德国西南部联邦公路混凝土路面多方法测量数据集：3D扫描、纹理深度、抗滑阻力与砂铺法比较

《Data》：Dataset of Various Road Measurements on Concrete Surfaces

　　

人工生成的道路表面通常用于室内试验台（indoor test benches）或模拟中，以研究胎-路接触（tire-road contact）。该数据集包含来自真实混凝土公路的测量数据。数据集中的数据可用作模拟中的道路模型，也可将人工生成道路与该数据集进行比较。此外，由于在横向方向（lateral direction）上具有不同交通量位置处的测量数据，因此可考虑路面磨损。该数据集由德国西南部两条联邦公路上四个测量位置的道路数据组成。共使用四种测量方法：高分辨率3D扫描（high-resolution 3D scans）、纹理深度测量（texture depth measurements）、抗滑阻力测量（skid resistance measurements）和砂铺法试验（sand patch test, SPT）。文中详细描述了这些方法。所有数据均已处理，以确保其他研究人员能够尽可能有效地使用。研究人员对纹理深度测量结果与砂铺法结果进行了方法比较。该数据集已上传至 RADAR4KIT，DOI 如下：Dataset: https://doi.org/10.35097/ku8qs1jt347zxyeq。Dataset License: CC BY-NC-SA 4.0。

论文解读文章

该研究围绕混凝土公路路面的真实测量数据展开。人工生成的路面通常用于室内试验台或模拟中研究胎-路接触（tire-road contact），但此类表面与真实道路之间存在差异。因此，研究人员需要真实混凝土公路的多方法测量数据，以作为模拟中的道路模型，或用于比较人工生成道路。该数据集还可考虑路面磨损，因为横向方向上不同交通量位置的测量数据可用。德国卡尔斯鲁厄理工学院（Karlsruhe Institute of Technology, KIT）车辆系统技术研究所运行两个内部鼓式轮胎试验台，并使用真实路面研究胎-路接触的不同方面。该数据集旨在与真实道路表面进行比较，并确定哪些方法最适合用于内部鼓式试验台，特别是判断传统方法抗滑阻力测试仪（Skid Resistance Tester, SRT；也称 British Pendulum Tester）和砂铺法（sand patch test, SPT）能否由现代非接触方法3D扫描（3D scan）和ELAtextur（ELA）替代。研究人员在德国西南部两条联邦公路的混凝土路面上开展测量，获得多方法数据集，并将其上传至 RADAR4KIT。该工作的意义在于为轮胎-路面仿真、人工道路表面比较、路面磨损分析以及传统与现代路面纹理/抗滑测量方法比较提供真实数据基础。

关键技术方法概括（不超过250字）：样本队列来源为德国西南部两条联邦公路 A5 与 A6 的混凝土路面，共四个测量地点，测量日期为2025年8月11日和12日。关键技术方法包括：高分辨率3D扫描（3D scan），使用 Creaform Go!SCAN 3D 手持3D扫描仪，测量分辨率0.1 mm、网格分辨率0.2 mm；纹理深度测量（texture depth measurement），使用 ELAtextur（ELA）激光装置，并依据 DIN EN ISO 13473-1:2019 计算平均剖面深度（Mean Profile Depth, MPD）和估计纹理深度（Estimated Texture Depth, ETD）；抗滑阻力测试（skid resistance test），使用 SRT 并记录摆式测试值（Pendulum Test Value, PTV）；砂铺法（SPT），使用14 g标准砂并通过图像分析计算平均纹理深度（Mean Texture Depth, MTD）。

研究结果按原文小标题概括如下。

1. Summary：该数据集包含使用多种方法获得的混凝土公路表面测量数据。在两个联邦公路的四个地点，研究人员使用3D扫描、纹理深度测量、SRT和SPT对表面进行表征。数据集旨在与真实道路表面比较，并确定传统方法SRT、SPT能否由现代非接触方法3D扫描和ELA替代。3D扫描可作为轮胎-道路仿真模型的基础，且不同车道、应急车道和不同龄期路面的测量可用于比较混凝土路面磨损。

2. Data Description：数据集包含混凝土公路路面的3D扫描、纹理深度测量、SRT测量和SPT。

2.1 Measurement Positions：测量在德国西南部混凝土公路路段进行。A5测量位于卡尔斯鲁厄以南南向方向，A6测量位于凯泽斯劳滕以东东向方向。测量时间为2025年8月11日和12日。A5_L1位于施工区起点，无碎屑和损坏，进行全部测量方法；A5_L2约在南侧3 km处，仅进行3D扫描和纹理深度测量。A5两处均为暴露骨料混凝土（exposed aggregate concrete），最大粒径8 mm，龄期7年。A6_L1位于施工区起点，进行全部测量方法；A6_L2约在向东0.3 km处，仅进行3D扫描和纹理深度测量。A6两处应急车道、第二和第三车道为扫刷面（broom finished），约44年；第一车道已更新为 turf drag finish，最大粒径22 mm，龄期11年。A6关闭第一和第二车道，测量M1—M5；A5仅关闭第一车道，测量M1—M3。M1位于应急车道，很少被碾压；M2和M4位于相应车道右轮迹，交通量大；由于右侧通行规则和重型卡车交通，M2被碾压更频繁；M3和M5位于车道中心，被碾压较少。

2.2 3D Scans：3D扫描使用制造商 VXelements 12 软件采集，原始保存为 *.csf 文件；由于该格式不能由免费软件处理，数据转换为二进制 *.ply 和 *.stl 格式。

2.3 Texture Depth Measurements：纹理深度测量结果在 ELAtextur 设备上保存为 *.ela 文件，其结构类似 *.xml。使用 ELA 分析软件按 DIN EN ISO 13473-1:2019 过滤高度剖面，转换并保存为 *.csv 表格。每个表格包含一个测量位置，列包括沿圆周路径的位置、高度剖面1和高度剖面2。研究人员还按 DIN EN ISO 13473-1:2019 计算MPD，并按 DIN EN 13036-1:2010 计算ETD，保存在 *.pdf 总结报告中，并汇总为 summary.csv。

2.4 Skid Resistance Tests：SRT测量数据在测量过程中人工记录，PTV存储在 *.csv 表格中，包含测量位置、原始PTV、原始PTV算术均值、原始PTV标准差、温度校正后均值、滑块橡胶温度。PTV温度相关校正依据 DIN EN 13036-4:2011 进行。

2.5 Sand Patch Tests：砂铺法数据包括原始 *.jpg 图像和分析输出。每个测量位置提供突出检测砂面积的分割掩膜，以及标注等效圆直径、质心和计算MTD值的可视化叠加 *.png 文件。数值结果和校准参数归档在 summary.csv 中，包括测量位置、MTD、计算直径和缩放比例。

2.6 Data Naming and Structure：所有数据采用统一命名：Highway_Location_Position_Half.extension。重复测量时在名称后附加 _rep。测量数据上传至 RADAR4KIT，存储在单个 zip 文件中，并按测量方法（3D扫描、ELA、SRT、Sand Patch）分类文件夹；若数据有原始/处理状态差异，则分入子文件夹。

3. Methods

3.1 Overview of Applied Methods：每个测量位置M1—M5由3D扫描参考帧定义。参考帧上贴有反射标记，作为3D扫描仪参考点。在3D扫描区域20 cm×30 cm内，其他测量方法分别施加于左半和右半区域。测量前，路面先用扫帚清洁，再用压缩空气清洁。首先进行3D扫描，其次进行纹理深度测量。非接触方法后使用SRT摆式仪。使用SRT后等待区域完全干燥。砂铺法最后进行，因为砂会残留。

3.2 3D Scan：使用 Creaform Go!SCAN 3D 手持3D扫描仪记录路面，测量分辨率0.1 mm，网格分辨率0.2 mm。参考帧上贴反射目标，并平行于混凝土板边缘放置，以与行驶方向对齐。为防止路面岩石颗粒反射，整个扫描区域喷涂抗反射和消光喷雾。扫描仪在测量前按制造商说明校准。手持扫描仪以不同角度移动，直到可见间隙闭合。测量中发现直射阳光会降低3D扫描质量，因为扫描仪无法检测其发射的白光；因此扫描区域始终保持完全遮阴。不确定时重复测量，两个版本均纳入数据集。为改进发布兼容性并减小文件大小，扫描后手工裁剪至参考帧内区域，并自动移除孤立斑块，随后导出为二进制 *.ply 和 *.stl 文件。

3.3 Texture Depth：使用前按制造商说明校准 ELAtextur。在每个测量位置的左半和右半区域测量纹理深度。测量后再次检查设备校准。路面上的污垢或颗粒是ELA测量的潜在误差来源，测量前清洁测量地点可防止该问题。

3.4 Skid Resistance Test：SRT摆式仪测量依据 DIN EN 13036-4:2011 进行，使用滑块57（宽滑块）。摆式仪定期外部检查。SRT摆式仪平行于行驶方向放置，并使用内置水准器水平调平。然后通过滑动长度规设置接触长度，调整摆头轴垂直位置。橡胶滑块和测试路面随后润湿，并使用红外激光温度计测量橡胶体温度。进行摆式测试时，必要时再次润湿路面和橡胶体。PTV和温度人工记录。PTV以原始值提供，并计算每个测量位置的均值和标准差；均值还按 DIN EN 13036-4:2011 进行温度校正。SRT测量易受显著宏观不规则性干扰，因此在定位SRT摆式仪时，注意使测量区域纹理尽可能均匀，并通过标准规定的重复测量避免额外误差。

3.5 Sand Patch Test：砂铺法依据 Kaufmann 和 DIN EN 13036-1:2010 进行。使用14 g标准砂 I 细（Normsand I fein），约10 cm³，并用直径50 mm的木制摊铺工具以圆形方式摊开。测量位置用金属框架防风。砂铺后立即使用 Apple iPhone 15 Pro 拍摄图像，相机平行于路面放置以减少透视畸变。每幅图像在砂斑旁包含两个垂直对齐的测量标尺，以确保缩放一致。通过交互选择已知距离的两个校准点计算 mm-per-pixel 比例，并使用欧氏距离避免折叠尺倾斜导致校准失真。EXIF元数据自动提取，相机方向标签用于算法旋转图像至正确方向。数字图像分析在 MATLAB R2025a 的 Image Processing Toolbox 中进行。MTD根据 Kaufmann 确定，其中V为砂样体积，D为砂覆盖区域的计算直径。砂铺法的已知误差来源包括环境因素如风将砂吹走、砂分布不均或砂斑直径测定不准。为避免这些误差，在砂斑周围放置挡风屏，并通过数字图像处理考虑非圆形分布并确保直径测量可重复；同时注意手机相机方向和折叠尺方向，避免透视畸变。

4. User Notes：该部分简要比较经典砂铺法与使用 ELAtextur 的较新非接触纹理深度测量方法。依据 DIN EN ISO 13473-1:2021 和 ASTM E 1845-23，测得的MPD值与ETD值之间存在相关性，ETD可由公式计算。该公式在指定范围内有效，因此某些MPD条件的测量未纳入比较。为比较SPT得到的MTD值与ELA得到的MPD值，研究人员使用公式由MPD计算ETD。两种方法结果比较显示决定系数（coefficient of determination, R²）。A5的R²可能更高，因为A5表面使用较小粒径并采用暴露骨料混凝土，整体表面更均匀。A6具有较大粒径和拖曳纹理（扫刷面和turf drag finish），纹理较不均匀，因此R²较低。文献已知SPT更耗时、重复性较差，高度依赖操作者，并对路面局部不规则性更敏感。因此，使用 ELAtextur 进行纹理深度测量似乎更合适，因为该设备提供独立于操作者的可靠结果；得益于内置滤波，不规则性影响较小；由于采用非接触激光测量，路面上不会留下残留物。

讨论部分总结：原文并未设置独立结论标题，而是在用户注释部分给出方法学评价。其核心讨论是，传统SPT与现代非接触ELA测量之间存在相关性，但SPT受操作者、局部不规则性和耗时等因素限制，而ELA具有操作者独立性、内置滤波和非接触无残留优势。研究结论可翻译为：因此，使用 ELAtextur 的纹理深度测量似乎更合适，因为该设备提供独立于操作者的可靠结果。得益于其内置滤波，不规则性影响也较小。由于采用非接触式激光测量，路面上不会留下残留物。