准确性和重复性确定选用哪种车辙检测技术。（4）三维检测技术如果在精度和技术路线上均占有优势，那么如何处理大数据量的三维数据，提取有用信息较为重要。（5）三维检测数据量中能否提取有效数据进行其他指标的技术分析。

3.解决问题的思路：验证破损能否融合，车辙数据论证

（1）二维检测技术和三维检测技术在路面破损此项指标上具有明显的技术分别，双方的优缺点均是不能互补解决的，因此，保留二维和三维检测技术是现阶段更能有效进行检测的办法。（2）通过试验论证二维和三维检测技术，在车辙指标上的差异性大小，如果差异性较大，那么保留技术精准的二维车辙检测技术，如果差异性不大，则去除价格较高昂的多点共梁车辙检测装置。

4.具体解决问题的技术方案：二维与三维技术融合技术分析

从文章第二段论述的内容可以得出结论，二维和三维检测融合技术，可以很好地解决现阶段的各方面问题，唯一的缺点就是要保留原二维检测技术的设备，还需加装三维检测设备，使得造价成本比较高。具体从5 个方面来看其具体的技术优势。

（1）可以保留二维路面破损检测装置，从而保留根本的二维路面破损图像，在经过三维路面高程值不能判定裂缝与否的个别点上，可以通过复核二维图像，经过对二维图像的人工识别确保准确率。二维图像也可保留自动识别的算法和开发路线，在技术成熟后，可通过与三维自动识别的对比得出结论并验证结论。由于公路检测采集的多样性与复杂性，所采集深度图像的表现千差万别，在不同采集条件下，采集的数据图像化后会有完全不同的表现，因此，需要合适的图像增强算法来对图像中的有用元素进行强化，同时尽可能弱化不需要的元素。直方图均衡算法作为图像处理中非常重要的图像增强方法，其优点是能够比较好地适应不同光照条件下拍摄的图像的均衡化，使得均衡过后的图像其亮度水平趋于一致，同时能明显增强图像的对比度，放大有用元素与无用背景的色差。因此，本项目中采用直方图均衡的方法对图像进行增强处理。

（2）可以进行路面变形类病害的自动识别。变形类损坏与裂缝类损坏存在明线区别，他的影响面积范围形状特征具有很大的不确定性，为了能够相对有效地进行变形类损坏的识别，针对变形类损坏的主要特征，即相对明显变形区域，其存在深度信息与周边非变形区域相比，存在连续的、较大的差异，针对这种特征表述，设计坑槽、拥包以及沉陷类病害的检测模型，通过模型的筛选，筛选出疑似区域，在对疑似区域进行最终的识别判定，确定是否为变形类损坏，从而找出深度图像中的变形类区域，并根据变形的特征判断变形类损坏的类型。

当二维和三维路面破损检测技术同时保留时，我们可以完全拟合两种检测装置采集的路面图片和路面高程值灰度图片，从而全方位地进行病害识别，识别效率和准确率大大提高（见图1）。

图1 二维三维同时对病害进行采集效果对比

（3）路面车辙指标上，可以通过保留二维检测设备中的多点共梁路面车辙检测装置，还能对三维路面检测装置中同步采集的横断面高程值进行复核，逐步完善线激光（三维获取高程值计算横断面）车辙检测技术。将多点共梁车辙检测装置的几大优势逐步融入到三维装置中，包括横断面倾斜算法，及时计算倾斜角从而进行数据回归；包括异常值处理方法，确保数据中剔除异常点，进行正常的计算。反之，也可通过三维描绘的横断面点云进行点车辙包络线算法的验证，完善二维的计算方法，提高精度。

（4）在数据量方面和数据点处理方面积累经验。三维检测技术现阶段的问题虽然比较多，但毕竟是发展的主流方向。检测过程中获取三维数据点云是容易的，但数据量大，如何挑选有用的数据需要进行试验和探索。如果能将二维和三维的检测技术相互融合，解决实际应用性的问题，那么数据量提取有效数据仅仅是时间问题。如纵向数据点进行构造深度的检测、验证；如标识点或兴趣范围内所有数据点的提取用于病害深入分析，自动生成病害分布图CAD 等。

（5）有效开发三维的其他路面指标的检测功能，如现阶段三维检测技术可以原则上提取任一断面的高程数据，并拟合真实曲线，完全可以通过这种技术完善现阶段《公路技术状况评定标准》中的路面跳车和路面磨耗等指标，通过多元化的观察，判断到底是路面剥落造成的数据差异还是计算模型导致的差异，可以解决目前部分的检测争议问题。

综上所述，二维和三维检测融合技术可有效进行技术过渡期的工程验证和保证实际工程使用，对后续开发完善的三维检测技术积累宝贵的经验，为完善三维检测数据的准确性提供了可参考性和比对基础。

5.结语

二维与三维检测融合技术可以较好地解决现阶段设备的问题和发展方向，从破损方面出发，以人工复核，二维配合三维完成裂缝类及微小病害的识别，以三维点云的自动识别技术完成大病害以及变形类病害的自动识别。路面车辙和路面平整度保留现有二维道路综合检测车的激光反应类测量方法，依靠二维、三维共同拟合道路横断面的技术，加以优化算法及论证。最后，该项技术为三维数据量获取有效数据、点云数据的滤波去除杂质提供有效的工程验证时间，为三维的应用积累宝贵的经验，为道路自动化检测指明方向，取得突破。