劉 俊，溫四林，姚福順，李元慶，王 浩

（1.安徽科力信息產(chǎn)業(yè)有限責(zé)任公司，安徽 合肥 230088）

交通設(shè)施采集技術(shù)[1]是交通規(guī)劃與決策系統(tǒng)的第一步，也是GIS技術(shù)在交通領(lǐng)域最基本的應(yīng)用。隨著交通設(shè)施分類的不斷精細(xì)和GIS技術(shù)的不斷發(fā)展，基于GIS的交通設(shè)施空間和屬性數(shù)據(jù)的采集、共享查詢與分析等問題已成為國內(nèi)外研究和開發(fā)的熱點(diǎn)。例如，日本東京大學(xué)研制了VLMS系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)公路路面、建筑物表面、管道等交通設(shè)施圖像特征的提取[2]；Shauna L H[3]等評(píng)價(jià)了遙感技術(shù)在公路設(shè)施信息采集中的精度問題；WANG K C P等[4]研發(fā)的交通設(shè)施信息管理系統(tǒng)，可通過在電子地圖上點(diǎn)擊實(shí)現(xiàn)對(duì)高速公路設(shè)施的圖片、錄像片段及其他信息的查詢；李廣[5]研究了城市交通基礎(chǔ)設(shè)施的數(shù)據(jù)采集與處理技術(shù)，并通過開發(fā)的系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了基礎(chǔ)設(shè)施的快速查詢；孟均[6]等通過處理移動(dòng)測(cè)量車拍攝的近景立體影像實(shí)現(xiàn)了對(duì)公路交通設(shè)施數(shù)據(jù)的快速提?。涣赫狗?、晏明星[7-8]等提出了廣西城市交通地理信息的分類原則、方法和標(biāo)準(zhǔn)，并構(gòu)建了南寧市公交信息數(shù)據(jù)庫，以上研究極大地豐富了交通設(shè)施采集技術(shù)，促進(jìn)了智能交通建設(shè)。本文將在QGIS二次開發(fā)的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步研究通過視頻和影像數(shù)據(jù)提高交通設(shè)施采集效率的方法。

1 關(guān)鍵技術(shù)與難點(diǎn)

1.1 數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)

目前，交通設(shè)施種類繁多，且各地區(qū)同類型的交通設(shè)施屬性也不一致，難以統(tǒng)一。本文結(jié)合多 個(gè)地區(qū)的數(shù)據(jù)采集生產(chǎn)項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)，根據(jù)GB 5768-2009《道路交通標(biāo)志和標(biāo)線》建立了一套規(guī)范、實(shí)用的交通設(shè)施數(shù)據(jù)庫[9]。

數(shù)據(jù)庫采用4級(jí)分類方法，第一級(jí)交通設(shè)施分為基礎(chǔ)路網(wǎng)、交通標(biāo)線、交通標(biāo)志、交通電子設(shè)備和防護(hù)設(shè)施及服務(wù)設(shè)施；并在此基礎(chǔ)上，以GB 5768-2009《道路交通標(biāo)志和標(biāo)線》注明的分類標(biāo)準(zhǔn)細(xì)分出第二級(jí)；再詳細(xì)分類得到第三、四級(jí)，如圖1所示。

圖1 交通設(shè)施4級(jí)分類

本文以第三級(jí)分類為圖層要素，在開源空間數(shù)據(jù)庫PostgreSQL內(nèi)建立交通設(shè)施字典表和各圖層表，并以4級(jí)編碼（010010010001）和類型名稱字段聯(lián)系、區(qū)分交通設(shè)施圖層。對(duì)于存在第四級(jí)分類的圖層要素，系統(tǒng)根據(jù)其4級(jí)編碼字段生成唯一值分類樣式文件，經(jīng)樣式文件渲染的圖層即為四級(jí)分類交通設(shè)施圖。

1.2 視頻與地圖聯(lián)動(dòng)

采用移動(dòng)測(cè)量車拍攝城市道路影像時(shí)，通過多臺(tái)移動(dòng)設(shè)備同步獲取影像拍攝位置的GPS信息，同時(shí)利用PC端控制球機(jī)的拍攝姿態(tài)，如圖2所示。

圖2 視頻數(shù)據(jù)采集硬件設(shè)備

GPS信息是采用手機(jī)以2 s間隔定位得到的，由于存在信號(hào)中斷和數(shù)據(jù)采樣間隔的差異，手機(jī)與球機(jī)分別獲取的GPS點(diǎn)數(shù)據(jù)與影像數(shù)據(jù)難以完全同步。內(nèi)業(yè)處理時(shí)，單靠人工從數(shù)以萬計(jì)的采樣數(shù)據(jù)中查找指定GPS點(diǎn)的影像顯然不能滿足生產(chǎn)要求。對(duì)此，本文研究了提取關(guān)鍵幀視頻影像及其拍攝位置的方法，并通過將GPS點(diǎn)導(dǎo)入地圖，實(shí)現(xiàn)了視頻影像與地圖上GPS點(diǎn)的雙向聯(lián)動(dòng)[10]。

由于?？狄曨l的幀率為25 fps，所以拍攝獲取的關(guān)鍵幀影像過于密集。本文以1 s為間隔提取視頻影像，并根據(jù)反距離加權(quán)公式計(jì)算關(guān)鍵幀影像拍攝位置的GPS坐標(biāo)，實(shí)現(xiàn)視頻關(guān)鍵幀影像與GPS點(diǎn)坐標(biāo)的一一對(duì)應(yīng)，達(dá)到視頻與地圖雙向聯(lián)動(dòng)的目的。

式中，(lon, lat)為待求關(guān)鍵幀影像拍攝位置的經(jīng)緯度坐標(biāo)；s1、s2分別為采集車行駛的距離。通過比較關(guān)鍵幀影像拍攝時(shí)間t與多個(gè)GPS文件內(nèi)GPS點(diǎn)記錄時(shí)間，得到與時(shí)間t最近的前后時(shí)刻點(diǎn)t1、t2，并記錄下對(duì)應(yīng)的GPS坐標(biāo)(lon1, lat1)和(lon2, lat2)。

由于視頻采集影像時(shí)，采集車在2 s內(nèi)基本保持勻速行駛，根據(jù)路程公式s=v×t和t1-t2＜2可知，在v相同下，可得：

1.3 路幅圖層要素自動(dòng)生成

交通要素圖層大多存在相關(guān)性，因此本文研究了路幅圖層要素的自動(dòng)生成方法，進(jìn)一步提高了交通設(shè)施內(nèi)業(yè)采集效率。城市道路是嚴(yán)格按照公路等級(jí)設(shè)計(jì)建成的，其路幅寬度是定值[11]，故本文可根據(jù)道路中心線的位置、中央隔離帶、車道數(shù)和路幅寬度等條件，采用緩沖區(qū)分析法自動(dòng)生成車道邊緣線、路幅等圖層。

緩沖區(qū)分析時(shí)，需將路幅寬度轉(zhuǎn)換到WGS84坐標(biāo)系。對(duì)于城市單條道路而言，其對(duì)應(yīng)的緯度變化較小，故本文利用緯度線平行圈弧長(zhǎng)公式將路幅實(shí)際寬度近似轉(zhuǎn)換到WGS84坐標(biāo)系。

式中，Rwidth為路幅寬度設(shè)計(jì)值，單位：m；l"為WGS84坐標(biāo)系下的路幅寬度值，單位：°；a、e分別為WGS84橢球的長(zhǎng)半軸和第二偏心率；B為待緩沖分析的道路中心線中心點(diǎn)的緯度；ρ"為測(cè)量的弧度表示參數(shù)，可由式（4）計(jì)算。

式中，b為WGS84橢球的短半軸。

生成車道邊緣線后，采用線轉(zhuǎn)面方法生成路幅面圖層，同時(shí)生成車道分界線圖層、路口導(dǎo)向線圖層和防護(hù)設(shè)施圖層等。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)設(shè)計(jì)是以前期需求為依據(jù)，采用系統(tǒng)原型進(jìn)行迭代開發(fā)而得到的。開發(fā)過程中，用戶可通過系統(tǒng)原型提出更準(zhǔn)確的系統(tǒng)需求，使系統(tǒng)設(shè)計(jì)更加合理、實(shí)用[12]。

2.1 開發(fā)環(huán)境

系統(tǒng)開發(fā)環(huán)境和開發(fā)工具分別為Windows 7、PostGIS2.2、Qt4.8.6、QGIS2.14組件開發(fā)包。Qt是一款C++圖形用戶界面應(yīng)用程序框架語言，具有靈活的面向?qū)ο蟮慕Y(jié)構(gòu)、清晰的文檔以及直觀的API，為開發(fā)跨平臺(tái)桌面應(yīng)用程序的人機(jī)交互界面提供了良好的支持。QGIS是一款基于Qt開發(fā)的桌面GIS軟件，幾乎實(shí)現(xiàn)了ArcGIS所有的地圖操作功能。對(duì)于開發(fā)者而言，可直接定制QGIS的源代碼，實(shí)現(xiàn)用戶需求的功能[13]。PostGIS是對(duì)象關(guān)系型數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)PostgreSQL的一個(gè)擴(kuò)展，支持所有空間數(shù)據(jù)類型和對(duì)象表達(dá)方法，同時(shí)提供了空間數(shù)據(jù)操作功能[14]。

2.2 系統(tǒng)邏輯結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)實(shí)行3層架構(gòu)，分別為數(shù)據(jù)層、功能層和用戶層。底層為數(shù)據(jù)層，主要包括高分辨率遙感影像、移動(dòng)測(cè)量車采集的視頻文件和交通設(shè)施數(shù)據(jù)庫等；中間層為功能層，是實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能的核心層，在數(shù)據(jù)層的支持下完成對(duì)空間圖形數(shù)據(jù)的采集工作，還可按照已定義好的屬性字段進(jìn)行屬性信息的錄入；上層為用戶層，主要負(fù)責(zé)在不同用戶同時(shí)修改相同數(shù)據(jù)時(shí)處理版本沖突，以及設(shè)置用戶享有系統(tǒng)提供的功能、信息和數(shù)據(jù)的權(quán)限。系統(tǒng)邏輯結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)邏輯結(jié)構(gòu)示意圖

2.3 系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

基于QGIS的交通設(shè)施采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思想為將地圖操作、矢量要素編輯、地圖制圖和屬性查詢等功能融入到交通設(shè)施采集中，通過GIS組件式開發(fā)技術(shù)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的功能設(shè)計(jì)，其功能模塊結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)功能模塊結(jié)構(gòu)示意圖

3 系統(tǒng)開發(fā)

3.1 數(shù)據(jù)準(zhǔn)備

系統(tǒng)以高分辨率遙感影像為基礎(chǔ)底圖數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)交通設(shè)施的準(zhǔn)確采集；同時(shí)，針對(duì)影像上部分道路標(biāo)志、標(biāo)線以及標(biāo)牌難以辨認(rèn)和獲取的問題，采用移動(dòng)測(cè)量車拍攝的視頻數(shù)據(jù)進(jìn)行輔助采集。兩種數(shù)據(jù)的結(jié)合應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了對(duì)合肥市高新區(qū)城市道路交通設(shè)施準(zhǔn)確、完整的采集。

3.1.1 高分辨率遙感影像

合肥市高新區(qū)高分辨率遙感影像由安徽省情報(bào)所提供，主要包括8 m多光譜影像和2 m全色影像。為了得到紋理更加清晰的數(shù)據(jù)采集影像底圖，系統(tǒng)采用了Gram-Schmidt方法[15]，實(shí)現(xiàn)了高分辨率全色影像與多光譜影像的融合。

3.1.2 視頻數(shù)據(jù)

為了解決視頻數(shù)據(jù)量大且內(nèi)容重復(fù)率高的問題，本文采用對(duì)原有視頻文件提取關(guān)鍵幀的方法。該方法在保證視頻播放連續(xù)性的前提下，實(shí)現(xiàn)了視頻文件的壓縮，能夠更好地提供地圖與視頻的聯(lián)動(dòng)，視頻處理界面如圖5所示。

圖5 視頻關(guān)鍵幀提取

3.2 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

1）主界面。系統(tǒng)界面按照人機(jī)交互友好、便利、簡(jiǎn)潔的要求設(shè)計(jì)，如圖6所示。界面上方為菜單和工具欄，主要包括地圖操作和視頻播放管理；左側(cè)為交通設(shè)施編輯工具與圖層控制器TOC，主要實(shí)現(xiàn)對(duì)GPS圖層、交通設(shè)施圖層和基礎(chǔ)圖層的管理；中間為地圖顯示窗口；右側(cè)為視頻播放器與屬性編輯窗口，點(diǎn)擊播放按鈕可實(shí)現(xiàn)地圖與視頻的聯(lián)動(dòng)；下方為屬性表，主要實(shí)現(xiàn)圖層要素的信息查詢。

2）數(shù)據(jù)采集功能。數(shù)據(jù)采集包括要素繪制和屬性錄入，是系統(tǒng)的核心。系統(tǒng)通過圖層編輯和繪制工具實(shí)現(xiàn)對(duì)空間要素的采集；同時(shí)通過在屬性編輯窗口輸入對(duì)應(yīng)圖層字段信息完成屬性數(shù)據(jù)的錄入和入庫。

圖6 系統(tǒng)主界面及采集功能示意圖

4 結(jié) 語

本文在詳細(xì)分析系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)、功能設(shè)計(jì)和數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，深入研究了該系統(tǒng)涉及的關(guān)鍵技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了以下難點(diǎn)：

1）結(jié)合國家標(biāo)準(zhǔn)和實(shí)際項(xiàng)目需求，建立了交通設(shè)施分類標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)庫的設(shè)計(jì)和相應(yīng)圖層的管理；

2）結(jié)合高分辨率遙感影像和視頻數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)了地圖與視頻的雙向聯(lián)動(dòng)；

3）在交通要素圖層相關(guān)性分析的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)了部分圖層的自動(dòng)生成。

該系統(tǒng)很大程度地提高了交通設(shè)施的采集效率，但卻未討論采集精度，將是今后研究的方向。

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