基于三维激光数据的水泥路面裂缝宽度检测可靠性研究_李钦勇.pdf

总第195期Abstract:In order to study the reliability of 3D laser point transverse spacing on the detection results of cement pavement crackwidth,the paper used an indoor 3D laser inspection system to obtain elevation data of cement concrete crack specimens with 4 groupsof laser point transverse spacing of 0.5 mm1.5 mm and establish a 3D model to identify the crack width and divide it into 3 classifica-tion levels.The reliability of the detection results and its error variation law of the detection results of crack widths with different sever-ity levels by the laser transverse point spacing were analyzed.The results showed that the relative error of crack width detection in-creased significantly with the increase of laser point spacing.However,the coefficient of variation of repeated detection results at aspacing of 0.5 mm spacing decreased from 2.62%to 0.22%when the crack width increased continuously.The absolute error of crackwidth detection might overestimate the severity level of the disease and affect the accuracy of pavement deterioration evaluation.Key words：road engineering,3D laser technology,crack detection,laser data density,error analysis文章编号：1005-0574-（2023）03-0015-05DOI:10.19332/ki.1005-0574.2023.03.004基于三维激光数据的水泥路面裂缝宽度检测可靠性研究李钦勇1，刘建坤1，卓岚2，张占军3（1.锡林郭勒盟交通运输事业发展中心，内蒙古锡林浩特026000；2.锡林郭勒盟交通建设工程质量监测中心；3.克什克腾旗公路管护和运输保障中心，内蒙古赤峰025350）摘要：为研究三维激光点横向间距对水泥路面裂缝宽度检测结果的可靠性，文章采用室内三维激光检测系统，获取4组激光点横向间距为0.5 mm1.5 mm的水泥混凝土裂缝试件高程数据，并建立三维模型，识别裂缝宽度并划分为3种分级水平，分析了激光横向点间距对不同严重等级裂缝宽度检测结果的可靠性及其误差变化规律。结果表明：随着激光点间距增加，裂缝宽度检测相对误差明显增大；而当裂缝宽度不断增大时，0.5 mm间距下重复检测结果的变异系数由2.62%降低至0.22%；裂缝宽度检测的绝对误差可能会高估病害严重程度等级，影响路面破损状况评价准确性。关键词：道路工程；三维激光技术；裂缝检测；激光数据密度；误差分析中图分类号：TP391文献标识码：A作者简介：李钦勇（1985-），男，山西巨野人，在职硕士研究生，工程师，研究方向：土木工程道路与桥梁。1引言水泥路面具有强度高、抗滑性好等特点，是我国目前主要的路面结构形式之一1，2。随着我国道路网的逐步完善及汽车保有量的迅速增长，交通行业正处于由建设为主转变为建养并举的过程3-5。及时准确、客观可靠的路面病害检测可以提高路面平整度、保障行车安全、节约养护成本。而对于公路检测和养护工作，裂缝是最常见、最严重、检测难度最高的病害之一5-7。常见的路面裂缝可以简单分为横向、纵向、网状和块状等裂缝类型8。路面裂缝检测经历了从传统的人工检测到二维数字图像检测技术，但由于人工检测效率低、误差大，且存在安全隐患，难以满足大规模的路网快速检测的需求9，10；前人研究并提出的基于二维图像的道路图像系统（LRIS），经验证发现虽然图像检测裂缝宽度可以提供较高的准确性11-13，但是该方法需要相机镜头、焦距或相机到目标表面的确切距离等一些非现成信息14，同时由于水渍、油渍、阴影和自然光等干扰因素导致检测结果准确性有待验证5，15-17。随着激光技术的发展，三维激光技术因其能够在高速行驶状态下获取整条车道的高精度、高密度激光点云数据，已逐步被应用于路面车辙、裂缝、坑槽和构造深度的检测7，15，18-20。Pingbo Tang等21围绕混凝土表面缺陷评估问题，提出了三种从点云中提取表面缺陷信息的算法，并对影响表面缺陷检测的因素进行了研究。Giordano Teza等22将混凝土构件表面点云数据划内蒙古公路与运输HighwaysTransportation in Inner Mongolia15内蒙古公路与运输HighwaysTransportation in Inner Mongolia2023 年第 3 期分为各个子区域，通过各个子区域间表面曲率的差异损伤信息的识别，发现当裂缝宽度明显小于子区域的尺寸时算法失效。Yi-Chang James Tsai等23借助三维激光检测系统获取了1 mm5 mm宽的沥青路面裂缝的三维点云数据，采用基于动态优化的裂缝分割方法与Hausdorff评分方法与地面实况进行比较，定量评估了裂缝分割性能，发现在实验室环境下可以有效检测宽度大于等于2 mm的裂缝。Debra F.Laefer等24将提前预制好的宽度在1 mm7 mm的试样在不同的正交距离和角度下进行扫描以获取其三维数据，与真实的裂缝宽度进行对比，发现当正交距离为5.0 m7.5 m时，其误差大多小于1.37 mm。Yongtao Yu25利用干燥路面裂缝内部的点云反射强度由于距离、角度原因低于周边路面反射强度的特点，提出了一种从三维点云中提取裂缝形状的算法。但是该算法提取结果只能反映裂缝形状，无法反映裂缝宽度、长度等关键几何信息。M.Cabaleiro等26提出对三维激光扫描技术获取的矩形木材梁、柱表面的点云进行裂缝识别、几何信息提取的算法，实验表明，算法可识别出宽度3 mm的矩形木材梁、柱表面裂缝。孙大林27在Delaunay三角网的基础上，采用LMS算法拟合道路点云横断面线，通过拟合曲线的波谷定位裂缝的位置。但由于LMS算法受路面噪声干扰明显，其裂缝范围的估算结果并不准确。曹霆28提出了一种分段测量的方法以实现对裂缝宽度参数的计算，采用点间距为1 mm的三维激光仪器对25 mm45 mm的典型裂缝进行宽度特征值检测，并与人工测量的真值进行对比，结果发现，该方法的误差在6%8%。丁世海等29对比验证了三维激光检测车所获取的沥青路面和水泥路面的裂缝检测准确性，发现该系统对于沥青路面裂缝识别（相对误差在10%以内）准确性高于水泥路面（相对误差达到了22.94%）。肖文韬30使用激光间距为0.5 mm的Leica P40激光扫描仪对隧道水泥侧壁裂缝进行宽度信息的提取，并与人工测量的真值进行对比，结果表明，提取的最小裂缝宽度0.6 mm的激光检测值为0.64 mm，裂缝宽度检测的平均误差为5.86%。刘西岭等31利用三维激光扫描仪及自带的尼康D600相机采集了宽度在15 mm21 mm左右的沥青路面裂缝的原始点云和影像数据，结果显示宽度特征值与实测结果相比，计算值普遍比实测宽度值大，最大误差为1.83mm，不超过测量值的12%。上述研究表明，目前国内外基于三维激光点云的路面裂缝检测准确性及其宽度特征值的检测误差还难以定量的分析对比，同时市场上各类激光检测仪器的实际检测精度难以得到准确证实，尤其是对于路面裂缝这类检测难度高、检测误差大的病害。本文基于三维激光检测技术，采用室内三维激光检测系统获取了激光数据密度分别为0.50 mm、0.75 mm、1.00 mm、1.50 mm范围内的不同裂缝宽度的水泥混凝土板的三维数据点云，重构出各水泥板的三维模型及各代表断面的高程轮廓，基于二阶微分方法通过峰值分析确定出每个断面的裂缝宽度，并通过与裂缝测宽仪测量得到的裂缝宽度真值进行对比验证，分析得到激光数据密度与裂缝宽度之间相对误差关系。同时，利用高密度的激光数据点云验证多次测量得到的裂缝识别宽度的可靠性，以期为三维激光技术应用于路面裂缝宽度检测时的激光数据密度的确定提供参考，并且对于目前道路病害无接触检测具有一定的工程指导意义。2三维激光检测技术2.1检测原理本文采用基于三角测量法的3D激光传感器对路面进行扫描检测，通常将激光发射器和CCD照相机按照一定角度和距离进行组装，并布设于距被测物一定距离的上方，垂直向物体表面发射红外激光，经过准直透镜形成扇形散射激光面，照射于检测面的激光被CCD相机所捕捉，当检测物体由于表面起伏不平时，激光线上各像素在CCD相机中的位置也会随之改变，计算原理及具体参数如图1所示，以垂直照射凹槽为例，根据三角几何法则其深度h可由公式（1）计算。其中，为激光束法线与CCD相机轴线虚拟交点至透镜的距离；为该轴线与透镜交点至相机感光面于路面裂缝宽度检测时的激光数据密度的确定提供参考，并且对于目前道路病害无接触检测具有一定的工程指导意义。2 三维激光检测技术三维激光检测技术2.1 检测原理检测原理本文采用基于三角测量法的 3D 激光传感器对路面进行扫描检测，通常将激光发射器和CCD照相机按照一定角度和距离进行组装，并布设于距被测物一定距离的上方，垂直向物体表面发射红外激光，经过准直透镜形成扇形散射激光面，照射于检测面的激光被 CCD 相机所捕捉，当检测物体由于表面起伏不平时，激光线上各像素在 CCD 相机中的位置也会随之改变，计算原理及具体参数如图 1 所示，以垂直照射凹槽为例，根据三角几何法则其深度 h 可由公式(1)计算。图图 1 激光三角法测量原理图激光三角法测量原理图sincosahhbh=-（1）其中，a 为激光束法线与 CCD 相机轴线虚拟交点至透镜的距离；b 为该轴线与透镜交点至相机感光面的距离；为激光束法线与轴线之间的夹角；为光斑成像后对应的位移；h 即所测凹槽的表面深度。2.2 室内检测设备室内检测设备本文采用室内三维激光检测设备，如图 2所示，用于模拟多种检测条件下路表面形貌的检测，其垂直检测精度可达 0.1 mm。安装在导轨上的 Gocator 一体式三维激光扫描设备由其上方的传动装置驱使，能够在横、纵向间距0.5 mm50.0 mm 的范围内发射1060个测点的激光横断面，实现待测物体表面高程的测量。通过改变激光设备的架设高度和脉冲触发频率，可以达到调节三维激光数据密度，即改变激光数据的横向间距和纵向间距的目的。图图 2 室内激光检测系统室内激光检测系统2.3 激光检测数据激光检测数据当设备移动速度为 200 mm/s、曝光值为700 s 时，正交裂缝移动三维激光设备，所获取的水泥混凝土试件的部分表面构造深度原始数据见表 1。从表中可以看出，激光左右端点坐标分别为-251.075 mm 和 269.775 mm，即有效检测宽度约为 520 mm，激光点与试件点间距约为 0.5 mm。表 1 第 1 列为激光线沿检测前进方向的纵向间距，纵坐标起、终点分别为 0 和 798.99，表明有效检测长度为798.99 mm，激光线的纵向间距约为 0.5 mm；其余部分表示相对应的沥青混合料试件点(x,y)的高程坐标。表表 1 部分水泥混凝土试件的高程原始数据部分水泥混凝土试件的高程原始数据Y（mm）-251.075-250.525-0.2750.275269.225269.7750-57.48657.4534.3234.191图1激光三角法测量原理图（1）于路面裂缝宽度检测时的激光数据密度的确定提供参考，并且对于目前道路病害无接触检测具有一定的工程指导意义。2 三维激光检测技术三维激光检测技术2.1 检测原理检测原理本文采用基于三角测量法的 3D 激光传感器对路面进行扫描检测，通常将激光发射器和CCD照相机按照一定角度和距离进行组装，并布设于距被测物一定距离的上方，垂直向物体表面发射红外激光，经过准直透镜形成扇形散射激光面，照射于检测面的激光被 CCD 相机所捕捉，当检测物体由于表面起伏不平时，激光线上各像素在 CCD 相机中的位置也会随之改变，计算原理及具体参数如图 1 所示，以垂直照射凹槽为例，根据三角几何法则其深度 h 可由公式(1)计算。图图 1 激光三角法测量原理图激光三角法测量原理图sincosahhbh=-（1）其中，a 为激光束法线与 CCD 相机轴线虚拟交点至透镜的距离；b 为该轴线与透镜交点至相机感光面的距离；为激光束法线与轴线之间的夹角；为光斑成像后对应的位移；h 即所测凹槽的表面深度。2.2 室内检测设备室内检测设备本文采用室内三维激光检测设备，如图 2所示，用于模拟多种检测条件下路表面形貌的检测，其垂直检测精度可达 0.1 mm。安装在导轨上的 Gocator 一体式三维激光扫描设备由其上方的传动装置驱使，能够在横、纵向间距0.5 mm50.0 mm 的范围内发射1060个测点的激光横断面，实现待测物体表面高程的测量。通过改变激光设备的架设高度和脉冲触发频率，可以达到调节三维激光数据密度，即改变激光数据的横向间距和纵向间距的目的。图图 2 室内激光检测系统室内激光检测系统2.3 激光检测数据激光检测数据当设备移动速度为 200 mm/s、曝光值为700 s 时，正交裂缝移动三维激光设备，所获取的水泥混凝土试件的部分表面构造深度原始数据见表 1。从表中可以看出，激光左右端点坐标分别为-251.075 mm 和 269.775 mm，即有效检测宽度约为 520 mm，激光点与试件点间距约为 0.5 mm。表 1 第 1 列为激光线沿检测前进方向的纵向间距，纵坐标起、终点分别为 0 和 798.99，表明有效检测长度为798.99 mm，激光线的纵向间距约为 0.5 mm；其余部分表示相对应的沥青混合料试件点(x,y)的高程坐标。表表 1 部分水泥混凝土试件的高程原始数据部分水泥混凝土试件的高程原始数据Y（mm）-251.075-250.525-0.2750.275269.225269.7750-57.48657.4534.3234.191于路面裂缝宽度检测时的激光数据密度的确定提供参考，并且对于目前道路病害无接触检测具有一定的工程指导意义。2 三维激光检测技术三维激光检测技术2.1 检测原理检测原理本文采用基于三角测量法的 3D 激光传感器对路面进行扫描检测，通常将激光发射器和CCD照相机按照一定角度和距离进行组装，并布设于距被测物一定距离的上方，垂直向物体表面发射红外激光，经过准直透镜形成扇形散射激光面，照射于检测面的激光被 CCD 相机所捕捉，当检测物体由于表面起伏不平时，激光线上各像素在 CCD 相机中的位置也会随之改变，计算原理及具体参数如图 1 所示，以垂直照射凹槽为例，根据三角几何法则其深度 h 可由公式(1)计算。图图 1 激光三角法测量原理图激光三角法测量原理图sincosahhbh=-（1）其中，a 为激光束法线与 CCD 相机轴线虚拟交点至透镜的距离；b 为该轴线与透镜交点至相机感光面的距离；为激光束法线与轴线之间的夹角；为光斑成像后对应的位移；h 即所测凹槽的表面深度。2.2 室内检测设备室内检测设备本文采用室内三维激光检测设备，如图 2所示，用于模拟多种检测条件下路表面形貌的检测，其垂直检测精度可达 0.1 mm。安装在导轨上的 Gocator 一体式三维激光扫描设备由其上方的传动装置驱使，能够在横、纵向间距0.5 mm50.0 mm 的范围内发射1060个测点的激光横断面，实现待测物体表面高程的测量。通过改变激光设备的架设高度和脉冲触发频率，可以达到调节三维激光数据密度，即改变激光数据的横向间距和纵向间距的目的。图图 2 室内激光检测系统室内激光检测系统2.3 激光检测数据激光检测数据当设备移动速度为 200 mm/s、曝光值为700 s 时，正交裂缝移动三维激光设备，所获取的水泥混凝土试件的部分表面构造深度原始数据见表 1。从表中可以看出，激光左右端点坐标分别为-251.075 mm 和 269.775 mm，即有效检测宽度约为 520 mm，激光点与试件点间距约为 0.5 mm。表 1 第 1 列为激光线沿检测前进方向的纵向间距，纵坐标起、终点分别为 0 和 798.99，表明有效检测长度为798.99 mm，激光线的纵向间距约为 0.5 mm；其余部分表示相对应的沥青混合料试件点(x,y)的高程坐标。表表 1 部分水泥混凝土试件的高程原始数据部分水泥混凝土试件的高程原始数据Y（mm）-251.075-250.525-0.2750.275269.225269.7750-57.48657.4534.3234.1913D激光传感器CCD相机透镜激光发射器凹槽16总第195期的距离；为激光束法线与轴线之间的夹角；为光斑成像后对应的位移；即所测凹槽的表面深度。2.2室内检测设备本文采用室内三维激光检测设备，如图2所示，用于模拟多种检测条件下路表面形貌的检测，其垂直检测精度可达0.1 mm。安装在导轨上的Gocator一体式三维激光扫描设备由其上方的传动装置驱使，能够在横、纵向间距0.5 mm50.0 mm 的范围内发射1060个测点的激光横断面，实现待测物体表面高程的测量。通过改变激光设备的架设高度和脉冲触发频率，可以达到调节三维激光数据密度，即改变激光数据的横向间距和纵向间距的目的。2.3激光检测数据当设备移动速度为200 mm/s、曝光值为700 s 时，正交裂缝移动三维激光设备，所获取的水泥混凝土试件的部分表面构造深度原始数据见表1。从表中可以看出，激光左右端点坐标分别为-251.075mm和269.775mm，即有效检测宽度约为520 mm，激光点与试件点间距约为0.5 mm。表1第1列为激光线沿检测前进方向的纵向间距，纵坐标起、终点分别为0和798.99，表明有效检测长度为798.99 mm，激光线的纵向间距约为0.5 mm；其余部分表示相对应的沥青混合料试件点（x，y）的高程坐标。3试件制作与裂缝计算3.1试件制作实验所用试件参照 公路水泥混凝土路面施工技术规范（JTG F302003）相关规定，考虑到获取裂缝试件难度，故成型了两块300 mm300 mm50 mm的水泥混凝土板（如图3所示），用于不同激光密度下水泥混凝土路面裂缝宽度的测量。为全面系统地展示激光数据密度对裂缝宽度识别的影响，本文将两块水泥混凝土板按照固定间隔选取裂缝断面，每隔43 mm提取一个断面，以保证数据样本的多样性和随机性，即可得到6+3+6=15个裂缝断面。于路面裂缝宽度检测时的激光数据密度的确定提供参考，并且对于目前道路病害无接触检测具有一定的工程指导意义。2 三维激光检测技术三维激光检测技术2.1 检测原理检测原理本文采用基于三角测量法的 3D 激光传感器对路面进行扫描检测，通常将激光发射器和CCD照相机按照一定角度和距离进行组装，并布设于距被测物一定距离的上方，垂直向物体表面发射红外激光，经过准直透镜形成扇形散射激光面，照射于检测面的激光被 CCD 相机所捕捉，当检测物体由于表面起伏不平时，激光线上各像素在 CCD 相机中的位置也会随之改变，计算原理及具体参数如图 1 所示，以垂直照射凹槽为例，根据三角几何法则其深度 h 可由公式(1)计算。图图 1 激光三角法测量原理图激光三角法测量原理图sincosahhbh=-（1）其中，a 为激光束法线与 CCD 相机轴线虚拟交点至透镜的距离；b 为该轴线与透镜交点至相机感光面的距离；为激光束法线与轴线之间的夹角；为光斑成像后对应的位移；h 即所测凹槽的表面深度。2.2 室内检测设备室内检测设备本文采用室内三维激光检测设备，如图 2所示，用于模拟多种检测条件下路表面形貌的检测，其垂直检测精度可达 0.1 mm。安装在导轨上的 Gocator 一体式三维激光扫描设备由其上方的传动装置驱使，能够在横、纵向间距0.5 mm50.0 mm 的范围内发射1060个测点的激光横断面，实现待测物体表面高程的测量。通过改变激光设备的架设高度和脉冲触发频率，可以达到调节三维激光数据密度，即改变激光数据的横向间距和纵向间距的目的。图图 2 室内激光检测系统室内激光检测系统2.3 激光检测数据激光检测数据当设备移动速度为 200 mm/s、曝光值为700 s 时，正交裂缝移动三维激光设备，所获取的水泥混凝土试件的部分表面构造深度原始数据见表 1。从表中可以看出，激光左右端点坐标分别为-251.075 mm 和 269.775 mm，即有效检测宽度约为 520 mm，激光点与试件点间距约为 0.5 mm。表 1 第 1 列为激光线沿检测前进方向的纵向间距，纵坐标起、终点分别为 0 和 798.99，表明有效检测长度为798.99 mm，激光线的纵向间距约为 0.5 mm；其余部分表示相对应的沥青混合料试件点(x,y)的高程坐标。表表 1 部分水泥混凝土试件的高程原始数据部分水泥混凝土试件的高程原始数据Y（mm）-251.075-250.525-0.2750.275269.225269.7750-57.48657.4534.3234.191于路面裂缝宽度检测时的激光数据密度的确定提供参考，并且对于目前道路病害无接触检测具有一定的工程指导意义。2 三维激光检测技术三维激光检测技术2.1 检测原理检测原理本文采用基于三角测量法的 3D 激光传感器对路面进行扫描检测，通常将激光发射器和CCD照相机按照一定角度和距离进行组装，并布设于距被测物一定距离的上方，垂直向物体表面发射红外激光，经过准直透镜形成扇形散射激光面，照射于检测面的激光被 CCD 相机所捕捉，当检测物体由于表面起伏不平时，激光线上各像素在 CCD 相机中的位置也会随之改变，计算原理及具体参数如图 1 所示，以垂直照射凹槽为例，根据三角几何法则其深度 h 可由公式(1)计算。图图 1 激光三角法测量原理图激光三角法测量原理图sincosahhbh=-（1）其中，a 为激光束法线与 CCD 相机轴线虚拟交点至透镜的距离；b 为该轴线与透镜交点至相机感光面的距离；为激光束法线与轴线之间的夹角；为光斑成像后对应的位移；h 即所测凹槽的表面深度。2.2 室内检测设备室内检测设备本文采用室内三维激光检测设备，如图 2所示，用于模拟多种检测条件下路表面形貌的检测，其垂直检测精度可达 0.1 mm。安装在导轨上的 Gocator 一体式三维激光扫描设备由其上方的传动装置驱使，能够在横、纵向间距0.5 mm50.0 mm 的范围内发射1060个测点的激光横断面，实现待测物体表面高程的测量。通过改变激光设备的架设高度和脉冲触发频率，可以达到调节三维激光数据密度，即改变激光数据的横向间距和纵向间距的目的。图图 2 室内激光检测系统室内激光检测系统2.3 激光检测数据激光检测数据当设备移动速度为 200 mm/s、曝光值为700 s 时，正交裂缝移动三维激光设备，所获取的水泥混凝土试件的部分表面构造深度原始数据见表 1。从表中可以看出，激光左右端点坐标分别为-251.075 mm 和 269.775 mm，即有效检测宽度约为 520 mm，激光点与试件点间距约为 0.5 mm。表 1 第 1 列为激光线沿检测前进方向的纵向间距，纵坐标起、终点分别为 0 和 798.99，表明有效检测长度为798.99 mm，激光线的纵向间距约为 0.5 mm；其余部分表示相对应的沥青混合料试件点(x,y)的高程坐标。表表 1 部分水泥混凝土试件的高程原始数据部分水泥混凝土试件的高程原始数据Y（mm）-251.075-250.525-0.2750.275269.225269.7750-57.48657.4534.3234.191图2室内激光检测系统表1部分水泥混凝土试件的高程原始数据Y（mm）00.55798.441798.99-251.075-250.525-4.2263.252-0.27557.48657.5523.952.3.8860.27557.45357.4864.1373.994269.2254.3234.2573.357-269.7754.1913.9983.115-3.2数据采集本文三维激光检测方法采用最大激光数据密度，即横、纵向激光的间距分别为0.5 mm0.5 mm，获取2块水泥混凝土板的表面激光点云数据，同时将传统的人工检测作为三维激光检测方法的对照验证的方法，具体方法为：先在每块水泥板上标记出间隔为43 mm的6个裂缝断面；使用裂缝测宽仪重复测量各断面宽度；将每个断面的测量结果平均值进行汇总，如图4所示。（a）水泥板A（b）水泥板B图3含有不同裂缝宽度的水泥混凝土试件（a）人工检测裂缝宽度（b）检测结果图4人工检测裂缝宽度方法李钦勇等：基于三维激光数据的水泥路面裂缝宽度检测可靠性研究17内蒙古公路与运输HighwaysTransportation in Inner Mongolia2023 年第 3 期3.3裂缝宽度计算对于裂缝宽度的提取，本文首先将选取的断面数据输入Origin软件，基于其Levernberg-Marquardt 算法（LMA）的非线性最小二乘法拟合方法得到裂缝的拟合断面，而后利用FFT滤波器对断面进行平滑。再将得到的裂缝断面借助QuickPeaks（system）方法进行峰值分析，定义断面最低点为基线后，通过对比判断，选择基线两侧的峰值点定义为裂缝边缘，同时将两峰值点之间的距离定义为裂缝宽度，整体效果如图5所示。4裂缝宽度检测结果与误差分析本文选取0.50 mm、0.75 mm、1.00 mm、1.50 mm四种激光间距对裂缝识别宽度进行探讨，为减少人工导致的误差，量测时仅选用0.5 mm的激光间距，其余三种数据密度通过间隔提取或进行插值计算得到。将两块水泥混凝土板分别扫描测量3次，得到15个断面在4种激光数据密度下的裂缝宽度测量结果，将其进行汇总整合至表2。图5经峰值分析后的裂缝拟合断面示意图4.1重复测量对裂缝宽度检测结果误差分析由于0.75mm1.50mm三种激光数据密度是由0.5mm间距的激光数据内插得到的，故本文以0.5 mm间距的激光数据为例，将3次的测量结果进行展示，同时引入变异系数Cv来分析3次测量所得到的数据相关性，如图6所示。由图6发现，在进行裂缝检测时，激光识别变异系数Cv与裂缝宽度大小成负相关，裂缝越小，变异系数越大，识别可靠性越低。所以本文采用三维激光技术检测裂缝宽度时，进行多次测量取平均值以减小宽度识别误差。4.2不同激光数据密度对裂缝宽度检测结果误差分析图7所示为四种不同激光点横向间距下各裂缝断面的检测宽度平均值和使用裂缝测宽仪得到的人工实测真值。对比发现激光检测值相较于实测真值整体偏大，且激光点间距越大，宽度检测值越大。通过前文的测量汇总，得到了四种不同激光间距条件下裂缝的识别宽度平均值（激光识别宽度）和使用表2不同激光点间距下裂缝宽度重复检测值裂缝序号12315不同激光间距（mm）裂缝宽度检测值（mm）第1次0.505.991.692.0515.320.755.661.802.3414.271.006.242.212.9115.391.506.792.594.3415.74第2次0.505.431.593.7615.270.755.472.012.7014.091.006.225.672.9915.631.506.542.343.367.42第3次0.505.571.672.0315.310.755.641.762.3214.241.006.222.172.8815.371.506.772.573.6715.73人工测量4.00.881.214.8图60.5 mm激光数据密度下裂缝宽度及其识别变异系数图7不同激光点间距下各断面裂缝宽度变异系数Cv（%）18总第195期裂缝测宽仪得到的实测宽度（人工实测宽度）。同时再引入相对误差作为判断不同激光数据密度下裂缝宽度识别准确性的指标，并规定其值越接近0，表示识别准确性越高；绝对值越大，表示识别准确性越低。根据 公路技术状况评定标准（JTG 52102018）中水泥混凝土路面裂缝宽度分级（轻度应为主要裂缝宽度小于3 mm，一般为未贯通裂缝；中度应为主要裂缝宽度在3 mm10 mm之间；重度应为主要裂缝宽度大于10 mm），对本文选取的15个断面的裂缝宽度进行划分，并汇总得到各分级下裂缝宽度相对误差的散点图，如图8所示。图8是在图7基础上将各裂缝断面在不同激光间距下宽度的相对误差进行汇总，结果表明，裂缝宽度与其相对误差成负相关，0.5 mm激光间距下，1.2 mm的裂缝相对误差为 66.7%，而 14.8 mm 裂缝相对误差为3.4%，裂缝越宽，相对误差越小，即检测效果越好；横向对比不同激光间距下各散点的分布情况，以5 mm宽的裂缝为例，相对误差由34%增大到53.4%，即裂缝宽度检测相对误差随激光点横向间距增大而增大；当激光点间距为0.5 mm时，重度、中度和轻度分级裂缝检测最大相对误差分别为66.7%、47.8%和6.7%，表明本文方法对宽度3 mm以上的裂缝检测准确性较高。5结语三维激光检测技术识别裂缝宽度时，由于仪器本身误差、环境影响、人工误差等多因素导致同一断面多次重复测量识别得到的裂缝宽度有一定的误差，对比分析裂缝识别的变异系数，发现其与裂缝宽度成负相关，裂缝宽度越小，识别变异系数越大。不同激光数据密度对水泥混凝土试件的裂缝宽度识别结果的均值和离散程度有较大影响，当激光数据密度由0.5 mm下降至1.5 mm时，裂缝识别的相对误差均有明显增大，尤其当裂缝宽度较小时，以断面1为例，激光间距大于0.75 mm时，其识别相对误差均大于100%，这意味着该裂缝几乎无法被识别。根据 公路技术状况评定标准（JTG 52102018）中水泥混凝土路面裂缝宽度分级，本文通过数据汇总分析发现，0.5 mm的三维激光数据密度对于重度分级（10 mm）和中度分级（3 mm10 mm）的路面裂缝的识别准确性较高，可以将其应用于道路无接触检测；而对轻度分级（3 mm）的路面裂缝，识别误差接近100%，证明其几乎无法被检测识别。参考文献1唐明述.水泥混凝土与可持续发展J.中国有色金属学报，2004（S1）：164-172.2吴国雄，姚令侃，易志坚.水泥混凝土路面早期裂缝的形成机理J.西南交通大学学报，2003（03）：304-308.3 中国公路学报 编辑部.中国公路交通学术研究综述 2012J.中国公路学报，2012，25（3）：2-50.4温伟标.水泥路面病害维修关键技术研究D.广州：华南理工大学，2009.5马建，赵祥模，贺拴海，等.路面检测技术综述J.交通运输工程学报，2017，17（5）：121-137.6于华洋，马涛，王大为，等.中国路面工程学术研究综述 2020J.中国公路学报，2020，33（10）：1-66.7孙振平，蒋正武，王培铭，等.水泥混凝土路面裂缝成因及预防措施J.公路交通科技，2005（04）：15-19.8JTG H202007，公路技术状况评定标准S.9Mohan Arun，Poobal Sumathi.Crack detection using image processing：Acritical review and analysisJ.Alexandria Engineering Journal，2018，57（2）：787-798.10高建贞，任明武，唐振民，等.路面裂缝的自动检测与识别J.计算机工程，2003（02）：149-150.11张娟，沙爱民，高怀钢，等.基于数字图像处理的路面裂缝自动识别与评价系统J.长安大学学报（自然科学版），2004（02）：18-22.12Kevin Wang，Omar Smadi.Automated Imaging Technologies for PavementDistress SurveysJ.Transportation Research E-Circular，2011，E-C156.13Serigos P A，Murphy M，Prozzi J A.Evaluation of Rut-Depth Accuracyand Precision Using Different Automated Measurement SystemsJ.Earth&Planetary Science Letters，2014，43（1）：20130121.14Debra F.Laefer，Linh Truong-Hong，Hamish Carr，et al.Crack detectionlimits in unit based masonry with terrestrial laser scanningJ.NDT and EInternational，2014，62：66-76.15李清泉，邹勤，张德津.利用高精度三维测量技术进行路面破损检测J.武汉大学学报（信息科学版），2017，42（11）：1549-1564.16彭博，WANG K C P，陈成，等.基于1 mm精度路面三维图像的裂缝种子自动识别算法J.中国公路学报，2014，27（12）：23-32.17Qin Zou，Yu Cao，Qingquan Li，et al.CrackTree：Automatic crack detectionfrompavementimagesJ.PatternRecognitionLetters，2012，33（3）：227-238.（相对误差100%）激光识别宽度-人工实测宽度人工实测宽度当相对误差超过100%时，取100%，即几乎无法识别出裂缝宽度。图8不同分级下裂缝宽度相对误差散点图（下转第27页）李钦勇等：基于三维激光数据的水泥路面裂缝宽度检测可靠性研究19总第195期6结语碳纤维掺量增至0.6%时，水化产物间的粘结力得到改善，砂浆抗压、抗折强度逐渐增大。但继续增大碳纤维掺量，会因碳纤维分散不均和团聚问题导致砂浆力学强度降低。水泥砂浆中碳纤维掺量低于0.6%时，砂浆内部密集导电网络形成，电磁波反射损耗次数和吸波能力增加，电磁屏蔽性能得以改善。但碳纤维掺量大于0.6%时，会因碳纤维分散不均导致电磁和介电损耗减少，从而屏蔽性能下降。碳纤维水泥砂浆的力学和电磁屏蔽性能随碳纤维掺量增加呈现出先增大后减小的趋势。当碳纤维掺量为0.6%时，砂浆力学性能和电磁屏蔽性能最优。参考文献1闫孝伟.碳纤维增强水泥基复合材料的制备与性能研究J.铁道建筑技术，2022（12）：26-29+169.2王志航，许金余，张彤，等.碳纤维改性聚合物水泥复合填缝材料拉伸力学性能研究J.化工新型材料，2021，49（12）：218-222.3黄嘉星，万菲，闫培会，等.碳纤维水泥基复合材料的研究进展J.中国建材科技，2020，29（5）：64-66.4程健强，王文广，韩杰.碳纤维增强水泥基复合材料的力学性能研究进展J.辽宁石油化工大学学报，2021，41（3）：34-42.5金春福，阎石，张世洋.分散剂对碳纤维水泥砂浆力学性能及压敏性的影响研究J.混凝土与水泥制品，