實景三維移動測量系統(tǒng)在公路養(yǎng)護(hù)管理中的應(yīng)用

張景怡，徐廣鋒，陳南翔，岳川云

(1.沈陽城市建設(shè)學(xué)院 土木工程系 沈陽市 110000； 2.遼寧奧路通科技有限公司 沈陽市 110000)

隨著我國公路建設(shè)快速增長，公路路網(wǎng)趨于成熟，公路行業(yè)從建設(shè)階段逐漸步入養(yǎng)護(hù)階段[1]。我國在“十三五”中提出“改革攻堅、養(yǎng)護(hù)轉(zhuǎn)型、管理升級、服務(wù)提質(zhì)”一系列新的發(fā)展理念，進(jìn)一步推動公路養(yǎng)護(hù)管理工作不斷邁上新臺階。目前，公路養(yǎng)護(hù)管理工作模式相對落后，主要以臺賬、圖表資料、現(xiàn)場調(diào)查的形式為主[2]，對于養(yǎng)護(hù)管理部門而言，根據(jù)報告數(shù)據(jù)或圖片形式無法全面真實地掌握公路的服務(wù)狀態(tài)，破損路段比較分散，現(xiàn)場查勘和組織專家會審費時費工。

實景三維移動測量系統(tǒng)基于地理信息技術(shù)，集成全球定位系統(tǒng)GPS、IMU慣性測量單元、車輛控制編碼系統(tǒng)、高清全景影像、激光掃面儀和計算機等技術(shù)[3-5]，沿道路采集空間地理信息，在內(nèi)業(yè)環(huán)境中對采集數(shù)據(jù)進(jìn)行加工處理，通過激光點云提取道路資產(chǎn)矢量，形成專題成果[6-7]。在此基礎(chǔ)上，根據(jù)公路養(yǎng)護(hù)管理特點，結(jié)合高清全景影像，定制適用于公路行業(yè)的實景三維平臺，實現(xiàn)公路養(yǎng)護(hù)可視化、信息化管理，推動公路養(yǎng)護(hù)管理工作從傳統(tǒng)模式向現(xiàn)代模式轉(zhuǎn)變。

1 系統(tǒng)組成介紹

1.1 實景三維移動測量設(shè)備

實景三維移動測量設(shè)備采用車載方式，在車輛平臺上搭載GPS衛(wèi)星接收裝置、IMU、車輪編碼器、高清全景鏡頭、CCD相機、激光掃描儀、屬性采集面板以及計算機控制裝置，在正常駕駛速度下(60km/h)，輸入采集工程基本信息，快速采集道路空間軌跡、路域范圍內(nèi)資產(chǎn)全景影像、激光影像、工程文件。實景三維移動測量車如圖1所示：

在設(shè)備軟、硬件的相互配合下，依靠GPS和IMU采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行組合導(dǎo)航定位，獲取系統(tǒng)采集中每一時刻的姿態(tài)和位置數(shù)據(jù)。利用多傳感器與同步控制技術(shù)，將動態(tài)定位定姿數(shù)據(jù)、激光掃描數(shù)據(jù)、全景影像、CCD影像等數(shù)據(jù)進(jìn)行融合，在車輛行駛狀態(tài)下，采集道路范圍內(nèi)相匹配的三維點云數(shù)據(jù)和全景影像。設(shè)備組成結(jié)構(gòu)如圖2，道路測量精度如表1所示。

1.2 數(shù)據(jù)處理軟件

系統(tǒng)采用一體化內(nèi)業(yè)處理軟件，包括集成糾偏、數(shù)據(jù)預(yù)處理、全景影像拼接、數(shù)據(jù)源轉(zhuǎn)換、內(nèi)業(yè)處理，通過內(nèi)業(yè)糾偏、轉(zhuǎn)換、資產(chǎn)提取，生成具有空間位置的屬性矢量數(shù)據(jù)。

表1 道路測量精度指標(biāo)

(1)通過定姿定位集成糾偏軟件倒導(dǎo)入流動站*.GPS文件、參考站*.epo文件、航位推算*.imu文件，對IUM數(shù)據(jù)進(jìn)行組合預(yù)處理生成*.nav文件。

(2)采用多源數(shù)據(jù)預(yù)處理軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行解析，處理成可用于內(nèi)業(yè)生產(chǎn)的文件格式。

(3)通過全景影像拼接軟件，采用PTGui拼接方式，將6相機照片拼接成時態(tài)一致的全景影像。

(4)通過MMS數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)軟件，將外業(yè)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成可進(jìn)入內(nèi)業(yè)軟件作業(yè)的數(shù)據(jù)源形式。通過多源數(shù)據(jù)測圖服務(wù)管理與配置系統(tǒng)，將數(shù)據(jù)源、SQL數(shù)據(jù)庫、參數(shù)搭建成用于內(nèi)業(yè)的服務(wù)形式。

(5)各客戶端通過內(nèi)業(yè)處理軟件登錄，進(jìn)行協(xié)同作業(yè)，順序為生成道路中心線—區(qū)域規(guī)劃—測量落地里程碑—進(jìn)行道路資產(chǎn)量測，成果可按資產(chǎn)類型導(dǎo)出shapefile文件，通過ArcGIS渲染生成專題成果圖。

1.3 公路實景平臺

公路實景三維平臺應(yīng)用目的主要在于通過高清全景影像、矢量地圖、遙感影像三界面，結(jié)合資產(chǎn)、檢評、病害等公路數(shù)據(jù)，對管養(yǎng)路段進(jìn)行可視化管理，能夠及時掌握公路資產(chǎn)情況、公路技術(shù)狀況指標(biāo)，為公路養(yǎng)護(hù)管理提供直觀的可視化依據(jù)。平臺總體結(jié)構(gòu)及平臺界面如圖3所示：

通過平臺中矢量地圖和遙感地圖，查看養(yǎng)護(hù)路段空間分布位置，宏觀掌握區(qū)域內(nèi)公路服務(wù)水平，并可對養(yǎng)護(hù)路段進(jìn)行分類統(tǒng)計和查詢。通過高清全景影像，360°查看路域環(huán)境和資產(chǎn)，7200萬像素的高清影像，能夠清晰看出路面細(xì)小裂縫、坑槽、修補等路面損壞狀況，直觀查看路面病害情況，結(jié)合公路養(yǎng)護(hù)需求，在全景平臺基礎(chǔ)上，定制適用于公路養(yǎng)護(hù)管理的功能項，主要包括：

(1)路線及樁號查詢功能

通過線性參考，建立道路中心線與樁號對應(yīng)關(guān)系，在平臺上實時顯示路線上任意點位對應(yīng)實際樁號，通過查詢路線名稱可定位到指定路線，通過樁號范圍可查詢、定位任意路段。在公路養(yǎng)護(hù)管理中，可掌握病害路段所在樁號范圍，便于對養(yǎng)護(hù)維修路段進(jìn)行巡查管理。

(2)公路資產(chǎn)查詢統(tǒng)計功能

在日常養(yǎng)護(hù)管理過程中，對管養(yǎng)路段資產(chǎn)和使用狀況進(jìn)行統(tǒng)計管理，便于掌握管養(yǎng)路段基本情況。平臺結(jié)合GIS服務(wù)，可對采集道路內(nèi)資產(chǎn)進(jìn)行查詢、拾取、定位、導(dǎo)出，如：交通管理設(shè)施、標(biāo)志牌、養(yǎng)護(hù)工區(qū)道班、落地里程碑等；并通過統(tǒng)計功能，實現(xiàn)按市、縣區(qū)進(jìn)行各項資產(chǎn)的統(tǒng)計分析。

(3)道路檢評及道路病害指標(biāo)查詢功能

路面使用性能指數(shù)PQI由路面損壞狀況指數(shù)PCI、路面行駛質(zhì)量指數(shù)RQI、路面車轍深度指數(shù)RDI等組成，根據(jù)各指標(biāo)數(shù)值能夠真實反映路面使用性能和使用狀況，平臺將道路的PCI、RQI、RDI、彎沉指標(biāo)以及病害組成及分布規(guī)律等指標(biāo)數(shù)據(jù)以采集單位長度樁號對應(yīng)的方式掛接到平臺中，通過檢評或病害模塊，可查看管養(yǎng)路段的指標(biāo)數(shù)值、主導(dǎo)病害以及病害的分布規(guī)律情況，將全景影像、矢量地圖、遙感影像聯(lián)動定位至某一指標(biāo)數(shù)值或病害處，查看該處對應(yīng)真實路面狀況，病害破損程度等，使檢評指標(biāo)與全景影像相結(jié)合，指標(biāo)數(shù)據(jù)能夠科學(xué)地對路面狀況作出評定，全景影像能夠查看指標(biāo)對應(yīng)路面的真實狀態(tài)，便于養(yǎng)護(hù)部門進(jìn)行科學(xué)化、可視化管理。

(4)標(biāo)注查詢及影像掛接功能

在養(yǎng)護(hù)管理決策階段，對于破損嚴(yán)重、重點關(guān)注路段或重要點位，可在全景影像界面上進(jìn)行標(biāo)注、編輯其屬性信息，通過標(biāo)注查詢功能，能夠直接對關(guān)注點位進(jìn)行查詢與定位；對于破損路面內(nèi)部結(jié)構(gòu)情況，可將該點位鉆芯取樣等需要補充強調(diào)的數(shù)據(jù)圖片，通過圖片掛接的形式進(jìn)行表述，以便于輔助專家和管理者進(jìn)行養(yǎng)護(hù)決策。

(5)影像對比功能

平臺可發(fā)布不同時期采集的管養(yǎng)路段全景影像數(shù)據(jù)，通過影像對比功能，對比查看管養(yǎng)路段任意位置在不同時期全景影像，結(jié)合檢評指標(biāo)，對比管養(yǎng)路段不同時期、年度，或養(yǎng)護(hù)措施實施前后路面的服務(wù)水平變化以及路域范圍內(nèi)資產(chǎn)環(huán)境的變化情況，能夠及時直觀地掌握養(yǎng)護(hù)路段服務(wù)水平狀態(tài)。

2 工程實例應(yīng)用

依托S210中新線工程，通過工程總體情況概述、資產(chǎn)情況、檢評指標(biāo)以及改擴(kuò)建前后影像對比，具體介紹實景三維平臺的應(yīng)用成果。

2.1 工程總體情況概述

S210中新線工程采集范圍為K45+000～K65+000共20km，從二維矢量地圖可看出該路段空間位置位于盤錦市盤山縣，路段為雙向2車道，道路等級為公路二級。通過全景瀏覽可查看路域范圍內(nèi)情況及道路總體使用狀態(tài)。

2.2 工程資產(chǎn)情況

通過資產(chǎn)查詢統(tǒng)計功能(如圖4所示)，了解采集路段范圍內(nèi)交通附屬設(shè)施情況。其中，標(biāo)志標(biāo)牌共101個，交通管理設(shè)施共42個，路燈兩側(cè)共計102個，落地里程碑20個，養(yǎng)護(hù)工區(qū)道班1個。通過資產(chǎn)查詢可定位任意資產(chǎn)所在位置，查詢資產(chǎn)屬性及使用狀況。

2.3 工程檢評指標(biāo)評價

通過道路檢評指標(biāo)功能，掌握該路段路面使用技術(shù)狀況。從PQI餅狀圖可以看出采集路段中優(yōu)良中次差的路段長度及所占比例，其中，PQI等級評價為良的路段占比較大，為12.5km，占比為62.5%；PQI等級評價為次差的路段占比較小，為0.24km，占比為1.2%。PCI指標(biāo)最小值為52.2，位于樁號K47+995處，通過點擊指標(biāo)可跳轉(zhuǎn)至該處全景影像，查看路面破損狀況，從全景影像可看出，該處龜裂病害嚴(yán)重。

通過道路病害功能，可以看出，該路段主導(dǎo)病害為龜裂，病害面積為8900m2，占路段總面積的54.9%，其他病害還包括橫縱縫、塊裂及條裂等，從高清全景影像中可查看嚴(yán)重龜裂路段具體情況(如圖5所示)，通過掛接鉆芯取樣的圖片，可具體分析龜裂發(fā)生的層位及產(chǎn)生機理等。

2.4 改擴(kuò)建影像對比

工程首次采集時間為2015年，由于當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)發(fā)展需要，以及交通量不斷增長情況，采集路段于2016～2017年進(jìn)行改擴(kuò)建施工，2017年對該路段進(jìn)行二次采集，通過影像對比可以看出(如圖6所示)，路段由原有雙向2車道擴(kuò)建為雙向6車道，道路通車后使用狀況良好。

3 公路實景三維平臺功能完善與升級

公路養(yǎng)護(hù)管理決策是提升養(yǎng)護(hù)管理科學(xué)化的重要環(huán)節(jié)，目前平臺應(yīng)用對于養(yǎng)護(hù)管理決策全流程還存在不足之處。研究從公路養(yǎng)護(hù)管理角度出發(fā)，結(jié)合公路養(yǎng)護(hù)決策管理流程，對現(xiàn)有平臺功能提出完善升級的相關(guān)建議。

(1)開發(fā)交通量及養(yǎng)護(hù)歷史功能模塊

交通量及軸載數(shù)據(jù)是道路養(yǎng)護(hù)決策及結(jié)構(gòu)設(shè)計中重要的基礎(chǔ)動態(tài)參數(shù)，基于交通量與路況關(guān)系的路面性能衰變模型，是路面養(yǎng)護(hù)管理決策中重要的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)[8]；養(yǎng)護(hù)歷史即為管養(yǎng)路段建管養(yǎng)信息檔案，記錄管養(yǎng)路段的管養(yǎng)過程、大中修時間、實施方案等，結(jié)合路面使用性能、病害和交通量情況，分析路面損壞機理，輔助管理者進(jìn)行養(yǎng)護(hù)管理決策。在現(xiàn)有平臺功能上，增加交通量和養(yǎng)護(hù)歷史查詢功能，對已確定大中修的管養(yǎng)路段進(jìn)行綜合分析，在此基礎(chǔ)上，確定包括不同養(yǎng)護(hù)措施和工藝的路面養(yǎng)護(hù)方案。

(2)增加審核結(jié)構(gòu)及費用測算功能

養(yǎng)護(hù)決策的基本方法是依據(jù)路面各項檢測指標(biāo)、公路技術(shù)等級和交通量等數(shù)據(jù)，確定大中修養(yǎng)護(hù)路段，提出養(yǎng)護(hù)建議，預(yù)測養(yǎng)護(hù)費用[9]。通過對路段指標(biāo)分析，通過專家會審，確定路段審核結(jié)構(gòu)，在平臺上輸出路段狀況分析結(jié)果、審核結(jié)構(gòu)及費用測算，按區(qū)域統(tǒng)計全省(各市)當(dāng)年大中修檢測路段審核結(jié)構(gòu)及初步測算費用的匯總信息，便于掌握大中修路段總體情況及投入費用信息。

(3)接入傾斜影像系統(tǒng)界面

在高清全景影像、矢量地圖、遙感影像三界面基礎(chǔ)上，接入傾斜影像界面，通過四界面聯(lián)動展示，實現(xiàn)從宏觀帶狀到微觀單體模型一體化展示。在傾斜影像界面中，可加載無人機傾斜攝影、三維建模、BIM模型等數(shù)據(jù)類型，并實現(xiàn)三維瀏覽、屬性查詢、量測、標(biāo)注等功能。

4 結(jié)論

(1)介紹實景三維移動采集系統(tǒng)組成，包括實景三維移動采集設(shè)備、內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理軟件以及公路定制化應(yīng)用平臺。

(2)平臺主要功能包括可視化的360°全景影像瀏覽及三界面聯(lián)動功能、路線及樁號查詢功能、公路資產(chǎn)查詢統(tǒng)計功能、道路檢評及道路病害指標(biāo)查詢功能、標(biāo)注查詢及影像掛接功能、影像對比功能。

(3)結(jié)合S210中新線實體工程實例，對實景平臺部分功能在養(yǎng)護(hù)管理中的應(yīng)用進(jìn)行介紹。

(4)基于公路養(yǎng)護(hù)管理決策流程，在現(xiàn)有平臺基礎(chǔ)上，對功能提出完善與升級的建議，增加交通量及養(yǎng)護(hù)歷史、審核結(jié)構(gòu)及費用測算等功能、接入傾斜影像系統(tǒng)界面。