國外公路路面自動檢測系統(tǒng)發(fā)展綜述

國外公路路面自動檢測系統(tǒng)發(fā)展綜述

1新技術的應用,使公路養(yǎng)護管理更加科學道路自動檢測技術是隨著道路維護的需要而產(chǎn)生的。20世紀70年代中期,在經(jīng)歷了大規(guī)模的公路建設之后,突如其來的公路養(yǎng)護巨大需求、養(yǎng)護資金短缺和公眾對快速安全出行要求的提高,使西方發(fā)達國家公路養(yǎng)護管理部門遇到了前所未有的新問題。面對突然到來的大規(guī)模公路養(yǎng)護時代,西方國家投入了巨大的人力、物力和財力,實施了系統(tǒng)的科學研究,研發(fā)了新的檢測技術、檢測裝備、科學的決策理論、決策方法、基于全壽命的養(yǎng)護設計技術和新型養(yǎng)護材料,建立了現(xiàn)代養(yǎng)護決策制度體系。通過新技術的廣泛應用,改變了傳統(tǒng)的公路養(yǎng)護模式,緩解了公路養(yǎng)護的壓力,使公路養(yǎng)護走上了可持續(xù)發(fā)展的道路。而正是由于公路大規(guī)模養(yǎng)護需求的迅速增大,促進了國外路面自動檢測技術的飛速發(fā)展。2國外土壤自動檢測技術的發(fā)展從20世紀70年代第一輛路面破損自動檢測設備的誕生到現(xiàn)在,國外的路面自動檢測技術大致經(jīng)歷了四代。2.1路面材料的數(shù)據(jù)采集和室內判讀第一代路面快速檢測設備最早起源于20世紀60年代末期,由日本的PASCO公司開始從事研發(fā)工作,但最早研制成功并投入使用的是法國LCPC道路管理部門開發(fā)的GERPHO系統(tǒng)。該系統(tǒng)的關鍵技術是同步攝影數(shù)據(jù)采集技術,系統(tǒng)采用35mm電影膠片,高速攝像機和車輛定位系統(tǒng)來實現(xiàn)同步攝影數(shù)據(jù)采集,攝像機轉速為車速的1/200,隨著車輛的行駛不斷攝取路面損壞影像,每個影像代表的路面面積為6m×4.6m。路面損壞圖像膠卷經(jīng)過洗印,通過室內判讀設備能再現(xiàn)路面損壞狀況,這樣技術人員即可在實驗室判讀各種路面病害,并將判讀結果人工輸入到數(shù)據(jù)庫。法國GERPHO系統(tǒng)的研制成功,對公路養(yǎng)護歷史來說具有劃時代的意義,它不但徹底改變了路面現(xiàn)場檢測主要以人工為主的狀況,而且極大地減輕了檢測工作對交通流的影響。但由于該系統(tǒng)只能在夜間工作,存在實驗室后期處理的工作量大、耗時過長、檢測功能單一等缺點,因此未能得到普及。2.2路面裂縫檢測與第一代快速檢測設備相比,第二代檢測設備在硬件和功能上均有較大提高,其最主要的技術性能有以下幾點:a)采用當時最先進的模擬攝像技術,通過高性能的攝像機,對路面損壞數(shù)據(jù)進行采集;b)在原功能的基礎上,又逐漸增加了路面平整度、路面車轍和前方圖像等數(shù)據(jù)的檢測功能;c)后期圖像數(shù)據(jù)處理軟件在功能上得到較大提升。在第二代檢測設備中,最具代表性的有日本的Komatsu系統(tǒng)和加拿大Roadware公司生產(chǎn)的ARAN系統(tǒng)。日本的Komatsu系如圖1所示。該系統(tǒng)采集圖像的最大分辨率可達到2048×2048,它利用安裝在檢測車兩側的激光掃描器發(fā)出的氬激光照射路面,通過光電倍管以一定角度接收從路面反射回來的光,當被掃描的路面上有裂縫出現(xiàn)時,接收的射線數(shù)量就會減少。也就是說,從光電倍增管輸出的變化可反映所掃描的區(qū)域是否存在裂縫。裝在前保險杠上的攝像機可用于捕獲路面車轍圖像。路面圖像全部存儲在高密度的錄像帶中,每秒可存儲100Mbps的圖像數(shù)據(jù)。Komatsu系統(tǒng)代表了當時最先進的硬件技術,但是由于該系統(tǒng)不能識別裂縫類型,且為了控制光照條件,只能在夜間工作,車速也必須控制在10km/h,因此未得到推廣。加拿大Roadware公司生產(chǎn)的ARAN系統(tǒng)(見圖2)是一套模塊化的數(shù)據(jù)采集平臺,它由一輛特別改裝的汽車底盤和各種數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)組成。ARAN系統(tǒng)可在高達80km/h的速度下同時采集路面損壞、路面平整度、路面車轍和路面前方圖像等數(shù)據(jù),其路面攝像機分辨率可達1392×1040以上像素。成像系統(tǒng)可以根據(jù)行駛速度自動選取當前圖像幀中的適當部分,重疊部分將被舍棄。同時,由于系統(tǒng)使用了高強度、同步的閃光燈,使系統(tǒng)可全天候進行檢測工作。與ARAN系統(tǒng)配套的路面裂縫自動評價系統(tǒng)WiseCrax可以自動探測和分析1mm以上的裂縫,路面裂縫識別率可達85%~90%。由于采用了先進的圖像處理技術和有效的硬件加速,從而保證了檢測的高精確度和高速度。在WiseCrax中的各個模塊,檢測、分類和鑒定相對獨立。檢測采用計算機視覺技術提取每個裂縫;分類根據(jù)用戶定義的參量把每一條裂縫標示為不同類別,如縱裂、橫裂、塊裂或龜裂等;各種標準對于嚴重性有不同的數(shù)值界定范圍,在鑒定時,用戶可以定義自己的界限。第二代快速檢測技術雖然在硬件和功能上有了很大突破,但仍然存在以下缺點:a)系統(tǒng)以采集的路面損壞圖像數(shù)據(jù)為模擬量,且存儲在高密度的錄像帶中,只有將其數(shù)字化后方能被計算機處理,極大地影響了數(shù)據(jù)處理的效率;b)路面損壞圖像的光照系統(tǒng)由多個數(shù)量且功率較大的碘燈或氬激光燈組成,在檢測過程中極易損壞;c)同步檢測技術尚未成熟,面陣攝像機采集的路面損壞圖像常有重疊或缺失的現(xiàn)象;d)車轍數(shù)據(jù)的采集是依靠安在同一橫梁上的多個位移傳感器來完成,不但造價昂貴,且精度難以保證。2.3基于gps的車輛實時圖像采集近年來,CCD數(shù)字攝像技術和計算機圖像處理技術的飛速發(fā)展,促使了第三代多功能路面快速檢測設備的誕生。與第二代檢測技術相比,第三代檢測設備在檢測功能和后期數(shù)據(jù)處理方面均存在質的飛躍,其技術特征主要有以下幾點:a)采用CCD技術對圖像數(shù)據(jù)進行采集,并通過圖像數(shù)據(jù)采集卡直接將圖片數(shù)據(jù)存儲到計算機內存中;b)采用MPEG-Ⅱ圖像壓縮標準,可對采集的圖像數(shù)據(jù)進行實時壓縮、存儲;c)采用GPS定位技術和陀螺儀慣性系統(tǒng),對路線幾何線形及橫縱坡數(shù)據(jù)進行采集;d)在后期數(shù)據(jù)處理過程中,廣泛采用路面圖像預處理技術,提高了圖像數(shù)據(jù)的處理速度和準確率。在第三代快速檢測設備中,最具代表性的是澳大利亞道路運輸研究所(ARRB)研制開發(fā)的Hawkeye2000快速檢測系統(tǒng)。Hawkeye2000系統(tǒng)由數(shù)字斷面系統(tǒng)、圖像系統(tǒng)、GPS&DGPS系統(tǒng)、GIPSI幾何系統(tǒng)、采集系統(tǒng)和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)六大部分組成。該系統(tǒng)可在110km/h的車速下同時采集路面平整度、車轍、破損、沿線交通設施、路面橫縱坡及幾何線形等數(shù)據(jù)。同時采用快速壓縮技術,對圖像數(shù)據(jù)進行實時壓縮并通過工業(yè)采集卡將圖片及時存儲到計算機的硬盤中。該系統(tǒng)車轍檢測精度可達到0.5mm,路面破損圖像尺寸達1280×960像素,圖像分辨率為2.5mm,檢測寬度為3.2m,GPS系統(tǒng)可實現(xiàn)1m范圍內的定位精度。第三代快速檢測系統(tǒng)在功能上和數(shù)據(jù)采集模式上已趨于成熟,它為第四代快速檢測設備的誕生奠定了基礎。但其仍存在一些缺點,主要表現(xiàn)在以下幾個方面:a)路面照明系統(tǒng)未得到改進,仍采用多數(shù)量的常規(guī)光源照明,穩(wěn)定性難以保證;b)車轍數(shù)據(jù)的采集方式未得到改進,仍依靠安裝在同一個橫梁上的多個位移傳感器進行檢測,造價昂貴,經(jīng)濟適用性差;c)線掃描技術尚未成熟,采集的路面破損圖像質量不高。2.4車轍檢測系統(tǒng)組成在第三代路面檢測設備的基礎上,第四代檢測設備在路面破損檢測、車轍檢測、路面照明及圖像識別等方面取得了巨大突破,從而使路面快速檢測技術最終走向成熟,其主要技術特征如下:a)廣泛采用線掃描相機技術和紅外激光照明技術,使圖像質量更加穩(wěn)定;b)采用線激光車轍檢測技術,提高了車轍檢測精度和檢測系統(tǒng)的穩(wěn)定性。在第四代快速檢測設備中,具有代表性的是美國ICC公司生產(chǎn)的多功能路況檢測系統(tǒng)(見圖3)。該系統(tǒng)由平整度檢測系統(tǒng)、車轍檢測系統(tǒng)、路面破損檢測系統(tǒng)、道路前方圖像和道路幾何線形檢測系統(tǒng)等六大系統(tǒng)組成。車轍檢測系統(tǒng)采用目前最為先進的線激光三維檢測技術,該技術的主要原理為:激光器以固定頻率將激光線投射到路面上,由于路面存在車轍或擁包等病害,激光線發(fā)生變形,照相機與地面呈一定角度可將這種變形拍攝下來,拍攝到的圖片經(jīng)專用軟件處理,即可算出掃描斷面的最大車轍深度。ICC產(chǎn)的多功能車的車轍系統(tǒng)檢測頻率可達1.5m/斷面,每一個掃描斷面由1280個激光點組成,檢測精度達1mm。路面破損檢測系統(tǒng)由兩個CCD線掃描相機和兩個紅外激光器組成。相機分辨率為4096像素,像素塊大小為7μm×7μm;激光器最大出光功率為10W,激光波長為800nm~850nm。兩組相機和激光照明器被安裝在檢測車后上方的橫梁上,相距為2m,其中左側的紅外激光照明器與右側的CCD相機處在同一水平線上,右側的紅外激光發(fā)射器與左側的CCD相機處在同一水平線上。當系統(tǒng)開始檢測時,左側的激光照明器為右側的相機提供光源,右側的激光照明器為左側的相機提供光源,線掃描相機在激光器提供光源的情況下,對路面進行實時拍照,拍照頻率為40MHz,同時該系統(tǒng)與測距儀相關聯(lián),每6m即可形成一張照片,照片分辨率為1mm。采集的圖像數(shù)據(jù)再經(jīng)過圖像數(shù)據(jù)采集卡傳給計算機,計算機通過圖像快速壓縮軟件將圖像壓縮并保存在硬盤中。路面快速檢測技術發(fā)展到第四代,其數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)已經(jīng)成熟,但在數(shù)據(jù)的后期處理方面還有待改進,尤其是破損圖像的自動識別技術,目前是西方國家開展研究的主要方向。3圖像自動識別現(xiàn)有的路面自動檢測系統(tǒng)基本都采用現(xiàn)場檢測、離線分