移動車載高速公路部件普查的技術研究

趙素雯

摘 要：自2006年《關于加強數字中國地理空間框架建設與應用的指導意見》（國測國字【2006】35號）發布發來，我國各省市數字城市建設如火如荼。數字交通是數字城市乃至數字國家、數字社會的重要組成部分。數字城市的先行戰略啟動應首先考慮數字交通，即實現城市交通管理的的數字化，網絡化、一體化。數字交通建設重點是城市交通智能化系統的全面建設，即充分利用現代化的通訊、定位、遙感、以及地理信息系統、電子地圖和其它相關技術來減少交通擁擠、提高交通量、改善交通安全狀況、充分利用路網資源并減少對環境的影響，從而改善地面交通運輸條件的一項具有戰略意義的工程。

關鍵詞：車載；測量；數據采集；GPS；姿態

1.研究目標

立足道路交通信息數字化、智慧化發展需求，致力于解決當前信息化建設過程中存在的問題，滿足數字化、智慧化的未來發展方向，通過集成可量測實景影像、統一地理底圖信息、交通管理基礎信息以及各職能部門的專題數據信息等，建立起應用到全省各級交通、道路管理部門的數據集，保障全省各級交通道路管理部門在辦公決策審批過程中能獲取各種基礎信息，實現科學、合理高效的行政決策；對外，能方便、快捷地向社會提供相關服務和政府信息公開。

2.總體思路

以搭載GPS/IMU、高清立體相機、高清視頻采集記錄儀等多種傳感器的移動車載測量系統進行道路交通信息的采集與獲取。

以同步控制技術、GPS/IMU組合定位定姿技術、立體測圖技術三大技術為技術支撐，進行多傳感器采集成果的解算與要素信息提取。

3.設計原則

1） 統一框架，統一標準

遵循GA/T 493-2004《城市警用地理信息系統建設規范》、GA491-2004《城市警用地理信息分類與代碼》、CH/Z1002-2009《可量測實景影像》，全省范圍內的所有城市的城鄉道路，采用統一的數據技術標準，和同樣的數據結構。

2） 可擴展性、兼容性

在統一框架的基礎上，結合全省市道路交通具體數據格式和技術特征，構建具有良好的靈活擴展性和標準化的結構，以保證各業務系統之間數據無障礙地共享交換，同時技術上實現與國家和省級相關項目的安全銜接。

3） 統一規劃、分布實施

在統一規劃指導下，統一確立各階段重點，明確分工，合理利用資金分步實施，避免系統陷入相互不兼容或者前期投資浪費的情況。

4） 整體分散、適度集中

將基礎性強、需求范圍廣、使用頻率高的數據集中管理，構建面向內部的政務基礎共享數據庫。集中共享數據與各部門數據庫同步更新。

二.移動車載雙目立體測量系統

1.系統概述

本次采集技術采用先進的立體移動測量系統進行，系統中搭載雙目立體測量系統、高清視頻采集記錄儀、GNSS/INS組合定位定姿系統以及車輪編碼器等，多傳感器在軟件系統的控制下協同工作，同步采集立體影像數據以及后視場景影像數據、定位定姿數據。雙目立體測量系統安裝在作業車輛上面，實時采集覆蓋全路面的立體影像，建立道路路面及兩旁附屬設施的道路影像數據庫，用于道路旁地物屬性（道路設施、路面狀態等）提取。

由于城鄉道路多數不超過4車道，且較少有中央隔離帶，為了保證采集數據的完整性，同時為了避免需要進行往返兩次采集，針對本次研究，在測繪車上專門增配一個同步高清視頻采集記錄儀，在行車過程中，同步采集后視影像。按此方法，對于少于6車道的道路、無綠化帶隔離的道路，進行一趟采集，即可獲取道路雙向數據。

對于軟件環境方面，數據采集軟件主要功能包括傳感器數據的同步保存，從傳感器中獲取原始采集數據并將數據高速存儲在車載計算機硬盤中，實時采集、存儲、監控車載設備和系統狀態。

2.核心技術

車載系統是一種多源數據采集和融合的綜合性系統。涉及到的源數據包括全景影像數據、激光掃描數據、位置與姿態數據等。這些數據由不同的采集計算機獲取，每種傳感器和計算機有自己的工作頻率或內部時間。為了在統一的時間和坐標系下展示、融合、分析這些數據，需要建立一個統一的時間和位置基準。本系統設計的時間同步方案為：把絕對的時間基準引入相對系統。設計一個相對時間系統，給沒有時間功能的設備提供每幀數據的時間標簽。數據采集時，一并記錄每幀數據產生的時間。

根據此次研究，本項目設計和實現了一套多傳感器同步控制器，它集成了GPS、IMU、車輪編碼器（DMI）和其它控制信息，建立了統一的時間基準、線性參考空間坐標系和GPS空間坐標系（WGS84）。系統能依據用戶設定的測量要求，以時間或距離作為觸發條件對多傳感器進行同步控制。當發出相應的同步控制指令時，控制激光掃描儀和全景影像采集系統的數據采集，實現異源數據的時間基準統一，從而能夠將激光點云和全景影像由局部坐標系轉換到絕對測量坐標系下。

3. GPS/IMU組合定位定姿技術

GPS/IMU組合定位定姿系統（POS）是構建高效率和高精度車載移動三維測量系統的最重要部件，本系統依賴定位定姿（POS）系統提供位置和姿態信息。POS系統采用GPS/INS/ODO組合定位，其主要部分為GPS與慣性測量單元IMU兩個部分，同時輔以里程表（ODO）。

GPS具有定位精度高、全球覆蓋等特點，但衛星信號在受到阻擋時會對定位結果產生影響，另一方面，GPS一般只能提供每秒一次的定位數據，對高速車載移動測量來說，測量車可能在一秒內移動了10—20米的距離，并且其姿態經過了較大的變化。因此，必須采用其它傳感器彌補GPS定位和定姿的不足，采用GPS/INS/ODO組合定位系統正好能夠解決這個問題。

總結

此次技術研究采用的移動測量系統進行公路資源數據采集的作業效率顯著提高，多傳感器在軟件系統的控制下協同工作，同步采集了立體影像數據以及定位定姿數據，，中途無需停車，大大提升了作業效率。另一方面，增加了后視攝像記錄儀，可以實現一次采集，即可獲取全部的道路影像。

城市道路路上車速較快，因而對采集時作業車的安全性需要高度重視。為了采集分布在道路兩側的各類道路設施，傳統的作業方式需要頻繁停車和變換車道，而這恰恰是最影響作業安全的。

車載的多傳感器移動測量系統采集過程中無需停車，無需專門變道，可實時采集覆蓋全路面的立體影像，采集時的行車要求與非采集狀態下行車要求無異，保障了作業人員和車輛的安全。

車載的多傳感器移動測量系統采用GNSS/INS組合定位定姿系統以及車輪編碼器，空間坐標信息通過后處理解算，幾何精度高且不受基站距離的影響。而網絡RTK的方式，精度顯著受離基站距離影響，系統誤差無法避免。另一方面，公路設施的屬性信息采用傳統的作業方式，只能作業人員現場記錄，內業再進行處理。一旦作業人員撤離現場，質量無法檢查。而車載的多傳感器移動測量系統，在采集過程中，拍攝了實地影像，可作為屬性信息的現場還原，便捷、有效地保障了數據質量。

參考文獻：

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[2]GPS定位中兩種七參數坐標轉換方法的誤差分析 2002劉亞平，鄭若奇，曹立強 - 《中國港灣建設》

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