三维GIS在高速公路监控管理中的应用

李伟

摘要：高速公路建设于我国现代化建设进程意义重大，高速公路的发展不仅仅是为了满足社会经济发展需要，也在一定程度上标志着是时代进步和人类文明发展的程度。在交通建设迅猛发展的大背景下，高速公路的规划和管理越发重要。然而，目前我国高速公路信息主要流于二维层面，对交通道路、设施、车辆等元素的展现尚且停留在二维效果图的制作上，但是高速公路的许多管理数据（诸如路段基础设施、机电设备、车流量、路况等）之间的关系都是相对孤立的。因此，如何完成高速公路的三维建模，并集成其各类信息，从而构建出数字高速公路信息平台的整体框架，使之服务于高速公路乃至交通建设的规划与管理是当前高速公路信息化建设的新目标和方向。本文从高速公路监控管理的业务需要出发，结合目前国内高速公路机电系统工程建设及管理现状，对基于三维GIS的监控管理系统结构、功能设计和数据组织等进行研究。

关键词： 高速公路、监控系统、三维监控、GIS

中图分类号： TP391 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2015）06（b）-0000-00

目前国内高速公路领域已经大量使用了地理信息系统（Geographic Information Systerm，简称 GIS）相关技术，但基本上都是围绕传统的二维GIS地图定制一些简单的应用，功能上比较单一，对各类信息、设备的展示和控制还停留在二维模拟显示的层面，对相应的空间数据没有进行有效的使用。

传统二维GIS多是在十多年前甚至更早的技术体系基础上设计和开发出来的，这在一定程度上限制了地图监控软件的进一步发展和应用。计算机技术和全球信息技术的飞速发展，特别是面向对象（Object-Oriented）、可视化程序设计、组件式软件（Components Software）、分布式计算（Distributed Computing）、多媒体（Multimedia）和 Internet/Intranet 等技术的出现和应用，对GIS应用提出了新的技术要求， 基于地图的监控软件发展到一个全新的阶段，这也为我们的监控系统的发展提升提供了一个新的舞台。

在现代计算机图形学的重要成果基础上形成和发展的三维及虚拟现实技术，已可完成很多以往不能完成的事情。近年来，三维的软硬件技术方面发展极为迅速，其成本不断降低，显卡计算能力甚至出现了富余，显卡厂商出于利用强大的处理能力为通用计算发挥作用的考虑，提出了GPU （Graphic Processor Unit）的实现。地理信息是用来描述空间，而采用三维方式进行描述显然更为进步，因而，引入三维技术可使地图监控信息技术的发展增添强大的活力。目前三维GIS的发展正处在一个重要时期。现有三维技术已能较好地解决全球尺度“三维可视化”问题，但随着应用的深入，则要求三维GIS能够用于管理，即在地理空间内置规律的探索和实际业务系统的决策支持上有用武之地，而这都需要有更深的视角和新的思路以考虑地图监控系统的发展。

2、业务需求

高速公路交通监控系统一般采用监控中心、外场设施的结构形式。其中，监控计算机网络包括数据管理服务器、交通控制工作站、打印机、监视器等相关设备安装在监控中心；该子系统的外场设施：微波车辆检测器、气象检测器（能见度检测）、一氧化碳检测器、通过率检测器、风速风向检测仪、亮度检测器、火灾探测器、消防水池液位检测器、紧急电话、视频摄像机、各种可变信息标志等安装在道路沿线、隧道、服务区和收费站出、入口等处，共同完成和实现交通信息采集、控制与诱导、信息发布、事故预防等功能。

1、交通信息采集

所谓交通信息一般包括交通数据（车速、占有率、车头时距等）、收费站口拥堵情况、养护施工信息、突发事件、道路运行状况、视频图像、隧道内环境信息、恶劣气象及相关路段和路网信息等方面。

2、 交通信息处理

交通信息处理主要是利用设置在道路沿线、隧道内外、互通立交两侧及出、入口处的各种类型的信息采集设备、可变信息标志，构建数据分析、交通控制与诱导体系，用于预防道路拥阻及疏导交通，给道路使用者和管理者提供各种交通信息，以保证道路安全、畅通。

3、交通信息发布

采用数字化、网络化、智能化技术，以互动友好的方式，及时为道路使用者和管理者提供准确的道路、路况、沿线交通信息以及风情、旅游信息等。系统通过多层次、多渠道、多种发布设施，利用监控中心计算机系统、数字大屏幕系统及在道路沿线设置的各类可变信息标志、显示设备实现交通、气象及路网的实时更新和发布。

3、三维监控

3.1系统功能

三维交通监控地理信息系统综合了交通信息获取、分析，进而对道路交通进行直接或间接优化、控制、指挥的功能。相对于一般的二维监控系统，三维交通监控地理信息系统更突出交通地理信息，与交通辅助控制的融合更为深刻，既显示出以交通地理信息为基础的地理信息系统的优势，也集中表现出以交通监控为基础的交通控制管理系统的各种功能。各个子系统既有很强的独立性或功能倾向性，又全面互连。系统将平面地图与三维地图紧密地结合起来，实现平面地图与三维虚拟场景的同步定位显示和适时导航，更加直观的展现全路段道路监控的风采。

图 3.1三维道路及设施图

图 3.2三维隧道及设施图

3.2系统特色

三维基本操作：通过对三维地图空间的大小操作、垂直旋转，三维场景的升降来帮助实现用户浏览虚拟道路场景，给用户以视觉冲击；通过平面地图与三维立体空间的切换，可使用户有全新的视觉体验。

三维飞行浏览：通过系统设置的飞行路线（也可由用户自定义），使用飞行控制工具进行飞行操作，能从不同视角、方位，结合平面地图，全方位浏览三维道路场景，仿若置身其中，有助于用户熟悉道路环境。

三维实时导航和三维定位：空间信息查询、路径导航优化。可在三维图上实时显示出搜寻结果，与平面地图相印证，实现二者的同步对应；可以路线动态导航形式显示路径结果，二维平面图与三维空间同时模拟路径，适应不要需要。

场景气象仿真：根据采集到的气象数据，对场景内进行粒子仿真，比如雨、雾、冰、雪等气象环境的仿真。以及火灾、维护、事故事件处理等的三维方式体现。

二三维一体化：系统以二维矢量、二维影像以及三维场景三种表现方式进行数据的展现，并可以以二三维一体化的形式在三维球体上展现数字、数据以及图形分析结果等展现数据。

三维地图指北针自动辨别方向：根据平面地图和三维地图的方位适时准确的显示正确的方向，特别是在三维地图模拟最优路径的行走路线和三维飞行浏览时，能够准确的自动辨别方位并显示出来，且保证三维地图场景始终向前移动。

三维道路设施模拟：通过在三维场景进行设备建模，通过模型的附加属性感知采集外场数据，实现设备在三维场景中的实时监控，更好地实现展示与互动。

3.3体系结构

三维交通监控地理信息系统的建设依赖于高速公路沿线道路交通、行政区划、管理机构、外场设备、服务设施、收费设施、路政设施、养护设施等的属性和空间信息，此高速公路基础设施信息库及实时采集信息，经过各业务模块专业引擎进行针对性的数据处理分析，最终可为监控、养护、路政等业务部门提供服务支撑平台。高速公路道路使用者和管理者可使用不同的业务终端通过统一的接入平台访问交通信息服务，接入平台将根据不同的用户类型及使用权限为各类用户提供专属信息，系统的体系结构如图（3-4）所示：

图 3.3 体系结构图

4、结语

通过研究三维GIS交通监控系统的技术应用及其与二维监控系统的比较可以发现三维GIS交通监控系统能够增强高速公路交通监控系统的用户体验、提高事故事件监视及处理的准确性、提高应急指挥管理的时效性，最终将能体现更好的社会效益。

综上所述，三维GIS监控管理系统将成为智能交通系统组成中不可或缺的部分；它是提高高速公路监管水平，实现高速公路行车高效、安全、舒适，提高管理部门工作效率的必要方法。大力推广并应用高速公路三维监控系统，对于改善高速公路的交通状态、促进附加产业发展都有着非凡的意义，不管从经济层面还是从社会生活层面都有其必要性。本文主要结合目前国内高速公路监控系统的建设现状，对三维GIS在高速公路监控系统中的应用进行了分析研究，供业界参考。

【参考文献】

1.陈启美，金凌，王从侠.高速公路通信收费监控系统构成与进展.北京：国防工业出版社，2006.

2.赵连钧，基于Skyline 的高速公路3D GIS系统开发。北京：交通科技，2010