阅读说明：本技术 一种道路几何线型和路面三维结构重构系统及重构方法 (Road geometric linear and road surface three-dimensional structure reconstruction system and reconstruction method ) 是由 彭崇梅 韦学健 杨昆 操莉 张枢文 张香 马明雷 于 2020-04-20 设计创作，主要内容包括：发明提供一种道路几何线型和路面三维结构重构系统及重构方法。该系统包括纵向距离传感器、两个线激光测距仪、几何测量系统、采集卡和中央处理计算机系统。所述纵向距离传感器记录车辆行驶里程。所述线激光测距仪在车辆行进过程中等间隔获取路面横断面的高程信息。所述几何测量系统实时获取车辆所在位置的地理坐标信息和车辆姿态信息。所述中央处理计算机系统建立道路路面立体三维模型。该重构方法包括转换坐标、形成路面点云、建立道路路面立体三维模型和识别立体病害等步骤。该系统通过路面三维重构技术将路面的立体模型重新生成,并且利用颜色来区分不同深度信息,增加了路面立体变形病害的辨识度。(The invention provides a road geometric linear type and road three-dimensional structure reconstruction system and a reconstruction method. The system comprises a longitudinal distance sensor, two linear laser range finders, a geometric measurement system, an acquisition card and a central processing computer system. The longitudinal distance sensor records the vehicle mileage. The line laser distance measuring instrument obtains elevation information of a cross section of a road surface at equal intervals in the vehicle advancing process. The geometric measurement system acquires the geographic coordinate information and the vehicle attitude information of the position of the vehicle in real time. The central processing computer system establishes a three-dimensional model of the road surface. The reconstruction method comprises the steps of converting coordinates, forming a road surface point cloud, establishing a road surface three-dimensional model, identifying a three-dimensional disease and the like. The system regenerates the three-dimensional model of the road surface through the three-dimensional reconstruction technology of the road surface, and utilizes the color to distinguish information with different depths, thereby increasing the identification degree of the three-dimensional deformation diseases of the road surface.)

一种道路几何线型和路面三维结构重构系统及重构方法

技术领域

本发明涉及道路检测技术领域，特别涉及路面立体病害检测和定位方法。

背景技术

路面的立体变形病害不仅影响到行车的舒适性，甚至对行车的安全性产生极大影响，例如路面坑塘可能会造成高速行驶的车辆爆胎，较深的车辙可能导致车辆失稳，因此快速、准确检测路面立体病害是病害整治的前提和基础，是道路安全运行的重要保障。

现有技术中通常采用二维图片分析和线激光测距仪检测的方法对路面病害进行识别。然而，基于二维图片的路面病害识别技术受到道路阴影和油污等噪声因素的影响，检测结果需要人为纠正。利用激光测距仪对路面三维表观进行检测和重构的方法在横断面的采样间隔较大，不利于宽度较小的立体病害辨识。横断面扫描点的平面坐标位置具有一定的偏差。同时，GPS和陀螺仪独立工作不利于提高几何线型数据的精度。对养护维修的指导性不足。

因此，亟需开发一种可靠的路面立体病害检测和定位方法。

发明内容

本发明的目的是提供一种道路几何线型和路面三维结构重构系统及重构方法，以解决现有技术中存在的问题。

为实现本发明目的而采用的技术方案是这样的，一种道路几何线型和路面三维结构重构系统，包括纵向距离传感器、两个线激光测距仪、几何测量系统、采集卡和中央处理计算机系统。

所述纵向距离传感器记录车辆行驶里程。所述线激光测距仪在车辆行进过程中等间隔获取路面横断面的高程信息。所述几何测量系统实时获取车辆所在位置的地理坐标信息和车辆姿态信息。所述中央处理计算机系统实时获取纵向距离传感器、线激光测距仪和几何系统的参数，计算并储存包含道路线型的路面三维点云坐标。所述中央处理计算机系统通过路面三维点云坐标建立道路路面立体三维模型。

进一步，所述几何测量系统集成有GPS和陀螺仪。

进一步，所述线激光测距仪采用非接触式3D线激光距离扫描仪。所述线激光测距仪对路面宏观纹理进行扫描，获得反应路面横断面高程信息的点云数据。其中，每个横断面上的采样点数不少于1500个。

进一步，所述线激光传感器每间隔20cm采集一个横断面的高程信息。

进一步，GPS外接天线安装在车辆中轴线位置处。所述两个线激光测距仪分别布置在GPS外接天线的两侧。

本发明还公开一种采用上述系统的道路几何线型和路面三维结构重构方法，包括以下步骤：

1)在车辆上部署检测系统。

2)启动车辆和检测系统。车辆行进过程中，纵向距离测量传感器测量累积行驶里程。线激光扫描仪按照等间隔获取路面横断面高程信息。几何系统实时采集车辆行驶路径下的地理位置坐标信息和车辆姿态信息。

3)将行车轨迹下经纬度坐标转换为空间直角坐标。

4)将路面高程信息与平面坐标进行叠加，形成路面高密度点云。

5)将步骤4)所得三维点云坐标绘制为空间曲面，建立道路路面立体三维模型。

进一步，步骤5)中，根据深度信息对三维模型图像进行着色。

进一步，步骤5)之后，还具有对模型进行浏览，识别立体病害并记录桩号位置的相关步骤。

本发明的技术效果是毋庸置疑的：

A.通过路面三维重构技术将路面的立体模型重新生成，并且利用颜色来区分不同深度信息，增加了路面立体变形病害的辨识度；

B.通过将线激光扫描仪、几何测量单元、纵向距离测量传感器等整合成同一个系统，实现道路三维检测的自动化、高效化以及精细化目标；

C.通过在使用的嵌入式全球导航卫星系统中GPS、GLONASS、GALILEO卫星信号相互补充，同时结合动态差分技术和陀螺仪，显著提高了车辆位置信息的精度和稳定性。

附图说明

图1为重构系统结构示意图；

图2为重构方法流程图；

图3为坐标变换示意图；

图4为试验路段立体病害示意图。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步说明，但不应该理解为本发明上述主题范围仅限于下述实施例。在不脱离本发明上述技术思想的情况下，根据本领域普通技术知识和惯用手段，做出各种替换和变更，均应包括在本发明的保护范围内。

实施例1：

参见图1，本实施例针对现有道路三维重构技术手段的检测数据采样点少以及精度不高的现状，公开一种道路几何线型和路面三维结构重构系统，包括纵向距离传感器、两个线激光测距仪、几何测量系统、采集卡和中央处理计算机系统。

所述纵向距离传感器记录车辆行驶里程。所述纵向距离传感器采集的数据可以共享给激光扫描系统，用于控制扫描间隔。

所述线激光测距仪采用非接触式3D线激光距离扫描仪。所述线激光传感器每间隔20cm采集一个横断面的高程信息。所述线激光测距仪可检测路面横向4米宽度范围内断面高程，采样点数为1536个，高程方向分辨率为0.1mm。所述线激光测距仪对路面宏观纹理进行扫描，获得反应路面横断面高程信息的点云数据。所述线激光测距仪以纵向距离传感器记录的车辆行驶里程为参考触发扫描。几何系统实时获取车辆所在位置的地理坐标信息，同时可根据几何系统获取车辆的车头朝向、车辆俯仰角以及横坡角。在后期数据处理上，以GPS导出的地理坐标位置为基础恢复行驶轨迹下道路的几何线型，同时每一个横断面高程对应一个地理坐标信息。

所述几何测量系统集成有GPS和陀螺仪。所述陀螺仪在行驶方向精确度为0.02°，在旋转和俯仰方向精确度为0.005°，水平精确度为0.02m，竖直精确度为0.05m。GPS外接天线安装在车辆中轴线位置处。所述两个线激光测距仪分别布置在GPS外接天线的两侧。所述几何测量系统实时获取车辆所在位置的地理坐标信息和车辆姿态信息。在检测过程中，几何系统实时采集车辆所在地理位置信息以及车辆的姿态信息，并且陀螺仪可以在卫星失锁的条件下维持车辆定位30s。

所述中央处理计算机系统实时获取纵向距离传感器、线激光测距仪和几何系统的参数，计算并储存包含道路线型的路面三维点云坐标。

随着车在不断前进，线激光扫描器将以20cm为间隔对路面进行扫描，同时结合GPS采集的地理坐标信息，由此可以获得包含道路线型的高密度路面三维点云坐标。所述中央处理计算机系统根据路面三维点云坐标利用图像处理软件建立道路路面立体三维模型，实现路面三维重构。

本实施例通过使用线激光测距仪可缩短道路横断面采样间隔，增加采样点数。一方面引入动态差分技术提高GPS精度，同时将GPS、陀螺仪进行集成，在提升数据精度的同时可保证在卫星信号丢失的情况下30s内继续输出高精度的GPS坐标，并且提升了线激光测距仪扫描点在平面投影坐标的精度。

实施例2：

本实施例公开一种基础的道路几何线型和路面三维结构重构系统，包括纵向距离传感器、两个线激光测距仪、几何测量系统、采集卡和中央处理计算机系统。

所述纵向距离传感器记录车辆行驶里程。

所述线激光测距仪采用非接触式3D线激光距离扫描仪。所述线激光传感器每间隔20cm采集一个横断面的高程信息。每个横断面上的采样点数不少于1500个。所述线激光测距仪对路面宏观纹理进行扫描，获得反应路面横断面高程信息的点云数据。

所述几何测量系统集成有GPS和陀螺仪。GPS外接天线安装在车辆中轴线位置处。所述两个线激光测距仪分别布置在GPS外接天线的两侧。所述几何测量系统实时获取车辆所在位置的地理坐标信息和车辆姿态信息。

所述中央处理计算机系统实时获取纵向距离传感器、线激光测距仪和几何系统的参数，计算并储存包含道路线型的路面三维点云坐标。所述中央处理计算机系统通过路面三维点云坐标建立道路路面立体三维模型。

实施例3：

参见图2，本实施例公开一种采用实施例2所述系统的道路几何线型和路面三维结构重构方法，包括以下步骤：

1)在车辆上部署检测系统。

2)启动车辆和检测系统。车辆行进过程中，纵向距离测量传感器测量累积行驶里程。线激光扫描仪按照等间隔获取路面横断面高程信息。几何系统实时采集车辆行驶路径下的地理位置坐标信息和车辆姿态信息。

3)参见图3，将行车轨迹下经纬度坐标转换为空间直角坐标。采样时GPS经纬度换算的平面直角坐标为(X0，Y0，Z0)。线激光测距仪瞬时扫描横断面上第i个点的空间坐标为(Xi，Yi，Zi)。

Zi＝Z0-h+Hi

式中，N为3D线激光测距仪在一次扫描中扫描点的个数。Hi为第i个点的高程。L为扫描总宽度，m。h为GPS外接天线距离轮胎底部安装高度，m。α为陀螺仪瞬时车头指向角。

4)将路面高程信息与平面坐标进行叠加，形成路面高密度点云。

5)利用matlab软件surf功能将步骤4)所得三维点云坐标绘制为空间曲面，建立道路路面立体三维模型。根据深度信息对三维模型图像进行着色。为了使得绘制的曲面平顺光滑，本实施例在制图时使用小波变换函数进行插值。

6)对模型进行浏览，识别立体病害并记录桩号位置供后续养护维修时参考。检测一段试验路辨识出的识别路面坑槽、拥包以及车辙等立体病害如图4所示。

本实施例能够构建行车轨迹下道路的几何线型，同时能够将路面的坑塘、拥包以及车辙等立体病害利用颜色进行直观标识和定量检测，为路面立体病害检测和定位提供了一种新方法。