明鏡，向煜

(1.重慶市勘測院，重慶　401121；　2.重慶市巖土工程技術(shù)研究中心，重慶　401121；3.重慶數(shù)字城市科技有限公司，重慶　401121)

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基于三維全景技術(shù)的高速公路設(shè)施采集與管理

明鏡1，2，3，向煜3

(1.重慶市勘測院，重慶401121；2.重慶市巖土工程技術(shù)研究中心，重慶401121；3.重慶數(shù)字城市科技有限公司，重慶401121)

摘要：為解決當(dāng)前高速公路設(shè)施采集與管理中存在的采集方式落后、危險性高、易出錯、效率低等難題，針對高速公路的特點，從高速公路設(shè)施數(shù)據(jù)組織、基于三維全景技術(shù)的高速公路設(shè)施普查方法、車載全景影像采集平臺的航向和俯仰角速度獲取、高精度地面全景影像采集車載設(shè)備精確定位、三維全景影像中空間數(shù)據(jù)的采集定位、線性參照管理方法等方面進行關(guān)鍵技術(shù)研究，建立了高速公路設(shè)施管理整套解決方案。本文研究成果成功應(yīng)用到了重慶市高速公路設(shè)施的采集與管理中，輔助進行科學(xué)決策，有效提升了高速公路服務(wù)水平。

關(guān)鍵詞：高速公路；設(shè)施采集；三維全景；線性參照

1引言

隨著我國交通事業(yè)的蓬勃發(fā)展，高速公路已經(jīng)成為交通出行的重要方式，為地方經(jīng)濟帶來了新的增長點[1，2]。隨著高速公路建設(shè)的持續(xù)快速發(fā)展，對高速公路運營管理的要求越來越高。對于高速公路管理部門來說，對具有明顯地理分布特征的多類型復(fù)雜高速公路設(shè)施建立臺賬并進行日常管理維護、分析查詢，是一項比較復(fù)雜的工作，單純靠人力來管理不僅費時費力，而且極易出錯[3，4]。

目前，高速公路設(shè)施的采集和管理存在諸多不足[5，8]。首先，設(shè)施的采集大多利用傳統(tǒng)的紙質(zhì)地理底圖調(diào)查的方法，已出現(xiàn)諸如打印底圖成本消耗大、外業(yè)采集受天氣影響巨大、內(nèi)外業(yè)存在重復(fù)勞動等弊端，而且人工采集會存在準(zhǔn)確率不高、危險性大、更新周期長等問題。其次，設(shè)施管理以人工為主，管理效率不高，數(shù)據(jù)分散、信息資源不能得到充分地利用。第三，設(shè)施相關(guān)信息更新難度大，設(shè)施故障往往得不到及時解決。為了實現(xiàn)對高速公路設(shè)施有效監(jiān)控、管理、運營和養(yǎng)護以及合理利用資源，必須要借助先進技術(shù)實現(xiàn)高速公路設(shè)施采集與管理的信息化。

三維全景技術(shù)作為一種虛擬現(xiàn)實技術(shù)，其成果數(shù)據(jù)非常直觀，能很好滿足交通設(shè)施調(diào)查、設(shè)施狀態(tài)監(jiān)控等業(yè)務(wù)應(yīng)用需要[9，10]。將三維全景技術(shù)融入高速公路設(shè)施數(shù)據(jù)采集過程中，外業(yè)只需要開車沿高速公路完成數(shù)據(jù)采集，內(nèi)業(yè)根據(jù)影像進行標(biāo)點即可，既利用了三維全景的直觀性，使采集工作簡單、直接，又簡化了采集工作流程，減少了工作量，從而降低數(shù)據(jù)采集成本。

因此，針對高速公路設(shè)施數(shù)據(jù)的特點，研究基于三維全景技術(shù)的高速公路設(shè)施采集技術(shù)，構(gòu)建一個基于地理信息技術(shù)及三維全景可視化技術(shù)的軟件平臺，對設(shè)施數(shù)據(jù)進行直觀、高效、準(zhǔn)確的采集、管理及網(wǎng)絡(luò)化應(yīng)用，已成為當(dāng)前高速公路管理的必然要求[11，12]。將高速公路相關(guān)設(shè)備設(shè)施的信息，利用三維全景技術(shù)進行簡單、高效地采集，根據(jù)設(shè)施特有的空間位置GIS特性，建立設(shè)施數(shù)據(jù)庫，并通過GIS的空間分析功能，實現(xiàn)故障定位、應(yīng)急救援、范圍分析等高端應(yīng)用，能為高速公路的各種智能管理、實時監(jiān)控、應(yīng)急救援提供強大的技術(shù)支持，實現(xiàn)設(shè)施數(shù)據(jù)的可視化管理，為主管部門提供及時、準(zhǔn)確、全面的路線、里程及路況信息，為決策者提供可靠的決策依據(jù)，最終實現(xiàn)高速公路管理整體性能的提高，具有重要的現(xiàn)實意義。

2總體技術(shù)路線

首先，在對高速公路設(shè)施領(lǐng)域知識、三維全景技術(shù)、道路空間數(shù)據(jù)模型以及GIS空間數(shù)據(jù)模型知識進行調(diào)研及分析的基礎(chǔ)上，參照國家及行業(yè)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)對高速公路設(shè)施進行數(shù)據(jù)系統(tǒng)構(gòu)建，選取面向?qū)ο驡IS空間數(shù)據(jù)模型對高速公路設(shè)施進行建模，從概念模型、邏輯模型、物理模型三個層面構(gòu)建高速公路設(shè)施空間數(shù)據(jù)模型。

其次，將三維全景技術(shù)融入數(shù)據(jù)采集中，通過一系列的軟硬件比較選型，建立滿足采集需求的三維全景高速公路設(shè)施采集軟硬件平臺，利用車載采集平臺對高速公路現(xiàn)場影像進行采集。同時，通過技術(shù)創(chuàng)新，提升車載移動平臺和成果數(shù)據(jù)的精度。采集完成后，內(nèi)業(yè)根據(jù)設(shè)施臺賬數(shù)據(jù)進行高速公路設(shè)施采集、質(zhì)量檢查、外業(yè)確權(quán)，形成采集成果。

第三，利用線性參照技術(shù)對高速公路設(shè)施進行分類與編碼，同時進行多源數(shù)據(jù)融合，構(gòu)建高速公路設(shè)施數(shù)據(jù)庫，為高速公路設(shè)施數(shù)據(jù)的管理和后續(xù)數(shù)據(jù)更新、采集質(zhì)量控制提供保障。

最后，將設(shè)施數(shù)據(jù)庫應(yīng)用到高速公路空間信息分析管理系統(tǒng)設(shè)計中，實現(xiàn)模型的驗證，完成基于三維全景技術(shù)的高速公路空間信息分析管理系統(tǒng)的開發(fā)，并進行系統(tǒng)測試，投入使用，為決策者提供可靠的決策依據(jù)，提升高速公路管理的整體性能。

3關(guān)鍵技術(shù)

3.1高速公路設(shè)施數(shù)據(jù)組織

高速公路設(shè)施數(shù)據(jù)來源多樣、格式各異。為實現(xiàn)高速公路設(shè)施的高效采集與管理，本文針對高速公路設(shè)施的特性，對高速公路設(shè)施管理業(yè)務(wù)進行抽象、整合、擴展和提煉，選取面向?qū)ο驡IS空間數(shù)據(jù)模型對高速公路設(shè)施進行建模，構(gòu)建了高速公路設(shè)施空間數(shù)據(jù)模型。

該模型中，主要包括了基礎(chǔ)地形數(shù)據(jù)、基礎(chǔ)專題數(shù)據(jù)、業(yè)務(wù)專題數(shù)據(jù)、輔助數(shù)據(jù)、三維全景影像數(shù)據(jù)。其中基礎(chǔ)地形數(shù)據(jù)、基礎(chǔ)專題數(shù)據(jù)、業(yè)務(wù)專題數(shù)據(jù)以空間數(shù)據(jù)方式存儲，輔助數(shù)據(jù)以表格方式存儲，其余影像數(shù)據(jù)以二進制方式進行存儲。數(shù)據(jù)組織結(jié)構(gòu)如圖1所示：

同時，為了適應(yīng)高速公路集團有限公司現(xiàn)有的組織結(jié)構(gòu)與管理模式，本文數(shù)據(jù)管理體系的搭建采取了區(qū)域樹形結(jié)構(gòu)，以區(qū)域管理中心、高速公路路段、隧道、橋梁等標(biāo)志性地物為干，以收費站、服務(wù)區(qū)等功能性建筑位置和監(jiān)測設(shè)備點等監(jiān)測設(shè)備為枝，以各地物點所采集的數(shù)據(jù)為葉，而每個區(qū)域又通過路網(wǎng)相連，確保能覆蓋高速管理中的空間數(shù)據(jù)和業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)，充分滿足業(yè)務(wù)調(diào)用和查詢統(tǒng)計需求。

3.2基于三維全景技術(shù)的高速公路設(shè)施普查方法

在數(shù)據(jù)模型的基礎(chǔ)上，借助三維全景技術(shù)，開發(fā)高速公路設(shè)施空間信息數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)，本文建立了一套包括高速公路設(shè)施空間數(shù)據(jù)的分類、編碼、采集、處理、存儲、分析、發(fā)布等業(yè)務(wù)的高速公路設(shè)施普查流程，并利用該方法采集高速公路設(shè)施數(shù)據(jù)，獲得了高速公路設(shè)施的空間數(shù)據(jù)、屬性數(shù)據(jù)和立體影像數(shù)據(jù)，建立了高速公路設(shè)施數(shù)據(jù)庫和影像數(shù)據(jù)庫，為全國高速公路設(shè)施普查樹立了典范。該普查方法以三維全景技術(shù)作為支撐，主要步驟如圖2所示。

線路糾正，是把采集線路與拓撲路網(wǎng)融合，從而實現(xiàn)全景視頻與矢量GIS拓撲路網(wǎng)關(guān)聯(lián)，提高線路定位精度，保障全景影像的空間位置精度；全景數(shù)據(jù)與拓撲路網(wǎng)數(shù)據(jù)融合后，可以很容易通過空間查詢獲得全景數(shù)據(jù)，可以通過路網(wǎng)來選擇播放全景視頻，并可以很容易地實現(xiàn)設(shè)施點定位。

高速公路設(shè)施采集，是利用全景影像中空間數(shù)據(jù)的采集定位方法，使用線性參照程序，在全景影像上采集高速公路設(shè)施點的空間位置。這種采集方式較傳統(tǒng)方式中基于紙質(zhì)的現(xiàn)場調(diào)查，具有采集高效、定位準(zhǔn)確、安全可靠等諸多優(yōu)點。

外業(yè)繪圖確權(quán)，是指為了保證采集的設(shè)施數(shù)據(jù)完備、位置精確、設(shè)施類型無誤，還要請各監(jiān)控站的工作人員進行外業(yè)確權(quán)，審核內(nèi)業(yè)繪圖的初步成果，檢查的內(nèi)容包括數(shù)據(jù)的完整性、準(zhǔn)確性、邏輯空間位置關(guān)系正確性等等。

3.3車載全景影像采集平臺的航向和俯仰角速度獲取方法

高速公路設(shè)施在全景中的精確定位，需要依托全景影像采集平臺的定位定姿數(shù)據(jù)。本文創(chuàng)造性地提出了一種車載全景影像采集平臺的航向和俯仰角速度獲取方法，硬件設(shè)備不需要配備陀螺儀或慣導(dǎo)單元，就可以通過該技術(shù)計算出車載平臺的航向與俯仰角速度。該方法主要由以下步驟組成：

S1、車載全景影像采集平臺間隔地采集全景影像，構(gòu)成全景影像圖片，其中采集的間隔時間為△t，且設(shè)定相鄰幀第i幀、第i+1幀采集到全景影像圖片分別為Fi、Fi+1，所述全景影像圖片的寬度為w像素，高度為h像素；

S2、采用3D中的紋理映射技術(shù)將全景影像圖片中的全景影像紋理映射至投影模型上；

S3、利用3D技術(shù)，在投影模型的中心點設(shè)置攝像機，所述攝像機正對運載車輛行駛正前方或者正后方，獲得水平和垂直視野范圍β°內(nèi)的區(qū)域影像，設(shè)定所述區(qū)域影像的坐標(biāo)變化與所述運載車輛的直線運動關(guān)系無關(guān)，利用3D中的渲染到紋理技術(shù)將所述投影模型上的區(qū)域影像渲染到區(qū)域影像圖片上，其中設(shè)定相鄰幀第i幀和第i+1幀采集到的區(qū)域影像圖片分別為Pi、Pi+1，所述區(qū)域影像圖片的寬度為wp像素，高度為hp像素；

S7、根據(jù)投影模型單位寬度對應(yīng)的角度，計算所述車載全景影像采集平臺第i+1幀相對于第i幀的航向偏轉(zhuǎn)角度和俯仰偏轉(zhuǎn)角度；

本方法中，所述c取30。所述視野范圍β取22.5。本方法根據(jù)識別相鄰幀全景圖像中像素點的旋轉(zhuǎn)和偏移程度，創(chuàng)造性地利用軟件算法方法求取車載移動平臺的航向和俯仰角速度，避免使用昂貴的硬件設(shè)備獲取相應(yīng)參數(shù)，簡化了全景采集平臺的設(shè)計，降低了平臺成本。

3.4高精度地面全景影像采集車載設(shè)備精確定位

為了提高高速公路設(shè)施的空間坐標(biāo)精度，必須實現(xiàn)高精度地面全景影像采集車載設(shè)備精確定位。在三維全景實際采集過程中，通過實驗發(fā)現(xiàn)，即使使用差分GPS設(shè)備，在高速公路設(shè)施采集過程中也很難獲得較好的高精度坐標(biāo)，究其原因，主要是源于路旁建筑物對GPS衛(wèi)星信號的遮擋以及GPS設(shè)備相對較低的采樣頻率。為此，本文研究并提出了一種全景視頻線路的二次校正技術(shù)，主要包含如下步驟：

(1)對車速數(shù)據(jù)濾波，對航向數(shù)據(jù)濾波，對原始數(shù)據(jù)進行平滑；對GPS數(shù)據(jù)間隔一定距離選擇控制點；

(2)根據(jù)濾波后的速度、航向數(shù)據(jù)以及控制點數(shù)據(jù)恢復(fù)采集線路；

(3)根據(jù)恢復(fù)后的線路，使用移動雙目測量技術(shù)測量道路周邊的點位，這些點位在背景地圖中有明顯的“同名點”，假設(shè)當(dāng)前攝像頭位置為(x，y)，測量到道路邊某一物體的坐標(biāo)為(x1，y1)，從背景地圖中獲得同名點的坐標(biāo)(x2，y2)；

(4)攝像頭當(dāng)前的點位坐標(biāo)為(X，Y)=(x，y)+(x1，y1)-(x2，y2)；

福布斯分析認為，絕大多數(shù)企業(yè)家財富縮水源于公司市值減少。今年來，中國股市的A股及港股均出現(xiàn)了較大幅度的下跌，隨之受影響的是各大上市公司的創(chuàng)始人財富出現(xiàn)大幅縮水。

(5)把(X，Y)作為一個控制點；

(6)使用以上方法獲得多個控制點，控制點分布均勻；

(7)使用第2步的方法重新計算采集線路的坐標(biāo)。

(8)如果有必要，使用第(3)～第(7)步的方法再次計算采集線路的坐標(biāo)。

通過本文提出的GPS線路二次校正技術(shù)，顯著提升了車載移動平臺的空間定位精度，通過與移動測量和導(dǎo)航算法結(jié)合，并利用上一關(guān)鍵技術(shù)獲取的航向與俯仰角速度數(shù)據(jù)，就可以恢復(fù)高精度的采集線路。該技術(shù)還避免了使用價格昂貴的IMU設(shè)備，降低了整體的硬件成本。

3.5三維全景影像中空間數(shù)據(jù)的采集定位方法

單幀全景圖像采集時，各個攝像頭的中心位于同一點，因此無法形成視差，故在同一幀中，無法實現(xiàn)移動測量。而通過連續(xù)兩幀或多幀的特征點匹配，建立兩條或多條“視線”，通過求解方程可以獲得地面全景影像中任意點的坐標(biāo)。使用車載三維全景采集平臺時，由于車載設(shè)備捕獲了連續(xù)移動的多幀影像數(shù)據(jù)，隨著車輛的前進，如同在兩個不同的地點觀察同一個物體，構(gòu)成了移動測量的必要條件。如圖3所示，每一個球體表示一張全景圖片，球心表示全景攝像機中心，兩個球心與物體的連線必然交匯于物體上，便可使用射線交匯法來進行測量。

基于上述方法，本文采用在三維全景影像中基于輔助面的空間定位，實現(xiàn)了任意點測量、跨幀測量技術(shù)，具備真正的空間三維測量功能，其測量精度達到亞米級。該技術(shù)采用立體測量方式相近的工作原理，在三維全景中可測量全景圖內(nèi)任意兩點間的空間距離，誤差符合工程測量誤差標(biāo)準(zhǔn)；同時，三維測量不同于近景測量，無需為三維測量功能單獨、額外拍攝照片，拍攝過程無需添加外物，測量操作簡單方便。通過該技術(shù)，即可在三維全景影像中對高速公路各種設(shè)施進行采集定位，獲取其正確的三維空間坐標(biāo)。

3.6線性參照管理設(shè)施數(shù)據(jù)

線性參考技術(shù)是沿已有的線性要素的相對位置來存儲地理數(shù)據(jù)的一種方法，線性參考能描述頻繁變換的線性片段數(shù)據(jù)，能從空間的角度來描述一對多的關(guān)系屬性，是沿線性要素建立相對位置模型最直觀的方法。本文創(chuàng)新地使用線性參考建立了高速公路的設(shè)施空間數(shù)據(jù)模型，以高速公路公里樁為參考點，將設(shè)施的空間坐標(biāo)轉(zhuǎn)換到線性參考系統(tǒng)中后，利用線性參考的里程參照表達設(shè)施的位置信息，符合專業(yè)人員的日常工作思維，有利于對高速公路設(shè)施及其事故點的準(zhǔn)確定位，為專業(yè)人員對高速公路設(shè)施的高效管理提供了數(shù)學(xué)基礎(chǔ)。通過線性參考技術(shù)可以管理多種屬性指標(biāo)，支持多種高速設(shè)施，無需重復(fù)數(shù)字化就可以進行多個屬性集的動態(tài)顯示和分析，減少數(shù)據(jù)冗余。線性參考技術(shù)具有的線性度量與高速公路管理部門習(xí)慣的工作方法相吻合，與現(xiàn)有的管理模式相適應(yīng)，能夠極大地提升用戶體驗。

4應(yīng)用效果

為提升高速公路管理及運行效率，重慶高速公路集團有限公司擬對重慶市域高速公路開展設(shè)施調(diào)查，依托現(xiàn)代空間信息技術(shù)及可視化技術(shù)，建立高速公路地理信息系統(tǒng)，滿足高速公路地理位置、設(shè)施設(shè)備、交通流量、事故應(yīng)急處理等各項業(yè)務(wù)要求。利用本文研究的基于三維全景技術(shù)的高速公路設(shè)施采集與管理技術(shù)，項目組開展了三維全景影像數(shù)據(jù)采集、設(shè)施數(shù)據(jù)建庫、應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā)等相關(guān)工作，提升了高速公路設(shè)施采集及管理效率，為管理部門提供了直觀、準(zhǔn)確、及時的輔助決策信息。

利用三維全景采集平臺，本文獲取了重慶市約 2 400 km高速公路的全景影像數(shù)據(jù)，采集了高速公路的相關(guān)設(shè)施的空間位置信息，構(gòu)建高速公路設(shè)施空間信息數(shù)據(jù)庫。就高速公路設(shè)施數(shù)據(jù)的采集而言，采用三維全景采集模式相比于傳統(tǒng)模式，實施周期更短、人力投入更少、錯漏率更低。實踐表明，本文技術(shù)使項目整體成本較傳統(tǒng)模式下降了35%，錯漏率也從原來紙質(zhì)采集的3%下降到1%，大大提高了高速公路設(shè)施采集與管理效率。

本文的三維全景數(shù)據(jù)采集，利用重慶市勘測院與重慶數(shù)字城市科技有限公司自主研發(fā)的數(shù)字全景地圖系統(tǒng)DPM2.0進行，其安裝簡單、采集方便，適合于高速公路的全景數(shù)據(jù)采集。該采集平臺工作場景如圖4所示：

三維全景數(shù)據(jù)外業(yè)采集并處理完畢后，即可支持在全景影像中進行高速公路設(shè)施的空間定位及高精度測量，如圖5所示：

圖4三維全景數(shù)據(jù)采集

在對高速公路各類設(shè)施數(shù)據(jù)進行空間信息和屬性信息采集之后，隨即保存進入建立的高速公路設(shè)施數(shù)據(jù)庫。采集的高速公路設(shè)施數(shù)據(jù)類型眾多，涵蓋了前述數(shù)據(jù)組織模型中各個類別。利用建立的高速公路地理信息系統(tǒng)，還可開展各類設(shè)施數(shù)據(jù)的空間分布查看、詳細信息查詢、設(shè)施空間分析等專業(yè)應(yīng)用，輔助進行各類決策，如圖6所示：

圖6高速公路廣告牌空間分布

5結(jié)語

本文研究了基于三維全景技術(shù)的高速公路設(shè)施采集與管理相關(guān)關(guān)鍵技術(shù)，建立了高速公路設(shè)施數(shù)據(jù)組織體系，利用三維全景技術(shù)對高速公路設(shè)施進行直觀、準(zhǔn)確、高效地采集，建立高速公路設(shè)施數(shù)據(jù)庫，并研發(fā)高速公路地理信息系統(tǒng)進行業(yè)務(wù)管理和輔助決策。在設(shè)施數(shù)據(jù)采集處理過程中，為實現(xiàn)三維全景影像中空間數(shù)據(jù)的采集定位，針對車載全景影像采集平臺的航向和俯仰角速度獲取方法、高精度地面全景影像采集車載設(shè)備精確定位、線性參照管理方法等關(guān)鍵技術(shù)進行了深入研究，切實提升了設(shè)施數(shù)據(jù)的采集效率、定位準(zhǔn)確性和測量精確性。本文成果將極大促進高速公路設(shè)施普查及管理手段的轉(zhuǎn)變，從傳統(tǒng)的文檔管理到平面空間、甚至立體管理，對提高現(xiàn)有公路設(shè)施的管理效率、改善交通環(huán)境、提高交通行駛安全具有重要的積極意義。目前，本文成果已在重慶高速公路集團各子公司和路段監(jiān)控點中進行了示范應(yīng)用，具有較好的推廣價值。參考文獻

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Acquisition and Management of Highway Facilities Based on 3D Panorama

Ming Jing1，2，3，Xiang Yu3

(1.Chongqing Survey Institute，Chongqing 401121，China；2.Chongqing Engineering Research Center of Geotechnical Engineering，Chongqing 401121，China；3.Chongqing Cybercity Sci-tech Co. Ltd.，Chongqing 401121，China)

Key words：highway；facilities acquisition；three-dimensional panorama；linear reference

Abstract：To solve current problems in the acquisition and management of highway facilities such as the old acquisition mode，the high risk，the error-prone and inefficiency，Key technologies are researched，such as the highway facilities data organization，the highway facilities census method based on 3D panorama，the heading and pitch angular velocity acquisition method of mobile panoramic image acquisition platform，the precise positioning of ground panoramic image acquisition equipment，the positioning of spatial object in 3D panoramic image as well as the linear referencing management method. The solution of highway facilities management is therefore built up. In this paper，the successful application of research results to the acquisition and management of Chongqing highway facilities has proven that it can be used in the auxiliary scientific decision-making，which effectively increases the service level of highway management.

文章編號：1672-8262(2016)03-5-07

中圖分類號：P208.2，P232

文獻標(biāo)識碼：A

*收稿日期：2016—02—18

作者簡介：明鏡(1982—)，男，博士，正高職高級工程師，主要研究方向為三維GIS，三維數(shù)字城市。

基金項目：國家科技型中小企業(yè)技術(shù)創(chuàng)新基金(13C26215115070)；重慶市基礎(chǔ)與前沿研究計劃(cstc2014jcyjA90026)；重慶市應(yīng)用開發(fā)計劃(cstc2014yykfB40004)