基于GPS數據的道路線形恢復實驗教學實踐

劉 碩， 楊 軫， 許 多， 王俊驊

（同濟大學道路與交通工程教育部重點實驗室，道路交通安全與環境教育部工程研究中心，上海 201804）

0 引 言

道路安全實驗課程是道路工程專業學生的必修課程，該課程的目的是通過實驗的形式，探討如何從人－車－路復雜系統的角度，經濟、合理地減少交通事故損失，提升道路交通安全性，是一門與工程實際緊密相連的實踐課。在道路交通安全管理中，經常會遇到這樣的問題，由于早期的公路建設和管理不規范，許多道路的線形資料已經遺失，甚至有些低等級的道路沒有線形資料，加之道路的改建擴建等情況，不少道路存在線形資料不全，與實際不符的情況［1-3］。而線形資料又是道路設施養護維修和管理、交通事故特征分析和事故還原工作的重要基礎，通過線形恢復技術獲取道路線形信息，對提升公路建設和交通管理水平有重要意義，因此線形恢復技術是道路工程專業學生需掌握的重要技能之一。

傳統的道路線形恢復方法是通過經緯儀和水準儀獲取道路的平面以及高程信息，缺點是工作速度慢且操作復雜。隨著測繪技術及儀器的不斷發展，基于GPS的道路線形恢復方法應用越來越廣泛。因此，我校交通運輸工程學院在道路安全實驗課程中增設了道路線形恢復實驗教學，采用手持和車載兩種較為常見的GPS設備采集數據，并對線形恢復結果進行分析，探索兩種方式的特點和適用性，訓練學生運用所學的專業知識和理論，分析問題和解決問題的能力。

1 實驗理念與目標

道路工程人才培養的一個重要任務就是使學生能夠面向道路工程實踐，因此加強道路工程實踐能力和創新能力的培養、防止理論脫離實際，是實驗教學理念的核心內容［4］。通過道路線形恢復實驗教學和學生動手實驗，鍛煉學生實驗及實踐技能，培養發現、分析及解決問題的能力，進一步提升教學質量及人才培養質量。實驗課程包括GPS設備使用方法及線形恢復方法培訓、GPS采集實驗、道路線形恢復及結果分析和討論的全過程，能夠拓寬學生知識面和專業技能，養成理論聯系實際的學風和科學嚴謹的工作態度，對于提高學生綜合素質有著積極意義［5］。

2 實驗教學設計

2.1 實驗設備及原理

GPS工作的原理主要是通過衛星接收地面發射出的控制信號，然后將其進行分析，并發送到地面用戶的系統中，以便為用戶提供三維位置、速度、方向以及時間等多維數據［6-7］。本實驗采用手持和車載兩種GPS設備（見圖1）。輔助設備包括三角支架和可伸縮支撐桿，三角支架用于放置基站，保證基站的穩定性；支撐桿用于支撐移動站，保證移動站跟蹤4顆以上的衛星，提高定位的準確性［8］。

2.2 實驗內容

本實驗教學包含4部分內容：①對兩種GPS設備的使用方法及線形恢復方法進行培訓；②學生分組進行GPS數據采集實驗；③學生基于GPS數據恢復道路線形；④學生對線形恢復結果以及兩種方法特點進行分析討論。

(1)GPS設備使用方法及線形恢復方法培訓。基于GPS數據的道路線形恢復實驗教學，對GPS設備采集數據的原理與方法、GPS數據預處理的方法、道路線形恢復的理論與方法等內容進行集中教學指導，培養學生的專業理論素養。

(2)基于GPS的道路信息采集實驗。①手持GPS采集數據方法：學生手持GPS測量儀器，保持儀器的相對穩定，沿實驗路段道路中心線行走。直線段以正常速度行走，曲線段降低速度以增加采集點的數量。②車載GPS采集數據方法：在車頂部安裝車載GPS設備，有駕照且熟練駕駛的學生駕駛車輛以速度不超過20 km／h沿實驗路段每條車道各行駛1次。

圖1 GPS采集設備

(3)基于GPS數據的道路線形恢復。手持GPS與車載GPS數據的測量方法基本原理相似［9-11］，但數據處理方式存在差異。手持GPS采集的坐標點可認為是道路中心線，可直接用采集數據進行道路線形恢復。車載GPS的測量方法中，由于車輛僅能在某一車道內行駛，采集的坐標點會偏離道路中心線，因此采用在同一測量路段的不同車道上往復測量，通過空間數據處理的方法確定道路中心線位置，從而進行道路線形的恢復。

基于手持GPS數據的道路線形恢復方法。將GPS數據轉化為大地坐標，根據路段點位以及轉角預先設置合適的圓曲線與直線，如圖2所示，基于Civil3D軟件采用最小二乘法的擬合方式進行道路線形恢復［12-13］。

基于車載GPS數據的道路線形恢復方法。由于車載GPS采集的是多個車道中心點的信息，偏離于道路中心線，因此首先通過車道中心點推算道路中心點。考慮到點的數量巨大，學生采用基于輔助計算工具，計算得到道路中心點，進而采用Civil3D軟件進行道路線形的恢復。道路中心點算法思路為：①定義外圈的任一軌跡點P；②找到內圈距離外圈軌跡點P最近的N個點｛P1，P2，…，PN｝；③分別計算點P與內圈這N個點的中心點，作為道路中心點（見圖3）。④以此類推，形成完整的道路中心點。

圖2 直線圓曲線設置示意圖

圖3 道路中心點生成示意圖（N＝5）

(4)線形恢復結果分析。引導學生從兩個方面對道路線形恢復結果進行比較分析。①道路線形恢復效果，將坐標采樣點與恢復線形的最短距離定義為偏移值，比較兩種方法恢復線形的偏移值；②綜合分析兩種線形恢復方法的特點和適用性。

3 實驗案例

3.1 實驗路段以及基站校準

選擇的實驗路段為長度約3.5 km的環形道路，雙向兩車道，設計車速40 km／h，過往車輛較少，實驗條件良好。學生根據實驗道路的實際情況，在合適的點位布設基站，采用至少兩個以上水準點作為坐標校準點。設備安裝調試后，分組采用手持和車載兩種方式在實驗路段進行數據采集。

3.2 結果分析

(1)線形恢復結果分析。根據兩次實驗在兩個校準點測得的多個坐標，采用取均值的方法確定校準點坐標，使手持和車載GPS恢復線形的校準點重合，得到結果如圖4所示。紅線為手持GPS的恢復結果，綠線為車載GPS的恢復結果，由圖4可見，兩種方式恢復的線形幾乎重疊。手持與車載恢復的線形偏移值均值分別為0.677 m與0.488 m，直線段與曲線段的平均偏差分別是0.46 m與0.44 m。相對而言，車載GPS恢復的線形數據更加精確。

圖4 線形恢復比較

(2)線形恢復方法特點分析。學生從恢復精度、采集便捷性、經濟性以及適用情況等角度對比討論了兩種線形恢復方法，如表1所示。精度上，基于車載的線形恢復方法更優，更適用于道路改擴建等對于線形精度要求較高的情況；而便捷性及經濟性角度，基于手持GPS的線形恢復方法更優，更適用于交通事故信息采集，事故場景再現等對時效性和便捷性要求較高的情況。

表1 兩種線形恢復方法特點比較

4 結 語

基于GPS數據的道路線形恢復實驗，將實驗教學與課堂理論教學緊密結合，使學生掌握道路線形恢復方法［14］，了解手持和車載兩種采集方式的特點和適用條件，同時掌握數據處理及分析方法，體驗完整的科學研究過程［15］。從實施效果來看，對于提高學生的綜合素質、培養學生的實踐能力與創新精神具有積極作用，不僅豐富了學生的專業知識，同時增強了實踐能力，提高了應用實驗手段與方法去分析、研究和解決工程問題的能力。