復(fù)雜交通樞紐實景三維一張圖可視化智能管理關(guān)鍵技術(shù)

伍庭晨，謝 瀟，徐 坤，陳 磊，黃雅晴

(1.蘭州交通大學(xué)，甘肅 蘭州 730071；2.中國科學(xué)院沈陽應(yīng)用生態(tài)研究所，遼寧省環(huán)境計算與可持續(xù)發(fā)展重點實驗室，遼寧 沈陽 110016；3.浙江中海達空間信息技術(shù)有限公司，浙江 湖州 313200)

0 引 言

隨著經(jīng)濟的高速、持續(xù)發(fā)展和城市化進程的加快，單一的交通模式和簡約的交通功能逐漸向集約化、綜合化轉(zhuǎn)變，形成大型或特大型城市綜合性復(fù)雜交通樞紐。作為區(qū)域內(nèi)各種動、靜態(tài)交通流的交匯點，在空間上高度集聚多種交通方式，是實現(xiàn)出行者“無縫銜接”換乘的載體[1-3]。

目前，基于二維底圖的交通樞紐平臺建設(shè)方案雖已成熟，在二維空間數(shù)據(jù)表達本身存在高程信息缺失、語義信息不足、空間關(guān)系粗略等局限，脫離了真實的室內(nèi)空間結(jié)構(gòu)及所在的立體空間位置，無法支撐樞紐復(fù)雜三維環(huán)境下的精細化管理、自動導(dǎo)航、智能決策等出行需求[4-5]。與此同時，安保工作一直是交通樞紐的基礎(chǔ)性、關(guān)鍵性任務(wù)，但現(xiàn)有警務(wù)系統(tǒng)在“事件定位-信息發(fā)布-警力調(diào)度”的聯(lián)動安防工作仍存在滯后性，其警力布置規(guī)劃也很難避免室內(nèi)盲區(qū)的產(chǎn)生，使警力調(diào)用的合理性和時效性降低，難以提供智能化指揮調(diào)度的支持[6]。

為此，本文針對提升城市交通出行保障能力、增強應(yīng)急響應(yīng)與資源調(diào)度效率等需求，整合區(qū)域重點公共管理與橫向部門現(xiàn)有的人臉、卡口、視頻等大數(shù)據(jù)資源，建設(shè)交通樞紐三維全景地圖與精準定位基礎(chǔ)上的應(yīng)用服務(wù)，形成“復(fù)雜交通樞紐實景三維一張圖”的全域智能管理新模式。在此基礎(chǔ)上，結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)多端口協(xié)同技術(shù)，搭建民眾與警務(wù)人員之間的信息通道，最終實現(xiàn)高水平數(shù)字化與智能化協(xié)同的交通樞紐警務(wù)綜合管理平臺。

1 系統(tǒng)設(shè)計

交通樞紐實景三維系統(tǒng)由業(yè)務(wù)層、服務(wù)層、數(shù)據(jù)層、基礎(chǔ)設(shè)施層、安全保障體系及標準規(guī)范體系6部分組成，其總體架構(gòu)如圖1所示。系統(tǒng)采用B/S架構(gòu)：前端開發(fā)采用Vue界面框架和JavaScript語言，數(shù)據(jù)庫采用MongoDB與PostgreSQL，后端開發(fā)采用Java語言。系統(tǒng)依托DT Builder、DT Server以及DT Globe進行數(shù)據(jù)處理、服務(wù)發(fā)布以及三維可視化，能夠加載Tb級數(shù)據(jù)、支持多樣化設(shè)備終端，支持傾斜攝影、點云及影像等多源數(shù)據(jù)。

圖1 系統(tǒng)總體架構(gòu)圖

系統(tǒng)以現(xiàn)有二、三維空間信息數(shù)據(jù)庫資源為基礎(chǔ)，支持對多源建筑要素數(shù)據(jù)集成管理與展示，真實地還原交通樞紐站體的立體環(huán)境，實現(xiàn)全要素的三維展示和共享，方便決策者和用戶了解建設(shè)情況；同時實景三維模型作為基礎(chǔ)地理信息框架和定位參考“一模多用”可服務(wù)于各類交通樞紐管理部門[7]。

2 關(guān)鍵技術(shù)

本方案以民生快進快出和警務(wù)應(yīng)急響應(yīng)等應(yīng)用需求為目標，從“實景三維地圖建設(shè)-高精度定位-警民聯(lián)動應(yīng)用”逐步構(gòu)建智慧警務(wù)一體化應(yīng)用平臺：

(1)視覺語義增強的全域?qū)嵕叭S建模技術(shù)。針對綜合交通樞紐的全域空間數(shù)字化管理需求，采用三維可視化與多源數(shù)據(jù)融合方法，實現(xiàn)室內(nèi)外、地上地下一體化實景三維地圖，能夠兼顧全域場景下的視覺信息和語義表示；

(2)語義對象級融合的混合定位技術(shù)。采用多方混合的無線局域網(wǎng)定位系統(tǒng)，包括藍牙、Wi-Fi及超寬帶(Ultra-Wide Band，UWB)，重點利用實時語義立體匹配技術(shù)輔助室內(nèi)的精確定位，提高室內(nèi)定位的覆蓋度與準確度，為三維實景導(dǎo)航與移動警力調(diào)配提供支持；

(3)終端協(xié)同模式下的警民聯(lián)動應(yīng)用架構(gòu)。聯(lián)合警務(wù)、政務(wù)以及民眾等應(yīng)用對象，構(gòu)建同步桌面端和移動端兩端的三維實景模型綜合應(yīng)用，支撐全局綜合指揮與局部精準處置的可視化協(xié)同決策。

2.1 視覺語義增強的全域?qū)嵕叭S建模技術(shù)

國產(chǎn)化的采集裝備已能夠滿足實景三維建設(shè)的要求，包括傾斜攝影測量儀、機載激光雷達等，同時有大量軟件支持城市模型的自動化建模。然而，對于綜合型的交通樞紐建筑體表現(xiàn)的空間結(jié)構(gòu)之復(fù)雜、物體輪廓之細密、語義信息之繁多等特點，單一的掃描數(shù)據(jù)與建模方法無法滿足從單體到全景的室內(nèi)外精細建模。

因此，本方案提出一種視覺語義增強的實景三維建模技術(shù)，如圖2所示，其關(guān)鍵在于：

(1)視覺表達增強。結(jié)合CC集群建模、逆向建模，紋理貼合等多種建模技術(shù)，高精度還原交通樞紐內(nèi)部與外部構(gòu)造輪廓，在此過程中，重點采用OSG三維渲染對三維空間及所含模型進行裝配、渲染及優(yōu)化，進一步引入全景圖像與三維模型融合，使模型觀感與原物體達到一致，從視覺表達上打破了虛擬和現(xiàn)實的邊界[8-9]。

(2)語義信息增強。匯集路網(wǎng)、警力警情及設(shè)備POI點信息，路網(wǎng)數(shù)據(jù)等多源異構(gòu)數(shù)據(jù)，通過多源異構(gòu)數(shù)據(jù)時空一致性映射、特征精準融合等核心技術(shù)，建立位置精準、基準統(tǒng)一、屬性豐富的三維模型語義覆蓋網(wǎng)絡(luò)，能夠更清晰地從虛擬模型上獲取多方位的真實信息。

所構(gòu)建的實景三維模型能夠讓大眾、安保以及管理人員等不同層次用戶直觀精準的對復(fù)雜空間格局進行感知與認知，可為交通樞紐的全域智能管理提供空間地理信息大數(shù)據(jù)基礎(chǔ)支撐。

2.2 語義對象級融合的混合定位技術(shù)

目標的位置信息在室內(nèi)場景中有重要作用，包括定位管理、精確導(dǎo)航及視頻聯(lián)動等功能應(yīng)用，相較于室外GPS衛(wèi)星快速定位，在室內(nèi)受到屋頂以及其他障礙物的遮擋導(dǎo)致信號容易產(chǎn)生波動，無法進行連續(xù)的精確定位，表1為當前常用的室內(nèi)定位技術(shù)。

表1 室內(nèi)定位技術(shù)對照表

室內(nèi)定位技術(shù)在簡單的實驗環(huán)境中，理論上可以達到米級甚至厘米級的精度，而在實際應(yīng)用中由于場景的復(fù)雜性，即跨層結(jié)構(gòu)、建筑空高、大型柱體等情況不一的空間遮擋，使得上述空間定位技術(shù)在復(fù)雜交通樞紐中，普遍存在信號大范圍缺失與漂移等問題，因此需要在合理控制施工和硬件成本的條件下對定位技術(shù)進行優(yōu)化。本文基于三維室內(nèi)POI 專題場景對象(出入口、商鋪、車位等目標或區(qū)域)，提出一種面向虛擬模型與現(xiàn)實景象的實時語義立體匹配技術(shù)，包括以下關(guān)鍵步驟：

(1)結(jié)合移動攝像頭實時獲取的現(xiàn)實景象與構(gòu)建的室內(nèi)三維模型全局圖像，利用圖像特征點匹配、場景自動識別、視覺信息反演等算法[13-14]，判別現(xiàn)實對象(路牌、電梯、商標等標志性建筑)與三維模型的一致程度，實現(xiàn)視覺對象語義約束的幾何定位[15](圖3a)。

圖3 語義對象級融合的混合定位示例圖

(2)結(jié)合三維POI對象語義信息與室內(nèi)路網(wǎng)數(shù)據(jù)，利用空間模型的幾何量測算法判斷定位所在位置與目標對象間的現(xiàn)實方向與距離，在場景展示中表現(xiàn)語義提示信息，使相對位置更精準，導(dǎo)航傾向性更明確(圖3b)。

通過室內(nèi)對象語義輔助的高精度混合定位能夠在大空間范圍內(nèi)獲取人或物的準確位置信息，用于人員跟蹤、客流分析、警力響應(yīng)及資源調(diào)配等延展應(yīng)用。

2.3 多終端協(xié)同的警民聯(lián)動應(yīng)用技術(shù)

終端協(xié)同(Multi-terminal Cooperation)是指在網(wǎng)絡(luò)控制下，多個終端有組織地聚合形成支持豐富業(yè)務(wù)內(nèi)容的協(xié)同系統(tǒng)，能夠突破單一網(wǎng)絡(luò)的限制，實現(xiàn)更加高效的業(yè)務(wù)傳輸[16-17]。本方案利用此系統(tǒng)模式提出基于實景三維電子沙盤的警民聯(lián)動應(yīng)用架構(gòu)，如圖4所示，包括以下內(nèi)容：

圖4 終端協(xié)同模式設(shè)計原理圖

(1)桌面端應(yīng)用，主要服務(wù)于公安。其中，信息追蹤包括人員實時定位、人員實時軌跡、定位人查詢以及警務(wù)資源可視化；警情互通包括視頻聯(lián)動、IP廣播聯(lián)動、雙向報警、警力資源調(diào)度等；應(yīng)用管理包括人員管理、設(shè)備管理和后臺管理等。

(2)移動端應(yīng)用，同時服務(wù)于公安和民眾。其中，警情上報為民眾提供即時的緊急報警途徑，精準管控用于支撐警員獲取報警人位置和警情信息，同時以共享形式發(fā)給相應(yīng)片區(qū)管理人員，并實現(xiàn)報警人后續(xù)移動位置追蹤；應(yīng)用交互包括室內(nèi)外導(dǎo)航、虛擬漫游及乘車引導(dǎo)等出行服務(wù)。

上述應(yīng)用構(gòu)架通過連接終端建立公安與民眾之間的信息通道，保證服務(wù)端全局綜合指揮與移動端局部精準處置協(xié)同的可視化決策，大幅提升了交通樞紐指揮中心與公安警力的風(fēng)險管控能力。

3 平臺實現(xiàn)與應(yīng)用案例

3.1 杭州東站警民分用全息三維系統(tǒng)

杭州東站是中國大型鐵路樞紐站之一，作為一個結(jié)構(gòu)復(fù)雜的大型室內(nèi)外綜合體[18]，東站樞紐一直是公安警力在線建設(shè)的重點區(qū)域，在人流量巨大，應(yīng)急響應(yīng)速度要求高，且警力布置有限的情況下，缺乏基于三維環(huán)境下的警力布置規(guī)劃，很難避免監(jiān)控盲區(qū)的產(chǎn)生，導(dǎo)致人員出行與警力調(diào)用的合理性與時效性降低。

通過本文中的關(guān)鍵技術(shù)與系統(tǒng)總體架構(gòu)，搭建杭州東站警民分用實景三維平臺，如圖5所示，包括以下主要內(nèi)容：

圖5 復(fù)雜交通樞紐系統(tǒng)數(shù)據(jù)體系構(gòu)成、應(yīng)用形式及示范

(1)構(gòu)建杭州東站全域?qū)嵕叭S一張圖，通過對多源數(shù)據(jù)集成的室內(nèi)結(jié)構(gòu)的高精度建模，并融入傳感器數(shù)據(jù)(人臉、卡口和視頻等)及專題數(shù)據(jù)(POI及路網(wǎng)數(shù)據(jù)等)實現(xiàn)杭州東站室內(nèi)外一體化實景三維地圖制作。

(2)混合布局定位技術(shù)與位置信息應(yīng)用，通過GPS、藍牙等多種定位信號同步傳輸實現(xiàn)數(shù)據(jù)的初步采集；隨后對海量定位數(shù)據(jù)進行去噪后再通過協(xié)調(diào)過濾篩選出準確數(shù)據(jù)；進一步通過場景的實時切換實現(xiàn)室內(nèi)外定位多精度無縫切換，最終完成警力資源實時動態(tài)定位表達等應(yīng)用。

(3)設(shè)計警民聯(lián)動治安防控功能體系，構(gòu)建桌面端和移動端兩端應(yīng)用，其中桌面端應(yīng)用主要面向警務(wù)管理與調(diào)度，移動端應(yīng)用則面向民眾個體與警務(wù)人員，分別實現(xiàn)導(dǎo)航、報警及信息共享等警情聯(lián)動功能。

3.2 杭州蕭山機場智安航站樓警務(wù)平臺

由于系統(tǒng)中各模塊的可復(fù)用性較高，能夠?qū)⒑贾輺|站平臺的構(gòu)建流程遷移至蕭山機場中，實現(xiàn)高水平數(shù)字化與智能化協(xié)同的交通樞紐警務(wù)綜合管理平臺；在此過程中，采用視覺語義增強技術(shù)的實景模型更加具備真實感，在視覺上給平臺用戶帶來沉浸式體驗。

4 結(jié) 語

隨著智慧出行服務(wù)從室外延伸至室內(nèi)，重要交通樞紐的平臺建設(shè)已成為未來城市數(shù)字化改革不可或缺的一環(huán)，在復(fù)雜立體空間中實施精細結(jié)構(gòu)化的三維實景解決方案是建設(shè)高水平智能化交通樞紐的必然要求。本文關(guān)鍵技術(shù)的研究和平臺的設(shè)計，支持直觀、精細的三維實景模型和高精度、穩(wěn)定的人員定位，打造了虛擬環(huán)境下的“數(shù)字孿生樞紐”，為復(fù)雜交通樞紐智能化管理提供了立體可視化管控新模式。特別是將商鋪、地鐵、停車場、監(jiān)控設(shè)備、進出卡口等跨部門跨領(lǐng)域信息和實景三維一張圖進行了語義對象級融合，為精細化業(yè)務(wù)管理和民眾的快捷指向性出行需求提供了有效支撐。此外，依托路地警務(wù)融合與室內(nèi)外精確定位實現(xiàn)指揮中心、公安、交警等部門的一體化指揮聯(lián)動，特別與民眾實行信息互通、協(xié)同作戰(zhàn)，實現(xiàn)警情的快速響應(yīng)與快速處置，對于推動“智慧安防”建設(shè)起到積極的促進作用。