伍庭晨,謝 瀟,徐 坤,陳 磊,黃雅晴
(1.蘭州交通大學(xué),甘肅 蘭州 730071;2.中國(guó)科學(xué)院沈陽應(yīng)用生態(tài)研究所,遼寧省環(huán)境計(jì)算與可持續(xù)發(fā)展重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,遼寧 沈陽 110016;3.浙江中海達(dá)空間信息技術(shù)有限公司,浙江 湖州 313200)
隨著經(jīng)濟(jì)的高速、持續(xù)發(fā)展和城市化進(jìn)程的加快,單一的交通模式和簡(jiǎn)約的交通功能逐漸向集約化、綜合化轉(zhuǎn)變,形成大型或特大型城市綜合性復(fù)雜交通樞紐。作為區(qū)域內(nèi)各種動(dòng)、靜態(tài)交通流的交匯點(diǎn),在空間上高度集聚多種交通方式,是實(shí)現(xiàn)出行者“無縫銜接”換乘的載體[1-3]。
目前,基于二維底圖的交通樞紐平臺(tái)建設(shè)方案雖已成熟,在二維空間數(shù)據(jù)表達(dá)本身存在高程信息缺失、語義信息不足、空間關(guān)系粗略等局限,脫離了真實(shí)的室內(nèi)空間結(jié)構(gòu)及所在的立體空間位置,無法支撐樞紐復(fù)雜三維環(huán)境下的精細(xì)化管理、自動(dòng)導(dǎo)航、智能決策等出行需求[4-5]。與此同時(shí),安保工作一直是交通樞紐的基礎(chǔ)性、關(guān)鍵性任務(wù),但現(xiàn)有警務(wù)系統(tǒng)在“事件定位-信息發(fā)布-警力調(diào)度”的聯(lián)動(dòng)安防工作仍存在滯后性,其警力布置規(guī)劃也很難避免室內(nèi)盲區(qū)的產(chǎn)生,使警力調(diào)用的合理性和時(shí)效性降低,難以提供智能化指揮調(diào)度的支持[6]。
為此,本文針對(duì)提升城市交通出行保障能力、增強(qiáng)應(yīng)急響應(yīng)與資源調(diào)度效率等需求,整合區(qū)域重點(diǎn)公共管理與橫向部門現(xiàn)有的人臉、卡口、視頻等大數(shù)據(jù)資源,建設(shè)交通樞紐三維全景地圖與精準(zhǔn)定位基礎(chǔ)上的應(yīng)用服務(wù),形成“復(fù)雜交通樞紐實(shí)景三維一張圖”的全域智能管理新模式。在此基礎(chǔ)上,結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)多端口協(xié)同技術(shù),搭建民眾與警務(wù)人員之間的信息通道,最終實(shí)現(xiàn)高水平數(shù)字化與智能化協(xié)同的交通樞紐警務(wù)綜合管理平臺(tái)。
交通樞紐實(shí)景三維系統(tǒng)由業(yè)務(wù)層、服務(wù)層、數(shù)據(jù)層、基礎(chǔ)設(shè)施層、安全保障體系及標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范體系6部分組成,其總體架構(gòu)如圖1所示。系統(tǒng)采用B/S架構(gòu):前端開發(fā)采用Vue界面框架和JavaScript語言,數(shù)據(jù)庫采用MongoDB與PostgreSQL,后端開發(fā)采用Java語言。系統(tǒng)依托DT Builder、DT Server以及DT Globe進(jìn)行數(shù)據(jù)處理、服務(wù)發(fā)布以及三維可視化,能夠加載Tb級(jí)數(shù)據(jù)、支持多樣化設(shè)備終端,支持傾斜攝影、點(diǎn)云及影像等多源數(shù)據(jù)。
圖1 系統(tǒng)總體架構(gòu)圖
系統(tǒng)以現(xiàn)有二、三維空間信息數(shù)據(jù)庫資源為基礎(chǔ),支持對(duì)多源建筑要素?cái)?shù)據(jù)集成管理與展示,真實(shí)地還原交通樞紐站體的立體環(huán)境,實(shí)現(xiàn)全要素的三維展示和共享,方便決策者和用戶了解建設(shè)情況;同時(shí)實(shí)景三維模型作為基礎(chǔ)地理信息框架和定位參考“一模多用”可服務(wù)于各類交通樞紐管理部門[7]。
本方案以民生快進(jìn)快出和警務(wù)應(yīng)急響應(yīng)等應(yīng)用需求為目標(biāo),從“實(shí)景三維地圖建設(shè)-高精度定位-警民聯(lián)動(dòng)應(yīng)用”逐步構(gòu)建智慧警務(wù)一體化應(yīng)用平臺(tái):
(1)視覺語義增強(qiáng)的全域?qū)嵕叭S建模技術(shù)。針對(duì)綜合交通樞紐的全域空間數(shù)字化管理需求,采用三維可視化與多源數(shù)據(jù)融合方法,實(shí)現(xiàn)室內(nèi)外、地上地下一體化實(shí)景三維地圖,能夠兼顧全域場(chǎng)景下的視覺信息和語義表示;
(2)語義對(duì)象級(jí)融合的混合定位技術(shù)。采用多方混合的無線局域網(wǎng)定位系統(tǒng),包括藍(lán)牙、Wi-Fi及超寬帶(Ultra-Wide Band,UWB),重點(diǎn)利用實(shí)時(shí)語義立體匹配技術(shù)輔助室內(nèi)的精確定位,提高室內(nèi)定位的覆蓋度與準(zhǔn)確度,為三維實(shí)景導(dǎo)航與移動(dòng)警力調(diào)配提供支持;
(3)終端協(xié)同模式下的警民聯(lián)動(dòng)應(yīng)用架構(gòu)。聯(lián)合警務(wù)、政務(wù)以及民眾等應(yīng)用對(duì)象,構(gòu)建同步桌面端和移動(dòng)端兩端的三維實(shí)景模型綜合應(yīng)用,支撐全局綜合指揮與局部精準(zhǔn)處置的可視化協(xié)同決策。
國(guó)產(chǎn)化的采集裝備已能夠滿足實(shí)景三維建設(shè)的要求,包括傾斜攝影測(cè)量?jī)x、機(jī)載激光雷達(dá)等,同時(shí)有大量軟件支持城市模型的自動(dòng)化建模。然而,對(duì)于綜合型的交通樞紐建筑體表現(xiàn)的空間結(jié)構(gòu)之復(fù)雜、物體輪廓之細(xì)密、語義信息之繁多等特點(diǎn),單一的掃描數(shù)據(jù)與建模方法無法滿足從單體到全景的室內(nèi)外精細(xì)建模。
因此,本方案提出一種視覺語義增強(qiáng)的實(shí)景三維建模技術(shù),如圖2所示,其關(guān)鍵在于:
(1)視覺表達(dá)增強(qiáng)。結(jié)合CC集群建模、逆向建模,紋理貼合等多種建模技術(shù),高精度還原交通樞紐內(nèi)部與外部構(gòu)造輪廓,在此過程中,重點(diǎn)采用OSG三維渲染對(duì)三維空間及所含模型進(jìn)行裝配、渲染及優(yōu)化,進(jìn)一步引入全景圖像與三維模型融合,使模型觀感與原物體達(dá)到一致,從視覺表達(dá)上打破了虛擬和現(xiàn)實(shí)的邊界[8-9]。
(2)語義信息增強(qiáng)。匯集路網(wǎng)、警力警情及設(shè)備POI點(diǎn)信息,路網(wǎng)數(shù)據(jù)等多源異構(gòu)數(shù)據(jù),通過多源異構(gòu)數(shù)據(jù)時(shí)空一致性映射、特征精準(zhǔn)融合等核心技術(shù),建立位置精準(zhǔn)、基準(zhǔn)統(tǒng)一、屬性豐富的三維模型語義覆蓋網(wǎng)絡(luò),能夠更清晰地從虛擬模型上獲取多方位的真實(shí)信息。
所構(gòu)建的實(shí)景三維模型能夠讓大眾、安保以及管理人員等不同層次用戶直觀精準(zhǔn)的對(duì)復(fù)雜空間格局進(jìn)行感知與認(rèn)知,可為交通樞紐的全域智能管理提供空間地理信息大數(shù)據(jù)基礎(chǔ)支撐。
目標(biāo)的位置信息在室內(nèi)場(chǎng)景中有重要作用,包括定位管理、精確導(dǎo)航及視頻聯(lián)動(dòng)等功能應(yīng)用,相較于室外GPS衛(wèi)星快速定位,在室內(nèi)受到屋頂以及其他障礙物的遮擋導(dǎo)致信號(hào)容易產(chǎn)生波動(dòng),無法進(jìn)行連續(xù)的精確定位,表1為當(dāng)前常用的室內(nèi)定位技術(shù)。
表1 室內(nèi)定位技術(shù)對(duì)照表
室內(nèi)定位技術(shù)在簡(jiǎn)單的實(shí)驗(yàn)環(huán)境中,理論上可以達(dá)到米級(jí)甚至厘米級(jí)的精度,而在實(shí)際應(yīng)用中由于場(chǎng)景的復(fù)雜性,即跨層結(jié)構(gòu)、建筑空高、大型柱體等情況不一的空間遮擋,使得上述空間定位技術(shù)在復(fù)雜交通樞紐中,普遍存在信號(hào)大范圍缺失與漂移等問題,因此需要在合理控制施工和硬件成本的條件下對(duì)定位技術(shù)進(jìn)行優(yōu)化。本文基于三維室內(nèi)POI 專題場(chǎng)景對(duì)象(出入口、商鋪、車位等目標(biāo)或區(qū)域),提出一種面向虛擬模型與現(xiàn)實(shí)景象的實(shí)時(shí)語義立體匹配技術(shù),包括以下關(guān)鍵步驟:
(1)結(jié)合移動(dòng)攝像頭實(shí)時(shí)獲取的現(xiàn)實(shí)景象與構(gòu)建的室內(nèi)三維模型全局圖像,利用圖像特征點(diǎn)匹配、場(chǎng)景自動(dòng)識(shí)別、視覺信息反演等算法[13-14],判別現(xiàn)實(shí)對(duì)象(路牌、電梯、商標(biāo)等標(biāo)志性建筑)與三維模型的一致程度,實(shí)現(xiàn)視覺對(duì)象語義約束的幾何定位[15](圖3a)。
圖3 語義對(duì)象級(jí)融合的混合定位示例圖
(2)結(jié)合三維POI對(duì)象語義信息與室內(nèi)路網(wǎng)數(shù)據(jù),利用空間模型的幾何量測(cè)算法判斷定位所在位置與目標(biāo)對(duì)象間的現(xiàn)實(shí)方向與距離,在場(chǎng)景展示中表現(xiàn)語義提示信息,使相對(duì)位置更精準(zhǔn),導(dǎo)航傾向性更明確(圖3b)。
通過室內(nèi)對(duì)象語義輔助的高精度混合定位能夠在大空間范圍內(nèi)獲取人或物的準(zhǔn)確位置信息,用于人員跟蹤、客流分析、警力響應(yīng)及資源調(diào)配等延展應(yīng)用。
終端協(xié)同(Multi-terminal Cooperation)是指在網(wǎng)絡(luò)控制下,多個(gè)終端有組織地聚合形成支持豐富業(yè)務(wù)內(nèi)容的協(xié)同系統(tǒng),能夠突破單一網(wǎng)絡(luò)的限制,實(shí)現(xiàn)更加高效的業(yè)務(wù)傳輸[16-17]。本方案利用此系統(tǒng)模式提出基于實(shí)景三維電子沙盤的警民聯(lián)動(dòng)應(yīng)用架構(gòu),如圖4所示,包括以下內(nèi)容:
圖4 終端協(xié)同模式設(shè)計(jì)原理圖
(1)桌面端應(yīng)用,主要服務(wù)于公安。其中,信息追蹤包括人員實(shí)時(shí)定位、人員實(shí)時(shí)軌跡、定位人查詢以及警務(wù)資源可視化;警情互通包括視頻聯(lián)動(dòng)、IP廣播聯(lián)動(dòng)、雙向報(bào)警、警力資源調(diào)度等;應(yīng)用管理包括人員管理、設(shè)備管理和后臺(tái)管理等。
(2)移動(dòng)端應(yīng)用,同時(shí)服務(wù)于公安和民眾。其中,警情上報(bào)為民眾提供即時(shí)的緊急報(bào)警途徑,精準(zhǔn)管控用于支撐警員獲取報(bào)警人位置和警情信息,同時(shí)以共享形式發(fā)給相應(yīng)片區(qū)管理人員,并實(shí)現(xiàn)報(bào)警人后續(xù)移動(dòng)位置追蹤;應(yīng)用交互包括室內(nèi)外導(dǎo)航、虛擬漫游及乘車引導(dǎo)等出行服務(wù)。
上述應(yīng)用構(gòu)架通過連接終端建立公安與民眾之間的信息通道,保證服務(wù)端全局綜合指揮與移動(dòng)端局部精準(zhǔn)處置協(xié)同的可視化決策,大幅提升了交通樞紐指揮中心與公安警力的風(fēng)險(xiǎn)管控能力。
杭州東站是中國(guó)大型鐵路樞紐站之一,作為一個(gè)結(jié)構(gòu)復(fù)雜的大型室內(nèi)外綜合體[18],東站樞紐一直是公安警力在線建設(shè)的重點(diǎn)區(qū)域,在人流量巨大,應(yīng)急響應(yīng)速度要求高,且警力布置有限的情況下,缺乏基于三維環(huán)境下的警力布置規(guī)劃,很難避免監(jiān)控盲區(qū)的產(chǎn)生,導(dǎo)致人員出行與警力調(diào)用的合理性與時(shí)效性降低。
通過本文中的關(guān)鍵技術(shù)與系統(tǒng)總體架構(gòu),搭建杭州東站警民分用實(shí)景三維平臺(tái),如圖5所示,包括以下主要內(nèi)容:
圖5 復(fù)雜交通樞紐系統(tǒng)數(shù)據(jù)體系構(gòu)成、應(yīng)用形式及示范
(1)構(gòu)建杭州東站全域?qū)嵕叭S一張圖,通過對(duì)多源數(shù)據(jù)集成的室內(nèi)結(jié)構(gòu)的高精度建模,并融入傳感器數(shù)據(jù)(人臉、卡口和視頻等)及專題數(shù)據(jù)(POI及路網(wǎng)數(shù)據(jù)等)實(shí)現(xiàn)杭州東站室內(nèi)外一體化實(shí)景三維地圖制作。
(2)混合布局定位技術(shù)與位置信息應(yīng)用,通過GPS、藍(lán)牙等多種定位信號(hào)同步傳輸實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的初步采集;隨后對(duì)海量定位數(shù)據(jù)進(jìn)行去噪后再通過協(xié)調(diào)過濾篩選出準(zhǔn)確數(shù)據(jù);進(jìn)一步通過場(chǎng)景的實(shí)時(shí)切換實(shí)現(xiàn)室內(nèi)外定位多精度無縫切換,最終完成警力資源實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)定位表達(dá)等應(yīng)用。
(3)設(shè)計(jì)警民聯(lián)動(dòng)治安防控功能體系,構(gòu)建桌面端和移動(dòng)端兩端應(yīng)用,其中桌面端應(yīng)用主要面向警務(wù)管理與調(diào)度,移動(dòng)端應(yīng)用則面向民眾個(gè)體與警務(wù)人員,分別實(shí)現(xiàn)導(dǎo)航、報(bào)警及信息共享等警情聯(lián)動(dòng)功能。
由于系統(tǒng)中各模塊的可復(fù)用性較高,能夠?qū)⒑贾輺|站平臺(tái)的構(gòu)建流程遷移至蕭山機(jī)場(chǎng)中,實(shí)現(xiàn)高水平數(shù)字化與智能化協(xié)同的交通樞紐警務(wù)綜合管理平臺(tái);在此過程中,采用視覺語義增強(qiáng)技術(shù)的實(shí)景模型更加具備真實(shí)感,在視覺上給平臺(tái)用戶帶來沉浸式體驗(yàn)。
隨著智慧出行服務(wù)從室外延伸至室內(nèi),重要交通樞紐的平臺(tái)建設(shè)已成為未來城市數(shù)字化改革不可或缺的一環(huán),在復(fù)雜立體空間中實(shí)施精細(xì)結(jié)構(gòu)化的三維實(shí)景解決方案是建設(shè)高水平智能化交通樞紐的必然要求。本文關(guān)鍵技術(shù)的研究和平臺(tái)的設(shè)計(jì),支持直觀、精細(xì)的三維實(shí)景模型和高精度、穩(wěn)定的人員定位,打造了虛擬環(huán)境下的“數(shù)字孿生樞紐”,為復(fù)雜交通樞紐智能化管理提供了立體可視化管控新模式。特別是將商鋪、地鐵、停車場(chǎng)、監(jiān)控設(shè)備、進(jìn)出卡口等跨部門跨領(lǐng)域信息和實(shí)景三維一張圖進(jìn)行了語義對(duì)象級(jí)融合,為精細(xì)化業(yè)務(wù)管理和民眾的快捷指向性出行需求提供了有效支撐。此外,依托路地警務(wù)融合與室內(nèi)外精確定位實(shí)現(xiàn)指揮中心、公安、交警等部門的一體化指揮聯(lián)動(dòng),特別與民眾實(shí)行信息互通、協(xié)同作戰(zhàn),實(shí)現(xiàn)警情的快速響應(yīng)與快速處置,對(duì)于推動(dòng)“智慧安防”建設(shè)起到積極的促進(jìn)作用。