基于GPS數(shù)據(jù)的道路線形恢復(fù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)實(shí)踐

劉 碩， 楊 軫， 許 多， 王俊驊

（同濟(jì)大學(xué)道路與交通工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，道路交通安全與環(huán)境教育部工程研究中心，上海 201804）

0 引 言

道路安全實(shí)驗(yàn)課程是道路工程專業(yè)學(xué)生的必修課程，該課程的目的是通過(guò)實(shí)驗(yàn)的形式，探討如何從人－車－路復(fù)雜系統(tǒng)的角度，經(jīng)濟(jì)、合理地減少交通事故損失，提升道路交通安全性，是一門(mén)與工程實(shí)際緊密相連的實(shí)踐課。在道路交通安全管理中，經(jīng)常會(huì)遇到這樣的問(wèn)題，由于早期的公路建設(shè)和管理不規(guī)范，許多道路的線形資料已經(jīng)遺失，甚至有些低等級(jí)的道路沒(méi)有線形資料，加之道路的改建擴(kuò)建等情況，不少道路存在線形資料不全，與實(shí)際不符的情況［1-3］。而線形資料又是道路設(shè)施養(yǎng)護(hù)維修和管理、交通事故特征分析和事故還原工作的重要基礎(chǔ)，通過(guò)線形恢復(fù)技術(shù)獲取道路線形信息，對(duì)提升公路建設(shè)和交通管理水平有重要意義，因此線形恢復(fù)技術(shù)是道路工程專業(yè)學(xué)生需掌握的重要技能之一。

傳統(tǒng)的道路線形恢復(fù)方法是通過(guò)經(jīng)緯儀和水準(zhǔn)儀獲取道路的平面以及高程信息，缺點(diǎn)是工作速度慢且操作復(fù)雜。隨著測(cè)繪技術(shù)及儀器的不斷發(fā)展，基于GPS的道路線形恢復(fù)方法應(yīng)用越來(lái)越廣泛。因此，我校交通運(yùn)輸工程學(xué)院在道路安全實(shí)驗(yàn)課程中增設(shè)了道路線形恢復(fù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)，采用手持和車載兩種較為常見(jiàn)的GPS設(shè)備采集數(shù)據(jù)，并對(duì)線形恢復(fù)結(jié)果進(jìn)行分析，探索兩種方式的特點(diǎn)和適用性，訓(xùn)練學(xué)生運(yùn)用所學(xué)的專業(yè)知識(shí)和理論，分析問(wèn)題和解決問(wèn)題的能力。

1 實(shí)驗(yàn)理念與目標(biāo)

道路工程人才培養(yǎng)的一個(gè)重要任務(wù)就是使學(xué)生能夠面向道路工程實(shí)踐，因此加強(qiáng)道路工程實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)、防止理論脫離實(shí)際，是實(shí)驗(yàn)教學(xué)理念的核心內(nèi)容［4］。通過(guò)道路線形恢復(fù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)和學(xué)生動(dòng)手實(shí)驗(yàn)，鍛煉學(xué)生實(shí)驗(yàn)及實(shí)踐技能，培養(yǎng)發(fā)現(xiàn)、分析及解決問(wèn)題的能力，進(jìn)一步提升教學(xué)質(zhì)量及人才培養(yǎng)質(zhì)量。實(shí)驗(yàn)課程包括GPS設(shè)備使用方法及線形恢復(fù)方法培訓(xùn)、GPS采集實(shí)驗(yàn)、道路線形恢復(fù)及結(jié)果分析和討論的全過(guò)程，能夠拓寬學(xué)生知識(shí)面和專業(yè)技能，養(yǎng)成理論聯(lián)系實(shí)際的學(xué)風(fēng)和科學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)墓ぷ鲬B(tài)度，對(duì)于提高學(xué)生綜合素質(zhì)有著積極意義［5］。

2 實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)計(jì)

2.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備及原理

GPS工作的原理主要是通過(guò)衛(wèi)星接收地面發(fā)射出的控制信號(hào)，然后將其進(jìn)行分析，并發(fā)送到地面用戶的系統(tǒng)中，以便為用戶提供三維位置、速度、方向以及時(shí)間等多維數(shù)據(jù)［6-7］。本實(shí)驗(yàn)采用手持和車載兩種GPS設(shè)備（見(jiàn)圖1）。輔助設(shè)備包括三角支架和可伸縮支撐桿，三角支架用于放置基站，保證基站的穩(wěn)定性；支撐桿用于支撐移動(dòng)站，保證移動(dòng)站跟蹤4顆以上的衛(wèi)星，提高定位的準(zhǔn)確性［8］。

2.2 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

本實(shí)驗(yàn)教學(xué)包含4部分內(nèi)容：①對(duì)兩種GPS設(shè)備的使用方法及線形恢復(fù)方法進(jìn)行培訓(xùn)；②學(xué)生分組進(jìn)行GPS數(shù)據(jù)采集實(shí)驗(yàn)；③學(xué)生基于GPS數(shù)據(jù)恢復(fù)道路線形；④學(xué)生對(duì)線形恢復(fù)結(jié)果以及兩種方法特點(diǎn)進(jìn)行分析討論。

(1)GPS設(shè)備使用方法及線形恢復(fù)方法培訓(xùn)?；贕PS數(shù)據(jù)的道路線形恢復(fù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)，對(duì)GPS設(shè)備采集數(shù)據(jù)的原理與方法、GPS數(shù)據(jù)預(yù)處理的方法、道路線形恢復(fù)的理論與方法等內(nèi)容進(jìn)行集中教學(xué)指導(dǎo)，培養(yǎng)學(xué)生的專業(yè)理論素養(yǎng)。

(2)基于GPS的道路信息采集實(shí)驗(yàn)。①手持GPS采集數(shù)據(jù)方法：學(xué)生手持GPS測(cè)量?jī)x器，保持儀器的相對(duì)穩(wěn)定，沿實(shí)驗(yàn)路段道路中心線行走。直線段以正常速度行走，曲線段降低速度以增加采集點(diǎn)的數(shù)量。②車載GPS采集數(shù)據(jù)方法：在車頂部安裝車載GPS設(shè)備，有駕照且熟練駕駛的學(xué)生駕駛車輛以速度不超過(guò)20 km／h沿實(shí)驗(yàn)路段每條車道各行駛1次。

圖1 GPS采集設(shè)備

(3)基于GPS數(shù)據(jù)的道路線形恢復(fù)。手持GPS與車載GPS數(shù)據(jù)的測(cè)量方法基本原理相似［9-11］，但數(shù)據(jù)處理方式存在差異。手持GPS采集的坐標(biāo)點(diǎn)可認(rèn)為是道路中心線，可直接用采集數(shù)據(jù)進(jìn)行道路線形恢復(fù)。車載GPS的測(cè)量方法中，由于車輛僅能在某一車道內(nèi)行駛，采集的坐標(biāo)點(diǎn)會(huì)偏離道路中心線，因此采用在同一測(cè)量路段的不同車道上往復(fù)測(cè)量，通過(guò)空間數(shù)據(jù)處理的方法確定道路中心線位置，從而進(jìn)行道路線形的恢復(fù)。

基于手持GPS數(shù)據(jù)的道路線形恢復(fù)方法。將GPS數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為大地坐標(biāo)，根據(jù)路段點(diǎn)位以及轉(zhuǎn)角預(yù)先設(shè)置合適的圓曲線與直線，如圖2所示，基于Civil3D軟件采用最小二乘法的擬合方式進(jìn)行道路線形恢復(fù)［12-13］。

基于車載GPS數(shù)據(jù)的道路線形恢復(fù)方法。由于車載GPS采集的是多個(gè)車道中心點(diǎn)的信息，偏離于道路中心線，因此首先通過(guò)車道中心點(diǎn)推算道路中心點(diǎn)?？紤]到點(diǎn)的數(shù)量巨大，學(xué)生采用基于輔助計(jì)算工具，計(jì)算得到道路中心點(diǎn)，進(jìn)而采用Civil3D軟件進(jìn)行道路線形的恢復(fù)。道路中心點(diǎn)算法思路為：①定義外圈的任一軌跡點(diǎn)P；②找到內(nèi)圈距離外圈軌跡點(diǎn)P最近的N個(gè)點(diǎn)｛P1，P2，…，PN｝；③分別計(jì)算點(diǎn)P與內(nèi)圈這N個(gè)點(diǎn)的中心點(diǎn)，作為道路中心點(diǎn)（見(jiàn)圖3）。④以此類推，形成完整的道路中心點(diǎn)。

圖2 直線圓曲線設(shè)置示意圖

圖3 道路中心點(diǎn)生成示意圖（N＝5）

(4)線形恢復(fù)結(jié)果分析。引導(dǎo)學(xué)生從兩個(gè)方面對(duì)道路線形恢復(fù)結(jié)果進(jìn)行比較分析。①道路線形恢復(fù)效果，將坐標(biāo)采樣點(diǎn)與恢復(fù)線形的最短距離定義為偏移值，比較兩種方法恢復(fù)線形的偏移值；②綜合分析兩種線形恢復(fù)方法的特點(diǎn)和適用性。

3 實(shí)驗(yàn)案例

3.1 實(shí)驗(yàn)路段以及基站校準(zhǔn)

選擇的實(shí)驗(yàn)路段為長(zhǎng)度約3.5 km的環(huán)形道路，雙向兩車道，設(shè)計(jì)車速40 km／h，過(guò)往車輛較少，實(shí)驗(yàn)條件良好。學(xué)生根據(jù)實(shí)驗(yàn)道路的實(shí)際情況，在合適的點(diǎn)位布設(shè)基站，采用至少兩個(gè)以上水準(zhǔn)點(diǎn)作為坐標(biāo)校準(zhǔn)點(diǎn)。設(shè)備安裝調(diào)試后，分組采用手持和車載兩種方式在實(shí)驗(yàn)路段進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。

3.2 結(jié)果分析

(1)線形恢復(fù)結(jié)果分析。根據(jù)兩次實(shí)驗(yàn)在兩個(gè)校準(zhǔn)點(diǎn)測(cè)得的多個(gè)坐標(biāo)，采用取均值的方法確定校準(zhǔn)點(diǎn)坐標(biāo)，使手持和車載GPS恢復(fù)線形的校準(zhǔn)點(diǎn)重合，得到結(jié)果如圖4所示。紅線為手持GPS的恢復(fù)結(jié)果，綠線為車載GPS的恢復(fù)結(jié)果，由圖4可見(jiàn)，兩種方式恢復(fù)的線形幾乎重疊。手持與車載恢復(fù)的線形偏移值均值分別為0.677 m與0.488 m，直線段與曲線段的平均偏差分別是0.46 m與0.44 m。相對(duì)而言，車載GPS恢復(fù)的線形數(shù)據(jù)更加精確。

圖4 線形恢復(fù)比較

(2)線形恢復(fù)方法特點(diǎn)分析。學(xué)生從恢復(fù)精度、采集便捷性、經(jīng)濟(jì)性以及適用情況等角度對(duì)比討論了兩種線形恢復(fù)方法，如表1所示。精度上，基于車載的線形恢復(fù)方法更優(yōu)，更適用于道路改擴(kuò)建等對(duì)于線形精度要求較高的情況；而便捷性及經(jīng)濟(jì)性角度，基于手持GPS的線形恢復(fù)方法更優(yōu)，更適用于交通事故信息采集，事故場(chǎng)景再現(xiàn)等對(duì)時(shí)效性和便捷性要求較高的情況。

表1 兩種線形恢復(fù)方法特點(diǎn)比較

4 結(jié) 語(yǔ)

基于GPS數(shù)據(jù)的道路線形恢復(fù)實(shí)驗(yàn)，將實(shí)驗(yàn)教學(xué)與課堂理論教學(xué)緊密結(jié)合，使學(xué)生掌握道路線形恢復(fù)方法［14］，了解手持和車載兩種采集方式的特點(diǎn)和適用條件，同時(shí)掌握數(shù)據(jù)處理及分析方法，體驗(yàn)完整的科學(xué)研究過(guò)程［15］。從實(shí)施效果來(lái)看，對(duì)于提高學(xué)生的綜合素質(zhì)、培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐能力與創(chuàng)新精神具有積極作用，不僅豐富了學(xué)生的專業(yè)知識(shí)，同時(shí)增強(qiáng)了實(shí)踐能力，提高了應(yīng)用實(shí)驗(yàn)手段與方法去分析、研究和解決工程問(wèn)題的能力。