摘 "要：針對(duì)當(dāng)前公路路面測量評(píng)定方法結(jié)構(gòu)復(fù)雜、成本高昂的問題，構(gòu)建了基于便攜式三維激光掃描儀的測量評(píng)定方法。采用三維激光掃描儀對(duì)瀝青公路路面數(shù)據(jù)進(jìn)行測量，獲取路面三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)，經(jīng)分析處理得到路面的三維高程曲面，使用RegularizeData3D算法和經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解等方法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，重構(gòu)區(qū)域路面不平度，獲取路面相應(yīng)等級(jí)的路面平整度數(shù)據(jù)序列，最后求解和分析試驗(yàn)路面功率譜密度，并根據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果對(duì)整個(gè)試驗(yàn)路面狀況進(jìn)行評(píng)價(jià)。結(jié)果表明：系統(tǒng)能較好地重建所測區(qū)域路面的特征信息，路面平整度大部分集中在A級(jí)和B級(jí)，整體路面平整度在B級(jí)以上。

關(guān)鍵詞：路面平整度；測量評(píng)定方法；RegularizeData3D；經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解；路面功率譜密度

中圖分類號(hào)：TP391.41；U416.2 " " " " " 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1008-5483（2024）02-0017-04

Measurement and Evaluation of Pavement Leveling Based on

Portable 3D Laser Scanner

Fu Jingyang， Wang Shenghuai

（School of Mechanical Engineering， Hubei University of Automotive Technology， Shiyan 442002， China）

Abstract： In order to solve the problem of complex structures and high costs of the current highway pavement measurement and evaluation methods， a measurement and evaluation method based on a portable 3D laser scanner was constructed. The 3D laser scanner was adopted to measure asphalt highway pavement data and acquire 3D point cloud data of the pavement. The 3D elevation surface of the pavement was obtained after analysis and processing， and the RegularizeData3D algorithm， empirical modal decomposition （EMD）， and other methods were utilized to preprocess the data， reconstruct the regional pavement unevenness， and obtain the leveling data series of the corresponding pavement. Finally， the power spectrum density of the experimental pavement was calculated and analyzed， and the entire experimental pavement condition was evaluated based on the statistical results. The experimental results show that the system can better reconstruct the characteristic information of the measured regional pavement. The pavement leveling is mostly concentrated in grades A and B， and the overall pavement leveling is above B grade.

Key words： pavement leveling; measurement and evaluation method; RegularizeData3D; empirical mode decomposition; power spectrum density of pavement

對(duì)路面的表面形貌信息進(jìn)行有效測量并作出評(píng)價(jià)，成為公路養(yǎng)護(hù)領(lǐng)域的重要研究方向。吳秉軍等［1］提出一種采用道路表面形貌信息由檢測儀器測量全斷面平整度的計(jì)算方法；曲嘯天等［2］用改進(jìn)后的平整度儀實(shí)測路面平整度數(shù)據(jù)，通過經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解（EMD）算法去除路面干擾項(xiàng)，使用多種評(píng)估函數(shù)相配合的方法，對(duì)路面的平整度進(jìn)行評(píng)估；王國林等［3-8］測量并獲取路面結(jié)構(gòu)信息，利用三維軟件處理并重構(gòu)實(shí)測路面；徐中源［9-10］等人使用水準(zhǔn)儀得到路面信息，對(duì)實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行EMD去除趨勢項(xiàng)，建立了一個(gè)自回歸AR模型來求解路面功率譜密度；趙新等 ［11］采用三維激光雷達(dá)獲取道路表面信息，并構(gòu)建了一套采集系統(tǒng)；Javidi和González等［12-13］獲取路面三維數(shù)據(jù)時(shí)，使用多種三維儀器相配合的方法，精準(zhǔn)測量實(shí)驗(yàn)道路；Yu S J等［14］開發(fā)了一套遠(yuǎn)距離收集路面信息的車載激光路面測量系統(tǒng)；Deng等［15］使用英國擺錘測試儀和便攜式高分辨率3D激光掃描儀相結(jié)合的方式采集路面數(shù)據(jù)；Bidgoli A M等［16］開發(fā)了一個(gè)基于傳感器和地理定位系統(tǒng)的自動(dòng)化路面狀況數(shù)據(jù)收集系統(tǒng)；Kai C等［17］利用激光雷達(dá)構(gòu)建了道路識(shí)別系統(tǒng)，并利用激光雷達(dá)點(diǎn)云數(shù)據(jù)測量路面高程信息。上述研究均采用非接觸式激光測量儀器對(duì)路面進(jìn)行測量和評(píng)定，獲取的路面結(jié)構(gòu)信息詳細(xì)，但測量評(píng)定方法結(jié)構(gòu)復(fù)雜、成本高昂。基于此，文中提出了一套基于便攜式三維激光掃描儀的測量評(píng)定方法，采用便攜式三維激光掃描儀測量試驗(yàn)路面得到路面平整度數(shù)據(jù)，使用RegularizeData3D算法和EMD方法對(duì)檢測得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，再借助Pyulear算法對(duì)道路功率譜密度進(jìn)行求解，得到試驗(yàn)路面的功率譜密度，根據(jù)求解結(jié)果對(duì)路面狀況進(jìn)行有效評(píng)價(jià)。

1 評(píng)定方法工作原理

如圖1所示，評(píng)定方法的工作流程包括獲取三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)、處理點(diǎn)云數(shù)據(jù)、分析后得出評(píng)估結(jié)果。通過便攜式三維掃描儀和計(jì)算機(jī)共同獲取三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)，被檢測路面表面信息通過數(shù)字化轉(zhuǎn)換成點(diǎn)云數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到儀器配套軟件中進(jìn)行存儲(chǔ)。對(duì)檢測數(shù)據(jù)的處理是評(píng)定方法的核心部分。使用儀器軟件進(jìn)行簡化和降噪等處理，得到處理后的點(diǎn)云文件；再通過MATLAB編程和算法完成對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)的讀取，實(shí)現(xiàn)對(duì)路面表面的三維重構(gòu)，達(dá)到對(duì)試驗(yàn)路面的三維可視化表達(dá)；最后基于預(yù)處理數(shù)據(jù)求解路面功率譜密度，根據(jù)求解得到的結(jié)果對(duì)路面特征進(jìn)行分析，與GB/T7031—2005中給定的路面平整度標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行對(duì)比，得到試驗(yàn)路面的平整度等級(jí)。

2 路面不平度數(shù)據(jù)采集

選定試驗(yàn)路面如圖2所示，瀝青路面長50 m、寬6 m，測量路面時(shí)，僅獲取直線段路面信息，取長度40 m、寬5 m，沿長度方向每隔2 m、寬度方向每隔0.5 m測量1次。經(jīng)過對(duì)路面的初步判斷，考慮到激光掃描儀的測量精度、測量速度和試驗(yàn)成本等因素，選用的采集設(shè)備為武漢中觀公司生產(chǎn)的RigelScan Elite便攜式三維掃描儀（圖3）。此激光儀具有單邊掃描、多邊掃描等多種掃描功能，擁有28條掃描激光束，且具有雙重掃描模式，測量精度最高為0.02 mm，分辨率最高為0.01 mm，體積精度為0.02+0.035 mm·m?1，結(jié)合全局測量系統(tǒng)Photoshot則體積精度為0.02+0.015 mm·m?1，并且兼容UG、Polyworks、Geomagic studio等三維設(shè)計(jì)軟件，操作方便適用范圍廣。因?yàn)闄z測儀器為光學(xué)儀器，實(shí)驗(yàn)環(huán)境對(duì)數(shù)據(jù)獲取有較大的影響。為消除日光照射的影響，檢測路面時(shí)間選擇在夜間進(jìn)行，如圖4所示。試驗(yàn)路面三維重構(gòu)模型如圖5所示，可以看出，經(jīng)三維重構(gòu)后的路面模型與所測路面相符。

3 實(shí)測路面數(shù)據(jù)預(yù)處理

3.1 RegularizeData3D算法

RegularizeData3D算法是GridFit算法的修改版，能夠從散亂的輸入數(shù)據(jù)中產(chǎn)生一個(gè)平滑的三維表面。GridFit算法的立方體插值功能和線性插值功能比較粗糙，并且平滑度參數(shù)定義不明確，容易出現(xiàn)過擬合和擬合不到位的情況。而在RegularizeData3D算法中，插值擬合功能得到了改善和提高，平滑度參數(shù)是指平滑度與保真度的比值，不會(huì)因?yàn)檩敵鼍W(wǎng)格分辨率而受到影響。通過對(duì)Smoothness參數(shù)的調(diào)整，幾乎能在低噪點(diǎn)數(shù)據(jù)上達(dá)到與輸出表面完全一致的效果。因此，選用RegularizeData3D計(jì)算方法，能更好地還原路面信息，更直觀地觀測三維掃描后的路面平整度信息，提高路面信息視覺化表達(dá)的精確性。采用RegularizeData3D算法平滑函數(shù)處理后，擬合路面如圖6所示。

3.2 去趨勢項(xiàng)處理

由于試驗(yàn)路面具有坡度，評(píng)定過程中產(chǎn)生較大誤差，誤差用趨勢項(xiàng)表示。為消除路面坡度對(duì)評(píng)定結(jié)果的影響，采用EMD方法，即

[M1t=emaxt+emint2] （1）

式中：[M1t]為試驗(yàn)路面采集數(shù)據(jù)計(jì)算后的包絡(luò)均值；[emaxt]為上包絡(luò)線；[emint]為下包絡(luò)線。根據(jù)路面平整度采集數(shù)據(jù)的所有峰值和谷值，通過三次樣條函數(shù)插值擬合得到包絡(luò)線。將路面平整度采集數(shù)據(jù)序列[Xt]減去[M1t]，得到去掉低頻段之后的新數(shù)據(jù)：

[H1，1t=Xt-M1t] （2）

若[H1，1t]滿足固有模態(tài)函數(shù)（intrinsic mode function， IMF）的理論必要條件，則為測量采集數(shù)據(jù)的第1階IMF函數(shù)。此時(shí)，可得出采集數(shù)據(jù)的1階IMF分量為

[C1t=IMF1t=H1，1t] （3）

將[Xt]減去[C1t]，得到去掉高頻段之后的新路面平整度序列[R1t]為

[R1t=Xt-C1t] （4）

重復(fù)上述計(jì)算，得到第n階IMF分項(xiàng)[Cnt]，直到第n項(xiàng)[Rnt]或[Cnt]小于EMD程序中人工設(shè)置的原始值，或直到第n項(xiàng)[Rnt]計(jì)算后得到一個(gè)單調(diào)函數(shù)或常數(shù)，此時(shí)可停止模態(tài)分解過程。分解后的路面平整度最終可使用的數(shù)據(jù)序列為

[X（t）=i=1nCit-Rnt] （5）

根據(jù)上述原理，對(duì)試驗(yàn)路面的測量采集數(shù)據(jù)進(jìn)行EMD分解，獲取一系列高頻率和低頻率段的IMF函數(shù)，同時(shí)得到去除試驗(yàn)路面趨勢項(xiàng)后的路面平整度數(shù)據(jù)，用于后續(xù)的路面功率譜密度分析。

4 求解道路功率譜密度

采用MATLAB中的Pyulear函數(shù)對(duì)試驗(yàn)路面的道路功率譜求解并分析，得到功率譜曲線，與GB/T7031—2005中路面平整度分級(jí)線進(jìn)行比對(duì)，如圖7所示。由圖7可觀察到，試驗(yàn)道路的功率譜密度曲線在低頻段中波動(dòng)較大，在高頻段中波動(dòng)較??；試驗(yàn)路面的特性參數(shù)都位于A、B分級(jí)線之間，得出試驗(yàn)路面等級(jí)在B級(jí)路面以上、A級(jí)路面以下。

5 結(jié)論

文中構(gòu)建了一種路面測量評(píng)定方法，采用手持三維激光掃描儀測量試驗(yàn)路面三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)，通過RegularizeData3D算法和EMD去除趨勢項(xiàng)等方法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，完成路面的三維等效重構(gòu)，能較好地還原原始路面信息，對(duì)試驗(yàn)路面功率譜密度進(jìn)行求解并作出評(píng)價(jià)，結(jié)果表明，所測區(qū)域路面整體水平較好，整體屬于B級(jí)路面，其特性參數(shù)在A級(jí)和B級(jí)之間。

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