本發(fā)明屬于道路檢測
技術(shù)領(lǐng)域：
，具體涉及一種基于三維線激光技術(shù)的道路積水區(qū)識別方法。
背景技術(shù)：
：雨水在重力作用沿著道路表面最大坡度方向產(chǎn)生坡面徑流，在道路排水能力不能應(yīng)對降水帶來的水流時，就會在沉陷、車轍、坑槽路段容易形成匯水區(qū)域。路表積水會導(dǎo)致輪胎與路面的附著系數(shù)急劇下降，導(dǎo)致車輛失去可控性能，制動發(fā)生困難，容易形成滑水；路表的積水濺起形成的水霧和水面反射的光線會影響駕駛員的視野以及對道路狀況的判斷，使駕駛員心理壓力加重，對外界的綜合判斷力下降；在寒冷天氣下易積水區(qū)域更易形成積冰區(qū)，極大危害車輛通行安全。因此，全面、準(zhǔn)確的識別路面積水區(qū)為高等級公路的車輛安全通行提供保障。目前對道路積水區(qū)域的識別主要依靠道路管理人員現(xiàn)場觀察降水過后路段積水狀況，主觀判讀積水深度和范圍。這種方法不僅工作強(qiáng)度大，同時受人的主觀經(jīng)驗影響，無法準(zhǔn)確識別積水區(qū)深度和面積，無法準(zhǔn)確掌握降雨強(qiáng)度變化對積水區(qū)域的影響；使得公路管理部門無法全面、準(zhǔn)確掌握道路易積水路段，無法進(jìn)行及時的養(yǎng)護(hù)處治，導(dǎo)致車輛行駛的安全性降低。三維線激光檢測技術(shù)因可以高速度、高精度、高解析率地構(gòu)建路表三維形貌特征而成為未來路面檢測的主要發(fā)展方向。三維線激光分辨率最高可達(dá)0.5mm掃描速率最高可達(dá)5000hz，每條剖面輪廓線索包含的數(shù)據(jù)點數(shù)最多可達(dá)4096個，先已逐步在路面工程的施工監(jiān)控及質(zhì)量評估等方面有廣泛的應(yīng)用。綜上所述，利用三維線激光技術(shù)進(jìn)行路面積水區(qū)域的識別，對于路面積水路段防治，保障行車安全與道路通行能力具有重要作用。技術(shù)實現(xiàn)要素：本發(fā)明的目的在于提供一種基于三維線激光技術(shù)的道路積水區(qū)識別方法，以解決現(xiàn)有銑刨質(zhì)量評價方法上存在的缺陷，本發(fā)明可以對道路的積水區(qū)域進(jìn)行預(yù)測，能避免在出現(xiàn)積水時對行車和行人產(chǎn)生的影響和危害。為達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：一種基于三維線激光技術(shù)的道路積水區(qū)識別方法，包括以下步驟：步驟1：選擇基準(zhǔn)路面，執(zhí)行平面校準(zhǔn)，將所測基準(zhǔn)路面視為基準(zhǔn)平面，測取路面的位置坐標(biāo)及高程數(shù)據(jù)并保存作為三維點云數(shù)據(jù)；步驟2：使用四點平均法對高程數(shù)據(jù)異常值及零值數(shù)據(jù)進(jìn)行修復(fù)；步驟3：將三維點云數(shù)據(jù)區(qū)域劃分為若干面積相同的單元方格，在單元方格內(nèi)擬合高程數(shù)據(jù)的趨勢線來計算橫坡和縱坡，并求合成坡度；步驟4：計算每個單元方格匯水量；步驟5：計算整體路段積水量；步驟6：計算匯水區(qū)面積與深度。進(jìn)一步地，步驟2中的四點平均法具體為：取高程數(shù)據(jù)異常值及零值數(shù)據(jù)上下左右四個臨界點的有效值求平均值，如下式所示：式中：at、ab、al、ar分別為異常值或零值相鄰上、下、左、右的四點的值，α1、α2分別為縱向和橫向與數(shù)據(jù)點間距相關(guān)的修正系數(shù)，當(dāng)所取四個點中包含有異常值或零值時則向該方向延伸到下一點取值，以此類推。進(jìn)一步地，步驟3中將三維點云數(shù)據(jù)區(qū)域劃分為若干20cm×20cm的單元方格。進(jìn)一步地，步驟3中求合成坡度具體為：式中：i為合成坡度大??；ih、iz分別為橫坡和縱坡；θ為合成坡度與行車方向之間的夾角。進(jìn)一步地，步驟4具體包括：步驟4.1：采用積分的方法計算單元方格內(nèi)的平均構(gòu)造深度mtd，如下式所示：式中：h(x,y)為點(x，y)點的深度；d為包含m×n個點的完整或者網(wǎng)格面積，m為行數(shù)，n為列數(shù)；h0為每個區(qū)域d的最大峰值；k為網(wǎng)格內(nèi)的試驗樣本個數(shù)；步驟4.2：根據(jù)不同合成坡度下的方格滲透實驗得到表面水滲入路面結(jié)構(gòu)的滲透量qs；步驟4.3：根據(jù)合成坡度的方向、平均構(gòu)造深度mtd以及路面的滲透量qs計算單元方格匯水量，如下式所示：ql＝q-qy-qsqy＝mtd×sqh＝ql×sinθqz＝ql×cosθ式中：s為方格面積；q為整個方格內(nèi)的降雨量；ql為流向其他方格的水量；qy為余留在該方格路面表面的水量；qs為該方格中路面滲透的水量；qh、qz分別為方格沿橫縱兩個方向向臨近方格流向的水量；θ為合成坡度與行車方向之間的夾角。進(jìn)一步地，步驟5具體為：建立直角坐標(biāo)系，行車方向即為y軸正方向，對每個方格內(nèi)的水量在x與y兩個方向分別進(jìn)行疊加并匯總，當(dāng)遇到符號不同的流量分配時則不再進(jìn)行水流量沿合成坡度的分配：qj＝qy+qh式中：qj為該方格總中積水量；qh為該方格接收的其他方格流向的水量。進(jìn)一步地，步驟6具體為：建模計算出不同等高線所對應(yīng)的積水區(qū)體積，結(jié)合積水量得到相應(yīng)等高線圍成的積水區(qū)的最大高度、平均高度以及積水體積：hm＝|min(hi)|式中：hm為積水最大高度；hi為所求區(qū)域任一點的高程；v為積水體積；m為區(qū)域內(nèi)劃分的方格數(shù)；qji為第i個方格的積水量；為積水的平均高度；s為所測區(qū)域的面積。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下有益的技術(shù)效果：使用本發(fā)明提出的基于三維激光技術(shù)的道路易積水區(qū)識別與評價方法，首先根據(jù)三維激光點云數(shù)據(jù)分析計算確定道路表面的mtd、合成坡度等指標(biāo)，并結(jié)合道路的滲透試驗得到相應(yīng)道路的滲透量，最后根據(jù)mtd、滲透量和合成坡度的方向來確定的易積水區(qū)域的位置及不同降雨強(qiáng)度下該路面的積水量和積水面積等，在得到以上的信息后可以根據(jù)路段不同的積水程度進(jìn)行有針對性的治理，有利于面對惡劣天氣時對易積水區(qū)域的預(yù)防，并且本發(fā)明可以進(jìn)行對路段進(jìn)行長期高頻率的監(jiān)測，根據(jù)道路不同時期的易積水路段位置、面積、高度等信息來研究易積水區(qū)域的生成和發(fā)展機(jī)理以及影響因素。附圖說明圖1為本發(fā)明的方法流程圖；圖2為四點法求平均值替代異常值或0值的示意圖與所用的四點選擇方式的說明，其中，dz為縱向相鄰數(shù)據(jù)點間的間距，dh為橫向相鄰數(shù)據(jù)點間的間距，a為異常值，al,ar,at,ab分別代表異常值左、右、上、下相鄰的數(shù)據(jù)；圖3為擬合趨勢線求橫截面橫坡坡度的案例圖，圖中黑色實線為橫截面相應(yīng)點的連線，虛線為實線擬合的一次趨勢線，趨勢線方程的k值即為該截面的坡度值；圖4為擬合趨勢線求縱截面縱坡坡度的案例圖，圖中黑色實線為縱截面相應(yīng)點的連線，虛線為實線擬合的一次趨勢線，趨勢線方程的k值即為該截面的坡度值；圖5為合成坡度的表示方法示意圖，α為橫坡坡度對應(yīng)的夾角，β為縱坡坡度對應(yīng)的夾角，黑色實箭線表示合成坡度；圖6合成坡度與行車方向間夾角的說明圖，合成坡度與行車方向之間的夾角θ定義為以行車方向為基準(zhǔn)方向順時針旋轉(zhuǎn)到合成坡度方向形成的角度，θ1和θ2分別表示兩個不同的合成坡度與行車方向之間的夾角；圖7為樣本路段的整體的合成坡度分布走向圖，每個實線方格表示一個計算單位，在每個方格內(nèi)將合成坡度用箭頭表示出來，箭頭起點為方格中心，長度為10cm，合成坡度大小在箭頭旁標(biāo)注，合成坡度方向即是箭頭與縱向之間的夾角，黑色箭頭代表合成坡度的方向，標(biāo)注的數(shù)字表示合成坡度方向與行車方向間的夾角角度；圖8為計算單個方格內(nèi)的水量分布，q＝270ml為該方格內(nèi)的原始水量，0.97ml表示在垂直行車方向上沿合成坡度流向其他方格的水量，269.03ml表示在平行行車方向上沿合成坡度流向其他方格的水量，小的箭頭表示水的流向；圖9為每個方格單獨計算后得到的整體的水量分流情況與水流的方向；圖10為樣本路段段的匯總每個方格的水流情況后得到的每個方格最終理論的匯水體積，由6種顏色深淺來區(qū)分，顏色由淺到深分別表示0～100ml、100～200ml、1000～1100ml、1100～1200ml、1200～1300ml、1300ml以上；圖11是樣本路段的在日降雨量15.3ml，降雨24h根據(jù)等高線的實際情況結(jié)合方格水量繪出的實際情況下的匯水區(qū)域分布圖，用顏色深淺來區(qū)分匯水水量的有無，深色虛線區(qū)域表示覆蓋區(qū)域有匯水，不同顏色深度表示不同的匯水深度；圖12為樣本路段的在日降雨量15.3ml，降雨24小時后，根據(jù)等高線的實際情況結(jié)合方格水量繪出的實際情況下的匯水情況三維構(gòu)成圖，用顏色深淺來區(qū)分匯水水量的多少，深色虛線區(qū)域表示覆蓋區(qū)域有匯水，顏色越深表示匯水的深度越深。具體實施方式下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)描述：參見圖1，一種基于三維激光技術(shù)的道路易積水區(qū)的識別與評價方法，包括以下步驟：第一步：三維點云數(shù)據(jù)采集選擇基準(zhǔn)路面，執(zhí)行平面校準(zhǔn)。所測基準(zhǔn)路面被視為基準(zhǔn)平面，高程為0。調(diào)節(jié)三維激光檢測設(shè)備的參數(shù)，以5mm的激光縱向間距測取路面的位置坐標(biāo)及高程數(shù)據(jù)并保存，激光點云數(shù)據(jù)缺失率應(yīng)低于5％。第二步：數(shù)據(jù)篩選與修復(fù)使用四點平均法對異常值及零值數(shù)據(jù)進(jìn)行修復(fù)。四點平均法：取該點上下左右四個臨界點的有效值求平均值，式中：at、ab、al、ar分別為異常點或缺失點相鄰上、下、左、右的四點的值α1、α2分別為縱向和橫向與數(shù)據(jù)點間距相關(guān)的修正系數(shù)注：當(dāng)所取四個點中包含有異常點或零點時則向該方向延伸到下一點取值，以此類推。第三步：網(wǎng)格劃分與合成坡度計算對點云數(shù)據(jù)區(qū)域根據(jù)整理和計算的方便性劃分為20cm×20cm的方格，在方格內(nèi)擬合高程數(shù)據(jù)的趨勢線來計算橫坡和縱坡，并求合成坡度。式中：i為合成坡度大??；ih、iz分別為橫坡和縱坡；θ為合成坡度與行車方向之間的夾角。橫坡和縱坡均采用方格內(nèi)所有截面所求坡度的平均值，合成坡度的方向由合成坡度與行車方向之間的夾角表示。合成坡度與行車方向之間的夾角θ定義為以行車方向為基準(zhǔn)方向順時針旋轉(zhuǎn)到合成坡度方向形成的角度，如圖6。第四步：單元方格匯水量的計算1.計算平均構(gòu)造深度mtd，在方格通過公式4采用積分的方法計算方格內(nèi)的平均構(gòu)造深度(mtd)。式中：h(x,y)為點(x，y)點的深度；d為包含m×n個點的完整或者網(wǎng)格面積(m為行數(shù)，n為列數(shù))；h0為每個區(qū)域d的最大峰值；k為網(wǎng)格內(nèi)的試驗樣本個數(shù)。2.計算滲透量表面水滲入路面結(jié)構(gòu)的滲透量qs在本文中是根據(jù)不同合成坡度下的20cm×20cm的方格滲透實驗來得到的相應(yīng)數(shù)據(jù)。3.計算匯水量及方格水量分配根據(jù)合成坡度的方向、mtd以及路面的滲透量根據(jù)公式(5)～(8)將匯水量分為三個部分，公式如下：ql＝q-qy-qs(5)qy＝mtd×s(6)qh＝ql×sinθ(7)qz＝ql×cosθ(8)式中：s為方格面積；q為整個方格內(nèi)的降雨量；ql為流向其他方格的水量；qy余留在該方格路面表面的水量；qs為該方格中路面滲透的水量；qh、qz分別為方格沿橫縱兩個方向向臨近方格流向的水量；θ為合成坡度與道路縱向間的夾角。第五步：整體路段積水水量計算得到每個方格沿合成坡度進(jìn)行的水量分配后，建立直角坐標(biāo)系，行車方向即為y軸正方向，對每個方格內(nèi)的水量在x與y兩個方向分別進(jìn)行疊加并匯總，當(dāng)遇到符號不同的流量分配時則不再進(jìn)行水流量沿合成坡度的分配的，水量分配是在坐標(biāo)軸上進(jìn)行的，坐標(biāo)軸是有方向的，當(dāng)相鄰方格的水量符號相同，也就是方向一致時才會在這個方向上進(jìn)行分配，符號不同的話就不會往該方向分配了，就會留在當(dāng)前方格中。qj＝qy+qh(9)式中：qj為該方格總中積水量；qh為該方格接收的其他方格流向的水量。第六步：匯水區(qū)面積與深度計算建模計算出不同等高線所對應(yīng)的積水區(qū)體積，結(jié)合積水量可以得到相應(yīng)等高線圍成的積水區(qū)的最大高度、平均高度、積水體積、積水面積等相關(guān)指標(biāo)。hm＝|min(所求區(qū)域高程)|(10)式中：hm為積水最大高度；v為積水體積；m為區(qū)域內(nèi)劃分的方格數(shù)；qji為第i個方格的積水量；為積水的平均高度；s為所測區(qū)域的面積。下面結(jié)合具體實施例對本發(fā)明做詳細(xì)描述：如圖1所示本發(fā)明一種基于三維激光技術(shù)對道路易積水區(qū)的識別與評價方法，包括以下步驟：(1)使用三維激光數(shù)字信息數(shù)據(jù)采集車對待測路段進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。1)三維激光設(shè)備檢測基準(zhǔn)平面校準(zhǔn)選擇基準(zhǔn)路面。執(zhí)行平面校準(zhǔn)。此時，所測基準(zhǔn)路面被視為基準(zhǔn)平面，高程為0。并調(diào)節(jié)三維激光檢測設(shè)備的曝光值為5000hz設(shè)置檢測寬度為2m、掃描線間距為5mm，使檢測設(shè)備能夠完整、快速、準(zhǔn)確地獲取三維激光點云數(shù)據(jù)。2)掃描路面獲取激光點云數(shù)據(jù)并保存啟動三維激光檢測車，以5mm的激光縱向間距沿著道路靠近道路中央駛過所選的測試路段，掃描方向與道路縱向平行獲取路面的激光點云數(shù)據(jù)并保存，數(shù)據(jù)記錄了測試路面上點云的橫縱坐標(biāo)與高程值，如表1：表1部分三維點云高程點云數(shù)據(jù)(2)得到三維信息點云數(shù)據(jù)后，需對數(shù)據(jù)進(jìn)行篩選和修復(fù)，對如表1中所示的零值和異常值采用四點平均法得到的值進(jìn)行替代，如下所示，四點平均法示意圖如圖2所示，最后得到修復(fù)的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行后續(xù)的計算和分析，如表2-表5所示：表2三維點云數(shù)據(jù)的異常值與相鄰值表3三維點云數(shù)據(jù)的零值與相鄰值表4三維點云數(shù)據(jù)的零值與相鄰值表5修復(fù)后的部分三維點云數(shù)據(jù)(3)得到修復(fù)后的三維坐標(biāo)點云數(shù)據(jù)后，對測試區(qū)域進(jìn)行劃分，將其劃分為20cm×20cm的方格，并在方格內(nèi)根據(jù)高度信息在matlab中擬合趨勢線求出方格的橫坡和縱坡，如圖3、圖4所示，趨勢線的方程k值為所求的坡度值，采用方格內(nèi)所有截面擬合所求坡度的平均值作為所測方格的橫坡和縱坡，并計算得到合成坡度的大小和方向，合成坡度示意圖如圖5。在每個方格內(nèi)將合成坡度用箭頭表示出來，箭頭起點為方格中心，長度為10cm，合成坡度大小在箭頭旁標(biāo)注，合成坡度方向即是箭頭與行車方向間的夾角。最后得到所測路面的合成坡度分布走向圖，如圖7所示。(4)在每個20cm×20cm方格中對高度信息進(jìn)行分析，基于測量體積的灌砂法以及道路表面三維信息數(shù)據(jù)，通過以下公式采用積分的方法計算方格內(nèi)的平均構(gòu)造深度(mtd)。式中：h(x,y)為點(x，y)點的深度；d為包含m×n個點的完整或者網(wǎng)格面積(m為行數(shù)，n為列數(shù))；h0為每個區(qū)域d的最大峰值；k為網(wǎng)格內(nèi)的試驗樣本個數(shù)。表面水滲入路面結(jié)構(gòu)的滲透量qs在本例中是根據(jù)不同合成坡度下的20cm×20cm的方格滲透實驗來得到的相應(yīng)數(shù)據(jù)，如表6所示：表6滲流試驗數(shù)據(jù)合成坡度0.03350.03610.03910.04220.04490.04680.04980.05390.0559滲流量ml80.250078.130075.780073.860072.100070.410067.220065.280063.0100合成坡度0.05880.06040.06320.06620.06900.07120.07440.07670.0780滲流量ml51.890059.330057.280055.100052.080049.980047.790046.550044.7900根據(jù)滲流試驗的數(shù)據(jù)可以根據(jù)不同的合成坡度將滲流量根據(jù)上述滲流試驗的數(shù)據(jù)進(jìn)行劃分，根據(jù)合成坡度共分為5個等級，在每個等級中結(jié)合實驗數(shù)據(jù)求平均值再進(jìn)行取整，將每個等級的滲流量取表7中的值。表7合成坡度將滲流量的等級劃分合成坡度(％)0.03～0.040.04～0.050.05～0.060.06～0.070.07～0.08滲流量(ml)8070605550(5)根據(jù)合成坡度分布走向圖對水流的方向和積水量分布進(jìn)行分析，根據(jù)公式(5)—(6)計算降雨量的三個分量，計算所得結(jié)果如圖(8)所示，公式如下：ql＝q-qy-qs(5)qy＝mtd×s(6)qh＝ql×sinθ(7)qz＝ql×cosθ(8)式中：s為方格面積；q為整個方格內(nèi)的降雨量；ql為流向其他方格的水量；qy余留在該方格路面表面的水量；qs為該方格中路面滲透的水量；qh、qz分別為方格沿橫縱兩個方向向臨近方格流向的水量；θ為合成坡度與道路縱向間的夾角。(6)得到每個方格沿合成坡度進(jìn)行的水量分配后，對每個方格內(nèi)的水量根據(jù)方向和符號進(jìn)行疊加，得到整體的匯水情況如圖(9)。最后可以得到整個測試路面上的易積水區(qū)域以及所有的水量的分配狀況，得到的整體情況如圖(10)。(7)根據(jù)三維點云數(shù)據(jù)的高程信息構(gòu)建道路等高線圖，并在matlab軟件中建模計算出相應(yīng)等高線對應(yīng)的體積，從而可以結(jié)合計算出的每個方格的積水量與相應(yīng)匯水區(qū)域的體積想匹配，可以得到實際情況下不同降水量下的匯水情況，同時可以根據(jù)公式(10)-(12)得到相應(yīng)等高線圍成的積水區(qū)的最大高度、平均高度、積水體積、積水面積等相關(guān)指標(biāo)，匯水情況如圖(11)(12)所示。hm＝|min(所求區(qū)域高程)|(10)式中：hm為積水最大高度；v為積水體積；m為區(qū)域內(nèi)劃分的方格數(shù)；qji為第i個方格的積水量；為積水的平均高度；s為所測區(qū)域的面積。本例根據(jù)所采集的樣本段的三維點云數(shù)據(jù)經(jīng)過篩選與修復(fù)后，將樣本段分成相等的方格，計算出每個方格的合成坡度和mtd，再根據(jù)滲流試驗數(shù)據(jù)根據(jù)公式計算出每個方格的理論匯水體積，最后結(jié)合樣本的三維數(shù)據(jù)信息得到積水的各項指標(biāo)，最終的到測試路段的積水信息如下：表8積水信息日降雨量積水面積行車方向上最大長度最大深度平均深度15.3ml0.87m254.5cm6.72cm2.53cm本發(fā)明通過試驗可以得出結(jié)論：使用車載的三維激光技術(shù)可以快速、高效地得到精確的測試路面的三維信息，利用畫網(wǎng)格的方法將測試路面分割計算，根據(jù)計算所得的合成坡度和mtd，結(jié)合現(xiàn)場的滲流試驗，可以根據(jù)公式計算出具體降雨量下的積水區(qū)域的位置、面積、行車方向上的最大長度、最大深度和平均深度。同時，本發(fā)明提出的方法可以對道路的積水區(qū)域進(jìn)行預(yù)測，能避免在出現(xiàn)積水時對行車和行人產(chǎn)生的影響和危害，并且本方法可以輕易的對道路進(jìn)行長期的監(jiān)測，可以避免道路出現(xiàn)問題，并可以根據(jù)長時間的道路變化信息可以研究積水區(qū)域出現(xiàn)的原因、特點、和生長規(guī)律等信息，有利于從道路建設(shè)方面對積水問題的解決提出對策。當(dāng)前第1頁12