关键字: 站内搜索:
  • 产品名称: 基于三维实景的数字公路GIS解决方案
  • 产品编号: 0077
  • 上架时间: 2014-05-26
  • 浏览次数: 98

 

  一、引言

  在公路,尤其是高速公路传统的日常道路运行中,我们的养护、维护、路政、救援、应急指挥等管控作业流程通常需要通过收集各级管理、养护和现场反馈大量的运行情况,然后看设计文件、统计报表、图纸、照片来了解、分析、决策。然而,由于这些传统的管控作业往往会由于资料量大、不全、不准、难找,十分困难、低效;即便找到了,这些传统的资料对于非专业人员来说,数据枯燥、图形抽象、信息孤立而难以关联,以至严重影响我们的道路运营和养护管理水平,在道路应急救援、抢险的时候这个问题更加突出。

  一种采用高清数字摄影摄像+GPS三种技术组合的移动式道路实景信息采集技术,即所谓基于MMS技术的实景三维GIS的应用,必将彻底改变这种状态。

  当我们采用了基于MMS技术的实景三维GIS系统以后,你可以将每一公里道路、每个立交、隧道、桥梁、收费站、服务区、停车区、边坡、涵洞、上跨下穿管线,乃至任何你要关注和管理的构造物、设备都采集到你的路段、路网GIS数据库以后,你不用挪动一步路,你所管控的任何对象分分秒秒之间将以实景视频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这么多的基于GIS的构造物、设备信息,需要多大的数据库支撑?需要多少时间采集?你可能怀疑,如此庞大的GIS数据库,调用某个信息需要多少时间?一个这样的公路网GIS数据库能同时支持多少用户?使用是否方便?本文将在下面的篇章里用数据和案例告诉你。

  二、GIS技术与公路管理的关系

  公路的一个突出特点是:点多、线长、网状、面广。一个省、一个地区直到一个国家,都会有一个庞大的公路网,这些公路网必然是由许许多多道路、桥涵、隧道、边坡、绿化、立交、收费站、监控站、配电房、服务区、停车区等等各种设施和构造物串联形成的,它们以不同的形态、不同的功能、不同的空间位置但又相互密切相关地、互为依靠地分布在我们广大的地理范围内。在长期的公路运营中,交通拥堵与事故、自然和气象灾害是我们永远要面对困难和矛盾,而这些事件、事故、灾害也同样分布在我们公路网所在的广大的地理范围内。这一切告诉我们,对于公路的运营、养护、管理,必须要掌握和了解与公路设施和构造物密切相关的地理环境,以及现代科技对地理环境进行标识和管理的GIS技术,而在应对各类突发事件中,GIS系统的应用已成为现代化公路管理的重要课题。

  2.1 GIS与高速公路管理具有不可分割的关系

  何谓“GIS”?

  GIS-Geographic Information System

  地理 信息 系统

  ——“基于位置的信息”。

  地球上任何一样物件,只要存在,就一定会有一个它存在的位置,也就会有一个它对应的GIS坐标。

  对于我们管理的高速公路的各种构造物和设施,或称为物件,它也必然会有一个对应的GIS坐标。

  在我们传统的公路管理中,在没有建立GIS数据库的情况下,或者说我们如果脱离了GIS的坐标管理我们的公路时,我们可以看到大量的统计报表、图纸、照片、影像资料。但是,我们无法清晰地、一目了然地看到我们整个路网(这里我们要特别强调形成路网以后)各种构造物和设施的布局,无法看清楚这些构造物、设施之间的地理关系和与地理位置相关的功能关联性。

  然而,对公路网各种构造物和设施布局的地理信息的掌握,绝对是路网运营、养护、管理、应急救援管理的重要要素。比如,路网中交通量最大、收费额最小、通行最堵分别在路网的什么位置,它和周边道路结构有何关系、周边的工业、运输、物流、贸易、旅游状态如何、区域的交通量、出行特点、车辆类别有什么特点;又比如,路网中养护频率最高、养护费用最多的路段、构造物分布在什么位置,该区域的道路状态、结构特点、气象条件、交通量、车辆类别如何;再比如,当一个隧道发生火灾时,我们的应急预案必须立即找到离火灾点最近并可用的各种消防资源,如:消防队、灭火器材、抢险队、医疗、救援通道、逃生通道、车辆撤离通道、情报板,等等。以上应用无一可以离开GIS数据库。

  2.2 GIS与公路管理结缘的漫长道路

  其实GIS早在15年前已经在我们的公路勘测、设计、施工、和管理中得到了一些应用。

  由于公路管理的分散性和大空间跨度性,空间地理信息成为链接公路运营管理服务包括收费、通信、监控系统及各业务系统如养护、路政、资产管理系统的信息基础设施,采用各种先进科技、提高公路管理水平,实现公路可视化、信息化综合管理,已经成为公路基础设施养护与建设的紧迫要求。

  多年来,国内外学者陆续将地理信息技术引入到公路信息化管理,在公路建设、路政执法和资产管理方面取得较好的效果。美国联邦公路局将GPS、GIS及多媒体视频等技术应用到公路资产管理,可以迅速的定位查看损坏的公路资产视频,保证了道路的安全性[4]。新西兰ROMDAS集成GPS和Video,用GPS中心线实现了可视化的公路管理[5]。

  但是,在我们国内的具体应用中,由于公路系统内包括运营、路政、养护等多个部门,各个部门有各自的信息系统,彼此之间的数据也是由各自部门维护。因为采用不同的数据格式和交换格式,导致无法整合到统一的地理数据平台上进行统计分析和数据挖掘,不能有效实现业务数据共享,从而使得各个部门之间难以实现高效协同,决策者难以通过统一的数据展示平台及时全面地掌控整体的公路运营状态。

  而早期的GIS应用一般采用传统的二维地图显示方位信息,不能显示详细的环境信息(山体、边坡的形态等),而对于分布在狭长的地表公路,穿越高山峡谷等各种复杂的地理环境,三维的环境构造的信息和数据是十分重要的。一旦雪灾、地震、滑坡、水灾等自然灾害不期而至时,需要通过历史的和实时的环境信息对比为决策指挥提供依据,而这些却正是二维地图数据无法实现的。另外,在二维地图上,所有的公路设施都是以平面投影的符号来表达的,不但不够直观,有时还会导致判读的困难,例如:当一个杆上有几个标志时,就只能以变通方式表示,需要有一定识图经验的人才能读懂。二维地图上,也无法全面表示立面目标之间准确的相对关系,诸如桥梁上的标志或广告牌与桥梁之间的相对关系,电线与路牌之间的相对关系等等。这样就不能通过信息系统对立面设施进行查询、观察和分析。这种状况严重影响了GIS技术在公路领域的应用。

  随着计算机仿真技术、3D动画技术的发展,为了让非GIS专业人员在广大领域更方便的使用GIS技术,计算机仿真技术、3D动画技术开始与GIS技术结合,出现了三维仿真GIS的应用,较好地克服了一般业务、管理人员利用GIS技术的困难。但是,由于利用计算机仿真技术、3D动画技术建立三维GIS数据库的信息采集和制作困难、周期长、成本高,此项应用仍然大面积、多领域推广应用。

  基于MMS技术的实景三维GIS的应用技术正是在这样的背景下应运而生的。这种革命性的GIS应用技术的实现,如同当年由于基于窗口图形的Windowsd操作系统的应用,使得亿万非计算机专业的人们,终于摆脱了基于计算机命令的复杂的DOS操作系统的束缚,非常方便地使用计算机处理他们自己的事务。以至今天无论老人还是小孩只要使用一个鼠标,就可以在计算机荧屏上点一下他选择的某一个图标,就可以做许许多多的事情了。实景三维GIS技术的应用将使各种非GIS专业的业务、管理、领导人员在日常管理中不再唯一地依靠抽象的图纸、枯燥的数据、孤立的图像来分析判断运营、养护、应急救援面临的各种复杂的相关矛盾或冲突,他们可以借助实景三维GIS数据库,快速浏览事件现场的实景GIS视频(通常只需分秒之间),清楚地了解前后左右道路结构状态(包括构造物的实际几何数据)、相邻交通结构之间的功能关系及通行能力;通过监控系统、收费系统掌握实时的交通信息和气象信息,从而可以准确、有效地提出具体的处置决策。有了实景三维GIS的应用技术,我们可以期待,GIS的应用一定会更多、更方便地应用到我们各行各业的工作、管理乃至我们的生活中来。

  三、 实景三维GIS的核心技术

  事实上,基于传统二维地图的GIS空间分析是不完整的,因为它只能实现宏观的、浓缩的、概略的统计和分析,一旦我们要对细部环境信息和数据进行查询、观察和分析,则无法得到足够的数据支持。因此,我们需要一种新的数据源和数据管理手段来满足公路部门在路政、养护、应急和出行服务等方面对于详细环境信息和数据的需要。实景三维GIS技术和基于MMS技术的移动采集系统能够很好的解决这个问题。

  3.1 实景三维GIS

  传统GIS的使用者常常感到困惑,分辨率越来越高的航片和卫片可以让人越来越清晰地鸟瞰地球,然而一旦到了地面,能够看到的只有抽象的二维地图或是为模拟空间绘制的虚拟3D仿真图,无法让人全面了解环境。现有的行业GIS主要基于符号化的二维地图构造,只能实现数据的平面图形显示。随着近年来测绘技术、计算机与网络技术的飞速发展,实景三维的地理信息系统已突破原有技术瓶颈,现已成为国际GIS应用的热点,也代表着未来GIS的一个重要发展方向。

  实景三维GIS是在二维GIS的基础之上,增加了连续的实景三维影像,并通过开放的软件与基于GIS的行业应用进行无缝集成,从而给用户提供了具有丰富环境信息和立面信息的实景可视化环境,有效的支持了管理和决策等高级应用,真可谓“千里高速,尽收眼底”!

  由于公路部门的管理对象90%与地理位置有关,地理数据对于公路管理具有十分重要的地位。在常规的公路管理信息系统中,使用的地理数据主要是简单的二维矢量图,所有的公路设施都是以平面投影的符号来表达的,某些情况下会导致判读的困难,例如:当一个立杆上有几个标志牌时,就只能变通方式表示,需要有一定识图经验的人才能读懂。二维地图上,也无法全面表示立面目标之间准确的相对关系,诸如桥梁上的标志或广告牌与桥梁之间的相对空间关系,跨线电缆与路牌之间的相对空间关系等等。这样就不能通过信息系统对立面设施进行查询、观察和分析。实景三维GIS作为一种新兴的技术,能够为公路的管养提供丰富的基础地理空间的实景视频信息。

  图1 实景三维GIS与传统二维平面GIS

  3.2 MMS移动采集系统

  移动道路信息采集系统是在机动车上装配GPS(全球定位系统)、 CCD(视频系统)等先进的传感器和设备,在车辆以80-100公里/小时行进之中,快速采集道路及道路两旁地物的空间位置数据和属性数据,并同步存储在车载计算机中,经专门软件编辑处理后,最终形成各种地理信息。平均每公里道路采集并在后台处理完成后的数据量约100兆/公里。(根据采集信息种类、数量多少、标注的要求会议一定比例的增减)

  3.3 移动巡查系统

  对于临时的、突发的现场信息采集,可以采用移动巡查系统。移动巡查车上安装有GPS、视频、可量测立体相对和3G传输设备,能够方便接入现场视频,构建动态可量测的实景影像公路系统,通过3G设备将现场情况快速送达指挥中心,使决策者在第一时间掌握现场态势,迅速准确的做出应急指挥决策。

  四、 三维实景GIS公路综合管理系统在公路管理中的应用

  4.1公路综合管理系统的体系结构

  随着国家高速公路“7918”规划的快速推进,我们各省的高速公路正在以史无前例的速度进行建设,大部分省市在完成国家规划项目建设的同时,已经形成自己的高速公路网络。如上所说,当各省乃至国家高速公路网络形成以后,区域化的高速公路管理必将成为各省和国家公路管理的必然方向。国家交通运输部已经组建了路网中心,许多省市也已经或正在建设省级路网中心或监控中心。在国家和省级路网中心的建设中,我们应该认真研究GIS平台的建设方案,充分利用先进的基于实景三维的GIS应用技术,构建公路综合管理系统。

  基于实景三维GIS的数字公路体系采用移动道路测量系统获取的可视、可量、可挖掘的地面立体影像对序列与高分辨率遥感影像无缝集成的链接,将形成“天地一体化”的数字公路平台(如图3),实现公路数字可视化建库。在此基础上可对可量测实景影像的测量与任意标注,并将其链接到其他专业数据库中,真正实现公路地理信息、专业台帐信息和可视化影像信息的有机结合,从而为各业务、应用和服务系统提供一个完全真实的数字公路平台,进而为公路发展规划、路网布局、公路建设、公路灾害的有效预测、预警、预报以及突发性事件快速处理提供决策支持及公众服务,最终实现公路信息化、可视化和智能化管理。

  图4 实景三维公路综合管理系统体系结构

  一个典型的公路综合管理系统分为信息采集层、地理数据层、业务数据层、业务应用层和公众服务层。

  信息采集层使用移动道路测量系统、移动监控系统和道口监控系统进行多源数据采集。用于公路综合管理系统的数据包括二维矢量数据、遥感影像数据、实景三维影像数据等系统基础数据和用来支持决策服务的实时道口流量数据、移动监控系统采集的现场实时状态数据。

  公路综合管理系统是一个专家系统,对于这个系统的数据存储可分为两层,一层是包含丰富空间信息和环境信息的地理数据库层;公路行业的路产权信息、坐标/里程碑信息等业务相关信息则存储在业务数据库层。

  在数据层之上的业务应用层和公众服务层是在这两套综合数据的基础上对于行业决策支持,例如:路政巡查、养护管理和应急指挥,提供一个实景三维可视化平台。公众服务层对于老百姓关心出行信息、道路信息和公交信息等提供发布平台。

  4.2基于实景三维GIS的公路路政管理

  公路路政巡检部门为了确保所辖区域内公路线路的正常运作,需要派出路政巡检人员定期到每条公路线路对公路及所附属的构造物(路线、路基、路面、沿线设施、桥涵及交叉工程、绿化)和路况质量进行检查、测量、评定,还需要对公路的养护管理资料(公路病害资料、公路病害修复信息、公路日常养护信息等)进行更新、存储、分析,并且为养护管理人员提供数据分析以提高管理质量。路政巡视检查和评测工作为所辖区域的正常交通畅通及安全运行提供了重要保障。

  基于实景三维影像的公路综合管理系统建立了一个基于全球定位系统(GPS)、地理信息系统(GIS)和监控设备的车辆系统、便携式系统、固定监控系统组成的监控网络,能够极大的提高路政的工作效率:

  1) 便携式系统:巡检人员手持装有公路地理信息(电子地图)的掌上电脑,通过GPS定位,可以直接巡检辖区路段和设施,并通过移动通信网络与指挥中心数据进行同步,实现案件的移动巡查,快速处理。

  2) 移动巡查车系统:系统通过视频将巡查的路况、事件、位置(GPS)等同步发送到指挥中心,也可以根据需要人工触发影像拍摄立体影像,与位置(GPS)一起发送给指挥中心,完成对诸如车辆超限超载案件的实时取证和执法监控。

  3) 固定监控系统:通过线圈传感器获取车流量、车型等信息,通过高分辨率固定视频监控事故等等。

  4.3基于实景三维GIS的公路养护管理

  养护是公路管理部门的主要业务,基于实景三维影像的公路综合管理系统可以为公路养护提供全方位的支持。通过公路巡查车系统和便携式系统实时对道路进行监控,完成从病害检测、养护计划下达、养护竣工验收的闭环管理。

  4.4基于实景三维GIS的公路应急指挥

  因交通事故、隧道火灾、台风、暴雨、洪水、暴雪等自然灾害侵害常常会引发公路及附属设施损坏,使公路无法正常运行的情况。为保证在突发性灾害发生时,减少损失,尽快恢复正常秩序,必须要建立一套完善的公路应急抢险系统和应急储备体系,基于实景三维影像的公路综合管理系统能够提供对公路应急管理的全面支持:

  1) 通过系统提供的航卫片和实景三维影像从天上到地下,从宏观到微观的全视角、可视化展现地形地貌、路网、物资、设施、人员、危险源、风险源等的位置分布和状态,使决策者与信息系统迅速交互,提高决策和应急处置效率

  2) 可以调动移动巡查车在紧急情况发生时快速抵达现场,使用3G等无线通讯手段,将现场的可量测影像及视频数据发回指挥部,供领导决策,还可通过移动巡查车采集的实时可量测影像数据完成现场道路损毁情况(如:滑坡土石方、现有通行能力等)的计算。

  通过影像的应用,管理者和决策者可随时了解应急机构、设施、危险源、风险源等的位置分布与状态,完成隐患的排查和预案的制定等工作。在应急指挥时,通过调用历史影像数据以及与现场动态视频数据进行对比分析,可快速做出决策指挥。在抢险之后根据现场影像数据与历史影像数据,进行损害评估、重建规划等。

  4.5基于实景三维GIS的公众出行服务

  公众出行服务是基于WebGIS建立的为公众提供公路设施信息、路况信息、导航信息等服务的信息系统,基于道路实景影像、视频、360°全景图片等影像地图技术搭建的公共出行服务系统相比二维地图将对公众更具吸引力。它主要具备公路地理信息、配套设施信息和路况信息的发布功能,出行路线个性化选择功能和公路沿线实景导航等功能。一个典型的公众出行服务系统包括以下子系统:

  (1) 出行信息发布和查询子系统:供出行者查询路网空间信息和实时路况信息

  (2) 路径选择子系统:为公众提供出行路线选择服务,用户可以选择起点和终点,系统根据路网信息,当前路况信息,通过网络分析,动态生成出行路线,显示于电子地图

  (3) 实景导航子系统:实现对道路沿线景观(路面、边坡、绿化等)及设施(如收费站、服务区、停车区、加油站等)的道路影像浏览和实景导航

  五、 结束语

  实景三维GIS是GIS应用发展的必然方向,该技术为公路的信息化管理提供了丰富的数据源和管理基础。移动道路测量作为一种机动灵活、快速高效、精准的可量测实景影像采集与更新技术,为实现数字公路地理信息数据的持续更新提供了技术保障。以近景摄影测量技术、无线通讯技术为基础的移动巡查系统为公路管理提供了便捷的业务数据采集手段。以这两种技术为核心构造的公路信息化管理系统能够为路政、养护、巡查和出行服务提供强有力的支持,实现对高速公路运营、安全保障、应急救援的全过程可视化,为最终实现公路运营的全过程数字化管理——“数字公路”奠定了坚实的基础