基于三维全景技术的高速公路设施采集与管理

明镜，向煜

(1.重庆市勘测院，重庆　401121；　2.重庆市岩土工程技术研究中心，重庆　401121；3.重庆数字城市科技有限公司，重庆　401121)



基于三维全景技术的高速公路设施采集与管理

明镜1，2，3，向煜3

(1.重庆市勘测院，重庆401121；2.重庆市岩土工程技术研究中心，重庆401121；3.重庆数字城市科技有限公司，重庆401121)

摘要：为解决当前高速公路设施采集与管理中存在的采集方式落后、危险性高、易出错、效率低等难题，针对高速公路的特点，从高速公路设施数据组织、基于三维全景技术的高速公路设施普查方法、车载全景影像采集平台的航向和俯仰角速度获取、高精度地面全景影像采集车载设备精确定位、三维全景影像中空间数据的采集定位、线性参照管理方法等方面进行关键技术研究，建立了高速公路设施管理整套解决方案。本文研究成果成功应用到了重庆市高速公路设施的采集与管理中，辅助进行科学决策，有效提升了高速公路服务水平。

关键词：高速公路；设施采集；三维全景；线性参照

1引言

随着我国交通事业的蓬勃发展，高速公路已经成为交通出行的重要方式，为地方经济带来了新的增长点[1，2]。随着高速公路建设的持续快速发展，对高速公路运营管理的要求越来越高。对于高速公路管理部门来说，对具有明显地理分布特征的多类型复杂高速公路设施建立台账并进行日常管理维护、分析查询，是一项比较复杂的工作，单纯靠人力来管理不仅费时费力，而且极易出错[3，4]。

目前，高速公路设施的采集和管理存在诸多不足[5，8]。首先，设施的采集大多利用传统的纸质地理底图调查的方法，已出现诸如打印底图成本消耗大、外业采集受天气影响巨大、内外业存在重复劳动等弊端，而且人工采集会存在准确率不高、危险性大、更新周期长等问题。其次，设施管理以人工为主，管理效率不高，数据分散、信息资源不能得到充分地利用。第三，设施相关信息更新难度大，设施故障往往得不到及时解决。为了实现对高速公路设施有效监控、管理、运营和养护以及合理利用资源，必须要借助先进技术实现高速公路设施采集与管理的信息化。

三维全景技术作为一种虚拟现实技术，其成果数据非常直观，能很好满足交通设施调查、设施状态监控等业务应用需要[9，10]。将三维全景技术融入高速公路设施数据采集过程中，外业只需要开车沿高速公路完成数据采集，内业根据影像进行标点即可，既利用了三维全景的直观性，使采集工作简单、直接，又简化了采集工作流程，减少了工作量，从而降低数据采集成本。

因此，针对高速公路设施数据的特点，研究基于三维全景技术的高速公路设施采集技术，构建一个基于地理信息技术及三维全景可视化技术的软件平台，对设施数据进行直观、高效、准确的采集、管理及网络化应用，已成为当前高速公路管理的必然要求[11，12]。将高速公路相关设备设施的信息，利用三维全景技术进行简单、高效地采集，根据设施特有的空间位置GIS特性，建立设施数据库，并通过GIS的空间分析功能，实现故障定位、应急救援、范围分析等高端应用，能为高速公路的各种智能管理、实时监控、应急救援提供强大的技术支持，实现设施数据的可视化管理，为主管部门提供及时、准确、全面的路线、里程及路况信息，为决策者提供可靠的决策依据，最终实现高速公路管理整体性能的提高，具有重要的现实意义。

2总体技术路线

首先，在对高速公路设施领域知识、三维全景技术、道路空间数据模型以及GIS空间数据模型知识进行调研及分析的基础上，参照国家及行业相关标准对高速公路设施进行数据系统构建，选取面向对象GIS空间数据模型对高速公路设施进行建模，从概念模型、逻辑模型、物理模型三个层面构建高速公路设施空间数据模型。

其次，将三维全景技术融入数据采集中，通过一系列的软硬件比较选型，建立满足采集需求的三维全景高速公路设施采集软硬件平台，利用车载采集平台对高速公路现场影像进行采集。同时，通过技术创新，提升车载移动平台和成果数据的精度。采集完成后，内业根据设施台账数据进行高速公路设施采集、质量检查、外业确权，形成采集成果。

第三，利用线性参照技术对高速公路设施进行分类与编码，同时进行多源数据融合，构建高速公路设施数据库，为高速公路设施数据的管理和后续数据更新、采集质量控制提供保障。

最后，将设施数据库应用到高速公路空间信息分析管理系统设计中，实现模型的验证，完成基于三维全景技术的高速公路空间信息分析管理系统的开发，并进行系统测试，投入使用，为决策者提供可靠的决策依据，提升高速公路管理的整体性能。

3关键技术

3.1高速公路设施数据组织

高速公路设施数据来源多样、格式各异。为实现高速公路设施的高效采集与管理，本文针对高速公路设施的特性，对高速公路设施管理业务进行抽象、整合、扩展和提炼，选取面向对象GIS空间数据模型对高速公路设施进行建模，构建了高速公路设施空间数据模型。

该模型中，主要包括了基础地形数据、基础专题数据、业务专题数据、辅助数据、三维全景影像数据。其中基础地形数据、基础专题数据、业务专题数据以空间数据方式存储，辅助数据以表格方式存储，其余影像数据以二进制方式进行存储。数据组织结构如图1所示：

同时，为了适应高速公路集团有限公司现有的组织结构与管理模式，本文数据管理体系的搭建采取了区域树形结构，以区域管理中心、高速公路路段、隧道、桥梁等标志性地物为干，以收费站、服务区等功能性建筑位置和监测设备点等监测设备为枝，以各地物点所采集的数据为叶，而每个区域又通过路网相连，确保能覆盖高速管理中的空间数据和业务数据，充分满足业务调用和查询统计需求。

3.2基于三维全景技术的高速公路设施普查方法

在数据模型的基础上，借助三维全景技术，开发高速公路设施空间信息数据管理系统，本文建立了一套包括高速公路设施空间数据的分类、编码、采集、处理、存储、分析、发布等业务的高速公路设施普查流程，并利用该方法采集高速公路设施数据，获得了高速公路设施的空间数据、属性数据和立体影像数据，建立了高速公路设施数据库和影像数据库，为全国高速公路设施普查树立了典范。该普查方法以三维全景技术作为支撑，主要步骤如图2所示。

线路纠正，是把采集线路与拓扑路网融合，从而实现全景视频与矢量GIS拓扑路网关联，提高线路定位精度，保障全景影像的空间位置精度；全景数据与拓扑路网数据融合后，可以很容易通过空间查询获得全景数据，可以通过路网来选择播放全景视频，并可以很容易地实现设施点定位。

高速公路设施采集，是利用全景影像中空间数据的采集定位方法，使用线性参照程序，在全景影像上采集高速公路设施点的空间位置。这种采集方式较传统方式中基于纸质的现场调查，具有采集高效、定位准确、安全可靠等诸多优点。

外业绘图确权，是指为了保证采集的设施数据完备、位置精确、设施类型无误，还要请各监控站的工作人员进行外业确权，审核内业绘图的初步成果，检查的内容包括数据的完整性、准确性、逻辑空间位置关系正确性等等。

3.3车载全景影像采集平台的航向和俯仰角速度获取方法

高速公路设施在全景中的精确定位，需要依托全景影像采集平台的定位定姿数据。本文创造性地提出了一种车载全景影像采集平台的航向和俯仰角速度获取方法，硬件设备不需要配备陀螺仪或惯导单元，就可以通过该技术计算出车载平台的航向与俯仰角速度。该方法主要由以下步骤组成：

S1、车载全景影像采集平台间隔地采集全景影像，构成全景影像图片，其中采集的间隔时间为△t，且设定相邻帧第i帧、第i+1帧采集到全景影像图片分别为Fi、Fi+1，所述全景影像图片的宽度为w像素，高度为h像素；

S2、采用3D中的纹理映射技术将全景影像图片中的全景影像纹理映射至投影模型上；

S3、利用3D技术，在投影模型的中心点设置摄像机，所述摄像机正对运载车辆行驶正前方或者正后方，获得水平和垂直视野范围β°内的区域影像，设定所述区域影像的坐标变化与所述运载车辆的直线运动关系无关，利用3D中的渲染到纹理技术将所述投影模型上的区域影像渲染到区域影像图片上，其中设定相邻帧第i帧和第i+1帧采集到的区域影像图片分别为Pi、Pi+1，所述区域影像图片的宽度为wp像素，高度为hp像素；

S7、根据投影模型单位宽度对应的角度，计算所述车载全景影像采集平台第i+1帧相对于第i帧的航向偏转角度和俯仰偏转角度；

本方法中，所述c取30。所述视野范围β取22.5。本方法根据识别相邻帧全景图像中像素点的旋转和偏移程度，创造性地利用软件算法方法求取车载移动平台的航向和俯仰角速度，避免使用昂贵的硬件设备获取相应参数，简化了全景采集平台的设计，降低了平台成本。

3.4高精度地面全景影像采集车载设备精确定位

为了提高高速公路设施的空间坐标精度，必须实现高精度地面全景影像采集车载设备精确定位。在三维全景实际采集过程中，通过实验发现，即使使用差分GPS设备，在高速公路设施采集过程中也很难获得较好的高精度坐标，究其原因，主要是源于路旁建筑物对GPS卫星信号的遮挡以及GPS设备相对较低的采样频率。为此，本文研究并提出了一种全景视频线路的二次校正技术，主要包含如下步骤：

(1)对车速数据滤波，对航向数据滤波，对原始数据进行平滑；对GPS数据间隔一定距离选择控制点；

(2)根据滤波后的速度、航向数据以及控制点数据恢复采集线路；

(3)根据恢复后的线路，使用移动双目测量技术测量道路周边的点位，这些点位在背景地图中有明显的“同名点”，假设当前摄像头位置为(x，y)，测量到道路边某一物体的坐标为(x1，y1)，从背景地图中获得同名点的坐标(x2，y2)；

(4)摄像头当前的点位坐标为(X，Y)=(x，y)+(x1，y1)-(x2，y2)；

福布斯分析认为，绝大多数企业家财富缩水源于公司市值减少。今年来，中国股市的A股及港股均出现了较大幅度的下跌，随之受影响的是各大上市公司的创始人财富出现大幅缩水。

(5)把(X，Y)作为一个控制点；

(6)使用以上方法获得多个控制点，控制点分布均匀；

(7)使用第2步的方法重新计算采集线路的坐标。

(8)如果有必要，使用第(3)～第(7)步的方法再次计算采集线路的坐标。

通过本文提出的GPS线路二次校正技术，显著提升了车载移动平台的空间定位精度，通过与移动测量和导航算法结合，并利用上一关键技术获取的航向与俯仰角速度数据，就可以恢复高精度的采集线路。该技术还避免了使用价格昂贵的IMU设备，降低了整体的硬件成本。

3.5三维全景影像中空间数据的采集定位方法

单帧全景图像采集时，各个摄像头的中心位于同一点，因此无法形成视差，故在同一帧中，无法实现移动测量。而通过连续两帧或多帧的特征点匹配，建立两条或多条“视线”，通过求解方程可以获得地面全景影像中任意点的坐标。使用车载三维全景采集平台时，由于车载设备捕获了连续移动的多帧影像数据，随着车辆的前进，如同在两个不同的地点观察同一个物体，构成了移动测量的必要条件。如图3所示，每一个球体表示一张全景图片，球心表示全景摄像机中心，两个球心与物体的连线必然交汇于物体上，便可使用射线交汇法来进行测量。

基于上述方法，本文采用在三维全景影像中基于辅助面的空间定位，实现了任意点测量、跨帧测量技术，具备真正的空间三维测量功能，其测量精度达到亚米级。该技术采用立体测量方式相近的工作原理，在三维全景中可测量全景图内任意两点间的空间距离，误差符合工程测量误差标准；同时，三维测量不同于近景测量，无需为三维测量功能单独、额外拍摄照片，拍摄过程无需添加外物，测量操作简单方便。通过该技术，即可在三维全景影像中对高速公路各种设施进行采集定位，获取其正确的三维空间坐标。

3.6线性参照管理设施数据

线性参考技术是沿已有的线性要素的相对位置来存储地理数据的一种方法，线性参考能描述频繁变换的线性片段数据，能从空间的角度来描述一对多的关系属性，是沿线性要素建立相对位置模型最直观的方法。本文创新地使用线性参考建立了高速公路的设施空间数据模型，以高速公路公里桩为参考点，将设施的空间坐标转换到线性参考系统中后，利用线性参考的里程参照表达设施的位置信息，符合专业人员的日常工作思维，有利于对高速公路设施及其事故点的准确定位，为专业人员对高速公路设施的高效管理提供了数学基础。通过线性参考技术可以管理多种属性指标，支持多种高速设施，无需重复数字化就可以进行多个属性集的动态显示和分析，减少数据冗余。线性参考技术具有的线性度量与高速公路管理部门习惯的工作方法相吻合，与现有的管理模式相适应，能够极大地提升用户体验。

4应用效果

为提升高速公路管理及运行效率，重庆高速公路集团有限公司拟对重庆市域高速公路开展设施调查，依托现代空间信息技术及可视化技术，建立高速公路地理信息系统，满足高速公路地理位置、设施设备、交通流量、事故应急处理等各项业务要求。利用本文研究的基于三维全景技术的高速公路设施采集与管理技术，项目组开展了三维全景影像数据采集、设施数据建库、应用系统开发等相关工作，提升了高速公路设施采集及管理效率，为管理部门提供了直观、准确、及时的辅助决策信息。

利用三维全景采集平台，本文获取了重庆市约 2 400 km高速公路的全景影像数据，采集了高速公路的相关设施的空间位置信息，构建高速公路设施空间信息数据库。就高速公路设施数据的采集而言，采用三维全景采集模式相比于传统模式，实施周期更短、人力投入更少、错漏率更低。实践表明，本文技术使项目整体成本较传统模式下降了35%，错漏率也从原来纸质采集的3%下降到1%，大大提高了高速公路设施采集与管理效率。

本文的三维全景数据采集，利用重庆市勘测院与重庆数字城市科技有限公司自主研发的数字全景地图系统DPM2.0进行，其安装简单、采集方便，适合于高速公路的全景数据采集。该采集平台工作场景如图4所示：

三维全景数据外业采集并处理完毕后，即可支持在全景影像中进行高速公路设施的空间定位及高精度测量，如图5所示：

图4三维全景数据采集

在对高速公路各类设施数据进行空间信息和属性信息采集之后，随即保存进入建立的高速公路设施数据库。采集的高速公路设施数据类型众多，涵盖了前述数据组织模型中各个类别。利用建立的高速公路地理信息系统，还可开展各类设施数据的空间分布查看、详细信息查询、设施空间分析等专业应用，辅助进行各类决策，如图6所示：

图6高速公路广告牌空间分布

5结语

本文研究了基于三维全景技术的高速公路设施采集与管理相关关键技术，建立了高速公路设施数据组织体系，利用三维全景技术对高速公路设施进行直观、准确、高效地采集，建立高速公路设施数据库，并研发高速公路地理信息系统进行业务管理和辅助决策。在设施数据采集处理过程中，为实现三维全景影像中空间数据的采集定位，针对车载全景影像采集平台的航向和俯仰角速度获取方法、高精度地面全景影像采集车载设备精确定位、线性参照管理方法等关键技术进行了深入研究，切实提升了设施数据的采集效率、定位准确性和测量精确性。本文成果将极大促进高速公路设施普查及管理手段的转变，从传统的文档管理到平面空间、甚至立体管理，对提高现有公路设施的管理效率、改善交通环境、提高交通行驶安全具有重要的积极意义。目前，本文成果已在重庆高速公路集团各子公司和路段监控点中进行了示范应用，具有较好的推广价值。参考文献

[1] 李保华. 我国高速公路管理体制的反思与构建[J]. 北京汽车，2011(3)：1～3+26.

[2] 赵文庆. 高速公路建设项目集成化管理模式及其应用[J]. 交通世界工程技术，2015，35：24～25+39.

[3] 秦家强. 基于GIS的高速公路机电设备维护管理信息系统[J]. 交通世界工程技术，2015，35：114～115.

[4] 段伟常. 高速公路运营管理信息系统的建设[J]. 交通与计算机，2003(5)：97～99.

[5] 王谷，过秀成，陈玮. 基于数据需求的高速公路信息采集点分级布设策略研究[J]. 交通运输工程与信息学报，2009(1)：64～69.

[6] 杨世杰，韩井龙. 基于Trimble GPS的高速公路数据采集系统设计与开发[J]. 测绘信息与工程，2010(5)：12～13.[7] 郭春雷. 浅谈高速公路桥梁管理系统外业数据的采集[J]. 北方交通，2008(9)：86～88.

[8] 毕波. 高速公路综合数据的采集与控制系统的探讨[J]. 重庆工学院学报，2004(3)：63～65.

[9] 郭长青，曹芳. 三维全景技术在旅游景区介绍中的应用[J]. 地理空间信息，2009(1)：46～48.

[10]唐德彬，易佳，向煜等. 电子警务中三维全景技术应用研究[J]. 办公自动化，2012，22：4～7+34.

[11]权兵. 高速公路全景三维图应用系统的设计与实现[J]. 科技传播，2014(6)：234～236.

[12]包忠聪. 基于可量测实景影像库(DMI)及4D产品的三维数字高速公路展示系统——以福州市机场高速为例[J]. 测绘通报，2012(S1)：610～612.

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.

文章编号：1672-8262(2016)03-5-07

中图分类号：P208.2，P232

文献标识码：A

*收稿日期：2016—02—18

作者简介：明镜(1982—)，男，博士，正高职高级工程师，主要研究方向为三维GIS，三维数字城市。

基金项目：国家科技型中小企业技术创新基金(13C26215115070)；重庆市基础与前沿研究计划(cstc2014jcyjA90026)；重庆市应用开发计划(cstc2014yykfB40004)