面向路長制管理的道路三維實景巡檢管理平臺研發(fā)

張 翀 謝永強(qiáng) 劉如飛 崔立軍

(1. 山東科技大學(xué) 測繪與空間信息學(xué)院, 山東 青島 266590;2. 青島數(shù)字世界信息科技有限公司, 山東 青島 266590;3. 淄博市博山區(qū)交通運輸局, 山東 淄博 255200)

0 引言

隨著地理信息系統(tǒng)技術(shù)快速發(fā)展,空間數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)和方法不斷進(jìn)步,對空間數(shù)據(jù)的處理與分析變得相對成熟,地理信息系統(tǒng)在智慧城市的各個方面也取得了越來越多的成果。未來地理信息系統(tǒng)(geographic information system,GIS)技術(shù)將向著五大技術(shù)體系發(fā)展,即大數(shù)據(jù)GIS技術(shù)、人工智能GIS技術(shù)、新一代三維GIS技術(shù)、分布式GIS技術(shù)、跨平臺GIS技術(shù)[1]。道路交通作為最貼近大眾生活的領(lǐng)域之一,其GIS的普及程度也越來越廣,尤其是近年來網(wǎng)絡(luò)GIS(WebGIS)技術(shù)的出現(xiàn)，推動了基于網(wǎng)絡(luò)和GIS技術(shù)應(yīng)用系統(tǒng)的開發(fā),以網(wǎng)絡(luò)為載體,GIS成為道路交通信息傳播的重要媒介,各個細(xì)分領(lǐng)域的應(yīng)用相繼出現(xiàn),服務(wù)于大眾或者政府單位。蔣元義等人[2]依據(jù)WebGIS系統(tǒng)的業(yè)務(wù)和功能需求,提出了一種基于非關(guān)系型數(shù)據(jù)庫和瓦片地圖技術(shù)的WebGIS系統(tǒng)架構(gòu)并構(gòu)建了信息管理平臺;馬洪成等人[3]基于凱西烏姆(Cesium)框架研究了智慧街道三維可視化平臺,在蘇州城市建設(shè)中應(yīng)用;耿晴等人[4]研究建設(shè)GIS云平臺、大數(shù)據(jù)平臺,實現(xiàn)海量時空信息數(shù)據(jù)的高效管理和服務(wù)。

可量測實景影像是近年迅速發(fā)展起來的高效測繪技術(shù)成果。隨著社會信息化的快速發(fā)展和不同用戶個性化需求的增加,傳統(tǒng)4D產(chǎn)品已不能完全滿足空間信息服務(wù)所要求的大信息量、高精度和可視化的需求。可量測實景影像數(shù)據(jù)作為5D產(chǎn)品,具有現(xiàn)勢性、完整性、可判讀、可測量、可挖掘等特征。向華等人[5]將可量測實景技術(shù)應(yīng)用在交通巡邏中,提升了巡警指揮調(diào)度、交通設(shè)施管理、道路渠化優(yōu)化水平;朱慶等人[6]提出了實景三維空間信息的總體架構(gòu)與功能組成,探討了多模態(tài)時空大數(shù)據(jù)高效組織管理、災(zāi)害風(fēng)險信息自適應(yīng)匯聚與智能服務(wù)等關(guān)鍵技術(shù)。將可量測實景技術(shù)應(yīng)用到公路上尤其是道路巡檢上,可以直觀地看到道路破損情況,對病害進(jìn)行直接量測。

隨著技術(shù)的進(jìn)步,數(shù)據(jù)量的增加,數(shù)據(jù)種類的增多,高并發(fā)訪問,GIS平臺不再只需要提供傳統(tǒng)的二維矢量數(shù)據(jù)圖層發(fā)布于管理,需要拿出更加高效可靠的數(shù)據(jù)管理方法。為了應(yīng)對海量數(shù)據(jù)的存儲和快速計算,很多分布式存儲系統(tǒng)應(yīng)運而生。蔣園等人[7]將分布式存儲技術(shù)用于人臉識別,優(yōu)化圖片的存儲和索引;郭建朋[8]分析了自動駕駛場景庫數(shù)據(jù)系統(tǒng)的業(yè)務(wù)需求,整合法斯特(Fast)DFS、ElasticSearch和HBase組件實現(xiàn)數(shù)據(jù)分布式存儲。因此專門針對海量文件存儲而設(shè)計的FastDFS更加適合道路管理平臺需要存儲大量圖片的需求。

農(nóng)村公路“路長制”要求建立路長管理組織體系,構(gòu)建起責(zé)任明確、協(xié)調(diào)有序、監(jiān)管嚴(yán)格的路長管理機(jī)制;強(qiáng)化日常養(yǎng)護(hù)管理,實現(xiàn)“有路必養(yǎng)、養(yǎng)必良好”的要求,加強(qiáng)養(yǎng)護(hù)管理信息化建設(shè)。農(nóng)村公路作為農(nóng)村地區(qū)重要的基礎(chǔ)設(shè)施,對農(nóng)村經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展和城鄉(xiāng)一體化建設(shè)意義重大。目前農(nóng)村公路路面破損較多,局部尤為嚴(yán)重,影響行駛質(zhì)量與通行效率,急需進(jìn)行精細(xì)化管理。

基于以上分析,依據(jù)“路長制”需求,本文結(jié)合WebGIS技術(shù)、可視化技術(shù)、可量測實景技術(shù)和分布式存儲技術(shù)設(shè)計研發(fā)了道路三維實景巡檢管理平臺,實現(xiàn)道路專題地理信息地圖服務(wù)應(yīng)用與共享、巡檢成果互聯(lián)網(wǎng)化應(yīng)用、三維實景可視化管理,真正實現(xiàn)了農(nóng)村公路“路長制”全流程信息化管理。

1 系統(tǒng)設(shè)計

1.1 架構(gòu)設(shè)計

本系統(tǒng)采用瀏覽器/服務(wù)器模式( Browser/Server,B/S)，主要分為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)層、數(shù)據(jù)管理層、后臺邏輯層和瀏覽器端表現(xiàn)層4層結(jié)構(gòu)。基礎(chǔ)數(shù)據(jù)層包括基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)、多源道路專題數(shù)據(jù)、道路動態(tài)巡檢數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)管理層利用插件將shp圖層發(fā)到 PostgreSQL數(shù)據(jù)庫進(jìn)行管理，并通過地圖服務(wù)器發(fā)布圖層，采用分布式存儲技術(shù)管理圖片信息。傳統(tǒng)的道路管理系統(tǒng)大多在單機(jī)上部署或者使用簡單的數(shù)據(jù)庫存儲，數(shù)據(jù)管理層解決了數(shù)據(jù)容易丟失，維護(hù)更新困難，查詢檢索煩瑣等問題。后臺邏輯采用Java語言開發(fā)并結(jié)合Mybatis技術(shù)實現(xiàn)數(shù)據(jù)庫與前臺程序的通信。瀏覽器端表現(xiàn)層采用HTML、CSS、JavaScript語言開發(fā)。系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。瀏覽器端表現(xiàn)層通過豐富的可視化手段,解決了傳統(tǒng)道路巡檢中需要層層上報的困難。將道路信息直觀地展示給用戶,為巡檢人員的巡檢和養(yǎng)護(hù)作業(yè)提供了便利;讓各級路長不用去實地,就能掌握道路情況,及時做出處理,發(fā)布巡檢養(yǎng)護(hù)任務(wù),提升了道路巡檢養(yǎng)護(hù)的工作效率。

圖1 系統(tǒng)架構(gòu)

1.2 功能設(shè)計

根據(jù)道路三維實景巡檢管理平臺的建設(shè)目標(biāo)和功能設(shè)計,將系統(tǒng)劃分為地圖展示模塊、統(tǒng)計查詢模塊、道路巡檢管理模塊和全景展示模塊。地圖展示模塊提供地圖總覽功能支持基礎(chǔ)地圖瀏覽、放大縮小,關(guān)鍵統(tǒng)計信息顯示;圖層管理功能支持圖層顯影;地圖工具功能提供量測、地圖輸出、興趣點搜索等常用功能。統(tǒng)計查詢模塊提供點擊查詢功能,單擊道路要素顯示詳細(xì)信息;道路查詢功能根據(jù)用戶輸入的查詢條件在數(shù)據(jù)庫中搜索并以圖表展示;道路統(tǒng)計功能統(tǒng)計出指定條件下的道路要素數(shù)量、類型信息并以圖表展示。道路巡檢管理模塊提供任務(wù)管理、巡檢管理、人員管理功能,方便巡檢人員查看任務(wù)、各級路長下發(fā)任務(wù),查看任務(wù)完成情況,出勤情況。全景展示模塊提供全景量測功能,直接在全景影像上量測道路要素的長度和面積;多期對比功能將不同時期的全景影像進(jìn)行卷簾展示,方便不同時期的全景影像對比,對道路的養(yǎng)護(hù)情況有直觀的對比;二、三維聯(lián)動功能點擊不同的全景影像或點擊二維地圖時,二維地圖或全景影像都能切換到對應(yīng)的位置。平臺功能模塊體系如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)總體功能

1.3 數(shù)據(jù)庫設(shè)計

數(shù)據(jù)庫采用關(guān)系型數(shù)據(jù)庫PostgreSQL,結(jié)合Geoserver空間數(shù)據(jù)庫實現(xiàn)屬性數(shù)據(jù)和空間數(shù)據(jù)的統(tǒng)一管理。結(jié)合道路情況,將病害按照路面材質(zhì)分為水泥路面和瀝青材質(zhì)兩大類,按病害類型分別建表存儲。主要字段為：病害標(biāo)拾、所屬道路標(biāo)識、病害類型、受損等級、空間坐標(biāo)信息。具體信息如表1所示。

2 核心技術(shù)研發(fā)

2.1 分布式存儲技術(shù)

道路三維實景巡檢管理平臺,需要存儲大量的巡檢照片以及全景影像：巡檢人員每天巡檢200多條道路需要上傳的一百多組巡檢照片;移動測量車定期采集全景影像,平局每5米拍攝一張,每期全景影像都是幾萬張。數(shù)據(jù)量大且更新頻繁,使用傳統(tǒng)的圖片存儲方式,無法滿足項目的要求。本文采用Nginx+FastDFS分布式文件系統(tǒng)搭建圖片服務(wù)器使圖片和頁面的數(shù)據(jù)分離,從而解決瀏覽器請求大量圖片時給網(wǎng)站帶來訪問速度下降、性能壓力增大等問題。

Nginx是一款開源的HTTP服務(wù)器和反向代理服務(wù)器,在道路巡檢平臺中,Nginx主要是作為圖片服務(wù)器、反向代理服務(wù)器以及負(fù)載均衡服務(wù)器使用。FastDFS是一個開源的輕量級分布式文件系統(tǒng),基于C語言實現(xiàn),通過專有接口對文件進(jìn)行存取訪問,其功能包括文件存儲、文件同步、文件訪問(文件上傳、文件下載)等,且充分考慮了沉余備份、負(fù)載均衡、線性擴(kuò)容等機(jī)制,并注重高可用、高性能等指標(biāo),解決了大容量存儲和負(fù)載均衡的問題[9]。FastDFS系統(tǒng)架構(gòu)如圖3所示。

圖3 FastDFS系統(tǒng)架構(gòu)

本系統(tǒng)部署四臺Linux服務(wù)器,分兩個集群(group),兩臺部署跟蹤服務(wù)器(tracker)進(jìn)行調(diào)度工作起均衡負(fù)載的作用,四臺部署存儲服務(wù)器(storage)進(jìn)行文件存儲如表2所示。上傳文件按照配置策略優(yōu)先選擇剩余空間大的目錄存放文件。每臺存儲器周期向跟蹤器發(fā)送狀態(tài)信息,當(dāng)用戶同時發(fā)起請求,服務(wù)器根據(jù)狀態(tài)信息輪詢分配合適的存儲器完成相應(yīng)的操作。相同group中存儲的文件互為備份,空間不夠時,增加新的group即可實現(xiàn)線性擴(kuò)容。

經(jīng)過實驗對比,通過分布式存儲方式上傳下載圖片的速度要明顯快于從單臺部署在阿里云服務(wù)器上上傳下載圖片的速度。

表2 服務(wù)器角色表

2.2 可量測全景技術(shù)

道路三維實景巡檢管理平臺聚焦于道路病害的情況,使用車載移動測量裝備可沿著道路快速采集道路兩側(cè)的三維空間數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù),在道路路產(chǎn)部件采集、道路病害巡檢分析以及道路地形測量等方面起著重要的作用。引入全景影像可以直觀地查看病害信息,但單一的全景影像無法獲取距離信息。本文采用一種基于深度圖像的可量測全景影像技術(shù),支撐全景平臺的開發(fā)[10-11]。解決了因工作人員水平能力層次不一致導(dǎo)致的誤判、漏判。病害可見、可量化,提升了準(zhǔn)確率。

全景量測功能開發(fā)技術(shù)原始是在球面全景影像上測量時,首先在電腦屏幕上獲取鼠標(biāo)點擊位置的像素點坐標(biāo)(u,v)和球面角度(θ,φ),依據(jù)全景姿態(tài)參數(shù)(φ,ω,κ)把全景圖像像素點坐標(biāo)轉(zhuǎn)換成深度圖的像素點坐標(biāo)(u′,ν′),結(jié)合深度圖像素的光學(xué)三原色(red green blue，RGB)顏色值得到距離d。最后用距離d和球面角度(θ,φ)計算得到鼠標(biāo)點擊位置的全景影像像素位置的三維坐標(biāo)(x,y,z)即可進(jìn)行量測。

平臺選擇Krpano作為全景影像顯示引擎。Krpano是一款基于Flash的三維全景播放器[12],它以輕量、靈活和性能高著稱,并且具有良好的跨平臺特性。實現(xiàn)的功能包括：可量測全景,即在全景影像中對病害進(jìn)行量測,直接得到病害的長度、面積等損害情況信息。多期全景影像對比,即將不同時期拍攝的全景影像對比,道路病害的養(yǎng)護(hù)情況進(jìn)行直觀的展示;二、三維地圖聯(lián)動展示,即全景漫游時實,在左側(cè)二、三維地圖中實時顯示當(dāng)前全景影像的位置,了解病害的地圖位置信息;系統(tǒng)基于三維全景視圖可以對路產(chǎn)、交通標(biāo)志等道路專題要素進(jìn)行瀏覽及定位,實現(xiàn)對各道路專題要素的可視化管理。

2.3 大數(shù)據(jù)可視化技術(shù)

針對道路管理各環(huán)節(jié)的多樣化數(shù)據(jù),包括路網(wǎng)信息、路面病害、巡檢信息、政策信息等,研發(fā)大數(shù)據(jù)一屏綜合展示技術(shù),實現(xiàn)道路綜合信息快速調(diào)節(jié)與重要信息全面展示,建立“早預(yù)警、早發(fā)現(xiàn)、早報告、早處理”的快速反應(yīng)機(jī)制。

2.3.1 大數(shù)據(jù)綜合展示

大數(shù)據(jù)一屏綜合展示,以Echarts數(shù)據(jù)可視化進(jìn)行渲染,前端采用ajax異步技術(shù)獲取后端動態(tài)數(shù)據(jù),大數(shù)據(jù)界面采用彈性布局使頁面自適應(yīng)不同設(shè)備。針對巡檢過程中發(fā)現(xiàn)的巡檢問題,以餅狀圖的方式展示,對全部問題和當(dāng)月的問題的完成情況有總體概覽;針對路面損害數(shù)據(jù),分為優(yōu)良中差以柱狀圖顯示,使用鼠標(biāo)可上下滑動,了解各條道路情況,更加有針對性的發(fā)布巡檢任務(wù);道路里程以GIS地圖在中間展示,點擊年份按鈕路網(wǎng)數(shù)據(jù)與道路里程會一起變化,方便用戶了解路網(wǎng)每年的更新情況。由于數(shù)據(jù)的急速增長和數(shù)據(jù)的檢索需要,需要實時傳輸數(shù)據(jù)。傳統(tǒng)數(shù)據(jù)庫在存儲和檢索方面有些許不足之處,大數(shù)據(jù)展示頁面采用分布式搜索引擎ElasticSearch。ElasticSearch可以提供穩(wěn)定、實時、可靠的檢索服務(wù),具有高可用、易擴(kuò)展以及近實時的特點。

2.3.2 地圖專題符號顯示

直觀準(zhǔn)確的地圖專題符號可以增加專題地圖的表現(xiàn)力。GIS軟件內(nèi)置的地圖符號難以對道路巡檢平臺中數(shù)量眾多的病害進(jìn)行準(zhǔn)確的表達(dá),同時考慮到地圖有頻繁縮放操作,圖標(biāo)選用可縮放矢量圖形(scalable vector graphics,SVG)格式矢量圖標(biāo),依照J(rèn)TG 5421—2018《公路瀝青路面養(yǎng)護(hù)設(shè)計規(guī)范》中病害樣式及注記標(biāo)準(zhǔn),制作專題病害符號。采集到的病害路產(chǎn)的屬性數(shù)據(jù)、空間矢量數(shù)據(jù)利用PostgreSQL的空間插件PostGIS實現(xiàn)數(shù)據(jù)的存儲與管理[13]。將圖層信息發(fā)布到GeoServer服務(wù)器上發(fā)布成網(wǎng)絡(luò)地圖服務(wù)(web map service，WMS),實現(xiàn)數(shù)據(jù)的外部訪問。通過Geoserver地圖服務(wù)器的樣式控制器編寫SLD樣式文件,使不同比例尺下的圖標(biāo)都能顯示合適的大小。不同路段按照路面的損壞情況生成路面損壞狀況指數(shù)(pavement condition index, PCI),依據(jù)PCI生成熱力圖,對損壞的情況從輕到重以漸變的顏色進(jìn)行直觀的展示。

3 系統(tǒng)實現(xiàn)

該系統(tǒng)已在淄博市博山區(qū)部署并交由淄博市博山區(qū)交通運輸局使用。博山區(qū)位于山東省中部,總面積698 km2,公路里程973 km。總體地勢為南高北低,南、東、西三面中低山環(huán)繞,森林覆蓋率達(dá)51.63%。道路多以鄉(xiāng)道、村道為主且山路較多,對道路病害信息、道路基礎(chǔ)設(shè)施損壞情況尤為關(guān)注。

在系統(tǒng)功能上,實現(xiàn)了路產(chǎn)病害的數(shù)量、屬性、位置等信息的統(tǒng)計查詢,以圖表的形式展現(xiàn),并支持圖表一鍵導(dǎo)出,為巡檢養(yǎng)護(hù)提供決策支持。各類管理系統(tǒng)從任務(wù)管理、巡檢管理、養(yǎng)護(hù)管理與人員管理多個層面出發(fā),真正幫助各級路長與巡檢人員提高巡檢工作的效率,保證巡檢工作的質(zhì)量。最終,將關(guān)鍵信息匯總到大數(shù)據(jù)一屏展示界面,直觀展示了博山區(qū)道路的總體情況。

4 結(jié)束語

本文依據(jù)移動測量車采集的道路數(shù)據(jù),基于WebGIS技術(shù),研發(fā)了道路三維實景管理平臺。以淄博市博山區(qū)為例,利用Geoserver地圖服務(wù)器發(fā)布道路相關(guān)地圖數(shù)據(jù),全景影像、巡檢照片,點云等大文件通過分布式存儲技術(shù)存儲管理。使用大數(shù)據(jù)可視化技術(shù)將道路關(guān)鍵信息一屏展示,制作道路病害符號使道路專題圖更具表現(xiàn)力。研發(fā)可量測實景技術(shù),讓用戶不用去現(xiàn)場就能直接掌握道路情況。研發(fā)道路三維實景巡檢管理平臺,面向“路長制”管理的需求,破解農(nóng)村道路管理的瓶頸和問題,提升道路管理信息化水平,助力“四好農(nóng)村路”的建設(shè)。項目所需的數(shù)據(jù)多,對用戶的電腦性能有一定的要求。可以采用redis緩存技術(shù),減輕讀取的消耗。此外點云采集成本高,采集周期長,無法快捷有效的更新道路數(shù)據(jù)。