基于三维激光与编码器阵列的路面纹理参数采集方法

本发明属于检测，具体涉及一种基于三维激光与编码器阵列的路面纹理参数采集方法。

背景技术：

1、沥青路面抗滑性能对交通安全有直接影响，尤其表现在汽车高速行驶或者加速、减速时。轮胎与路面形成的摩擦力依赖于沥青、集料及集料表面微小起伏形成的纹理结构，因此准确获取纹理结构并用参数量化以间接表征路面抗滑性能，是路面服役性能管理的主要方法之一。

2、路面纹理可以通过直接和间接两种方法获取。直接方法包括图像法、ct扫描法、机械触针法与激光测距法，间接方法包括铺砂法、排水法与刀片法。

3、图像法基于各类图像处理技术，部分结合机器学习技术，将二维图像数据推理还原成三维空间数据。图像法设备架构简单，但精度上限低，对光照等检测条件要求高，同时限制了检测效率。ct扫描法具有很好的精度，但ct扫描仪必须在防辐射条件下使用且能量消耗大，因此该技术仅适用于室内研究。机械触针法以一定压强将一探头滑过路面，通过获取探头发生的位移提取宏观纹理，精度很高。但该方法测量范围有限，测量结果受探头本身属性影响大，并且探头由于与路面频繁摩擦容易损坏，因此该方法没有被广泛应用。

4、铺砂法通过将定量体积的砂均匀地摊铺在路面上得到摊铺面积，用砂的体积与摊铺面积比值代表得到测点的构造深度平均值。电动铺砂法在一定程度上减少了人工操作带来的主观误差，但对于效率并没有显著提升。排水法通过监测固定体积的水通过路面排除的时间间接反映路面的宏观构造。无论是人工铺砂法、电动铺砂法还是排水法都要求封闭检测路段，且只能逐个点检测。刀片法将激光束以45°角斜射沥青混凝土试件上，提取形成的明暗边界以得到纹理二维轮廓，但该方法对环境的光照条件研究严苛，不适合用于现场测试。

5、三维激光点云作为一种先进的测量手段，具有快速、实时、高密度、高精度、动态及主动等优势。将激光点云仪及其配套设备固定在汽车构成了移动测量系统，该系统可以在不影响交通的情况下快速、高分辨率地获取路面高程点云，且该测量系统具有成本低、人力省、安全性高与工作环境干扰小的特点。但其仍有缺陷，比如数据噪声大、纹理参数提取方法不合理等。

技术实现思路

1、本发明的目的是针对以上问题，提出了一种从路面高程点云到输出三维纹理参数全程自动化的提取方法。

2、为了解决上述技术问题至少之一，根据本发明的一方面，提供了一种基于三维激光与编码器阵列的路面纹理参数采集方法，包括如下步骤：

3、s1.高程点云采集；

4、s2.异常数据清洗；

5、s3.振动噪声抑制；

6、s4.测线不平行矫正；

7、s5.基于局部峰顶面的路面三维纹理参数提取；

8、s6.构建纹理参数自动采集系统，将s1-5中所有程序封装合并，得到一个输入点云数据，输出指定区域各项路面三维纹理参数的自动采集系统。

9、进一步的，s1中，将三维激光扫描仪、行进编码器阵列集成在车辆上；

10、在车辆尾部安装固定支架，架设三维激光扫描仪，三维激光扫描仪与路表垂直，三维激光扫描仪与路表距离依据三维激光扫描仪的扫描范围确定，保障扫描范围覆盖至少一个路面行车道；

11、行进编码器阵列由两个分别安装在左后、右后车轮的行进式编码器组成；其中右后轮的编码器用于精准监测车辆的转弯运动参数，称为对照编码器；其中左后轮的编码器用于精准测量车辆行进距离与控制三维激光扫描仪数据保存，称为控制编码器，车辆每行进w米，控制编码器触发三维激光扫描仪的保存功能，保存w米的路表三维扫描结果，格式为.dat的点云数据文件。

12、进一步的，s2中，异常数据清洗具体为：以dat文件为输入，将dat文件解码为w×h尺寸的矩阵，w为点云数据文件覆盖的车辆行进长度，h为点云数据文件覆盖的扫描宽度，并将w×h范围内的激光点云测得的高度z保存在对应位置；自动转换程序基于正态分布拟合方法，统计某个矩阵中高程的均值与方差，认为处于置信区间外的高程点为异常点，将异常点的高程赋值为异常点周围点高程的平均值。

13、进一步的，s3中，振动噪声抑制具体为：

14、设置基于“基准面假设”的振动噪声抑制程序，包括确定基准面、确定基准线、基准线回归三个子模块；

15、其中，“基准面假设”认为，如果将到所有点距离和最小的平面定义为基准面，则在测线数量足够多的点云矩阵中，竖向振动发生前后，基于此点云矩阵得到的基准面相同；

16、其中，确定基准面模块基于数值解完成；

17、其中，确定基准线模块基于数值解完成；基准线是某条测线上，到所有点距离和最小的直线；

18、其中，基准线回归模块通过保持每个点相对于基准线的位置不变，将基准线和测点同步回归到基准平面上。

19、进一步的，s4中，测线不平行矫正具体为：

20、设置基于编码器阵列的测线不平行矫正程序，编码器的触发次数、触发频率、前进距离；

21、取转弯过程中的一小段时间，在所述一小段时间内认为两个后轮的运动轨迹是一段圆弧，设外侧编码器和内侧编码器在所述一小段时间内的触发次数分别为，两者的触发频率均为；

22、、分别为相同时间内外侧车轮和内侧车轮的前进距离，、分别为外侧车轮和内侧车轮的转弯半径，、已知，与的差为轮距也已知，能够解出、的值；根据弧长、半径、弧度之间的关系，得到所述一小段时间内的两个后轮转动的角度，假设此时控制编码器位于内侧，对照编码器位于外侧，则测线最内侧点的在方向上的间距等于检测车直线行驶时的间距，测线最外侧点在方向上的间距为 ；在所述一小段时间内，测线上其余各点在方向上的间距为；为一条测线上的测点数量；将转弯过程分为若干个小时间段，分别分析每个小时间段测线偏转情况，即可得到转弯时采集到的路面点云在物理空间中的真实位置。

23、进一步的，s5中，基于局部峰顶面的路面三维纹理参数提取的具体步骤为：

24、将峰顶面定义为过测点云矩阵中最高的三个点的平面，首先将待测点云矩阵分割为若干小矩阵，之后分别求每个小矩阵的峰顶面，以此峰顶面计算被测区域内的纹理参数，最后求所有小矩阵得到的纹理参数的平均值。

25、根据本发明的另一方面，提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现本发明的基于三维激光与编码器阵列的路面纹理参数采集方法中的步骤。

26、根据本发明的又一方面，提供了一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现本发明的基于三维激光与编码器阵列的路面纹理参数采集方法中的步骤。

27、与现有的技术相比较，本发明的上述方法的有益效果为：

28、本发明实现了激光点云技术从高程点云获取到路面三维纹理参数提取全过程的自动化与智能化，减少人力成本，降低处理时间。

技术特征：

1.基于三维激光与编码器阵列的路面纹理参数采集方法，其特征在于，包括如下步骤：

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，s1中，将三维激光扫描仪、行进编码器阵列集成在车辆上；

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，s2中，异常数据清洗具体为：以dat文件为输入，将dat文件解码为w×h尺寸的矩阵，w为点云数据文件覆盖的车辆行进长度，h为点云数据文件覆盖的扫描宽度，并将w×h范围内的激光点云测得的高度z保存在对应位置；自动转换程序基于正态分布拟合方法，统计某个矩阵中高程的均值与方差，认为处于置信区间外的高程点为异常点，将异常点的高程赋值为异常点周围点高程的平均值。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，s3中，振动噪声抑制具体为：

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，s4中，测线不平行矫正具体为：

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，s5中，基于局部峰顶面的路面三维纹理参数提取的具体步骤为：

7.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于：该程序被处理器执行时实现如权利要求1~6中任一项所述的基于三维激光与编码器阵列的路面纹理参数采集方法中的步骤。

8.一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述程序时实现如权利要求1~6中任一项所述的基于三维激光与编码器阵列的路面纹理参数采集方法中的步骤。

技术总结
本发明公开了一种基于三维激光与编码器阵列的路面纹理参数采集方法，包括：S1.高程点云采集；S2.异常数据清洗；S3.振动噪声抑制；S4.测线不平行矫正；S5.基于局部峰顶面的路面三维纹理参数提取；S6.构建纹理参数自动采集系统，将S1‑5中所有程序封装合并，得到一个输入点云数据，输出指定区域各项路面三维纹理参数的自动采集系统。本发明实现了激光点云技术从高程点云获取到路面三维纹理参数提取全过程的自动化与智能化，减少人力成本，降低处理时间。

技术研发人员：张伟光,林俊,佘旭晖
受保护的技术使用者：东南大学
技术研发日：
技术公布日：2024/12/5