高精度測量技術(shù)在公路數(shù)字化發(fā)展進程中的應(yīng)用研究
——以公路檢測為例

盧緒鵬、姚蕾、康峰沂、劉桂真

（1.貴州寬凳智云科技有限公司，貴州貴陽550025；2.南通市公路事業(yè)發(fā)展中心，江蘇南通226007）

0 引言

20世紀80年代末期，中國開始大規(guī)模建設(shè)公路網(wǎng)絡(luò)，大量公路建成并通車運營。隨著我國經(jīng)濟的進一步發(fā)展，以及公路基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的推進，國內(nèi)公路網(wǎng)絡(luò)已基本形成。

當(dāng)前，公路養(yǎng)護工作日益繁重，引入高科技與信息化的建設(shè)數(shù)字化技術(shù)勢在必行。公路檢測及養(yǎng)護是保證公路安全運行的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，其重要性不言而喻，利用創(chuàng)新技術(shù)開展公路檢測工作，能夠有效提升公路檢測效果，也能為公路管理部門制定相關(guān)養(yǎng)護決策提供更準確的依據(jù)，進而更好地提升公路養(yǎng)護質(zhì)量。

1 綜述

1.1 研究的目的和意義

公路資產(chǎn)是指依照《中華人民共和國公路法》納入交通、公路部門管理的四級以上的國道、省道、縣道和鄉(xiāng)道，包括公路橋梁、公路道口和公路服務(wù)區(qū)等，其是交通資產(chǎn)的重要組成部分[1]。目前，我國公路資產(chǎn)數(shù)據(jù)的采集方式大多為人工方式，對于里程較長及資產(chǎn)維度較大的公路資產(chǎn)，難以實現(xiàn)精細測量；公路資產(chǎn)原始數(shù)據(jù)的獲取主要是通過人工臺賬和紙質(zhì)表單的方式，尚未實現(xiàn)數(shù)字化管理；人工數(shù)據(jù)采集效率低、勞動強度大；人工采集、存儲公路病害和公路資產(chǎn)數(shù)據(jù)，容易存在主觀性。

隨著我國市場經(jīng)濟體制的逐步深化，各種管理制度、管理方法及管理技術(shù)不斷改進和完善，我國公路資產(chǎn)管理理論和實踐工作水平正在不斷提高。研究新技術(shù)和現(xiàn)代數(shù)字化管理方法，加速數(shù)字化管理進程，借助創(chuàng)新技術(shù)開展公路檢測工作，同時結(jié)合高精地圖搭建易操作的可視化平臺，能夠?qū)崿F(xiàn)自動化、精細化、多類型、高準確率、全覆蓋式的路面狀況檢測與公路資產(chǎn)狀況盤點，有效降低檢測綜合成本、提升采集數(shù)據(jù)的應(yīng)用價值、提高資產(chǎn)數(shù)據(jù)采集效率，進而更好地助力公路部門高效制定養(yǎng)護決策。

1.2 擬解決的關(guān)鍵問題

1.2.1 數(shù)據(jù)豐富度和準確性不足問題

傳統(tǒng)的公路檢測結(jié)果采用報告文檔的形式交付，通常采用文本列表的方式羅列檢測結(jié)果，呈現(xiàn)方式單一且缺少必要的輔助信息，無法呈現(xiàn)空間位置信息和精細化的測量數(shù)據(jù)[2]。同時，檢測過程中的模型及參數(shù)缺少深入驗證，存在資產(chǎn)和病害被漏檢或錯檢的現(xiàn)象，使得公路管理部門進行養(yǎng)護規(guī)劃決策時可用信息不足，執(zhí)行養(yǎng)護任務(wù)前需重復(fù)評估和勘測。

而高精度測量技術(shù)可以提升數(shù)據(jù)的豐富度及模型的準確性，能夠呈現(xiàn)精準的空間位置信息和數(shù)據(jù)信息，可更好地為公路管理部門的精細化管理和養(yǎng)護決策提供數(shù)據(jù)支撐。

1.2.2 檢測自動化程度低、對人工采集的依賴性問題

傳統(tǒng)的自動化路面檢測方法采用專業(yè)檢測車輛，需專業(yè)人員進行采集，存在檢測費用高昂、操作門檻高、數(shù)據(jù)難核查等問題[3]。公路管理和養(yǎng)護部門通常只對部分路段進行抽樣檢測，檢測范圍通常僅覆蓋特定路段中的某一條車道，導(dǎo)致數(shù)據(jù)采集范圍非常局限，既難以有效地對全盤路況進行摸底和統(tǒng)計，又對檢測人員的專業(yè)性提出了過高的要求。而當(dāng)前公路管理部門普遍存在專業(yè)型技術(shù)人員不足的問題，大部分公路養(yǎng)護基層單位長期采用人工密集型操作模式，公路沿線資產(chǎn)盤點統(tǒng)計、損壞檢查等相關(guān)工作，目前尚缺乏成熟的自動化方案。

1.2.3 數(shù)據(jù)分散、標準不一問題

公路管理系統(tǒng)內(nèi)，尚未在不同類型數(shù)據(jù)之間建立關(guān)聯(lián)，存在數(shù)據(jù)標準不統(tǒng)一、無法實現(xiàn)數(shù)據(jù)融合與共享等問題[4]。如路面檢測數(shù)據(jù)、公路建設(shè)數(shù)據(jù)、公路沿線設(shè)施數(shù)據(jù)等無法融合使用。而高精度測量技術(shù)能幫助公路管理部門對接養(yǎng)護決策及公路資產(chǎn)管理綜合數(shù)據(jù)平臺，統(tǒng)一數(shù)據(jù)格式，消除數(shù)據(jù)壁壘，實現(xiàn)多業(yè)務(wù)一站式管理，充分挖掘數(shù)據(jù)的應(yīng)用價值。

1.3 實現(xiàn)經(jīng)濟及社會價值

高精度測量技術(shù)的應(yīng)用能夠?qū)崿F(xiàn)三大經(jīng)濟價值[5]。一是可提高對公路資產(chǎn)的巡查效率和盤點準確度，有效降低資產(chǎn)巡查和維護的人力成本；二是可提高病害管理效率，提高路況管理質(zhì)量，降低檢測成本；三是可提高基礎(chǔ)設(shè)施養(yǎng)護決策效率，基于精準的資產(chǎn)庫，將有限的財政資金投入關(guān)鍵的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)和維護領(lǐng)域，進一步提高公路管理水平。

除經(jīng)濟價值外，高精度測量技術(shù)還具有很大的社會價值，有利于提高路網(wǎng)的通行質(zhì)量和通行效率，節(jié)約社會通行時間，減少安全隱患，降低公路外部成本。同時，打造相關(guān)示范工程，并推廣到其他省市，有利于加速我國公路數(shù)字化發(fā)展進程。

2 研究內(nèi)容

2.1 高精度測量技術(shù)的特征

2.1.1 設(shè)備測量精度高

該研究創(chuàng)新性地提出基于三維重建的公路病害檢測與識別技術(shù)。一方面基于便攜式的采集設(shè)備，多相機立體地、高頻地采集高清地面圖像，另一方面基于三維重建和高精地圖技術(shù)，對采集到的地面信息進行精準的三維重建，準確地還原地面的三維空間結(jié)構(gòu)。另外，基于一種傳感器設(shè)備，既可以得到高清圖像信息，也可以得到三維點云信息；既包括圖像豐富的紋理信息，也包括高精度的空間信息，能夠?qū)崿F(xiàn)對車道級的公路資產(chǎn)可視化和精準的位置表達。

2.1.2 自動化程度高

數(shù)字化測繪技術(shù)的計算、識別、連接等都是在計算機上自動完成的，且調(diào)試圖標、符號值時使用的均是自動處理的相關(guān)功效，由此可實現(xiàn)對地形圖的測繪，地形圖的內(nèi)容相對豐富，且很少出錯[6]。此外，數(shù)字測圖可自動提取測量信息。

2.1.3 豐富圖形屬性信息

數(shù)字技術(shù)不僅能夠測量點的坐標，還可明確所測點的屬性，并且在測量之時，能夠客觀記錄測量點的連接信息及編碼，因而在形成地圖之時，只需輸入編碼，就可在圖庫中將所需要的測繪圖調(diào)出來，使用起來十分便利。

2.2 公路檢測中高精度測量技術(shù)的應(yīng)用

在車載移動測量采集系統(tǒng)中，實時及同步傳感數(shù)據(jù)的獲取，是一個最重要且需要首先解決的問題。一方面由于車輛在線動態(tài)運行，這就要求實時獲取數(shù)據(jù)；另一方面由于存在多種不同的傳感器，需要數(shù)據(jù)具有嚴格的同步及空間對應(yīng)關(guān)系。

多傳感器信息時空同步技術(shù)能在分析GPS、IMU、相機、激光雷達各傳感器自身的時間特性及坐標系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，確定基準時間系統(tǒng)和基準坐標系統(tǒng)，進而在各傳感器自身時間系統(tǒng)與基準時間系統(tǒng)之間建立聯(lián)系。之后可應(yīng)用三維結(jié)構(gòu)模型分析，理論推導(dǎo)出各傳感器坐標系統(tǒng)與基準坐標系統(tǒng)之間的數(shù)學(xué)轉(zhuǎn)換矩陣，設(shè)計給出實現(xiàn)空間同步的合理數(shù)學(xué)算法模型，再通過實際測試數(shù)據(jù)，迭代驗證上述技術(shù)方法的正確性[7]。

2.2.1 DGPS/INS組合導(dǎo)航高精度定位定姿技術(shù)

DGPS擬采用高性能GPS/GLONASS/BD三合一衛(wèi)星接收機，基于衛(wèi)星差分原理，消除衛(wèi)星傳播誤差、鐘差、軌道誤差等誤差因素，進而獲取高精度絕對位置信息，但衛(wèi)星信號有可能受到遮擋、干擾等影響，會出現(xiàn)失鎖現(xiàn)象[8]。因而，DGPS/INS組合導(dǎo)航技術(shù)方案擬采用緊密組合工作方式，如此可充分發(fā)揮兩者優(yōu)勢，以GPS碼觀測信息、相位觀測信息、多普勒觀測信息等作為觀測量，結(jié)合自適應(yīng)卡爾曼濾波器算法，實現(xiàn)對導(dǎo)航誤差的估計及閉環(huán)校正，輸出持續(xù)穩(wěn)定的定位定姿數(shù)據(jù)。針對車載移動測量應(yīng)用，DGPS/INS組合導(dǎo)航高精度定位定姿技術(shù)首先研究慣性導(dǎo)航單元、DGPS的誤差特性并建立慣性導(dǎo)航、前后向校準、GPS衛(wèi)星差分計算等數(shù)學(xué)算法模型，在此基礎(chǔ)上設(shè)計合理的自適應(yīng)卡爾曼濾波算法模型，并研究前后向濾波、RTS濾波等后處理算法，以進一步提高數(shù)據(jù)處理精度。

2.2.2 多傳感器一體化高精度標定技術(shù)

多傳感器一體化標定，擬采用系統(tǒng)整體標定的技術(shù)路線。

其一，擬通過設(shè)定控制點、布局合理的標志物等，建立絕對精度可信、特征識別鮮明的標定場。

其二，利用采集設(shè)備獲取的視覺圖像或雷達點云圖識別獲得標定場特征信息，并解算相應(yīng)的測量數(shù)據(jù)。

其三，通過數(shù)學(xué)運算的方法，利用已知的特征點信息和數(shù)據(jù)，獲得相機傳感器內(nèi)外參、激光雷達內(nèi)外參等各標定參數(shù)。

2.2.3 高精度測量數(shù)據(jù)渲染和可視化技術(shù)

獲取到高精度測量數(shù)據(jù)后，為更好地發(fā)揮數(shù)據(jù)在公路檢測和養(yǎng)護管理工作中的價值，需要對高精數(shù)據(jù)進行渲染和可視化呈現(xiàn)。

高精數(shù)據(jù)渲染：高精數(shù)據(jù)渲染包括兩個方面，即高精數(shù)據(jù)反投與海量數(shù)據(jù)存儲。高精數(shù)據(jù)反投：高精數(shù)據(jù)視頻反投依賴于軌跡點精確的POS信息、相機參數(shù)及該位置的圖像。海量數(shù)據(jù)存儲：高精數(shù)據(jù)制作需要采集海量的地圖數(shù)據(jù)，建立存儲集群用于存儲，還依賴于海量的非結(jié)構(gòu)化圖像的存儲和快速檢索。

公路三維可視化與數(shù)字地球：數(shù)字地球是一個無縫覆蓋全球的地球信息模型，其能夠?qū)⒎稚⒌男畔凑盏乩碜鴺诵问浇M織起來，既能體現(xiàn)出地球上各種信息的內(nèi)在有機聯(lián)系，又便于按照地理坐標進行檢索和利用。數(shù)字地球是信息化的地球，它包括全部地球資料的數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化和可視化的過程。其核心思想是利用數(shù)字化手段整體性地解決地球問題，并最大限度地利用信息資源。數(shù)字地球是一個從數(shù)字化、數(shù)據(jù)建模、系統(tǒng)仿真、決策支持一直到虛擬現(xiàn)實的開放、復(fù)雜的巨大系統(tǒng)，是一個全球綜合信息的數(shù)據(jù)系統(tǒng)工程。在數(shù)字地球平臺上，利用高精地圖的精準三維數(shù)據(jù)和計算機圖形技術(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)公路三維可視化。

2.2.4 圖像識別和測量技術(shù)

目標識別與定位：目標識別與定位是實現(xiàn)精細化測量與公路損壞程度判斷的基礎(chǔ)，主要是在原始圖像上準確定位，并對所識別的目標進行精準分類[9]。在圖像識別領(lǐng)域，實現(xiàn)目標識別與定位功能的技術(shù)是目標檢測，主要為多尺度目標檢測，通過對連續(xù)圖像上目標的穩(wěn)定檢測及精準定位，輸出目標的對應(yīng)坐標，再通過多類別分類算法，對檢測到的各類目標進行準確分類。

目標精細提?。耗繕司毺崛∈菍δ繕诉M行精準測量的必要環(huán)節(jié)，主要是針對檢測出來的目標，進一步提取目標的像素信息。以裂縫病害為例，已經(jīng)從圖片中定位了裂縫范圍，可以通過目標精細提取，得到描述裂縫的具體像素信息。在圖像識別領(lǐng)域，精細提取像素信息的技術(shù)是圖像語義分割，該技術(shù)能夠賦予每一個像素一個指定的類別。公路病害包括有病害和無病害兩種，為精確提取目標的像素信息，則需要借助圖像語義分割技術(shù)。

目標精準測量：對公路資產(chǎn)與病害的精準測量是在視覺提取出目標信息的基礎(chǔ)上，對目標進行大小測量，并最終對目標分類、定級。對目標大小進行精準測量，是對目標進行定級的基礎(chǔ)[10]。由于采用視覺與激光相結(jié)合的檢測方案，因此既需要研究基于視覺的測量方案，也需要研究基于激光的測量方案；同時，為最大化地保證測量精度，需要研究二者結(jié)合的測量方案。由于目標大小、形態(tài)、對精度的要求各異，因此需要研究針對不同病害的具體測量方案。

3 結(jié)語

利用高精度測量技術(shù)能高效地對公路數(shù)據(jù)進行采集與處理，并能根據(jù)選定的數(shù)據(jù)范圍全自動生成指定的數(shù)據(jù)規(guī)格，既能生成全量數(shù)據(jù)包，也可以生成不同版本之間的增量數(shù)據(jù)包，方便數(shù)據(jù)發(fā)布，可實現(xiàn)全要素數(shù)據(jù)質(zhì)量檢查和數(shù)據(jù)評估功能，能夠有效保證數(shù)據(jù)規(guī)格一致性、數(shù)據(jù)屬性一致性、數(shù)據(jù)拓撲完整性等。公路資產(chǎn)管理和數(shù)字化養(yǎng)護對高精度公路數(shù)據(jù)的需求日益提高，相關(guān)部門積極引入高精度測量技術(shù)既能實現(xiàn)數(shù)字化公路資產(chǎn)管理和公路養(yǎng)護，也能加速數(shù)據(jù)統(tǒng)一進程、推進數(shù)據(jù)融合與共享。