基于GIS与GPS智能化公路交通勘查系统的构建与应用

2023-08-04杨承昊张大宝

通信电源技术 2023年8期

杨承昊，张大宝

（平顶山市公路交通勘察设计院，河南平顶山 467000）

0 引言

在传统的公路勘查设计系统中，勘查过程数字化程度低，设计缺少标准化、智能化和可视化。遇复杂空间条件，如高山、深林和水路等因素受限时，可考虑针对复杂地形使用地理信息系统（Geographic Information System，GIS）与全球定位系统（Global Positioning System，GPS）智能可视化公路勘查设计方法，以解决公路勘查工程外业过程中数字化程度低、纸质资料携带及使用不便、勘察和设计工作困难等诸多问题。GIS 与GPS 智能可视化公路勘查系统有着理想的应用前景，适用于复杂环境的公路勘查与设计，使得勘察与设计实现了多源数据的叠加显示、外业勘察数据的采集和设计以及离线与在线状态的路网无缝切换等功能。

1 公路勘查智能化系统设计分析

GPS 是一种全球定位系统，也是获取数据的一种手段。而GIS 本身并不具备直接获取数据的能力，只是信息处理系统，可以进行GPS、遥感（Remote Sensing，RS）数据汇总、归档和分类，进行各种形式的技术输出。其中GPS 、GIS 及RS 并称为“3S 技术”。使用GPS 系统能够为公路勘查提供导航，按照有向图或者是无向图的导航软件设置权重，搜索最合适的线路。对比分析图像识别技术有着广泛的需求，已形成成熟的图片数据库，并用于训练识别图像。大多数成熟数据库更加偏向于识别物品，而非细分物品。处理道路情况多数来源网络，后期使用人工进行类别标注。应用此类技术无法处理位置信息，因此需要研究此方案应用的采集方式，从而保证道路位置、图片、信息数据相对应，保留道路分析的相关信息。

1.1 实现路桥目标点准确定位

智能手机均含有指南针功能，该功能使用手机摄像机照准功能通过方向传感器来收获角度值，根据高精度数字地图获得已知点，保证能够实现准确定位操作流程。设计系统使用手机在高精度数字地图上选中目标点，同时将目标点坐标值记录下来，然后使用手机相机瞄准点选择目标点，直接使用角度交会方法计算测量站点的位置坐标。

1.2 获取已知目标捕捉点位设计

首先，在定位中实现手机2 维高精度地图特征点的捕捉；其次，将摄像机瞄准目标获得方向传感器的角度值；最后，使用后方方向交汇算法得出定位结果，使用手机来获得屏幕点选数字地图，进而获取已知目标捕捉点位设计。因此在数字地图上判断线图屏幕受到限制和点击误差，无法保证点击的目标点位。点击屏幕后，系统判断点图层，并查询点击位置范围内全部点计量。需注意，要记录选择的点的坐标值，查询判断线图层，获取点击位置5 m 内全部的线记录距离。点击位置的线端点，比较2 次记录的路网值，也就是点击点的距离选择距离最近的点。在选中目标点位后要进入坐标，避免2 次点击捕捉。此种方式能够使二维地图完成目标点捕捉记录，在手机摄像镜头中找到瞄准的目标记录下来。瞄准中要根据二维地图收集顺序瞄准，并且记录方向，在二维地图上会按照先后顺序捕捉收集点。真实场景中，摄像机要瞄准记录，使用手持方式瞄准会影响到角度测量情况。目标点捕捉记录工作流程如图1 所示。

图1 工作流程

1.3 方便后期访问和数据源应用

公路系统可设置点状勘查和现状勘查，用于记录路灯、路牌等，在地图上呈现点状公路，路况损坏情况应用拍照功能、GPS 定位功能、指南针功能、用户调用功能生成固定规范损坏调查报告上传到服务器，以便批量处理访问后期应用数据来源。损坏勘查模块拥有线面状记录和测定功能，勘测者移动标定某一范围，从而实现勘查严重之外损坏的功能，提供不规则形状，估测勘查模式，提高环境适应性[1]。

2 GPS 与GIS 系统节点构成与位置交互

GIS 是结合了计算机软件技术、计算机硬件技术、图形学、地理学、数据库等技术的综合性系统，通过地理信息系统把地球上空间地理数据信息使用图形将空间地理特征抓取，并根据分析处理功能呈现可视化的结果。地理信息系统是处理交通网络空间数据与属性数据的工具，能够缩短输入和调查数据的时间，减少工作量，提升工作效率。

GPS 属于卫星导航定位计时系统接收器，通过GPS 发送数据计量精度、纬度、高度、位置。全球定位系统包含空间卫星地面控制部分和用户装置部分。GPS 定位原理是使用卫星间和地面用户间位置交互，将空间和位置关系使用导航定位信号表示，从而测算详细物体的位置、时间、运动速度。

GPS 与GIS 路网结构的基本元素由节点构成，节点和路段也是基本组成内容，使用GIS 地理空间特征抓取能够快速获得某段公路上的交通信息、地理信息。GPS 与GIS 位置交互够测算定位目标在公路网中的速度、交通信息。GPS 与GIS 技术在交通行业中应用相关技术有着理想的前景[2]。

3 GPS 与GIS 系统智能化路网地图服务

在GPS 与GIS 构建的智能化公路网络中，首先选择的地图服务。公开地图（Open Street Map，OSM）是研究的地图来源，属于网上能够为大众提供免费的开源地图服务。OMS 图是对个体GPS 装置获取的数据，含有地理信息、照片、图片等途径产生信息描绘的成果。在网站中，地图图像与向量数据能够通过共享创意姓名的方式授权。OMS 可让用户享受到免费服务，从而获取了庞大的客户使用量。在此次研究中，一些工作集中在构建数据上，需要重构和修订数据。数据核查标准有着简单性、客观性，提取无法实现全盘检测和提取系统中的数据。数据构造过程中，未完全掌握道路信息。

尤其是低等级道路，在同一道路中接入口和交叉口信息不准确，有着较多的干扰性因素。对于数据问题，此系统在研究过程中完成了基于OMS 路网数据的构造过程转换路网数据实现标准化处理现有数据，满足系统构建需求。并且在数据开源的基础上，引用论文文献，解决了数据授权等问题[3]。

4 GPS 与GIS 系统智能化技术应用

结合GPS 路网分析和GPS 定位误差，在公路勘查中如何应用GPS 和GIS 是需要解决的重点问题[4]。

4.1 采集路况勘查

路况勘查采集指的是判断、测量、记录路面特殊状况信息的过程。在探究此方案中，用户移动到路面区域手动设置分类标签，应用移动设备对此区域开展拍照测量。录像移动设备要按照网络把数据上传到服务器，即采集和勘查路况的全图片进行识别训练。在人工智能发展中，若是想要实现识别的图像，则要先提供预先分类的数据，以此类数据构建模型，从而完成识别。通常情况下提供的预分类数据烦琐，需要花费较多的人力和物力，而研究此方案能够分类采集数据、分摊成本。当下市面上的智能移动设备提供的图片采集清晰度符合勘查采集需求，因此需要使用其作为图片数据来源。

移动设备支持用户输入与网络连接，在采集位置与图像信息后，通过移动设备添加附加信息上传到服务器前端和数据采集端[5]。用户要参照GIS路网的信息，使用乘车、步行的方式到达测量位置，打开软件开始定位。公路现场勘查人员通过现场情况明确勘查的类型，按照勘查类型选择对应的测量模式，保证能够和测量目标适应。对目标开展测量和拍摄，用户在移动后选择定位点，明确目标范围，上传数据，考虑一些区域有GPS 信号差的情况。若是用户发现GPS 信息存在误差，可以手动矫正，保证能够获得正确的数据。数据收集端运行是在服务器上能够实现文件上传接口，同时根据类型存储用户上传的位置信息和数据信息，根据支持的类型获取信息，以便其他需求应用[6]。路况勘查采集的功能逻辑结构如图2 所示。

图2 功能逻辑结构

4.2 提升公路路网定位精度

全球导航卫星系统组合相对定位模式分为紧组合和松组合2 种模式。2 项组合模式的差异是构建观测方式存在不同[7]。松组合模式只看重构建系统内部双差观测方程；紧组合模式在松组合模式基础上进行优化。不同系统的组成和松组合比较增加了结果的验证。对比复杂环境或干扰因素多的场景能够使用更广泛，考虑技术研究后续系统开发应用在公路路网，使用环境复杂。松组合模式与紧组合模式间，组合模式有着适用性，设计的计算分析复杂。紧组合对复杂观测环境定位精度研究有影响，松组合和紧组合模式下，计算结果、定位误差，区间分布分析结果存在不同。提升精度的主要因素是固定整周模糊度。整周模糊度要通过观测获得，使用数学方法对其确定[8]。