基于三維全景技術的高速公路設施采集與管理

明鏡，向煜

(1.重慶市勘測院，重慶　401121；　2.重慶市巖土工程技術研究中心，重慶　401121；3.重慶數字城市科技有限公司，重慶　401121)

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基于三維全景技術的高速公路設施采集與管理

明鏡1，2，3，向煜3

(1.重慶市勘測院，重慶401121；2.重慶市巖土工程技術研究中心，重慶401121；3.重慶數字城市科技有限公司，重慶401121)

摘要：為解決當前高速公路設施采集與管理中存在的采集方式落后、危險性高、易出錯、效率低等難題，針對高速公路的特點，從高速公路設施數據組織、基于三維全景技術的高速公路設施普查方法、車載全景影像采集平臺的航向和俯仰角速度獲取、高精度地面全景影像采集車載設備精確定位、三維全景影像中空間數據的采集定位、線性參照管理方法等方面進行關鍵技術研究，建立了高速公路設施管理整套解決方案。本文研究成果成功應用到了重慶市高速公路設施的采集與管理中，輔助進行科學決策，有效提升了高速公路服務水平。

關鍵詞：高速公路；設施采集；三維全景；線性參照

1引言

隨著我國交通事業的蓬勃發展，高速公路已經成為交通出行的重要方式，為地方經濟帶來了新的增長點[1，2]。隨著高速公路建設的持續快速發展，對高速公路運營管理的要求越來越高。對于高速公路管理部門來說，對具有明顯地理分布特征的多類型復雜高速公路設施建立臺賬并進行日常管理維護、分析查詢，是一項比較復雜的工作，單純靠人力來管理不僅費時費力，而且極易出錯[3，4]。

目前，高速公路設施的采集和管理存在諸多不足[5，8]。首先，設施的采集大多利用傳統的紙質地理底圖調查的方法，已出現諸如打印底圖成本消耗大、外業采集受天氣影響巨大、內外業存在重復勞動等弊端，而且人工采集會存在準確率不高、危險性大、更新周期長等問題。其次，設施管理以人工為主，管理效率不高，數據分散、信息資源不能得到充分地利用。第三，設施相關信息更新難度大，設施故障往往得不到及時解決。為了實現對高速公路設施有效監控、管理、運營和養護以及合理利用資源，必須要借助先進技術實現高速公路設施采集與管理的信息化。

三維全景技術作為一種虛擬現實技術，其成果數據非常直觀，能很好滿足交通設施調查、設施狀態監控等業務應用需要[9，10]。將三維全景技術融入高速公路設施數據采集過程中，外業只需要開車沿高速公路完成數據采集，內業根據影像進行標點即可，既利用了三維全景的直觀性，使采集工作簡單、直接，又簡化了采集工作流程，減少了工作量，從而降低數據采集成本。

因此，針對高速公路設施數據的特點，研究基于三維全景技術的高速公路設施采集技術，構建一個基于地理信息技術及三維全景可視化技術的軟件平臺，對設施數據進行直觀、高效、準確的采集、管理及網絡化應用，已成為當前高速公路管理的必然要求[11，12]。將高速公路相關設備設施的信息，利用三維全景技術進行簡單、高效地采集，根據設施特有的空間位置GIS特性，建立設施數據庫，并通過GIS的空間分析功能，實現故障定位、應急救援、范圍分析等高端應用，能為高速公路的各種智能管理、實時監控、應急救援提供強大的技術支持，實現設施數據的可視化管理，為主管部門提供及時、準確、全面的路線、里程及路況信息，為決策者提供可靠的決策依據，最終實現高速公路管理整體性能的提高，具有重要的現實意義。

2總體技術路線

首先，在對高速公路設施領域知識、三維全景技術、道路空間數據模型以及GIS空間數據模型知識進行調研及分析的基礎上，參照國家及行業相關標準對高速公路設施進行數據系統構建，選取面向對象GIS空間數據模型對高速公路設施進行建模，從概念模型、邏輯模型、物理模型三個層面構建高速公路設施空間數據模型。

其次，將三維全景技術融入數據采集中，通過一系列的軟硬件比較選型，建立滿足采集需求的三維全景高速公路設施采集軟硬件平臺，利用車載采集平臺對高速公路現場影像進行采集。同時，通過技術創新，提升車載移動平臺和成果數據的精度。采集完成后，內業根據設施臺賬數據進行高速公路設施采集、質量檢查、外業確權，形成采集成果。

第三，利用線性參照技術對高速公路設施進行分類與編碼，同時進行多源數據融合，構建高速公路設施數據庫，為高速公路設施數據的管理和后續數據更新、采集質量控制提供保障。

最后，將設施數據庫應用到高速公路空間信息分析管理系統設計中，實現模型的驗證，完成基于三維全景技術的高速公路空間信息分析管理系統的開發，并進行系統測試，投入使用，為決策者提供可靠的決策依據，提升高速公路管理的整體性能。

3關鍵技術

3.1高速公路設施數據組織

高速公路設施數據來源多樣、格式各異。為實現高速公路設施的高效采集與管理，本文針對高速公路設施的特性，對高速公路設施管理業務進行抽象、整合、擴展和提煉，選取面向對象GIS空間數據模型對高速公路設施進行建模，構建了高速公路設施空間數據模型。

該模型中，主要包括了基礎地形數據、基礎專題數據、業務專題數據、輔助數據、三維全景影像數據。其中基礎地形數據、基礎專題數據、業務專題數據以空間數據方式存儲，輔助數據以表格方式存儲，其余影像數據以二進制方式進行存儲。數據組織結構如圖1所示：

同時，為了適應高速公路集團有限公司現有的組織結構與管理模式，本文數據管理體系的搭建采取了區域樹形結構，以區域管理中心、高速公路路段、隧道、橋梁等標志性地物為干，以收費站、服務區等功能性建筑位置和監測設備點等監測設備為枝，以各地物點所采集的數據為葉，而每個區域又通過路網相連，確保能覆蓋高速管理中的空間數據和業務數據，充分滿足業務調用和查詢統計需求。

3.2基于三維全景技術的高速公路設施普查方法

在數據模型的基礎上，借助三維全景技術，開發高速公路設施空間信息數據管理系統，本文建立了一套包括高速公路設施空間數據的分類、編碼、采集、處理、存儲、分析、發布等業務的高速公路設施普查流程，并利用該方法采集高速公路設施數據，獲得了高速公路設施的空間數據、屬性數據和立體影像數據，建立了高速公路設施數據庫和影像數據庫，為全國高速公路設施普查樹立了典范。該普查方法以三維全景技術作為支撐，主要步驟如圖2所示。

線路糾正，是把采集線路與拓撲路網融合，從而實現全景視頻與矢量GIS拓撲路網關聯，提高線路定位精度，保障全景影像的空間位置精度；全景數據與拓撲路網數據融合后，可以很容易通過空間查詢獲得全景數據，可以通過路網來選擇播放全景視頻，并可以很容易地實現設施點定位。

高速公路設施采集，是利用全景影像中空間數據的采集定位方法，使用線性參照程序，在全景影像上采集高速公路設施點的空間位置。這種采集方式較傳統方式中基于紙質的現場調查，具有采集高效、定位準確、安全可靠等諸多優點。

外業繪圖確權，是指為了保證采集的設施數據完備、位置精確、設施類型無誤，還要請各監控站的工作人員進行外業確權，審核內業繪圖的初步成果，檢查的內容包括數據的完整性、準確性、邏輯空間位置關系正確性等等。

3.3車載全景影像采集平臺的航向和俯仰角速度獲取方法

高速公路設施在全景中的精確定位，需要依托全景影像采集平臺的定位定姿數據。本文創造性地提出了一種車載全景影像采集平臺的航向和俯仰角速度獲取方法，硬件設備不需要配備陀螺儀或慣導單元，就可以通過該技術計算出車載平臺的航向與俯仰角速度。該方法主要由以下步驟組成：

S1、車載全景影像采集平臺間隔地采集全景影像，構成全景影像圖片，其中采集的間隔時間為△t，且設定相鄰幀第i幀、第i+1幀采集到全景影像圖片分別為Fi、Fi+1，所述全景影像圖片的寬度為w像素，高度為h像素；

S2、采用3D中的紋理映射技術將全景影像圖片中的全景影像紋理映射至投影模型上；

S3、利用3D技術，在投影模型的中心點設置攝像機，所述攝像機正對運載車輛行駛正前方或者正后方，獲得水平和垂直視野范圍β°內的區域影像，設定所述區域影像的坐標變化與所述運載車輛的直線運動關系無關，利用3D中的渲染到紋理技術將所述投影模型上的區域影像渲染到區域影像圖片上，其中設定相鄰幀第i幀和第i+1幀采集到的區域影像圖片分別為Pi、Pi+1，所述區域影像圖片的寬度為wp像素，高度為hp像素；

S7、根據投影模型單位寬度對應的角度，計算所述車載全景影像采集平臺第i+1幀相對于第i幀的航向偏轉角度和俯仰偏轉角度；

本方法中，所述c取30。所述視野范圍β取22.5。本方法根據識別相鄰幀全景圖像中像素點的旋轉和偏移程度，創造性地利用軟件算法方法求取車載移動平臺的航向和俯仰角速度，避免使用昂貴的硬件設備獲取相應參數，簡化了全景采集平臺的設計，降低了平臺成本。

3.4高精度地面全景影像采集車載設備精確定位

為了提高高速公路設施的空間坐標精度，必須實現高精度地面全景影像采集車載設備精確定位。在三維全景實際采集過程中，通過實驗發現，即使使用差分GPS設備，在高速公路設施采集過程中也很難獲得較好的高精度坐標，究其原因，主要是源于路旁建筑物對GPS衛星信號的遮擋以及GPS設備相對較低的采樣頻率。為此，本文研究并提出了一種全景視頻線路的二次校正技術，主要包含如下步驟：

(1)對車速數據濾波，對航向數據濾波，對原始數據進行平滑；對GPS數據間隔一定距離選擇控制點；

(2)根據濾波后的速度、航向數據以及控制點數據恢復采集線路；

(3)根據恢復后的線路，使用移動雙目測量技術測量道路周邊的點位，這些點位在背景地圖中有明顯的“同名點”，假設當前攝像頭位置為(x，y)，測量到道路邊某一物體的坐標為(x1，y1)，從背景地圖中獲得同名點的坐標(x2，y2)；

(4)攝像頭當前的點位坐標為(X，Y)=(x，y)+(x1，y1)-(x2，y2)；

福布斯分析認為，絕大多數企業家財富縮水源于公司市值減少。今年來，中國股市的A股及港股均出現了較大幅度的下跌，隨之受影響的是各大上市公司的創始人財富出現大幅縮水。

(5)把(X，Y)作為一個控制點；

(6)使用以上方法獲得多個控制點，控制點分布均勻；

(7)使用第2步的方法重新計算采集線路的坐標。

(8)如果有必要，使用第(3)～第(7)步的方法再次計算采集線路的坐標。

通過本文提出的GPS線路二次校正技術，顯著提升了車載移動平臺的空間定位精度，通過與移動測量和導航算法結合，并利用上一關鍵技術獲取的航向與俯仰角速度數據，就可以恢復高精度的采集線路。該技術還避免了使用價格昂貴的IMU設備，降低了整體的硬件成本。

3.5三維全景影像中空間數據的采集定位方法

單幀全景圖像采集時，各個攝像頭的中心位于同一點，因此無法形成視差，故在同一幀中，無法實現移動測量。而通過連續兩幀或多幀的特征點匹配，建立兩條或多條“視線”，通過求解方程可以獲得地面全景影像中任意點的坐標。使用車載三維全景采集平臺時，由于車載設備捕獲了連續移動的多幀影像數據，隨著車輛的前進，如同在兩個不同的地點觀察同一個物體，構成了移動測量的必要條件。如圖3所示，每一個球體表示一張全景圖片，球心表示全景攝像機中心，兩個球心與物體的連線必然交匯于物體上，便可使用射線交匯法來進行測量。

基于上述方法，本文采用在三維全景影像中基于輔助面的空間定位，實現了任意點測量、跨幀測量技術，具備真正的空間三維測量功能，其測量精度達到亞米級。該技術采用立體測量方式相近的工作原理，在三維全景中可測量全景圖內任意兩點間的空間距離，誤差符合工程測量誤差標準；同時，三維測量不同于近景測量，無需為三維測量功能單獨、額外拍攝照片，拍攝過程無需添加外物，測量操作簡單方便。通過該技術，即可在三維全景影像中對高速公路各種設施進行采集定位，獲取其正確的三維空間坐標。

3.6線性參照管理設施數據

線性參考技術是沿已有的線性要素的相對位置來存儲地理數據的一種方法，線性參考能描述頻繁變換的線性片段數據，能從空間的角度來描述一對多的關系屬性，是沿線性要素建立相對位置模型最直觀的方法。本文創新地使用線性參考建立了高速公路的設施空間數據模型，以高速公路公里樁為參考點，將設施的空間坐標轉換到線性參考系統中后，利用線性參考的里程參照表達設施的位置信息，符合專業人員的日常工作思維，有利于對高速公路設施及其事故點的準確定位，為專業人員對高速公路設施的高效管理提供了數學基礎。通過線性參考技術可以管理多種屬性指標，支持多種高速設施，無需重復數字化就可以進行多個屬性集的動態顯示和分析，減少數據冗余。線性參考技術具有的線性度量與高速公路管理部門習慣的工作方法相吻合，與現有的管理模式相適應，能夠極大地提升用戶體驗。

4應用效果

為提升高速公路管理及運行效率，重慶高速公路集團有限公司擬對重慶市域高速公路開展設施調查，依托現代空間信息技術及可視化技術，建立高速公路地理信息系統，滿足高速公路地理位置、設施設備、交通流量、事故應急處理等各項業務要求。利用本文研究的基于三維全景技術的高速公路設施采集與管理技術，項目組開展了三維全景影像數據采集、設施數據建庫、應用系統開發等相關工作，提升了高速公路設施采集及管理效率，為管理部門提供了直觀、準確、及時的輔助決策信息。

利用三維全景采集平臺，本文獲取了重慶市約 2 400 km高速公路的全景影像數據，采集了高速公路的相關設施的空間位置信息，構建高速公路設施空間信息數據庫。就高速公路設施數據的采集而言，采用三維全景采集模式相比于傳統模式，實施周期更短、人力投入更少、錯漏率更低。實踐表明，本文技術使項目整體成本較傳統模式下降了35%，錯漏率也從原來紙質采集的3%下降到1%，大大提高了高速公路設施采集與管理效率。

本文的三維全景數據采集，利用重慶市勘測院與重慶數字城市科技有限公司自主研發的數字全景地圖系統DPM2.0進行，其安裝簡單、采集方便，適合于高速公路的全景數據采集。該采集平臺工作場景如圖4所示：

三維全景數據外業采集并處理完畢后，即可支持在全景影像中進行高速公路設施的空間定位及高精度測量，如圖5所示：

圖4三維全景數據采集

在對高速公路各類設施數據進行空間信息和屬性信息采集之后，隨即保存進入建立的高速公路設施數據庫。采集的高速公路設施數據類型眾多，涵蓋了前述數據組織模型中各個類別。利用建立的高速公路地理信息系統，還可開展各類設施數據的空間分布查看、詳細信息查詢、設施空間分析等專業應用，輔助進行各類決策，如圖6所示：

圖6高速公路廣告牌空間分布

5結語

本文研究了基于三維全景技術的高速公路設施采集與管理相關關鍵技術，建立了高速公路設施數據組織體系，利用三維全景技術對高速公路設施進行直觀、準確、高效地采集，建立高速公路設施數據庫，并研發高速公路地理信息系統進行業務管理和輔助決策。在設施數據采集處理過程中，為實現三維全景影像中空間數據的采集定位，針對車載全景影像采集平臺的航向和俯仰角速度獲取方法、高精度地面全景影像采集車載設備精確定位、線性參照管理方法等關鍵技術進行了深入研究，切實提升了設施數據的采集效率、定位準確性和測量精確性。本文成果將極大促進高速公路設施普查及管理手段的轉變，從傳統的文檔管理到平面空間、甚至立體管理，對提高現有公路設施的管理效率、改善交通環境、提高交通行駛安全具有重要的積極意義。目前，本文成果已在重慶高速公路集團各子公司和路段監控點中進行了示范應用，具有較好的推廣價值。參考文獻

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Acquisition and Management of Highway Facilities Based on 3D Panorama

Ming Jing1，2，3，Xiang Yu3

(1.Chongqing Survey Institute，Chongqing 401121，China；2.Chongqing Engineering Research Center of Geotechnical Engineering，Chongqing 401121，China；3.Chongqing Cybercity Sci-tech Co. Ltd.，Chongqing 401121，China)

Key words：highway；facilities acquisition；three-dimensional panorama；linear reference

Abstract：To solve current problems in the acquisition and management of highway facilities such as the old acquisition mode，the high risk，the error-prone and inefficiency，Key technologies are researched，such as the highway facilities data organization，the highway facilities census method based on 3D panorama，the heading and pitch angular velocity acquisition method of mobile panoramic image acquisition platform，the precise positioning of ground panoramic image acquisition equipment，the positioning of spatial object in 3D panoramic image as well as the linear referencing management method. The solution of highway facilities management is therefore built up. In this paper，the successful application of research results to the acquisition and management of Chongqing highway facilities has proven that it can be used in the auxiliary scientific decision-making，which effectively increases the service level of highway management.

文章編號：1672-8262(2016)03-5-07

中圖分類號：P208.2，P232

文獻標識碼：A

*收稿日期：2016—02—18

作者簡介：明鏡(1982—)，男，博士，正高職高級工程師，主要研究方向為三維GIS，三維數字城市。

基金項目：國家科技型中小企業技術創新基金(13C26215115070)；重慶市基礎與前沿研究計劃(cstc2014jcyjA90026)；重慶市應用開發計劃(cstc2014yykfB40004)