3D 扫描技术在轿车-自行车事故处理中的应用*

马健军，张新海，蒋怀远，刘兴华

（广东警官学院，广东 广州 510440）

0 引言

随着汽车保有量的不断增加和车辆行驶速度的提高，各国道路交通事故频发，造成了大量人员伤亡与财产损失。对于道路情况复杂、交通事故频发等状况，专家学者积极地开展了研究，致力于调查不同类型事故的成因及预防工作，降低事故发生率，提升道路交通安全水平。由于地形地貌状况各异以及气候环境不同，导致道路交通方式与交通特点存在差异，各国对于交通碰撞事故的研究也有不同的侧重点。例如，欧盟和日本在开展汽车正面和侧面碰撞安全性的研究工作外，还注重对行人及两轮车交通安全性的研究工作。除了以上提到的汽车正面和侧面碰撞、行人安全性研究以外，汽车与自行车、摩托车等两轮车碰撞事故方面的研究也同样受到大量关注。在国内，由于经济水平持续增长，驾驶机动车或者乘坐网约车、出租车已成为主流的出行方式。同时，随着共享经济理念兴起，人们倾向于选择共享单车、电动自行车等两轮车解决出行最后五公里的问题。道路上机动车与自行车数量的激增，造成汽车与自行车碰撞事故发生率提高。据统计，我国发生的道路交通事故之中，汽车与两轮车（自行车、摩托车等）碰撞事故占有较大比例，并呈现逐年递增的趋势。因自行车骑乘者并未佩戴头盔、护膝等护具，汽车与自行车碰撞事故容易造成骑行人伤亡的情况。

因此，基于国内道路交通安全现状，分析汽车与自行车碰撞事故特征，探究3D 扫描技术应用于汽车与自行车碰撞事故勘验，完成事故现场重建与场景再现对于后期事故成因调查及预防措施制定具有重大的现实意义。除了可以为相关交通案件开展事故鉴定提供有力参考外，还可以为道路交通安全管理的预防策略与法规研究提供有力支撑。

1 3D扫描技术在各类场景的应用

3D 扫描技术的研究始于20 世纪90 年代，经几十年迭代发展与技术更新，3D 扫描技术目前已广泛应用于各类设备，例如3D 扫描仪、3D 打印、3D 传感摄像头等。3D 扫描仪作为一种高精度数字化设备，可扫描分析各类工程场景中物体（建筑、桥梁、车辆等）或环境的形状（几何构造）与外观数据（颜色、表面反照率等性质）。3D 扫描仪采集的数据可应用于各类场景模型的三维重建与运算，实现在计算机平台上建立实际物体的数字模型，创建的数字模型广泛应用于逆向工程、刑事鉴定、工业设计、机器人导引等领域。由于3D 扫描仪具有测量和制图精度高、扫描速度快、无接触、可视化等优点，因此在交通管理工程领域，常应用3D 激光扫描仪对交通事故现场开展勘验作业。交通事故现场3D 激光扫描技术是运用激光扫描仪对事故现场进行三维扫描，通过现场扫描图像，采集事故现场数据，对事故现场进行三维建模，为事故处理后期开展起因调查及涉事双方责任认定等工作提供有力技术支撑[1]。因现场扫描效率高、事故现场要素均可完整记录在点云图中等特点，3D 激光扫描技术可满足现场勘验技术要求。

2 汽车与自行车碰撞事故特征分析

由于共享经济理念的推波助澜，共享自行车如雨后春笋般大量出现在街头巷尾。自行车凭借其适应性强、轻便灵活等优势，成为短途出行常用的交通工具。但自行车也具有重心高、稳定性差、无防护设备、安全性差等缺点，一旦发生交通事故极易造成人员伤亡。骑乘自行车的过程中常出现非法横穿机动车道、违法占道行驶、逆道骑车、截头猛拐、违反交通信号灯等违章行为。以上违反交通规则的行为，尤其是在交叉口违反交通信号灯和违法占道[2]，容易引起汽车与自行车碰撞事故，成为导致自行车交通事故的主要因素。

从动力学研究角度而言，汽车与两轮车（自行车、摩托车等）发生碰撞涉及复杂动力学分析过程。与汽车和行人的碰撞事故分析不同，汽车与两轮车的碰撞事故涉及的要素较多，包括汽车、自行车、骑行者，以上要素之间相互碰撞作用增加了事故重建的复杂程度[3]。在传统的交通事故勘验现场，考虑伤者及时转运救治、避免大面积拥堵等因素，交通管理部门会对现场迅速清理，这就对现场完整程度造成一定影响。由此可见，交通事故现场勘验对事故快速处理和事故鉴定技术提出了较高的要求：既要勘验工作高效化，又要保证现场要素完整性记录。

3 事故现场勘验

3.1 案例概况

某年8月中旬，华南某市干线发生一起轿车与自行车碰撞事故。事故发生位置为东西朝向双向车道与南北走向双向车道交汇的十字交叉路口，限速60 km/h。经事前调查可知，鲁某驾驶一辆紫色小轿车搭载两名幼儿从东向西方向行驶，王某踩着一辆自行车从南向北方向行驶。鲁某在抢黄灯通过路口时未留意轿车两侧状况，此时王某猛踩自行车闯红灯从右侧冲出，导致轿车右前侧与自行车左侧相撞，碰撞导致两车接触部分均发生变形，但未出现涉事双方伤亡情况。

3.2 勘验设备

通常，开展交通事故现场勘验涉及3D 激光扫描仪套件（3D 扫描仪、靶球、扫描仪配套支架）、交通事故现场勘查箱、现场安全防护套件（安全锥、警示牌、警戒线）等装备的应用。3D 激光扫描仪如图1 所示，交通事故现场勘查箱如图2所示。

图1 3D激光扫描仪

图2 交通事故现场勘查箱

3.3 制定扫描计划

激光扫描仪扫描对象为被测物体表面，每个站点只能得到激光脉冲扫射到的曲面点云。一般而言，设置多个扫描站点才能完整扫描事故现场点云。事故现场的大小和周围环境决定了站点的布置和数量。通常，对一个事故现场的完整扫描至少需设定三个扫描站点才能实现。综合考虑事故现场的方位、事故车辆、现场散落物等状况，本研究涉及的轿车-自行车事故勘验现场设置4 个扫描站点。每次完成站点扫描，需检查点云质量：如果点云噪点较多，则采取点云更密集的细扫描对局部细节进行扫描[4]。确定扫描计划有3 个步骤：1）现场巡视了解概况，明确调查范围与方向；2）布置扫描站点、靶球，架设扫描仪；3）设置扫描参数，扫描事故现场，采集数据。轿车-自行车事故现场扫描计划如图3 所示。

图3 轿车-自行车事故现场扫描计划

3.4 确定事故勘验范围

根据交通事故现场勘验相关技术规范要求，开展现场勘验时应完整记录事故现场痕迹原貌。负责勘验的技术人员通常采用拍照的方式，通过拍摄概貌、方位、局部、细目等不同视角范围的照片记录固定原始现场。合理的靶球设置方案，可实现事故现场要素的全面扫描，保证扫描点云数据完整。靶球摆放不规范易导致扫描盲区，影响后期拼接效果与建模精度。因轿车-自行车事故现场范围较大，容易出现扫描盲区，故将多靶球置于涉事车辆关键节点，并在现场周围设置4 组扫描站点，以保证扫描数据完整与扫描精度水平。扫描站点及靶球分布情况如图4所示。

图4 扫描站点及靶球分布情况

4 事故现场数据采集与处理

4.1 数据采集

3D 激光扫描仪扫描事故现场之前，必须充分考虑事故现场实况，以设定合适的扫描参数。扫描参数分辨率设定直接影响扫描质量与扫描效率：扫描分辨率越高，扫描质量越好，数据噪点少，但相应扫描时间会变长，从而直接影响事故勘验现场扫描效率。因此，应视所处理事故现场场景的具体情况，选择合适的扫描分辨率参数。依据事故现场实际情况，设定3D 扫描仪参数，如表1 所示。同时，各扫描站点应采用同一套参数采集点云数据，避免因参数不一致，无法有效拼接事故场景，引起建模误差偏大的情况。

表1 3D扫描仪参数设定

根据轿车-自行车事故现场勘验的实际情况，3D扫描仪分辨率设为1/6，该值可兼顾扫描质量与扫描效率。接通3D 扫描仪电源，先通过3D 扫描仪操作屏幕，启用以下模块：高度仪、指南针、倾角仪、GPS 定位，再按下启动键，3D 扫描仪开始运作，扫描事故现场，获取现场各要素的点云数据。每站完成点云数据采集都应检查扫描质量，确保被扫描目标各要素完整采集，不受外部环境各类因素影响。扫描质量不合格，则需重复上述步骤完成再次扫描，直到该站点扫描质量符合后期拼接要求。根据现场实际扫描结果显示：在启用黑白扫描模式下，各站点扫描工作总时长为12 分40 秒，平均每个站点扫描时长仅需3 分10秒，表明3D扫描仪具备高效、便捷、实用等特点。

4.2 数据处理

4.2.1 点云数据的处理

将3D 激光扫描仪与笔记本电脑终端通过蓝牙或局域网WLAN 连接，通过扫描参数设置界面完成扫描精度、扫描模式等的设置。在激光扫描过程中，数据会被连续收集与处理。3D 激光扫描仪扫描物体，收集物体表面采样点的空间坐标数据，其被称为点云数据。点云处理流程包括：点云数据去噪、去除冗余点、多站点拼接、生成点云数据[5]。目前，去除冗余点的方法有两种：斜率法和三点判断法[6]。点云处理整体流程如图5 所示。

图5 事故现场扫描方案

在数据处理SENCE 软件工作区导入轿车-自行车事故现场扫描数据，从清晰度、噪点情况、事故现场各要素齐全度等方面检查现场扫描效果。扫描效果直接影响场景拼接质量、三维建模精度。在点云数据预处理阶段，SENCE 软件可实现目标靶球的自动捕捉，在手动移除引起误差较大的无关靶球以及系统误识别的球状物体后，完成扫描点云处理，最后得到经预处理的点云数据图，如图6 所示。

图6 点云数据图

4.2.2 事故现场表面重构与现场重建

1）事故现场表面重构。经预处理的点云数据包含了事故现场扫描区域内所有扫描表面的信息，仅用一张曲面来拟合表示所有数据点的方案并不现实。经预处理的点云数据要使用相同的坐标系进行事故场景拼接，交通事故处理常用的拼接方式为靶球拼接。考虑到事故场景范围较广，采用“基于目标拼接”模式，降低目标分布阈值。打开“对应扫描”选项及常规工具栏中“GPS”“指南针”“高度计”“倾角仪”的开关，完成事故场景拼接。以事故现场特征为依据分割数据点，将其形成不同的区域，随后拟合分割形成的不同区域，即可得到不同的曲面。最后，应用曲面求交或曲面间过渡的方法将不同的曲面连接起来，最终得到完整、精确的交通事故现场扫描表面[7]。

2）事故现场重建。交通事故现场数据经过扫描表面重构这一关键步骤，已获得完整、精确的轿车、自行车、骑车人留下的现场印迹等要素，随后建立精确的事故现场三维模型。为了获得理想的三维视图效果，还需完成软件数据裁剪，具体操作如下：首先，关闭“自动群集”选项；其次，根据扫描设定条件在深色扫描点过滤器中调整深色点阈值[8]；最后，应用多边形裁剪工具或者裁剪框工具进行数据裁剪，避免无关数据干扰，完成轿车-自行车事故现场三维建模，实现事故场景的可视化重建[9]。轿车-自行车事故现场三维模型如图7所示。

图7 轿车-自行车事故现场三维模型

5 结论

通过分析道路交通事故处理的业务需求，以实现事故勘验工作的科学化、规范化、高效化、精准化为目标，探索了3D 激光扫描技术应用于轿车-自行车碰撞事故现场调查的研究方法。结果表明：3D 激光扫描采集现场点云数据，应用SCENE 软件处理完成数据去噪、场景拼接、表面重构、三维建模等步骤，实现了精确地还原重建轿车-自行车碰撞事故现场，从而判定事故发生原因及事故责任人，为法律诉讼和保险理赔提供了依据[10]。同时，3D 扫描仪在事故勘验中的应用，提升了事故现场处理效率，有效避免了涉事路段出现严重拥堵的现象。