專利名稱：檢測公路路面平整度的攝像測量方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及公路建設(shè)、機場跑道等工程領(lǐng)域，以及數(shù)字攝影測量、數(shù)字圖像處 理、計算機視覺等學(xué)科范圍，進一步是指一種檢測公路路面平整度的攝像測量方法。
背景技術(shù)：
路面平整度主要是指在行駛過程中引起車輛振動的路面縱斷面剖面曲線的波 動變化情況，獲得路面平整度指標就需得到路面的高程量。其中高程指的是采樣點 相對理想平面的偏差， 一般都是以測量起點所在水平面作為理想平面。
如圖1所示，ACDF為理想平面，ABDE為路面，ABD為路面縱斷面剖面曲
線，則IBq為高程。
路面平整度是改進初級階段的路面鋪設(shè)、路面施工驗收、城市道路路面評價 中一個重要的指標，直接決定了車輛行駛的舒適度、路面的安全性及使用狀態(tài)。路 面平整度指標能為決策者提供重要的信息，使決策者能為路面的維修、養(yǎng)護及翻修 等作出優(yōu)化決策。另一方面，路面平整度能準確地提供路面施工質(zhì)量的信息和質(zhì)量 評定的客觀指標。
在我國，路面平整度的檢測一直是路面評價中的一個難點，其主要原因是路 面平整度檢測儀的研發(fā)和評價理論的研究起點較低，致使我國過去自主生產(chǎn)的大多 數(shù)平整度儀無法直接測得國際通用的國際平整度指標IRI，同時尚未形成一套適應(yīng) 國情的路面平整度評價理論體系。在路面平整度檢測技術(shù)及檢測儀器方面中國與發(fā) 達國家相比仍存在相當差距，影響了我國公路及城市道路建設(shè)質(zhì)量管理及周期性評 價。我國交通部在上世紀九十年代制定過平整度檢測規(guī)范，1998年提出采用國際 上通用的國際平整度指標IRI。但事實上，在基層部門仍很少采用國際平整度指標IR1。其主要原因是這方面的檢測裝備比較落后，技術(shù)和人才相對缺乏；另一方面， 進口的平整度儀器操作和檢測內(nèi)容有時不符合我國的實際應(yīng)用要求，外文版的操作 界面增加了進口儀器的操作難度，儀器的標定和維修保養(yǎng)往往依賴于原產(chǎn)國，使用 不便，價格昂貴。在我國平整度檢測技術(shù)的應(yīng)用中，平整度標準差應(yīng)用得較為廣泛。 為獲得國際平整度指標IRI，平整度檢測部門常將平整度標準差轉(zhuǎn)換為國際平整度 指標1RI。交通部公路科學(xué)研究所曾將平整度標準差CJ和國際平整度指標IRI進行 過相關(guān)分析，得出國際平整度指標IRI可通過平整度標準差來獲得，艮P:
IRI =o/0.6 (1.1)
事實上，以上的轉(zhuǎn)換公式只在僅有短波長的路面適用，而當路面具有中、長 波長的成份時(即路面具有小幅起伏或有斜坡時)，以上的公式不成立。在現(xiàn)實中， 絕大部分路面都具有小幅起伏或有斜坡，只是一般不易直觀看出。只有極為平坦的 路面方能采用以上的轉(zhuǎn)換公式?？梢哉f以上的公式在應(yīng)用上有較大的局限性，不宜
推廣應(yīng)用，只是在沒有其它辦法獲得國際平整度指標IRI的情況下，勉強使用。
我國平整度儀的研制主要起始于上世紀八十年代初。當初西安、北京、上海 的市政部門和公路研究部門分別開始了連續(xù)式平整度儀(八輪儀)的研制，并于八 十年代中期開始了具體的應(yīng)用。時至今日，連續(xù)式平整度儀仍有較大的應(yīng)用市場， 但連續(xù)式平整度儀有其根本的局限性。由于其檢測的波長限定在短波長范圍(小于
1.5米)，因此無法獲得國際平整度指標IRI (IRI要求檢測波長必須大于30米)。 連續(xù)式平整度儀所能檢測的是平整度標準差，而平整度標準差所能反映的僅是短波 長的平整度。隨著我國對平整度檢測要求的提高，連續(xù)式平整度儀越來越不適應(yīng)市 場應(yīng)用。另一種響應(yīng)式檢測類，其主要局限是儀器須定期標定，且無法直接獲得國 際平整度指標IRI。但隨著國際平整度指標IRI的普及使用和交通部對IRI的要求，響應(yīng)式檢測儀的應(yīng)用也己開始受到制約。因此，市場急需一種符合我國的實際應(yīng) 用要求、操作難度小、儀器的標定和維護保養(yǎng)不依賴國外的直接式平整度測量儀。 近年來，以計算機技術(shù)和數(shù)字圖像處理技術(shù)為核心的信息技術(shù)得到飛速發(fā)展， 數(shù)字攝像裝置制造工藝水平大幅度提高，這些科技進步使得利用攝像測量方法實施 路面平整度的測量成為可能。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是，針對現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷，提出一種檢測公路 路面平整度的攝像測量方法，它將攝像測量運用于公路平整度檢測，系統(tǒng)數(shù)字化程 度高，可滿足高速公路和機場跑道要求高精度、高可靠度、高自動化程度檢測的需 要，從而大大提高路面平整度參數(shù)水平，以適應(yīng)現(xiàn)代高等級公路建設(shè)發(fā)展要求。
為達到上述目的，本發(fā)明采取的技術(shù)方案是，所述檢測公路路面平整度的車 內(nèi)攝像測量方法為
a. 將測量車置于待測路面上，在所述測量車車內(nèi)一端固定安裝一攝像裝置， 其光軸平行于車底平面，在車內(nèi)另一端垂直車底平面安置2個相隔r距離，且 高度不同的標志桿，兩標志桿只可在垂直車底平面方向運動；標志桿的頂端各 設(shè)置一合作標志；
b. 所述測量車在待測路面上運行時，用所述攝像裝置拍攝測量車運行過程 中不同時刻的合作標志的圖像；
c. 通過圖像及數(shù)據(jù)處理實時獲得路面高程；
進一步地，用所獲得的路面高程參數(shù)合成所述待測路面的縱斷面剖面曲線。
其中所述路面高程參數(shù)獲得的方法為 A、 S為安裝在測量車標志桿上的合作標志，兩標志桿平行距離固定為r，測量車在測量時速度為V米/秒，攝像裝置每秒能拍攝H幀，則通過亞象素定位，由 兩合作標志點分別得到采樣間隔S = V/H的相對高程測量值A(chǔ)k, 、 A2￡ :
値、、.<formula>formula see original document page 8</formula> 其中
At為攝像機測量出來的高程差 A、為路面的實際高程差 、為基準平臺的變化量
由測得的一系列相對高程量 . 、 A^得到一系列高程效
<formula>formula see original document page 8</formula>
由以上一系列采樣間隔為s的高程測量值可分別得出兩條曲線函數(shù)/;(s)、
再在兩條曲線函數(shù)乂(S)、《(S)上以間隔距離為r插值取點，得到-系列間距 為r (即兩標志桿之間的距離)的離散值/z一、 /^、 :
由于基準平臺的變化量相同，由此有
,=1 ,=1
其中
&為測量車運動到第n個r距離后的第一標志桿所在位置的真實高程/z2為測量車運動到第n個r距離后的第二標志桿所在位置的真實高程； 所以^即為間距為r的路面實際高程差；
由于路面有傾角量為e的坡度，測量車上合作標志點p2所在位置與合作標志 點pl所在位置的相對高程A,為 A/ = r x sin <9十A, X cos 61
由上述一系列間距為r的實際相對高程差~, ，求出一系列間距為r，相對基 點的絕對髙程A,，
由以上可知，本發(fā)明為一種檢測公路路面平整度的攝像測量方法，它可滿足 高速公路和機場跑道要求高精度、高可靠度、高自動化程度檢測的需要，大大提高 了路面平整度參數(shù)水平；應(yīng)用本發(fā)明方法時，只需測量前一次性標定好相機，使合 作標志處于攝像裝置視場范圍內(nèi)即可，因此在實際使用中，操作簡單，測量裝置的 可操作性好。
圖1為路面剖視結(jié)構(gòu)示意圖2為本發(fā)明所述攝像測量方法原理示意圖3為合作標志點樣式；
其中(a)為圓形，(b)為十字絲，(c)為對頂角； 圖4為攝像機測量關(guān)系圖5為本發(fā)明方法中離散數(shù)據(jù)擬合曲線示意圖6為本發(fā)明方法中在擬合曲線上取離散點示意圖7為基準平臺在傾角情況下參數(shù)關(guān)系圖；20 圖8為車轍計算方法示意圖。
具體實施例方式
以下結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明做進一步說明。
車內(nèi)平整度檢測的攝像測量裝置的實驗方案圖如圖2所示，q為安裝在測量 車尾部的攝像機，《、g為安裝在測量車標志桿上的合作標志，兩標志桿始終垂直 于汽車基準平臺，其平行距離固定為r，攝像機C,固定安裝在汽車的基準平臺上， 其光軸垂直于標志桿。
本實施例所述檢測公路路面平整度的車內(nèi)攝像測量方法詳細步驟包括 a，測量車T為圖2所示四輪車。將測量車置于待測路面R上，在所述測量車 車內(nèi)一端固定安裝的一高速攝像機C,光軸平行于車底平面，在車內(nèi)另一端垂直車底 平面相隔r距離安置2個高度不同的標志桿，桿的頂端各設(shè)置一合作標志S、尸2， 兩標志桿只可以在垂直車底平面方向運動，兩桿的高度差不至于在測量過程中使得 兩合作標志互相遮擋；
b. 所述測量車在待測路面R上運行時，用所述攝像裝置q拍攝測量車運行過 程中不同時刻的合作標志A、 g的圖像；
c. 通過圖像及數(shù)據(jù)處理實時獲得路面高程；
d，最后用所獲得的路面高程參數(shù)合成所述待測路面的縱斷面剖面曲線。 其中合作標志如圖3所示，可以是圓形，也可以是對角形，或十字絲，或其 它任意容易識別的圖形。
測量開始前調(diào)整攝像裝置使合作標志位于視場的中央，調(diào)整好視場的大小， 保證在整個測量過程中，合作標志點不脫出視場，而視場也不至于過大，并在此時 確定兩合作標志點在圖像中的運動量與實際的運動量的關(guān)系，即根據(jù)視場內(nèi)線段長
10度、區(qū)域面積之合作標志的先驗知識，實時標定出圖像的比例系數(shù)，用于最終路面 幾何參數(shù)的計算。測量過程中，由于合作標志固連在測量車的標志桿上，該標志桿 隨著測量車同步前進，但其上下運動不受測量車的約束，所以攝像裝置測得的合作 標志的偏移量實際上是路面高程的變化量與基準平臺的位移量之差。假設(shè)測量車在 測量時速度為V米/秒，攝像機每秒能拍攝H幀，通過亞象素定位，由兩合作標志 點可分別得到一系列釆樣間隔為S二V/H的相對高程測量值A(chǔ),。 、 ，見圖4，可矢口 At = A廣Ar
其中
A,.為攝像機測量出來的高程差
A、為路面的實際高程差
A,.為基準平臺的變化量
由測得的一系列相對高程量Aw, 、 AA、 ，可得到一系列的高程測量值、,,，
<formula>formula see original document page 11</formula>
由以上一系列采樣間隔為s的高程測量值可分別得出兩條曲線函數(shù)乂(S)、 /2(S)，如圖5所示。其中采樣間隔s為攝像裝置每幀圖像中測量的距離。
再在已得到的兩條曲線函數(shù)上以間隔距離為r插值取點，由此可得到一系列 間距為i"(即兩標志桿之間的距離)的離散值《,,、如圖6所示。
<formula>formula see original document page 11</formula>
可以得到△r =》2c, — &= ￡ A 2.、.,, — Z A'2" — ￡ △、" + Z △、"
/=， H 卜l /=1
在同一時刻兩合作標志點所對應(yīng)的是同一相機位置即同一時刻的基準平臺，
所以
由此有
/=
/=1
其中
盡為測量車運動到第n個r距離后的第一標志桿所在位置的真實高程 ■ /^為測量車運動到第n個r距離后的第二標志桿所在位置的真實高程 所以A,.即為間距為r的路面實際高程差
由一系列間距為r的實際相對高程差A(yù),。，可以求出一系列間距為r，相對基 點的絕對高程A,，
(=
以上對絕對高程的求解是在假設(shè)基準平臺沒有傾角時進行的，那么^是指慮 除基準平臺傾角的高程值。當測量車在有坡度的路面上行駛測量時，需要加入一個
傾角量e， e角可以通過測量車上的陀螺儀測得。見圖7如示。
可知在考慮了傾角e后，合作標志點P2所在位置與合作標志點pi所在位置 的相対高程a,;，即為兩標志桿間的距離r和慮除基準平臺傾角的高程差值^在垂 直水平方向的投影
=rxsini9 + Ar Xcosi9
由一系列間距為r的實際相對高程差A(yù)^，可以求出一系列間距為r，相對基點的絕對高程/z":
<formula>formula see original document page 13</formula>
由這一系列的絕對高程&即可得到路面的縱向剖面曲線。
如果橫向安置這樣的標志桿在5組或5組以上，按照上述計算方法，則可得 到5條或5條以上的縱向剖面曲線，由同一時刻測得的5個或5個以上的高程量 h,、 h2、 h3、 h4、 h5等即可得到路面的橫向剖面曲線，以5組標志桿為例，如圖8 所示，得到路面的車轍公式如下
左輪車轍i^r^^+ZO-2&)/2
右輪車轍i LT,+Z25 )-2/^/2
由于測量用的攝像裝置固定在基準平臺上，在測量過程中，基準平臺是隨路 面的起伏而起伏的，因此如何消去車體自身垂直位移就成為這類檢測技術(shù)的關(guān)鍵問 題。最直觀的方法是設(shè)想在車體上裝置一個不隨車體作垂直運動的基準作為像機的 載體,如早期的慣性基準。而現(xiàn)代檢測技術(shù)則采用計算修正慣性基準即用加速度傳 感器測量基準平臺的加速度，經(jīng)二次積分得到車體的垂直位移Z,將Z加到高程實 際測量值W中，則可得到路面高程值H，即
H = Z + W
然而理論分析和實驗運行都表明，這種修正不僅因為加速度傳感器還對角度 變化敏感，如轉(zhuǎn)彎、俯仰等，同時要進行同步標定十分困難，因而不是理想的方法。 為此，本發(fā)明設(shè)計了雙合作標志點互差的方法來消除攝像裝置的震動，以此消除基 準平臺隨路面的起伏及震動對測量的影響。
通過采用各種已有數(shù)字圖像處理技術(shù)，可以高精度地檢測并定位圖像點位置。 例如，亞像素圖像定位技術(shù)就是一種先進的圖像處理方法之一，運用它使圖像中目標定位精度高于圖像的物理分辨率。本發(fā)明可采用如下亞像素定位技術(shù)
1、 使用自適應(yīng)模板相關(guān)濾波法
基本思想是制作參數(shù)可以調(diào)整的模板，對每個粗定位點，首先確定應(yīng)選模板 的參數(shù)，選擇最合適的模板，用所選模板對粗定位點及其鄰域點進行相關(guān)運算，用 所得相關(guān)系數(shù)擬合曲面，確定最大相關(guān)位置。
2、 自適應(yīng)閾值重心法
對于有些目標，可以通過多種圖像處理的方法提取具有一定面積的目標區(qū)域， 并考慮到目標的灰度分布特征，采用灰度重心法，在目標區(qū)域內(nèi)以灰度為權(quán)值求出 目標區(qū)域的灰度重心作為目標位置，同時采用帶自適應(yīng)閾值的高斯分布模板對特征 目標進行跟蹤定位。
3、 灰度圖擬合法
對于有些目標，還可直接根據(jù)目標圖像的特征，選用合適的解析曲面，對灰 度圖進行曲面擬合，再求出解析曲面的極值位置，從而實現(xiàn)目標的亞像素精度定位。
4、 根據(jù)灰度特征進行指定區(qū)域或全場的自動識別
如圖3所示，對頂角標志圖像具有一定的特征，如對角區(qū)域同為亮或暗而平
均灰度差異小，鄰角區(qū)域一亮一暗而平均灰度差異大，4個角域各自的平均灰度與
整個區(qū)域的平均灰度有較大差異，中心區(qū)的平均灰度與整個區(qū)域的平均灰度相近， 同一角域內(nèi)象素間灰度差異小，標志外緣有橢圓或近似橢圓存在，有兩條相交于中 心的階躍邊緣存在。充分利用這些特征，可以可靠地實現(xiàn)高精度的識別與定位。
實施本發(fā)明，可采用以攝像裝置和個人計算機(或DSP處理器)及陀螺儀為
核心的硬件設(shè)備，對硬件依賴程度低，數(shù)字化程度和自動化程度高，可采用計算機 對攝像裝置獲得的圖像數(shù)據(jù)進行存儲、復(fù)制、傳輸和自動化處理。攝像裝置的選擇與安裝數(shù)字攝像裝置速度快、存儲方便，易于實現(xiàn)后處理 的數(shù)字化、自動化，因此采用數(shù)字攝像裝置比模擬攝像裝置更合適。由于測量車在 不良路況上運行過程中伴隨有劇烈振動存在。為保證攝像裝置的正常工作狀態(tài)，正 確獲得合作標志物圖像，需要將攝像裝置固定在測量車上。
處理器選擇設(shè)計方案在路面平整度參數(shù)的檢測中，可以采用PC計算機或 DSP處理器，作為圖像存儲、數(shù)據(jù)處理設(shè)備。由于DSP處理器速度快、操作簡便， 因此更適合用在實際裝置中。在攝像裝置選定，可以根據(jù)攝像裝置的接口方案設(shè)計 DSP處理器。
所述測量車可以是專用的路面檢測車。
用上述方法檢測并得出路面縱斷面剖面高程(曲線)，然后通過軟件直接計 算出國際平整度指標IRI和平整度標準差O ;在路面瀝青攤鋪等施工過程中可將平
整度等參數(shù)傳送給施工機械，為施工過程路面平整度等參數(shù)的實時控制提供依據(jù)。
權(quán)利要求
1、一種檢測公路路面平整度的攝像測量方法，其特征是，包括如下步驟a.將測量車置于待測路面上，在所述測量車車內(nèi)一端固定安裝一攝像裝置，其光軸平行于車底平面，在車內(nèi)另一端垂直車底平面安置2個相隔r距離，且高度不同的標志桿，兩標志桿只可在垂直車底平面方向運動；標志桿的頂端各設(shè)置一合作標志；b.所述測量車在待測路面上運行時，用所述攝像裝置拍攝測量車運行過程中不同時刻的合作標志的圖像；c.通過圖像及數(shù)據(jù)處理實時獲得路面高程。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述檢測公路路面平整度的攝像測量方法，其特征是， 由所獲得的路面高程參數(shù)合成所述待測路面的縱斷面剖面曲線。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述檢測公路路面平整度的車內(nèi)攝像測量方法，其特征 是，所述路面高程參數(shù)獲得的方法為f、 ^為安裝在測量車標志桿上的合作標志，兩標志桿平行距離固定為r，測 量車在測量時速度為V米/秒，攝像裝置每秒能拍攝H幀，通過亞象素定位兩合作 標志點，分別得到采樣間隔s二V/H的相對高程測量值A(chǔ)k.、 A2c:At = △、 —AA.其中~為攝像裝置測量出來的高程差A(yù),為路面的實際高程差A(yù),為基準平臺的變化量由測得的一系列相對高程量、 A^得到一系列高程測量值Vn ， :,=1 / = 1 f=l "1由以上一系列采樣間隔為s的高程測量值可分別得出兩條曲線函數(shù)/;(s)、再從兩條曲線函數(shù)乂(S)、 7iOS)上以間隔距離為r插值取點，得到一系列間距 為r (即兩標志桿之間的距離)的離散值/2一、 A'^:由于基準平臺的變化量相同，由此有△ j 、,,-!>、■'.,,=/ 2-",.=] ,.=i其中S為測量車運動到第n個r距離后的第一標志桿所在位置的真實高程； ~為測量車運動到第n個r距離后的第二標志桿所在位置的真實高程； 所以A,即為間距為r的路面實際高程差；由于路面有傾角量為e的坡度，測量車上合作標志點p2所在位置與合作標志 點pl所在位置的相對高程A,為 =rxsin<9 +A" Xcosi9由上述一系列間距為r的實際相對高程差A(yù)^，求出-系列間距為n相對基 點的絕對高程A,,:
4、 根據(jù)權(quán)利要求l所述檢測公路路面平整度的攝像測量方法，其特征是， 所述攝像裝置為高速數(shù)字攝像機。
5、 根據(jù)權(quán)利要求1所述檢測公路路面平整度的攝像測量方法，其特征是， 所述合作標志為圓形、十字絲、或?qū)斀切螤睢?br>
6、 根據(jù)權(quán)利要求1所述檢測公路路面平整度的攝像測量方法，其特征是， 采用亞像素圖像定位技術(shù)進行所述圖像處理，定位圖像中的合作標志點位置。
7、 根據(jù)權(quán)利要求1所述檢測公路路面平整度的攝像測量方法，其特征是， 根據(jù)視場內(nèi)線段長度、區(qū)域面積之合作標志的先驗知識，實時標定出圖像的比 例系數(shù)，用于最終路面幾何參數(shù)的計算。
8、 根據(jù)權(quán)利要求1所述檢測公路路面平整度的攝像測量方法，其特征是， 所述測量車上橫向設(shè)置有5對以上標志桿，通過對固定在所述標志桿上的合作 標志進行測量，即可得到路面的橫向剖面曲線，測得路面的車轍深度。
全文摘要
一種檢測公路路面平整度的攝像測量方法，首先將測量車置于待測路面上，在所述測量車車內(nèi)一端固定安裝一攝像裝置，其光軸平行于車底平面，在車內(nèi)另一端垂直車底平面安置2個相隔r距離，且高度不同的標志桿，標志桿的頂端各設(shè)置一合作標志；所述測量車在待測路面上運行時，用所述攝像裝置拍攝測量車運行過程中不同時刻的合作標志的圖像；通過圖像及數(shù)據(jù)處理實時獲得路面高程，最后由所獲得的一系列高程參數(shù)合成所述待測路面的縱斷面剖面曲線。采用本方法適應(yīng)了現(xiàn)代公路建設(shè)發(fā)展要求，滿足高精度、高可靠度、高自動化程度檢測的需要，在公路、機場等工程領(lǐng)域具有良好的應(yīng)用前景。
文檔編號E01C23/01GK101319485SQ200810031788
公開日2008年12月10日 申請日期2008年7月16日 優(yōu)先權(quán)日2008年7月16日
發(fā)明者于起峰, 伏思華, 欣 姜, 張小虎 申請人:張小虎;于起峰;姜 欣;伏思華