基于高分辨率影像和地形圖的交通事故道路底圖制作方法研究

忻 靜 季惠麗 吳杭彬,3 姚連璧,3

(1.同濟(jì)大學(xué)測繪與地理信息學(xué)院 上海200092；2.上海市測繪院第四分院 上海200063；3.現(xiàn)代工程測量國家測繪局重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 上海200092)

1 引言

近年來，我國道路交通事故發(fā)生率居高不下，重特大道路交通事故頻發(fā)，人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失嚴(yán)重。交通事故給整個(gè)社會(huì)帶來的間接傷害更是無法估量，所以交通事故是否公正、客觀、科學(xué)、快速地得到處理已經(jīng)成為社會(huì)關(guān)注的焦點(diǎn)[1]。交通事故現(xiàn)場圖作為交通事故處理中分析事故責(zé)任、恢復(fù)事故現(xiàn)場的一項(xiàng)重要依據(jù)，應(yīng)該正確反映事故發(fā)生后的現(xiàn)場各要素之間的位置關(guān)系[2]。因此，繪制道路交通事故現(xiàn)場圖是交通事故現(xiàn)場處理的重要環(huán)節(jié)。近年來，國內(nèi)外采用的方法包括現(xiàn)場手工測量和運(yùn)用各類交通事故現(xiàn)場繪圖軟件系統(tǒng)，例如The CAD ZONE 公司的Quick Scene 軟件，此外，還有Formdocs LLC 公司等也在進(jìn)行交通事故繪圖系統(tǒng)相關(guān)的研發(fā)工作[3]。但是該類繪圖系統(tǒng)在事故發(fā)生后全部圖形都要在現(xiàn)場繪制調(diào)用，占時(shí)較多，且缺乏統(tǒng)一的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，并未達(dá)到真正意義上的快速、信息化，不能做到大范圍的推廣應(yīng)用。

在我國，目前通常做法是由交通警察制作現(xiàn)場記錄圖，這是一種勘查交通事故現(xiàn)場時(shí)，對(duì)現(xiàn)場環(huán)境、事故形態(tài)、有關(guān)車輛、人員、物體、痕跡的位置及其相互關(guān)系所作的圖形記錄?，F(xiàn)場記錄圖是一般是在事故現(xiàn)場由交警徒手繪制的，要求在現(xiàn)場當(dāng)場繪制完成，所以現(xiàn)場記錄圖的工整度不是很高,繪制速度不是很快。

本文提出交通事故道路底圖的概念，系指交通事故道路底圖是按照各項(xiàng)事故繪圖標(biāo)準(zhǔn)要求描述交通路口以及路段的地圖，它包含各類道路地物的圖形信息和屬性信息，尤其是道路的標(biāo)志標(biāo)線。其作用是在交通事故發(fā)生后，提供給辦案民警調(diào)用，幫助實(shí)現(xiàn)交通事故現(xiàn)場快速成圖，為之后的事故處理提供重要依據(jù)。

2 研究方法

道路底圖采用大比例尺地形圖和遙感影像疊加的方法效果較好?，F(xiàn)有的大比例尺地形圖都是統(tǒng)一坐標(biāo)系下精度達(dá)到一定標(biāo)準(zhǔn)的地圖，包含道路地面上突起的地物，但缺乏交通事故圖所需的道路標(biāo)志標(biāo)線圖形信息。道路標(biāo)志標(biāo)線是交通事故現(xiàn)場圖的重要圖形要素，也是事故處理的重要依據(jù)。而影像圖形恰好可以提供底圖所需要的道路標(biāo)志標(biāo)線等必要的圖形信息，但是由于圖像變形等原因精度不高，且缺少坐標(biāo)參考系。而將兩者疊加到一起，將影像匹配到地形圖后，根據(jù)規(guī)范要求在兩圖上選取道路各類信息，即可完成道路底圖的制作。

整個(gè)繪制的過程主要為數(shù)據(jù)預(yù)處理和道路底圖繪制兩大部分，其中數(shù)據(jù)預(yù)處理包括大比例尺地形圖預(yù)處理、影像圖預(yù)處理、影像和地形圖的匹配，道路底圖繪制包括初步內(nèi)業(yè)繪圖、外業(yè)調(diào)繪。具體流程如圖1所示。

圖1 繪圖流程示意圖

3 數(shù)據(jù)預(yù)處理

3.1 大比例尺地形圖的預(yù)處理

現(xiàn)有的地形圖數(shù)據(jù)多以AutoCAD 平臺(tái)的dwg/dxf 文件格式存儲(chǔ)，圖形較為零亂，總結(jié)為如下問題：圖形清理、懸掛點(diǎn)、圓弧連接、兩個(gè)交叉點(diǎn)、超出線頭等。因此需要對(duì)原有的CAD 地形圖數(shù)據(jù)進(jìn)行清理和糾正，以滿足道路底圖圖形要求。圖形清理主要應(yīng)用Raster Design 等專業(yè)圖形處理軟件幫助完成。

3.2 影像數(shù)據(jù)預(yù)處理

用影像作為數(shù)據(jù)源的預(yù)處理視數(shù)據(jù)源的具體情況而定，涉及圖像幾何糾正、圖像匹配、圖像融合和圖像裁剪[4-6]，以滿足交通道路數(shù)據(jù)底圖的繪制要求。但是有些影像數(shù)據(jù)已做過相應(yīng)處理，則可省去對(duì)應(yīng)的圖像操作。

3.3 影像和地形圖的匹配

影像一般不具備坐標(biāo)系統(tǒng)，因此利用地形圖與影像的特征點(diǎn)將兩者進(jìn)行配準(zhǔn)便于后面進(jìn)一步加工繪圖。采用Raster Design 軟件的配準(zhǔn)工具，分別在圖像和地形圖上選取一一對(duì)應(yīng)的控制點(diǎn)，選取3個(gè)以上點(diǎn)就可匹配。在選擇控制點(diǎn)的時(shí)候應(yīng)注意：1）選取明顯地物點(diǎn)，盡量緊貼地面地物的邊緣、轉(zhuǎn)角等，避免選擇屋檐等有投影差的點(diǎn)。2）選取的控制點(diǎn)分布均勻，避免選取同一地塊內(nèi)的多個(gè)點(diǎn)。3）在選取的同時(shí)，對(duì)話框會(huì)自動(dòng)計(jì)算誤差，對(duì)于出現(xiàn)的誤差較大的點(diǎn)應(yīng)及時(shí)刪除，以免影響整個(gè)圖片的匹配結(jié)果。

4 道路底圖繪制

4.1 初步內(nèi)業(yè)繪圖

經(jīng)地形圖和影像數(shù)據(jù)的預(yù)處理，得到地形圖與影像的疊加圖，在疊加圖的基礎(chǔ)上開始繪制道路底圖。即將道路上的地物標(biāo)志符號(hào)化并賦予屬性，生成符合規(guī)范需要的交通道路底圖。

道路底圖的繪制功能由在CAD 基礎(chǔ)上二次開發(fā)的繪圖功能實(shí)現(xiàn)。將匹配好的疊加圖導(dǎo)入CAD，利用自行設(shè)計(jì)的繪圖系統(tǒng)進(jìn)行道路標(biāo)志的數(shù)字化，結(jié)合兩種數(shù)據(jù)源初步的內(nèi)業(yè)繪制分兩步進(jìn)行。

第一步是將地形圖中的道路邊緣線、點(diǎn)狀地物、隔離帶、隔離欄、隔離水馬等道路圖形轉(zhuǎn)繪成符合道路成圖規(guī)范的圖形，并同時(shí)復(fù)制到基線給予屬性。

第二步是遙感影像的判讀，將其作為背景，利用繪圖系統(tǒng)直接在柵格的遙感影像圖繪制出道路標(biāo)志標(biāo)線、導(dǎo)流帶等地物，手工矢量化道路數(shù)據(jù)，完成交通道路底圖的繪制。

4.2 外業(yè)調(diào)繪

由于現(xiàn)代社會(huì)發(fā)展迅速，道路的建設(shè)也是日新月異，有些情況下影像上的道路描述和實(shí)際情況有所偏差，所以在繪制完成后還需到實(shí)地進(jìn)行確認(rèn)以及進(jìn)行簡單的調(diào)繪。

作為交通事故道路地圖其絕對(duì)精度要求不高，相對(duì)精度要求較高，因此可采用簡易直接補(bǔ)測法進(jìn)行外業(yè)調(diào)繪[4]。調(diào)繪內(nèi)容包括量取標(biāo)志標(biāo)線的間隔、道路標(biāo)線的顏色、采集路面的箭頭標(biāo)志、更新路名等，以此修改相關(guān)地物的位置、屬性。調(diào)繪的工具為普通皮尺和激光測距儀。

在道路標(biāo)志變化不大時(shí)，以道路邊緣為基準(zhǔn)用皮尺和測距儀為工具進(jìn)行比較測量。只需測得道路標(biāo)志標(biāo)線的相對(duì)寬度，對(duì)不符合的數(shù)據(jù)進(jìn)行平移。而對(duì)于變化較大而不能采取簡單的平移修改道路數(shù)據(jù)時(shí)，采用距離交匯法，在兩個(gè)固定地點(diǎn)對(duì)地物測距，交匯得到變化地物的位置。

在車輛多且行駛速度快的危險(xiǎn)路口，研究采用激光測距儀進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，所用的測距儀應(yīng)為萊卡公司的，自帶攝像頭，能夠準(zhǔn)確對(duì)準(zhǔn)所測地物。為了得到更加精確的數(shù)據(jù)，將測距儀安置在照相用的三角架上，固定位置的同時(shí)可以對(duì)測距儀的位置和角度進(jìn)行更加精確的調(diào)整，類似于全站儀。

5 實(shí)例應(yīng)用

以上海市浦東陸家嘴地區(qū)的普通道路為例，采用數(shù)據(jù)源分別是1∶500 地形圖和2004年的Quick－Bird 全色影像數(shù)據(jù)，分辨率達(dá)到0.61m。地形圖的坐標(biāo)參考系為上海城市坐標(biāo)系。道路要素的繪制采集主要遵從國家標(biāo)準(zhǔn)，包括：《道路交通事故現(xiàn)場圖形符號(hào)》（GB11797-2005）、《道路交通標(biāo)志和標(biāo)線》（GB5768-1999）、《道路交通事故現(xiàn)場圖測繪》（GA49-93）。

遙感影像的預(yù)處理包括影像融合和裁剪。作為數(shù)據(jù)源的遙感影像已做過幾何糾正，所以此處不做糾正。為了能容易的辨別地物，方便數(shù)字化，將這兩種影像進(jìn)行融合處理。當(dāng)對(duì)遙感影像進(jìn)行了融合之后，就可以依照地形圖的區(qū)域范圍，對(duì)遙感影像進(jìn)行粗略的裁剪，從而獲得與地形圖范圍同樣大小的影像區(qū)域。地形圖的預(yù)處理主要利用Map 3D的圖形清理工具，對(duì)原始地形圖進(jìn)行刪除短對(duì)象、清理多線段、打斷交叉對(duì)象等圖形清理。而后將地形圖和影像匹配起來，本文選取了路口的5個(gè)控制點(diǎn)進(jìn)行匹配，最大誤差控制在0.5 cm 以內(nèi)。

數(shù)據(jù)預(yù)處理之后，開始在疊加的圖形上數(shù)字化繪制交通道路底圖，主要繪制內(nèi)容為影像上可分辨，地形圖上已存在的道路信息，比如道路邊緣線、點(diǎn)狀地物、隔離帶、隔離欄、隔離水馬、道路標(biāo)志標(biāo)線、導(dǎo)流帶等。

經(jīng)過內(nèi)業(yè)繪制，已經(jīng)基本繪制了該路口的標(biāo)志、標(biāo)線和基本地物，由于CAD 地形圖已經(jīng)具備較高的坐標(biāo)精度，因此新繪制的標(biāo)志標(biāo)線和地物也已經(jīng)具備坐標(biāo)信息，為交警處理交通事故時(shí)的GPS 數(shù)據(jù)接入提供可能。

最后到現(xiàn)場進(jìn)行外業(yè)調(diào)繪，在筆者的實(shí)驗(yàn)中，實(shí)驗(yàn)區(qū)域的變化不大。經(jīng)調(diào)繪，糾正了道路標(biāo)線的顏色、路面的箭頭方向和形狀、標(biāo)志標(biāo)線的位置。見圖2。

圖2 道路地圖繪制

6 結(jié)論

筆者所研究的以影像和地形圖為數(shù)據(jù)源的交通道路底圖制作方法，通過具有代表性的道路底圖繪制實(shí)例進(jìn)行驗(yàn)證，證明整個(gè)繪圖過程實(shí)際可行，不僅所生成的道路底圖數(shù)據(jù)內(nèi)容嚴(yán)格按照各項(xiàng)國家標(biāo)準(zhǔn)，數(shù)據(jù)相對(duì)精度高，而且整個(gè)繪制過程耗費(fèi)人力物力少。道路底圖能夠在事故現(xiàn)場直接調(diào)用，其應(yīng)用能夠節(jié)省繪制現(xiàn)場圖的時(shí)間，提高交警的工作辦案效率，具有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

如果采用航空影像則其分辨率和精度會(huì)更高，因此在各城市進(jìn)行航測成圖時(shí)，充分利用航空影像中的標(biāo)志標(biāo)線信息制作城市的高精度的用于事故現(xiàn)場成圖的地圖數(shù)據(jù)庫，對(duì)交通事故的快速處理以及事故的處理分析具有重要意義。

[1]閆玉.交通事故信息管理及其與事故再現(xiàn)一體化[J].哈爾濱工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2008.

[2]牛學(xué)軍.道路交通事故現(xiàn)場勘查[M].北京:中國人民公安大學(xué)出版社,2007.

[3]袁泉,裴劍平,李一兵.用于事故再現(xiàn)的道路交通事故現(xiàn)場圖繪制系統(tǒng)[J].計(jì)算機(jī)工程,2005(6):206.

[4]王紅蓮.航測外業(yè)調(diào)繪方法應(yīng)用思路研究[J].科技創(chuàng)新導(dǎo)報(bào),2010（30）:106.