盧緒鵬、姚蕾、康峰沂、劉桂真

（1.貴州寬凳智云科技有限公司，貴州貴陽550025；2.南通市公路事業(yè)發(fā)展中心，江蘇南通226007）

0 引言

20世紀(jì)80年代末期，中國開始大規(guī)模建設(shè)公路網(wǎng)絡(luò)，大量公路建成并通車運(yùn)營。隨著我國經(jīng)濟(jì)的進(jìn)一步發(fā)展，以及公路基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的推進(jìn)，國內(nèi)公路網(wǎng)絡(luò)已基本形成。

當(dāng)前，公路養(yǎng)護(hù)工作日益繁重，引入高科技與信息化的建設(shè)數(shù)字化技術(shù)勢(shì)在必行。公路檢測(cè)及養(yǎng)護(hù)是保證公路安全運(yùn)行的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，其重要性不言而喻，利用創(chuàng)新技術(shù)開展公路檢測(cè)工作，能夠有效提升公路檢測(cè)效果，也能為公路管理部門制定相關(guān)養(yǎng)護(hù)決策提供更準(zhǔn)確的依據(jù)，進(jìn)而更好地提升公路養(yǎng)護(hù)質(zhì)量。

1 綜述

1.1 研究的目的和意義

公路資產(chǎn)是指依照《中華人民共和國公路法》納入交通、公路部門管理的四級(jí)以上的國道、省道、縣道和鄉(xiāng)道，包括公路橋梁、公路道口和公路服務(wù)區(qū)等，其是交通資產(chǎn)的重要組成部分[1]。目前，我國公路資產(chǎn)數(shù)據(jù)的采集方式大多為人工方式，對(duì)于里程較長及資產(chǎn)維度較大的公路資產(chǎn)，難以實(shí)現(xiàn)精細(xì)測(cè)量；公路資產(chǎn)原始數(shù)據(jù)的獲取主要是通過人工臺(tái)賬和紙質(zhì)表單的方式，尚未實(shí)現(xiàn)數(shù)字化管理；人工數(shù)據(jù)采集效率低、勞動(dòng)強(qiáng)度大；人工采集、存儲(chǔ)公路病害和公路資產(chǎn)數(shù)據(jù)，容易存在主觀性。

隨著我國市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)體制的逐步深化，各種管理制度、管理方法及管理技術(shù)不斷改進(jìn)和完善，我國公路資產(chǎn)管理理論和實(shí)踐工作水平正在不斷提高。研究新技術(shù)和現(xiàn)代數(shù)字化管理方法，加速數(shù)字化管理進(jìn)程，借助創(chuàng)新技術(shù)開展公路檢測(cè)工作，同時(shí)結(jié)合高精地圖搭建易操作的可視化平臺(tái)，能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)化、精細(xì)化、多類型、高準(zhǔn)確率、全覆蓋式的路面狀況檢測(cè)與公路資產(chǎn)狀況盤點(diǎn)，有效降低檢測(cè)綜合成本、提升采集數(shù)據(jù)的應(yīng)用價(jià)值、提高資產(chǎn)數(shù)據(jù)采集效率，進(jìn)而更好地助力公路部門高效制定養(yǎng)護(hù)決策。

1.2 擬解決的關(guān)鍵問題

1.2.1 數(shù)據(jù)豐富度和準(zhǔn)確性不足問題

傳統(tǒng)的公路檢測(cè)結(jié)果采用報(bào)告文檔的形式交付，通常采用文本列表的方式羅列檢測(cè)結(jié)果，呈現(xiàn)方式單一且缺少必要的輔助信息，無法呈現(xiàn)空間位置信息和精細(xì)化的測(cè)量數(shù)據(jù)[2]。同時(shí)，檢測(cè)過程中的模型及參數(shù)缺少深入驗(yàn)證，存在資產(chǎn)和病害被漏檢或錯(cuò)檢的現(xiàn)象，使得公路管理部門進(jìn)行養(yǎng)護(hù)規(guī)劃決策時(shí)可用信息不足，執(zhí)行養(yǎng)護(hù)任務(wù)前需重復(fù)評(píng)估和勘測(cè)。

而高精度測(cè)量技術(shù)可以提升數(shù)據(jù)的豐富度及模型的準(zhǔn)確性，能夠呈現(xiàn)精準(zhǔn)的空間位置信息和數(shù)據(jù)信息，可更好地為公路管理部門的精細(xì)化管理和養(yǎng)護(hù)決策提供數(shù)據(jù)支撐。

1.2.2 檢測(cè)自動(dòng)化程度低、對(duì)人工采集的依賴性問題

傳統(tǒng)的自動(dòng)化路面檢測(cè)方法采用專業(yè)檢測(cè)車輛，需專業(yè)人員進(jìn)行采集，存在檢測(cè)費(fèi)用高昂、操作門檻高、數(shù)據(jù)難核查等問題[3]。公路管理和養(yǎng)護(hù)部門通常只對(duì)部分路段進(jìn)行抽樣檢測(cè)，檢測(cè)范圍通常僅覆蓋特定路段中的某一條車道，導(dǎo)致數(shù)據(jù)采集范圍非常局限，既難以有效地對(duì)全盤路況進(jìn)行摸底和統(tǒng)計(jì)，又對(duì)檢測(cè)人員的專業(yè)性提出了過高的要求。而當(dāng)前公路管理部門普遍存在專業(yè)型技術(shù)人員不足的問題，大部分公路養(yǎng)護(hù)基層單位長期采用人工密集型操作模式，公路沿線資產(chǎn)盤點(diǎn)統(tǒng)計(jì)、損壞檢查等相關(guān)工作，目前尚缺乏成熟的自動(dòng)化方案。

1.2.3 數(shù)據(jù)分散、標(biāo)準(zhǔn)不一問題

公路管理系統(tǒng)內(nèi)，尚未在不同類型數(shù)據(jù)之間建立關(guān)聯(lián)，存在數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一、無法實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)融合與共享等問題[4]。如路面檢測(cè)數(shù)據(jù)、公路建設(shè)數(shù)據(jù)、公路沿線設(shè)施數(shù)據(jù)等無法融合使用。而高精度測(cè)量技術(shù)能幫助公路管理部門對(duì)接養(yǎng)護(hù)決策及公路資產(chǎn)管理綜合數(shù)據(jù)平臺(tái)，統(tǒng)一數(shù)據(jù)格式，消除數(shù)據(jù)壁壘，實(shí)現(xiàn)多業(yè)務(wù)一站式管理，充分挖掘數(shù)據(jù)的應(yīng)用價(jià)值。

1.3 實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)及社會(huì)價(jià)值

高精度測(cè)量技術(shù)的應(yīng)用能夠?qū)崿F(xiàn)三大經(jīng)濟(jì)價(jià)值[5]。一是可提高對(duì)公路資產(chǎn)的巡查效率和盤點(diǎn)準(zhǔn)確度，有效降低資產(chǎn)巡查和維護(hù)的人力成本；二是可提高病害管理效率，提高路況管理質(zhì)量，降低檢測(cè)成本；三是可提高基礎(chǔ)設(shè)施養(yǎng)護(hù)決策效率，基于精準(zhǔn)的資產(chǎn)庫，將有限的財(cái)政資金投入關(guān)鍵的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)和維護(hù)領(lǐng)域，進(jìn)一步提高公路管理水平。

除經(jīng)濟(jì)價(jià)值外，高精度測(cè)量技術(shù)還具有很大的社會(huì)價(jià)值，有利于提高路網(wǎng)的通行質(zhì)量和通行效率，節(jié)約社會(huì)通行時(shí)間，減少安全隱患，降低公路外部成本。同時(shí)，打造相關(guān)示范工程，并推廣到其他省市，有利于加速我國公路數(shù)字化發(fā)展進(jìn)程。

2 研究內(nèi)容

2.1 高精度測(cè)量技術(shù)的特征

2.1.1 設(shè)備測(cè)量精度高

該研究創(chuàng)新性地提出基于三維重建的公路病害檢測(cè)與識(shí)別技術(shù)。一方面基于便攜式的采集設(shè)備，多相機(jī)立體地、高頻地采集高清地面圖像，另一方面基于三維重建和高精地圖技術(shù)，對(duì)采集到的地面信息進(jìn)行精準(zhǔn)的三維重建，準(zhǔn)確地還原地面的三維空間結(jié)構(gòu)。另外，基于一種傳感器設(shè)備，既可以得到高清圖像信息，也可以得到三維點(diǎn)云信息；既包括圖像豐富的紋理信息，也包括高精度的空間信息，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)車道級(jí)的公路資產(chǎn)可視化和精準(zhǔn)的位置表達(dá)。

2.1.2 自動(dòng)化程度高

數(shù)字化測(cè)繪技術(shù)的計(jì)算、識(shí)別、連接等都是在計(jì)算機(jī)上自動(dòng)完成的，且調(diào)試圖標(biāo)、符號(hào)值時(shí)使用的均是自動(dòng)處理的相關(guān)功效，由此可實(shí)現(xiàn)對(duì)地形圖的測(cè)繪，地形圖的內(nèi)容相對(duì)豐富，且很少出錯(cuò)[6]。此外，數(shù)字測(cè)圖可自動(dòng)提取測(cè)量信息。

2.1.3 豐富圖形屬性信息

數(shù)字技術(shù)不僅能夠測(cè)量點(diǎn)的坐標(biāo)，還可明確所測(cè)點(diǎn)的屬性，并且在測(cè)量之時(shí)，能夠客觀記錄測(cè)量點(diǎn)的連接信息及編碼，因而在形成地圖之時(shí)，只需輸入編碼，就可在圖庫中將所需要的測(cè)繪圖調(diào)出來，使用起來十分便利。

2.2 公路檢測(cè)中高精度測(cè)量技術(shù)的應(yīng)用

在車載移動(dòng)測(cè)量采集系統(tǒng)中，實(shí)時(shí)及同步傳感數(shù)據(jù)的獲取，是一個(gè)最重要且需要首先解決的問題。一方面由于車輛在線動(dòng)態(tài)運(yùn)行，這就要求實(shí)時(shí)獲取數(shù)據(jù)；另一方面由于存在多種不同的傳感器，需要數(shù)據(jù)具有嚴(yán)格的同步及空間對(duì)應(yīng)關(guān)系。

多傳感器信息時(shí)空同步技術(shù)能在分析GPS、IMU、相機(jī)、激光雷達(dá)各傳感器自身的時(shí)間特性及坐標(biāo)系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，確定基準(zhǔn)時(shí)間系統(tǒng)和基準(zhǔn)坐標(biāo)系統(tǒng)，進(jìn)而在各傳感器自身時(shí)間系統(tǒng)與基準(zhǔn)時(shí)間系統(tǒng)之間建立聯(lián)系。之后可應(yīng)用三維結(jié)構(gòu)模型分析，理論推導(dǎo)出各傳感器坐標(biāo)系統(tǒng)與基準(zhǔn)坐標(biāo)系統(tǒng)之間的數(shù)學(xué)轉(zhuǎn)換矩陣，設(shè)計(jì)給出實(shí)現(xiàn)空間同步的合理數(shù)學(xué)算法模型，再通過實(shí)際測(cè)試數(shù)據(jù)，迭代驗(yàn)證上述技術(shù)方法的正確性[7]。

2.2.1 DGPS/INS組合導(dǎo)航高精度定位定姿技術(shù)

DGPS擬采用高性能GPS/GLONASS/BD三合一衛(wèi)星接收機(jī)，基于衛(wèi)星差分原理，消除衛(wèi)星傳播誤差、鐘差、軌道誤差等誤差因素，進(jìn)而獲取高精度絕對(duì)位置信息，但衛(wèi)星信號(hào)有可能受到遮擋、干擾等影響，會(huì)出現(xiàn)失鎖現(xiàn)象[8]。因而，DGPS/INS組合導(dǎo)航技術(shù)方案擬采用緊密組合工作方式，如此可充分發(fā)揮兩者優(yōu)勢(shì)，以GPS碼觀測(cè)信息、相位觀測(cè)信息、多普勒觀測(cè)信息等作為觀測(cè)量，結(jié)合自適應(yīng)卡爾曼濾波器算法，實(shí)現(xiàn)對(duì)導(dǎo)航誤差的估計(jì)及閉環(huán)校正，輸出持續(xù)穩(wěn)定的定位定姿數(shù)據(jù)。針對(duì)車載移動(dòng)測(cè)量應(yīng)用，DGPS/INS組合導(dǎo)航高精度定位定姿技術(shù)首先研究慣性導(dǎo)航單元、DGPS的誤差特性并建立慣性導(dǎo)航、前后向校準(zhǔn)、GPS衛(wèi)星差分計(jì)算等數(shù)學(xué)算法模型，在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)合理的自適應(yīng)卡爾曼濾波算法模型，并研究前后向?yàn)V波、RTS濾波等后處理算法，以進(jìn)一步提高數(shù)據(jù)處理精度。

2.2.2 多傳感器一體化高精度標(biāo)定技術(shù)

多傳感器一體化標(biāo)定，擬采用系統(tǒng)整體標(biāo)定的技術(shù)路線。

其一，擬通過設(shè)定控制點(diǎn)、布局合理的標(biāo)志物等，建立絕對(duì)精度可信、特征識(shí)別鮮明的標(biāo)定場(chǎng)。

其二，利用采集設(shè)備獲取的視覺圖像或雷達(dá)點(diǎn)云圖識(shí)別獲得標(biāo)定場(chǎng)特征信息，并解算相應(yīng)的測(cè)量數(shù)據(jù)。

其三，通過數(shù)學(xué)運(yùn)算的方法，利用已知的特征點(diǎn)信息和數(shù)據(jù)，獲得相機(jī)傳感器內(nèi)外參、激光雷達(dá)內(nèi)外參等各標(biāo)定參數(shù)。

2.2.3 高精度測(cè)量數(shù)據(jù)渲染和可視化技術(shù)

獲取到高精度測(cè)量數(shù)據(jù)后，為更好地發(fā)揮數(shù)據(jù)在公路檢測(cè)和養(yǎng)護(hù)管理工作中的價(jià)值，需要對(duì)高精數(shù)據(jù)進(jìn)行渲染和可視化呈現(xiàn)。

高精數(shù)據(jù)渲染：高精數(shù)據(jù)渲染包括兩個(gè)方面，即高精數(shù)據(jù)反投與海量數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。高精數(shù)據(jù)反投：高精數(shù)據(jù)視頻反投依賴于軌跡點(diǎn)精確的POS信息、相機(jī)參數(shù)及該位置的圖像。海量數(shù)據(jù)存儲(chǔ)：高精數(shù)據(jù)制作需要采集海量的地圖數(shù)據(jù)，建立存儲(chǔ)集群用于存儲(chǔ)，還依賴于海量的非結(jié)構(gòu)化圖像的存儲(chǔ)和快速檢索。

公路三維可視化與數(shù)字地球：數(shù)字地球是一個(gè)無縫覆蓋全球的地球信息模型，其能夠?qū)⒎稚⒌男畔凑盏乩碜鴺?biāo)形式組織起來，既能體現(xiàn)出地球上各種信息的內(nèi)在有機(jī)聯(lián)系，又便于按照地理坐標(biāo)進(jìn)行檢索和利用。數(shù)字地球是信息化的地球，它包括全部地球資料的數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化和可視化的過程。其核心思想是利用數(shù)字化手段整體性地解決地球問題，并最大限度地利用信息資源。數(shù)字地球是一個(gè)從數(shù)字化、數(shù)據(jù)建模、系統(tǒng)仿真、決策支持一直到虛擬現(xiàn)實(shí)的開放、復(fù)雜的巨大系統(tǒng)，是一個(gè)全球綜合信息的數(shù)據(jù)系統(tǒng)工程。在數(shù)字地球平臺(tái)上，利用高精地圖的精準(zhǔn)三維數(shù)據(jù)和計(jì)算機(jī)圖形技術(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)公路三維可視化。

2.2.4 圖像識(shí)別和測(cè)量技術(shù)

目標(biāo)識(shí)別與定位：目標(biāo)識(shí)別與定位是實(shí)現(xiàn)精細(xì)化測(cè)量與公路損壞程度判斷的基礎(chǔ)，主要是在原始圖像上準(zhǔn)確定位，并對(duì)所識(shí)別的目標(biāo)進(jìn)行精準(zhǔn)分類[9]。在圖像識(shí)別領(lǐng)域，實(shí)現(xiàn)目標(biāo)識(shí)別與定位功能的技術(shù)是目標(biāo)檢測(cè)，主要為多尺度目標(biāo)檢測(cè)，通過對(duì)連續(xù)圖像上目標(biāo)的穩(wěn)定檢測(cè)及精準(zhǔn)定位，輸出目標(biāo)的對(duì)應(yīng)坐標(biāo)，再通過多類別分類算法，對(duì)檢測(cè)到的各類目標(biāo)進(jìn)行準(zhǔn)確分類。

目標(biāo)精細(xì)提?。耗繕?biāo)精細(xì)提取是對(duì)目標(biāo)進(jìn)行精準(zhǔn)測(cè)量的必要環(huán)節(jié)，主要是針對(duì)檢測(cè)出來的目標(biāo)，進(jìn)一步提取目標(biāo)的像素信息。以裂縫病害為例，已經(jīng)從圖片中定位了裂縫范圍，可以通過目標(biāo)精細(xì)提取，得到描述裂縫的具體像素信息。在圖像識(shí)別領(lǐng)域，精細(xì)提取像素信息的技術(shù)是圖像語義分割，該技術(shù)能夠賦予每一個(gè)像素一個(gè)指定的類別。公路病害包括有病害和無病害兩種，為精確提取目標(biāo)的像素信息，則需要借助圖像語義分割技術(shù)。

目標(biāo)精準(zhǔn)測(cè)量：對(duì)公路資產(chǎn)與病害的精準(zhǔn)測(cè)量是在視覺提取出目標(biāo)信息的基礎(chǔ)上，對(duì)目標(biāo)進(jìn)行大小測(cè)量，并最終對(duì)目標(biāo)分類、定級(jí)。對(duì)目標(biāo)大小進(jìn)行精準(zhǔn)測(cè)量，是對(duì)目標(biāo)進(jìn)行定級(jí)的基礎(chǔ)[10]。由于采用視覺與激光相結(jié)合的檢測(cè)方案，因此既需要研究基于視覺的測(cè)量方案，也需要研究基于激光的測(cè)量方案；同時(shí)，為最大化地保證測(cè)量精度，需要研究二者結(jié)合的測(cè)量方案。由于目標(biāo)大小、形態(tài)、對(duì)精度的要求各異，因此需要研究針對(duì)不同病害的具體測(cè)量方案。

3 結(jié)語

利用高精度測(cè)量技術(shù)能高效地對(duì)公路數(shù)據(jù)進(jìn)行采集與處理，并能根據(jù)選定的數(shù)據(jù)范圍全自動(dòng)生成指定的數(shù)據(jù)規(guī)格，既能生成全量數(shù)據(jù)包，也可以生成不同版本之間的增量數(shù)據(jù)包，方便數(shù)據(jù)發(fā)布，可實(shí)現(xiàn)全要素?cái)?shù)據(jù)質(zhì)量檢查和數(shù)據(jù)評(píng)估功能，能夠有效保證數(shù)據(jù)規(guī)格一致性、數(shù)據(jù)屬性一致性、數(shù)據(jù)拓?fù)渫暾缘?。公路資產(chǎn)管理和數(shù)字化養(yǎng)護(hù)對(duì)高精度公路數(shù)據(jù)的需求日益提高，相關(guān)部門積極引入高精度測(cè)量技術(shù)既能實(shí)現(xiàn)數(shù)字化公路資產(chǎn)管理和公路養(yǎng)護(hù)，也能加速數(shù)據(jù)統(tǒng)一進(jìn)程、推進(jìn)數(shù)據(jù)融合與共享。