基于實景三維GIS數(shù)字公路的技術與應用解決及方案

..基于實景三維GIS數(shù)字公路的技術與應用解決方案一、引言

在公路，尤其是高速公路傳統(tǒng)的日常道路運行中，我們的養(yǎng)護、維護、路政、救援、應急指揮等管控作業(yè)流程通常需要通過收集各級管理、養(yǎng)護和現(xiàn)場反饋大量的運行情況，然后看設計文件、統(tǒng)計報表、圖紙、照片來了解、分析、決策。然而，由于這些傳統(tǒng)的管控作業(yè)往往會由于資料量大、不全、不準、難找，十分困難、低效；即便找到了，這些傳統(tǒng)的資料對于非專業(yè)人員來說，數(shù)據(jù)枯燥、圖形抽象、信息孤立而難以關聯(lián)，以至嚴重影響我們的道路運營和養(yǎng)護管理水平，在道路應急救援、搶險的時候這個問題更加突出。

這樣的問題在幾條高速公路的運行管理中已經(jīng)明顯的產(chǎn)生了。隨著“7918”規(guī)劃的實施，這幾年我們很多省已經(jīng)形成了幾百、上千公里的路網(wǎng)，一些大省更是將形成3千到5千公里的路網(wǎng)，當高速公路形成網(wǎng)絡后這個問題必將更加嚴重。

一種采用高清數(shù)字攝影攝像+陀螺儀+GPS三種技術組合的移動式道路實景信息采集技術，即所謂基于MMS技術的實景三維GIS的應用，必將徹底改變這種狀態(tài)。

當我們采用了基于MMS技術的實景三維GIS系統(tǒng)以后，你可以將每一公里道路、每個立交、隧道、橋梁、收費站、服務區(qū)、停車區(qū)、邊坡、涵洞、上跨下穿管線，乃至任何你要關注和管理的構造物、設備都采集到你的路段、路網(wǎng)GIS數(shù)據(jù)庫以后，你不用挪動一步路，你所管控的任何對象分分秒秒之間將以實景視頻的方式展示在你的面前！你可能不信，上千公里高速公路要采集這么多的基于GIS的構造物、設備信息，需要多大的數(shù)據(jù)庫支撐？需要多少時間采集？你可能懷疑，如此龐大的GIS數(shù)據(jù)庫，調用某個信息需要多少時間?一個這樣的公路網(wǎng)GIS數(shù)據(jù)庫能同時支持多少用戶？使用是否方便？本文將在下面的篇章里用數(shù)據(jù)和案例告訴你。

二、GIS技術與公路管理的關系

截至2009年底，我國建成的高速公路已經(jīng)達到6.5萬公里左右。

公路的一個突出特點是：點多、線長、網(wǎng)狀、面廣。一個省、一個地區(qū)直到一個國家，都會有一個龐大的公路網(wǎng)，這些公路網(wǎng)必然是由許許多多道路、橋涵、隧道、邊坡、綠化、立交、收費站、監(jiān)控站、配電房、服務區(qū)、停車區(qū)等等各種設施和構造物串聯(lián)形成的，它們以不同的形態(tài)、不同的功能、不同的空間位置但又相互密切相關地、互為依靠地分布在我們廣大的地理范圍內。在長期的公路運營中，交通擁堵與事故、自然和氣象災害是我們永遠要面對困難和矛盾，而這些事件、事故、災害也同樣分布在我們公路網(wǎng)所在的廣大的地理范圍內。這一切告訴我們，對于公路的運營、養(yǎng)護、管理，必須要掌握和了解與公路設施和構造物密切相關的地理環(huán)境，以及現(xiàn)代科技對地理環(huán)境進行標識和管理的GIS技術，而在應對各類突發(fā)事件中，GIS系統(tǒng)的應用已成為現(xiàn)代化公路管理的重要課題。

2.1GIS與高速公路管理具有不可分割的關系

何謂“GIS”？

GIS－GeographicInformationSystem

地理信息系統(tǒng)

——“基于位置的信息”。

地球上任何一樣物件，只要存在，就一定會有一個它存在的位置，也就會有一個它對應的GIS坐標。

對于我們管理的高速公路的各種構造物和設施，或稱為物件，它也必然會有一個對應的GIS坐標。

在我們傳統(tǒng)的公路管理中，在沒有建立GIS數(shù)據(jù)庫的情況下，或者說我們如果脫離了GIS的坐標管理我們的公路時，我們可以看到大量的統(tǒng)計報表、圖紙、照片、影像資料。但是，我們無法清晰地、一目了然地看到我們整個路網(wǎng)（這里我們要特別強調形成路網(wǎng)以后）各種構造物和設施的布局，無法看清楚這些構造物、設施之間的地理關系和與地理位置相關的功能關聯(lián)性。

然而，對公路網(wǎng)各種構造物和設施布局的地理信息的掌握，絕對是路網(wǎng)運營、養(yǎng)護、管理、應急救援管理的重要要素。比如，路網(wǎng)中交通量最大、收費額最小、通行最堵分別在路網(wǎng)的什么位置，它和周邊道路結構有何關系、周邊的工業(yè)、運輸、物流、貿(mào)易、旅游狀態(tài)如何、區(qū)域的交通量、出行特點、車輛類別有什么特點；又比如，路網(wǎng)中養(yǎng)護頻率最高、養(yǎng)護費用最多的路段、構造物分布在什么位置，該區(qū)域的道路狀態(tài)、結構特點、氣象條件、交通量、車輛類別如何；再比如，當一個隧道發(fā)生火災時，我們的應急預案必須立即找到離火災點最近并可用的各種消防資源，如：消防隊、滅火器材、搶險隊、醫(yī)療、救援通道、逃生通道、車輛撤離通道、情報板，等等。以上應用無一可以離開GIS數(shù)據(jù)庫。

2.2GIS與公路管理結緣的漫長道路

其實GIS早在15年前已經(jīng)在我們的公路勘測、設計、施工、和管理中得到了一些應用。

由于公路管理的分散性和大空間跨度性，空間地理信息成為鏈接公路運營管理服務包括收費、通信、監(jiān)控系統(tǒng)及各業(yè)務系統(tǒng)如養(yǎng)護、路政、資產(chǎn)管理系統(tǒng)的信息基礎設施，采用各種先進科技、提高公路管理水平，實現(xiàn)公路可視化、信息化綜合管理，已經(jīng)成為公路基礎設施養(yǎng)護與建設的緊迫要求。

多年來，國內外學者陸續(xù)將地理信息技術引入到公路信息化管理，在公路建設、路政執(zhí)法和資產(chǎn)管理方面取得較好的效果。美國聯(lián)邦公路局將GPS、GIS及多媒體視頻等技術應用到公路資產(chǎn)管理，可以迅速的定位查看損壞的公路資產(chǎn)視頻，保證了道路的安全性[4]。新西蘭ROMDAS集成GPS和Video，用GPS中心線實現(xiàn)了可視化的公路管理[5]。

但是，在我們國內的具體應用中，由于公路系統(tǒng)內包括運營、路政、養(yǎng)護等多個部門，各個部門有各自的信息系統(tǒng)，彼此之間的數(shù)據(jù)也是由各自部門維護。因為采用不同的數(shù)據(jù)格式和交換格式，導致無法整合到統(tǒng)一的地理數(shù)據(jù)平臺上進行統(tǒng)計分析和數(shù)據(jù)挖掘，不能有效實現(xiàn)業(yè)務數(shù)據(jù)共享，從而使得各個部門之間難以實現(xiàn)高效協(xié)同，決策者難以通過統(tǒng)一的數(shù)據(jù)展示平臺及時全面地掌控整體的公路運營狀態(tài)。

而早期的GIS應用一般采用傳統(tǒng)的二維地圖顯示方位信息，不能顯示詳細的環(huán)境信息（山體、邊坡的形態(tài)等），而對于分布在狹長的地表公路，穿越高山峽谷等各種復雜的地理環(huán)境，三維的環(huán)境構造的信息和數(shù)據(jù)是十分重要的。一旦雪災、地震、滑坡、水災等自然災害不期而至時，需要通過歷史的和實時的環(huán)境信息對比為決策指揮提供依據(jù)，而這些卻正是二維地圖數(shù)據(jù)無法實現(xiàn)的。另外，在二維地圖上，所有的公路設施都是以平面投影的符號來表達的，不但不夠直觀，有時還會導致判讀的困難，例如：當一個桿上有幾個標志時，就只能以變通方式表示，需要有一定識圖經(jīng)驗的人才能讀懂。二維地圖上，也無法全面表示立面目標之間準確的相對關系，諸如橋梁上的標志或廣告牌與橋梁之間的相對關系，電線與路牌之間的相對關系等等。這樣就不能通過信息系統(tǒng)對立面設施進行查詢、觀察和分析。這種狀況嚴重影響了GIS技術在公路領域的應用。

隨著計算機仿真技術、3D動畫技術的發(fā)展，為了讓非GIS專業(yè)人員在廣大領域更方便的使用GIS技術，計算機仿真技術、3D動畫技術開始與GIS技術結合，出現(xiàn)了三維仿真GIS的應用，較好地克服了一般業(yè)務、管理人員利用GIS技術的困難。但是，由于利用計算機仿真技術、3D動畫技術建立三維GIS數(shù)據(jù)庫的信息采集和制作困難、周期長、成本高，此項應用仍然大面積、多領域推廣應用。

基于MMS技術的實景三維GIS的應用技術正是在這樣的背景下應運而生的。這種革命性的GIS應用技術的實現(xiàn)，如同當年由于基于窗口圖形的Windowsd操作系統(tǒng)的應用，使得億萬非計算機專業(yè)的人們，終于擺脫了基于計算機命令的復雜的DOS操作系統(tǒng)的束縛，非常方便地使用計算機處理他們自己的事務。以至今天無論老人還是小孩只要使用一個鼠標，就可以在計算機熒屏上點一下他選擇的某一個圖標，就可以做許許多多的事情了。實景三維GIS技術的應用將使各種非GIS專業(yè)的業(yè)務、管理、領導人員在日常管理中不再唯一地依靠抽象的圖紙、枯燥的數(shù)據(jù)、孤立的圖像來分析判斷運營、養(yǎng)護、應急救援面臨的各種復雜的相關矛盾或沖突，他們可以借助實景三維GIS數(shù)據(jù)庫，快速瀏覽事件現(xiàn)場的實景GIS視頻（通常只需分秒之間），清楚地了解前后左右道路結構狀態(tài)（包括構造物的實際幾何數(shù)據(jù)）、相鄰交通結構之間的功能關系及通行能力；通過監(jiān)控系統(tǒng)、收費系統(tǒng)掌握實時的交通信息和氣象信息，從而可以準確、有效地提出具體的處置決策。有了實景三維GIS的應用技術，我們可以期待，GIS的應用一定會更多、更方便地應用到我們各行各業(yè)的工作、管理乃至我們的生活中來。

三、實景三維GIS的核心技術

事實上，基于傳統(tǒng)二維地圖的GIS空間分析是不完整的，因為它只能實現(xiàn)宏觀的、濃縮的、概略的統(tǒng)計和分析，一旦我們要對細部環(huán)境信息和數(shù)據(jù)進行查詢、觀察和分析，則無法得到足夠的數(shù)據(jù)支持。因此，我們需要一種新的數(shù)據(jù)源和數(shù)據(jù)管理手段來滿足公路部門在路政、養(yǎng)護、應急和出行服務等方面對于詳細環(huán)境信息和數(shù)據(jù)的需要。實景三維GIS技術和基于MMS技術的移動采集系統(tǒng)能夠很好的解決這個問題。

3.1實景三維GIS

傳統(tǒng)GIS的使用者常常感到困惑，分辨率越來越高的航片和衛(wèi)片可以讓人越來越清晰地鳥瞰地球，然而一旦到了地面，能夠看到的只有抽象的二維地圖或是為模擬空間繪制的虛擬3D仿真圖，無法讓人全面了解環(huán)境。現(xiàn)有的行業(yè)GIS主要基于符號化的二維地圖構造，只能實現(xiàn)數(shù)據(jù)的平面圖形顯示。隨著近年來測繪技術、計算機與網(wǎng)絡技術的飛速發(fā)展，實景三維的地理信息系統(tǒng)已突破原有技術瓶頸，現(xiàn)已成為國際GIS應用的熱點，也代表著未來GIS的一個重要發(fā)展方向。

實景三維GIS是在二維GIS的基礎之上，增加了連續(xù)的實景三維影像，并通過開放的軟件（真圖（TrueMap）地理數(shù)據(jù)平臺）與基于GIS的行業(yè)應用進行無縫集成，從而給用戶提供了具有豐富環(huán)境信息和立面信息的實景可視化環(huán)境，有效的支持了管理和決策等高級應用，真可謂“千里高速，盡收眼底”！

由于公路部門的管理對象90%與地理位置有關，地理數(shù)據(jù)對于公路管理具有十分重要的地位。在常規(guī)的公路管理信息系統(tǒng)中，使用的地理數(shù)據(jù)主要是簡單的二維矢量圖，所有的公路設施都是以平面投影的符號來表達的，某些情況下會導致判讀的困難，例如：當一個立桿上有幾個標志牌時，就只能變通方式表示，需要有一定識圖經(jīng)驗的人才能讀懂。二維地圖上，也無法全面表示立面目標之間準確的相對關系，諸如橋梁上的標志或廣告牌與橋梁之間的相對空間關系，跨線電纜與路牌之間的相對空間關系等等。這樣就不能通過信息系統(tǒng)對立面設施進行查詢、觀察和分析。實景三維GIS作為一種新興的技術，能夠為公路的管養(yǎng)提供豐富的基礎地理空間的實景視頻信息。

3.2MMS移動采集系統(tǒng)

移動道路信息采集系統(tǒng)是在機動車上裝配GPS（全球定位系統(tǒng)）、CCD（視頻系統(tǒng)）、航位推算系統(tǒng)（陀螺儀）等先進的傳感器和設備，在車輛以80-100公里/小時行進之中，快速采集道路及道路兩旁地物的空間位置數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)，并同步存儲在車載計算機中，經(jīng)專門軟件編輯處理后，最終形成各種地理信息。平均每公里道路采集并在后臺處理完成后的數(shù)據(jù)量約100兆/公里。（根據(jù)采集信息種類、數(shù)量多少、標注的要求會議一定比例的增減）

3.3移動巡查系統(tǒng)

對于臨時的、突發(fā)的現(xiàn)場信息采集，可以采用移動巡查系統(tǒng)。移動巡查車上安裝有GPS、視頻、可量測立體相對和3G傳輸設備，能夠方便接入現(xiàn)場視頻，構建動態(tài)可量測的實景影像公路系統(tǒng)，通過3G設備將現(xiàn)場情況快速送達指揮中心，使決策者在第一時間掌握現(xiàn)場態(tài)勢，迅速準確的做出應急指揮決策。

四、三維實景GIS公路綜合管理系統(tǒng)在公路管理中的應用

4.1公路綜合管理系統(tǒng)的體系結構

隨著國家高速公路“7918”規(guī)劃的快速推進，我們各省的高速公路正在以史無前例的速度進行建設，大部分省市在完成國家規(guī)劃項目建設的同時，已經(jīng)形成自己的高速公路網(wǎng)絡。如上所說，當各省乃至國家高速公路網(wǎng)絡形成以后，區(qū)域化的高速公路管理必將成為各省和國家公路管理的必然方向。國家交通運輸部已經(jīng)組建了路網(wǎng)中心，許多省市也已經(jīng)或正在建設省級路網(wǎng)中心或監(jiān)控中心。在國家和省級路網(wǎng)中心的建設中，我們應該認真研究GIS平臺的建設方案，充分利用先進的基于實景三維的GIS應用技術，構建公路綜合管理系統(tǒng)。

基于實景三維GIS的數(shù)字公路體系采用移動道路測量系統(tǒng)獲取的可視、可量、可挖掘的地面立體影像對序列與高分辨率遙感影像無縫集成的鏈接，將形成“天地一體化”的數(shù)字公路平臺（如圖3），實現(xiàn)公路數(shù)字可視化建庫。在此基礎上可對可量測實景影像的測量與任意標注，并將其鏈接到其他專業(yè)數(shù)據(jù)庫中，真正實現(xiàn)公路地理信息、專業(yè)臺帳信息和可視化影像信息的有機結合，從而為各業(yè)務、應用和服務系統(tǒng)提供一個完全真實的數(shù)字公路平臺，進而為公路發(fā)展規(guī)劃、路網(wǎng)布局、公路建設、公路災害的有效預測、預警、預報以及突發(fā)性事件快速處理提供決策支持及公眾服務，最終實現(xiàn)公路信息化、可視化和智能化管理。

圖4實景三維公路綜合管理系統(tǒng)體系結構

一個典型的公路綜合管理系統(tǒng)分為信息采集層、地理數(shù)據(jù)層、業(yè)務數(shù)據(jù)層、業(yè)務應用層和公眾服務層。

信息采集層使用移動道路測量系統(tǒng)、移動監(jiān)控系統(tǒng)和道口監(jiān)控系統(tǒng)進行多源數(shù)據(jù)采集。用于公路綜合管理系統(tǒng)的數(shù)據(jù)包括二維矢量數(shù)據(jù)、遙感影像數(shù)據(jù)、實景三維影像數(shù)據(jù)等系統(tǒng)基礎數(shù)據(jù)和用來支持決策服務的實時道口流量數(shù)據(jù)、移動監(jiān)控系統(tǒng)采集的現(xiàn)場實時狀態(tài)數(shù)據(jù)。

公路綜合管理系統(tǒng)是一個專家系統(tǒng)，對于這個系統(tǒng)的數(shù)據(jù)存儲可分為兩層，一層是包含豐富空間信息和環(huán)境信息的地理數(shù)據(jù)庫層；公路行業(yè)的路產(chǎn)權信息、坐標/里程碑信息等業(yè)務相關信息則存儲在業(yè)務數(shù)據(jù)庫層。

在數(shù)據(jù)層之上的業(yè)務應用層和公眾服務層是在這兩套綜合數(shù)據(jù)的基礎上對于行業(yè)決策支持，例如：路政巡查、養(yǎng)護管理和應急指揮，提供一個實景三維可視化平臺。公眾服務層對于老百姓關心出行信息、道路信息和公交信息等提供發(fā)布平臺。

4.2基于實景三維GIS的公路路政管理

公路路政巡檢部門為了確保所轄區(qū)域內公路線路的正常運作，需要派出路政巡檢人員定期到每條公路線路對公路及所附屬的構造物(路線、路基、路面、沿線設施、橋涵及交叉工程、綠化)和路況質量進行檢查、測量、評定，還需要對公路的養(yǎng)護管理資料(公路病害資料、公路病害修復信息、公路日常養(yǎng)護信息等)進行更新、存儲、分析，并且為養(yǎng)護管理人員提供數(shù)據(jù)分析以提高管理質量。路政巡視檢查和評測工作為所轄區(qū)域的正常交通暢通及安全運行提供了重要保障。

基于實景三維影像的公路綜合管理系統(tǒng)建立了一個基于全球定位系統(tǒng)（GPS）、地理信息系統(tǒng)（GIS）和監(jiān)控設備的車輛系統(tǒng)、便攜式系統(tǒng)、固定監(jiān)控系統(tǒng)組成的監(jiān)控網(wǎng)絡，能夠極大的提高路政的工作效率：

1)便攜式系統(tǒng)：巡檢人員手持裝有公路地理信息（電子地圖）的掌上電腦，通過GPS定位，可以直接巡檢轄區(qū)路段和設施，并通過移動通信網(wǎng)絡與指揮中心數(shù)據(jù)進行同步，實現(xiàn)案件的移動巡查，快速處理。

2)移動巡查車系統(tǒng)：系統(tǒng)通過視頻將巡查的路況、事件、位置（GPS）等同步發(fā)送到指揮中心，也可以根據(jù)需要人工觸發(fā)影像拍攝立體影像，與位置（GPS）一起發(fā)送給指揮中心，完成對諸如車輛超限超載案件的實時取證和執(zhí)法監(jiān)控。

3)固定監(jiān)控系統(tǒng)：通過線圈傳感器獲取車流量、車型等信息，通過高分辨率固定視頻監(jiān)控事故等等。

圖5可視化路政系統(tǒng)

4.3基于實景三維GIS的公路養(yǎng)護管理

養(yǎng)護是公路管理部門的主要業(yè)務，基于實景三維影像的公路綜合管理系統(tǒng)可以為公路養(yǎng)護提供全方位的支持。通過公路巡查車系統(tǒng)和便攜式系統(tǒng)實時對道路進行監(jiān)控，完成從病害檢測、養(yǎng)護計劃下達、養(yǎng)護竣工驗收的閉環(huán)管理。

圖6可視化養(yǎng)護系統(tǒng)示意圖

4.4基于實景三維GIS的公路應急指揮

因交通事故、隧道火災、臺風、暴雨、洪水、暴雪等自然災害侵害常常會引發(fā)公路及附屬設施損壞，使公路無法正常運行的情況。為保證在突發(fā)性災害發(fā)生時，減少損失，盡快恢復正常秩序，必須要建立一套完善的公路應急搶險系統(tǒng)和應急儲備體系，基于實景三維影像的公路綜合管理系統(tǒng)能夠提供對公路應急管理的全面支持：

1)通過系統(tǒng)提供的航衛(wèi)片和實景三維影像從天上到地下，從宏觀到微觀的全視角、可視化展現(xiàn)地形地貌、路網(wǎng)、物資、設施、人員、危險源、風險源等的位置分布和狀態(tài)，使決策者與信息系統(tǒng)迅速交互，提高決策和應急處置效率

2)可以調動移動巡查車在緊急情況發(fā)生時快速抵達現(xiàn)場，使用3G等無線通訊手段，將現(xiàn)場的可量測影像及視頻數(shù)據(jù)發(fā)回指揮部，供領導決策，還可通過移動巡查車采集的實時可量測影像數(shù)據(jù)完成現(xiàn)場道路損毀情況（如：滑坡土石方、現(xiàn)有通行能力等）的計算。

圖7應急指揮系統(tǒng)

通過影像的應用，管理者和決策者可隨時了解應急機構、設施、危險源、風險源等的位置分布與狀態(tài)，完成隱患的排查和預案的制定等工作。在應急指揮時，通過調用歷史影像數(shù)據(jù)以及與現(xiàn)