基于GIS與GPS智能化公路交通勘查系統的構建與應用

楊承昊，張大寶

（平頂山市公路交通勘察設計院，河南 平頂山 467000）

0 引 言

在傳統的公路勘查設計系統中，勘查過程數字化程度低，設計缺少標準化、智能化和可視化。遇復雜空間條件，如高山、深林和水路等因素受限時，可考慮針對復雜地形使用地理信息系統（Geographic Information System，GIS）與全球定位系統（Global Positioning System，GPS）智能可視化公路勘查設計方法，以解決公路勘查工程外業過程中數字化程度低、紙質資料攜帶及使用不便、勘察和設計工作困難等諸多問題。GIS 與GPS 智能可視化公路勘查系統有著理想的應用前景，適用于復雜環境的公路勘查與設計，使得勘察與設計實現了多源數據的疊加顯示、外業勘察數據的采集和設計以及離線與在線狀態的路網無縫切換等功能。

1 公路勘查智能化系統設計分析

GPS 是一種全球定位系統，也是獲取數據的一種手段。而GIS 本身并不具備直接獲取數據的能力，只是信息處理系統，可以進行GPS、遙感（Remote Sensing，RS）數據匯總、歸檔和分類，進行各種形式的技術輸出。其中GPS 、GIS 及RS 并稱為“3S 技術”。使用GPS 系統能夠為公路勘查提供導航，按照有向圖或者是無向圖的導航軟件設置權重，搜索最合適的線路。對比分析圖像識別技術有著廣泛的需求，已形成成熟的圖片數據庫，并用于訓練識別圖像。大多數成熟數據庫更加偏向于識別物品，而非細分物品。處理道路情況多數來源網絡，后期使用人工進行類別標注。應用此類技術無法處理位置信息，因此需要研究此方案應用的采集方式，從而保證道路位置、圖片、信息數據相對應，保留道路分析的相關信息。

1.1 實現路橋目標點準確定位

智能手機均含有指南針功能，該功能使用手機攝像機照準功能通過方向傳感器來收獲角度值，根據高精度數字地圖獲得已知點，保證能夠實現準確定位操作流程。設計系統使用手機在高精度數字地圖上選中目標點，同時將目標點坐標值記錄下來，然后使用手機相機瞄準點選擇目標點，直接使用角度交會方法計算測量站點的位置坐標。

1.2 獲取已知目標捕捉點位設計

首先，在定位中實現手機2 維高精度地圖特征點的捕捉；其次，將攝像機瞄準目標獲得方向傳感器的角度值；最后，使用后方方向交匯算法得出定位結果，使用手機來獲得屏幕點選數字地圖，進而獲取已知目標捕捉點位設計。因此在數字地圖上判斷線圖屏幕受到限制和點擊誤差，無法保證點擊的目標點位。點擊屏幕后，系統判斷點圖層，并查詢點擊位置范圍內全部點計量。需注意，要記錄選擇的點的坐標值，查詢判斷線圖層，獲取點擊位置5 m 內全部的線記錄距離。點擊位置的線端點，比較2 次記錄的路網值，也就是點擊點的距離選擇距離最近的點。在選中目標點位后要進入坐標，避免2 次點擊捕捉。此種方式能夠使二維地圖完成目標點捕捉記錄，在手機攝像鏡頭中找到瞄準的目標記錄下來。瞄準中要根據二維地圖收集順序瞄準，并且記錄方向，在二維地圖上會按照先后順序捕捉收集點。真實場景中，攝像機要瞄準記錄，使用手持方式瞄準會影響到角度測量情況。目標點捕捉記錄工作流程如圖1 所示。

圖1 工作流程

1.3 方便后期訪問和數據源應用

公路系統可設置點狀勘查和現狀勘查，用于記錄路燈、路牌等，在地圖上呈現點狀公路，路況損壞情況應用拍照功能、GPS 定位功能、指南針功能、用戶調用功能生成固定規范損壞調查報告上傳到服務器，以便批量處理訪問后期應用數據來源。損壞勘查模塊擁有線面狀記錄和測定功能，勘測者移動標定某一范圍，從而實現勘查嚴重之外損壞的功能，提供不規則形狀，估測勘查模式，提高環境適應性[1]。

2 GPS 與GIS 系統節點構成與位置交互

GIS 是結合了計算機軟件技術、計算機硬件技術、圖形學、地理學、數據庫等技術的綜合性系統，通過地理信息系統把地球上空間地理數據信息使用圖形將空間地理特征抓取，并根據分析處理功能呈現可視化的結果。地理信息系統是處理交通網絡空間數據與屬性數據的工具，能夠縮短輸入和調查數據的時間，減少工作量，提升工作效率。

GPS 屬于衛星導航定位計時系統接收器，通過GPS 發送數據計量精度、緯度、高度、位置。全球定位系統包含空間衛星地面控制部分和用戶裝置部分。GPS 定位原理是使用衛星間和地面用戶間位置交互，將空間和位置關系使用導航定位信號表示，從而測算詳細物體的位置、時間、運動速度。

GPS 與GIS 路網結構的基本元素由節點構成，節點和路段也是基本組成內容，使用GIS 地理空間特征抓取能夠快速獲得某段公路上的交通信息、地理信息。GPS 與GIS 位置交互夠測算定位目標在公路網中的速度、交通信息。GPS 與GIS 技術在交通行業中應用相關技術有著理想的前景[2]。

3 GPS 與GIS 系統智能化路網地圖服務

在GPS 與GIS 構建的智能化公路網絡中，首先選擇的地圖服務。公開地圖（Open Street Map，OSM）是研究的地圖來源，屬于網上能夠為大眾提供免費的開源地圖服務。OMS 圖是對個體GPS 裝置獲取的數據，含有地理信息、照片、圖片等途徑產生信息描繪的成果。在網站中，地圖圖像與向量數據能夠通過共享創意姓名的方式授權。OMS 可讓用戶享受到免費服務，從而獲取了龐大的客戶使用量。在此次研究中，一些工作集中在構建數據上，需要重構和修訂數據。數據核查標準有著簡單性、客觀性，提取無法實現全盤檢測和提取系統中的數據。數據構造過程中，未完全掌握道路信息。

尤其是低等級道路，在同一道路中接入口和交叉口信息不準確，有著較多的干擾性因素。對于數據問題，此系統在研究過程中完成了基于OMS 路網數據的構造過程轉換路網數據實現標準化處理現有數據，滿足系統構建需求。并且在數據開源的基礎上，引用論文文獻，解決了數據授權等問題[3]。

4 GPS 與GIS 系統智能化技術應用

結合GPS 路網分析和GPS 定位誤差，在公路勘查中如何應用GPS 和GIS 是需要解決的重點問題[4]。

4.1 采集路況勘查

路況勘查采集指的是判斷、測量、記錄路面特殊狀況信息的過程。在探究此方案中，用戶移動到路面區域手動設置分類標簽，應用移動設備對此區域開展拍照測量。錄像移動設備要按照網絡把數據上傳到服務器，即采集和勘查路況的全圖片進行識別訓練。在人工智能發展中，若是想要實現識別的圖像，則要先提供預先分類的數據，以此類數據構建模型，從而完成識別。通常情況下提供的預分類數據煩瑣，需要花費較多的人力和物力，而研究此方案能夠分類采集數據、分攤成本。當下市面上的智能移動設備提供的圖片采集清晰度符合勘查采集需求，因此需要使用其作為圖片數據來源。

移動設備支持用戶輸入與網絡連接，在采集位置與圖像信息后，通過移動設備添加附加信息上傳到服務器前端和數據采集端[5]。用戶要參照GIS路網的信息，使用乘車、步行的方式到達測量位置，打開軟件開始定位。公路現場勘查人員通過現場情況明確勘查的類型，按照勘查類型選擇對應的測量模式，保證能夠和測量目標適應。對目標開展測量和拍攝，用戶在移動后選擇定位點，明確目標范圍，上傳數據，考慮一些區域有GPS 信號差的情況。若是用戶發現GPS 信息存在誤差，可以手動矯正，保證能夠獲得正確的數據。數據收集端運行是在服務器上能夠實現文件上傳接口，同時根據類型存儲用戶上傳的位置信息和數據信息，根據支持的類型獲取信息，以便其他需求應用[6]。路況勘查采集的功能邏輯結構如圖2 所示。

圖2 功能邏輯結構

4.2 提升公路路網定位精度

全球導航衛星系統組合相對定位模式分為緊組合和松組合2 種模式。2 項組合模式的差異是構建觀測方式存在不同[7]。松組合模式只看重構建系統內部雙差觀測方程；緊組合模式在松組合模式基礎上進行優化。不同系統的組成和松組合比較增加了結果的驗證。對比復雜環境或干擾因素多的場景能夠使用更廣泛，考慮技術研究后續系統開發應用在公路路網，使用環境復雜。松組合模式與緊組合模式間，組合模式有著適用性，設計的計算分析復雜。緊組合對復雜觀測環境定位精度研究有影響，松組合和緊組合模式下，計算結果、定位誤差，區間分布分析結果存在不同。提升精度的主要因素是固定整周模糊度。整周模糊度要通過觀測獲得，使用數學方法對其確定[8]。

5 結 論

構建智能化勘查公路系統，可以總結和劃分勘查內容，明確包含的勘查公路內容和法律法規，考慮公路事故現場勘查的要求和發展情況、采集數據、勘查設備、數據處理等內容，以解決采集、上傳現場勘查數據等問題，保證公路路網能夠安全運行。