劉 穎 張 勇 盧 吉， 周 誠(chéng)

(1.華中科技大學(xué) 土木與水利工程學(xué)院，武漢 430074； 2.武漢市市政建設(shè)集團(tuán)有限公司，武漢 430056)

引言

路基平整度是指在道路施工過(guò)程中，路基面縱向的凹凸量的偏差值，是控制路面平整度的一種重要手段，也是保證施工穩(wěn)定性和安全性的重要措施。路基平整度關(guān)系到道路路基層施工的準(zhǔn)確性以及路基層壓實(shí)性能，對(duì)道路整體驗(yàn)收質(zhì)量有重要影響[1]。此外，機(jī)場(chǎng)路基平整性關(guān)系到飛機(jī)起飛降落的安全、平穩(wěn)舒適以及路面所能承受沖擊力的大小和使用壽命，因此，為確保飛機(jī)起飛降落安全，機(jī)場(chǎng)道路需要對(duì)路面平整度進(jìn)行控制，確保平整度符合施工技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和要求[2]。

近年來(lái)，三維激光掃描技術(shù)應(yīng)用于平整度檢測(cè)引起了相關(guān)學(xué)者的關(guān)注，趙玉臣等利用激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)檢測(cè)墻面平整度[3]； 李偉等利用地面三維激光掃描技術(shù)進(jìn)行道路平整度的研究[4]； 高仁強(qiáng)等利用機(jī)載激光雷達(dá)對(duì)新疆某一道路建立三維地形表面模型，進(jìn)行平整度可視化表達(dá)[5]。目前，路面平整度的檢測(cè)方法仍然是利用3m直尺或者車載激光平整度檢測(cè)儀，三米直尺檢測(cè)的原理是每200m測(cè)試兩處，每處連續(xù)10尺，利用三米直尺進(jìn)行最大間隙的檢測(cè)和計(jì)算[6]； 車載激光平整度檢測(cè)是利用激光位移傳感器檢測(cè)四分之一車輪沿某一車道的路面高程變化[7]，目前的檢測(cè)方法僅僅利用選取的個(gè)別點(diǎn)或者個(gè)別車道線的平整度反映整條道路的平整性，使得平整度檢測(cè)存在片面性。

綜上所述，目前缺乏一種針對(duì)道路全場(chǎng)、全過(guò)程的平整度檢測(cè)的方法，因此本文提出了利用無(wú)人機(jī)掃描道路，通過(guò)實(shí)景建模得到道路的三維實(shí)景模型，在此基礎(chǔ)上可得到道路的三維高程曲面圖并進(jìn)行任意車道和路線的國(guó)際平整度指數(shù)(IRI)計(jì)算，從而進(jìn)行路基平整度檢測(cè)。為證明該方法的可行性，依托武漢某機(jī)場(chǎng)項(xiàng)目的滑行道進(jìn)行路基平整度檢測(cè)實(shí)驗(yàn)。

1 機(jī)場(chǎng)路基平整度檢測(cè)方案

1.1 工程概況

為了驗(yàn)證無(wú)人機(jī)實(shí)景建模進(jìn)行平整度檢測(cè)方法的可行性，選取武漢某機(jī)場(chǎng)飛行區(qū)擴(kuò)建項(xiàng)目滑行道作為實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地，利用車載激光平整度檢測(cè)儀和無(wú)人機(jī)實(shí)景建模兩種檢測(cè)方法，進(jìn)行平整度的檢測(cè)。該機(jī)場(chǎng)位于武漢市漢南區(qū)，位于長(zhǎng)江左岸的一級(jí)階地，場(chǎng)地地形較為平坦，地面標(biāo)高為22.88～23.86m，總施工面積達(dá)到200萬(wàn)m2，該項(xiàng)目按照結(jié)構(gòu)形式分為停機(jī)坪、垂直聯(lián)絡(luò)道、滑行道以及跑道等(圖1)。

圖1 某機(jī)場(chǎng)滑行道施工現(xiàn)場(chǎng)實(shí)景圖

圖2 車載激光平整度實(shí)驗(yàn)布置方案

1.2 實(shí)驗(yàn)段檢測(cè)方法

本機(jī)場(chǎng)擴(kuò)建項(xiàng)目主要分為跑道和滑行道，其中滑行道寬度為18m，兩側(cè)道肩分別寬3.5m，總寬25m，本實(shí)驗(yàn)選取寬為18m，長(zhǎng)度為350m，總實(shí)驗(yàn)面積為6 300m2的滑行道路基進(jìn)行平整度檢測(cè)。

本次實(shí)驗(yàn)選取的滑行道處于第一層水穩(wěn)，已經(jīng)完成水穩(wěn)攤鋪和壓實(shí)并且無(wú)養(yǎng)護(hù)布遮蓋，路基面沒(méi)有因降塵灑水而導(dǎo)致路面潮濕，保證了激光檢測(cè)以及無(wú)人機(jī)掃描的清晰性。首先利用車載激光平整度檢測(cè)儀進(jìn)行檢測(cè)，其次再進(jìn)行無(wú)人機(jī)掃描實(shí)景建模，并保證兩種實(shí)驗(yàn)方法下的實(shí)驗(yàn)條件相同。

(1)車載激光平整度檢測(cè)方法

車載激光平整度檢測(cè)儀進(jìn)行路基面平整度檢測(cè)的原理是利用激光位移傳感器測(cè)量路面高程，獲得路面與其沿線物的三維信息，最終得到國(guó)際平整度指標(biāo)，單位為m/km。車載激光平整度檢測(cè)的具體方法如下：在16m*350m的實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地上，根據(jù)13路激光檢測(cè)設(shè)備和檢測(cè)車輛型號(hào)以及實(shí)驗(yàn)段的路基寬度，在豎直方向上平均劃分為0～4m、4～8m、8～12m、12～16m的4條車道，并在檢測(cè)車上安裝激光檢測(cè)儀； 檢測(cè)車按照30～60km/h的設(shè)計(jì)時(shí)速，從實(shí)驗(yàn)起點(diǎn)行駛至實(shí)驗(yàn)終點(diǎn)，并以10m為采樣間隔進(jìn)行4條實(shí)驗(yàn)車道平整度的檢測(cè)。

(2)無(wú)人機(jī)實(shí)景建模平整度檢測(cè)方法

圖3 無(wú)人機(jī)檢測(cè)平整度流程圖

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.1 車載激光平整度檢測(cè)結(jié)果

車載激光平整度檢測(cè)實(shí)驗(yàn)中，共4條車道，每條車道分為左右兩條車轍，得到平整度檢測(cè)數(shù)據(jù)。由于車輛在行駛過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)偏離預(yù)定車道或者間斷測(cè)量等情況，使得獲取的激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)不能完全真實(shí)地反映被掃描路基面的表面信息，對(duì)于一些干擾噪聲點(diǎn)需要對(duì)獲取的激光點(diǎn)云進(jìn)行濾波處理，剔除極端點(diǎn)之后的車載激光平整度檢測(cè)儀得到的國(guó)際平整度檢測(cè)值能夠較為真實(shí)的反應(yīng)被測(cè)車道的路基面平整度。根據(jù)以上所述，經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)預(yù)處理得到的車載激光平整度檢測(cè)結(jié)果示意圖如圖4所示。

圖4 車載激光平整度檢測(cè)結(jié)果

根據(jù)車載激光平整度檢測(cè)儀的檢測(cè)數(shù)據(jù)可知，2車道在130～150m和220～250m的平整度有較大起伏變化，除此之外，實(shí)驗(yàn)路段的國(guó)際平整度指數(shù)均在0.5～2.0之間，波動(dòng)起伏不大，實(shí)驗(yàn)路段路基面整體較為平整。根據(jù)車載激光平整度檢測(cè)儀得到的檢測(cè)數(shù)據(jù)，并依據(jù)《公路路基路面現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試規(guī)程》(JTG 3450—2019)和《公路工程質(zhì)量檢驗(yàn)評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)》(JTG F80/1—2017)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，進(jìn)行路基面平整度檢測(cè)指標(biāo)分析，具體見(jiàn)表1。

表1 車載激光平整度指標(biāo)分析

分析結(jié)果表明每車道的國(guó)際平整度指數(shù)的平均值在1.000～1.400范圍內(nèi)，標(biāo)準(zhǔn)差在0.300～0.500之內(nèi)，IRI合格段數(shù)均為35，IRI合格率為95%～99%，因此路基面平整度良好，滿足了機(jī)場(chǎng)路基面的平整度質(zhì)量檢驗(yàn)的要求。

2.2 無(wú)人機(jī)實(shí)景建模平整度檢測(cè)實(shí)驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)無(wú)人機(jī)掃描得到的照片，劃分空中三角形，并按照精度要求確定60%～90%的采樣率并進(jìn)行實(shí)景建模，得到實(shí)驗(yàn)路基面的三維實(shí)景模型，具體見(jiàn)圖5。

圖5 三維實(shí)景模型

在三維實(shí)景模型中，首先根據(jù)標(biāo)記點(diǎn)確定車載實(shí)驗(yàn)對(duì)應(yīng)車道的車轍線，在車轍線上選取樣本點(diǎn)，設(shè)置樣本點(diǎn)的間隔為5cm，獲取各樣本點(diǎn)的高程信息，形成高程散點(diǎn)圖，相對(duì)大多無(wú)人機(jī)攝影而言，本次實(shí)驗(yàn)的無(wú)人機(jī)航行高度僅為10m，對(duì)于樣本點(diǎn)的高程精度可以達(dá)到0.0001m即0.1mm。以1車道右側(cè)車轍的高程數(shù)據(jù)為例，形成高程散點(diǎn)圖，如圖6。

圖6 1車道右側(cè)高程散點(diǎn)圖

圖7 無(wú)人機(jī)實(shí)景建模檢測(cè)結(jié)果

以10m為采樣間隔進(jìn)行無(wú)人機(jī)實(shí)景建模檢測(cè)，得到以上的平整度檢測(cè)結(jié)果。根據(jù)圖7無(wú)人機(jī)實(shí)景建模進(jìn)行平整度檢測(cè)的結(jié)果的可知，4條車道整體平整度較好，除1車道右側(cè)在0～30m的路段平整度變化較大之外，其他車道在0～150m路段的平整度較好，在150～350m的IRI檢測(cè)值起伏較大，路基面存在凹凸不平。根據(jù)無(wú)人機(jī)檢測(cè)結(jié)果，依據(jù)《公路路基路面現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試規(guī)程》(JTG 3450—2019)和《公路工程質(zhì)量檢驗(yàn)評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)》(JTG F80/1—2017)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，進(jìn)行路基面平整度檢測(cè)指標(biāo)分析，具體見(jiàn)表2。

表2 無(wú)人機(jī)檢測(cè)平整度結(jié)果分析

3 車載激光平整度檢測(cè)與無(wú)人機(jī)實(shí)景建模檢測(cè)結(jié)果比對(duì)

3.1 結(jié)果比對(duì)

車載激光檢測(cè)和無(wú)人機(jī)實(shí)景建模兩種實(shí)驗(yàn)得到的平整度檢測(cè)結(jié)果如圖8所示，根據(jù)圖8觀察可知，在0～30m的1車道右側(cè)以及150～300m的4車道左右兩側(cè)檢測(cè)結(jié)果存在較大的差別。觀察三維實(shí)景模型中對(duì)應(yīng)車道的部分，究其原因1車道右側(cè)部分地面存在水漬，路面較為潮濕，無(wú)人機(jī)掃描時(shí)可能存在水面反光、照片不清晰等誤差； 4車道為施工車輛行駛車道，在無(wú)人機(jī)掃描過(guò)程中有施工車輛來(lái)回運(yùn)輸，使得照片存在陰影以及重疊率降低并對(duì)建模精度可能有一定影響； 以上所述可能為誤差存在的主要原因。因此首先手動(dòng)排查照片存在的問(wèn)題，除去部分不清晰以及誤差較大的照片，在誤差允許的范圍內(nèi)進(jìn)行補(bǔ)拍，利用無(wú)人機(jī)實(shí)景建模的檢測(cè)結(jié)果與車載激光檢測(cè)的方法實(shí)驗(yàn)結(jié)果是相似的，可以通過(guò)無(wú)人機(jī)實(shí)景建模的方法反映路面的

圖8 車載激光檢測(cè)與無(wú)人機(jī)實(shí)景建模檢測(cè)結(jié)果示意圖

平整度，并且該方法在一定程度上可以替代車載激光平整度檢測(cè)的方法。

3.2 無(wú)人機(jī)全路段的平整度檢測(cè)

相比于車載激光平整度檢測(cè)的方法，利用無(wú)人機(jī)建模的一大優(yōu)勢(shì)是可以得到道路全場(chǎng)區(qū)的任意樣本點(diǎn)高程數(shù)據(jù)，并形成三維空間的全路段相對(duì)高程曲面圖，達(dá)到道路全場(chǎng)景平整度檢測(cè)的目的，不再限制于檢測(cè)車只能檢測(cè)車轍所在直線的平整度，如圖9所示。

圖9 全路段相對(duì)高程曲面圖

全路段相對(duì)高程曲面圖是在準(zhǔn)確獲取任意點(diǎn)實(shí)際高程的基礎(chǔ)上，找到檢測(cè)路段的最小高程，能夠準(zhǔn)確形象地反映出被檢測(cè)道路的起伏變化，該機(jī)場(chǎng)滑行道的相對(duì)高程在0.05m范圍內(nèi)，并且本實(shí)例的測(cè)量精確度可以達(dá)到毫米級(jí)。根據(jù)無(wú)人機(jī)實(shí)景建模的結(jié)果得到全路段高程曲面圖，并根據(jù)檢測(cè)路段的要求設(shè)置樣本點(diǎn)間隔，進(jìn)而根據(jù)國(guó)際平整度指數(shù)的計(jì)算公式得到任意縱截面的IRI檢測(cè)值，實(shí)現(xiàn)全路段任意截面的平整度檢測(cè)。

4 結(jié)論

本文以武漢市漢南機(jī)場(chǎng)滑行道路基面為例，對(duì)平整度檢測(cè)進(jìn)行了相關(guān)研究，通過(guò)車載激光平整度檢測(cè)儀與無(wú)人機(jī)實(shí)景建模兩種平整度檢測(cè)方法的檢測(cè)結(jié)果對(duì)比分析結(jié)果如下：

(1)證明了利用無(wú)人機(jī)實(shí)景建模并進(jìn)行IRI指標(biāo)計(jì)算，是可以進(jìn)行道路平整度檢測(cè)的，并且該方法的檢測(cè)結(jié)果對(duì)于現(xiàn)有檢測(cè)結(jié)果而言具有一定的可參考性；

(2)此外，根據(jù)地面分辨率反算航拍高度并利用無(wú)人機(jī)實(shí)景建模的方法能夠獲取全路面的高程信息，在本實(shí)例中精確度可達(dá)到0.1mm，在保障精度的同時(shí)實(shí)現(xiàn)全路段的平整度檢驗(yàn)，克服了現(xiàn)階段平整度檢測(cè)片面性和偶然性的缺點(diǎn)。