基于GIS與GPS智能化公路交通勘查系統(tǒng)的構(gòu)建與應(yīng)用

楊承昊，張大寶

（平頂山市公路交通勘察設(shè)計院，河南 平頂山 467000）

0 引 言

在傳統(tǒng)的公路勘查設(shè)計系統(tǒng)中，勘查過程數(shù)字化程度低，設(shè)計缺少標(biāo)準(zhǔn)化、智能化和可視化。遇復(fù)雜空間條件，如高山、深林和水路等因素受限時，可考慮針對復(fù)雜地形使用地理信息系統(tǒng)（Geographic Information System，GIS）與全球定位系統(tǒng)（Global Positioning System，GPS）智能可視化公路勘查設(shè)計方法，以解決公路勘查工程外業(yè)過程中數(shù)字化程度低、紙質(zhì)資料攜帶及使用不便、勘察和設(shè)計工作困難等諸多問題。GIS 與GPS 智能可視化公路勘查系統(tǒng)有著理想的應(yīng)用前景，適用于復(fù)雜環(huán)境的公路勘查與設(shè)計，使得勘察與設(shè)計實(shí)現(xiàn)了多源數(shù)據(jù)的疊加顯示、外業(yè)勘察數(shù)據(jù)的采集和設(shè)計以及離線與在線狀態(tài)的路網(wǎng)無縫切換等功能。

1 公路勘查智能化系統(tǒng)設(shè)計分析

GPS 是一種全球定位系統(tǒng)，也是獲取數(shù)據(jù)的一種手段。而GIS 本身并不具備直接獲取數(shù)據(jù)的能力，只是信息處理系統(tǒng)，可以進(jìn)行GPS、遙感（Remote Sensing，RS）數(shù)據(jù)匯總、歸檔和分類，進(jìn)行各種形式的技術(shù)輸出。其中GPS 、GIS 及RS 并稱為“3S 技術(shù)”。使用GPS 系統(tǒng)能夠為公路勘查提供導(dǎo)航，按照有向圖或者是無向圖的導(dǎo)航軟件設(shè)置權(quán)重，搜索最合適的線路。對比分析圖像識別技術(shù)有著廣泛的需求，已形成成熟的圖片數(shù)據(jù)庫，并用于訓(xùn)練識別圖像。大多數(shù)成熟數(shù)據(jù)庫更加偏向于識別物品，而非細(xì)分物品。處理道路情況多數(shù)來源網(wǎng)絡(luò)，后期使用人工進(jìn)行類別標(biāo)注。應(yīng)用此類技術(shù)無法處理位置信息，因此需要研究此方案應(yīng)用的采集方式，從而保證道路位置、圖片、信息數(shù)據(jù)相對應(yīng)，保留道路分析的相關(guān)信息。

1.1 實(shí)現(xiàn)路橋目標(biāo)點(diǎn)準(zhǔn)確定位

智能手機(jī)均含有指南針功能，該功能使用手機(jī)攝像機(jī)照準(zhǔn)功能通過方向傳感器來收獲角度值，根據(jù)高精度數(shù)字地圖獲得已知點(diǎn)，保證能夠?qū)崿F(xiàn)準(zhǔn)確定位操作流程。設(shè)計系統(tǒng)使用手機(jī)在高精度數(shù)字地圖上選中目標(biāo)點(diǎn)，同時將目標(biāo)點(diǎn)坐標(biāo)值記錄下來，然后使用手機(jī)相機(jī)瞄準(zhǔn)點(diǎn)選擇目標(biāo)點(diǎn)，直接使用角度交會方法計算測量站點(diǎn)的位置坐標(biāo)。

1.2 獲取已知目標(biāo)捕捉點(diǎn)位設(shè)計

首先，在定位中實(shí)現(xiàn)手機(jī)2 維高精度地圖特征點(diǎn)的捕捉；其次，將攝像機(jī)瞄準(zhǔn)目標(biāo)獲得方向傳感器的角度值；最后，使用后方方向交匯算法得出定位結(jié)果，使用手機(jī)來獲得屏幕點(diǎn)選數(shù)字地圖，進(jìn)而獲取已知目標(biāo)捕捉點(diǎn)位設(shè)計。因此在數(shù)字地圖上判斷線圖屏幕受到限制和點(diǎn)擊誤差，無法保證點(diǎn)擊的目標(biāo)點(diǎn)位。點(diǎn)擊屏幕后，系統(tǒng)判斷點(diǎn)圖層，并查詢點(diǎn)擊位置范圍內(nèi)全部點(diǎn)計量。需注意，要記錄選擇的點(diǎn)的坐標(biāo)值，查詢判斷線圖層，獲取點(diǎn)擊位置5 m 內(nèi)全部的線記錄距離。點(diǎn)擊位置的線端點(diǎn)，比較2 次記錄的路網(wǎng)值，也就是點(diǎn)擊點(diǎn)的距離選擇距離最近的點(diǎn)。在選中目標(biāo)點(diǎn)位后要進(jìn)入坐標(biāo)，避免2 次點(diǎn)擊捕捉。此種方式能夠使二維地圖完成目標(biāo)點(diǎn)捕捉記錄，在手機(jī)攝像鏡頭中找到瞄準(zhǔn)的目標(biāo)記錄下來。瞄準(zhǔn)中要根據(jù)二維地圖收集順序瞄準(zhǔn)，并且記錄方向，在二維地圖上會按照先后順序捕捉收集點(diǎn)。真實(shí)場景中，攝像機(jī)要瞄準(zhǔn)記錄，使用手持方式瞄準(zhǔn)會影響到角度測量情況。目標(biāo)點(diǎn)捕捉記錄工作流程如圖1 所示。

圖1 工作流程

1.3 方便后期訪問和數(shù)據(jù)源應(yīng)用

公路系統(tǒng)可設(shè)置點(diǎn)狀勘查和現(xiàn)狀勘查，用于記錄路燈、路牌等，在地圖上呈現(xiàn)點(diǎn)狀公路，路況損壞情況應(yīng)用拍照功能、GPS 定位功能、指南針功能、用戶調(diào)用功能生成固定規(guī)范損壞調(diào)查報告上傳到服務(wù)器，以便批量處理訪問后期應(yīng)用數(shù)據(jù)來源。損壞勘查模塊擁有線面狀記錄和測定功能，勘測者移動標(biāo)定某一范圍，從而實(shí)現(xiàn)勘查嚴(yán)重之外損壞的功能，提供不規(guī)則形狀，估測勘查模式，提高環(huán)境適應(yīng)性[1]。

2 GPS 與GIS 系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)構(gòu)成與位置交互

GIS 是結(jié)合了計算機(jī)軟件技術(shù)、計算機(jī)硬件技術(shù)、圖形學(xué)、地理學(xué)、數(shù)據(jù)庫等技術(shù)的綜合性系統(tǒng)，通過地理信息系統(tǒng)把地球上空間地理數(shù)據(jù)信息使用圖形將空間地理特征抓取，并根據(jù)分析處理功能呈現(xiàn)可視化的結(jié)果。地理信息系統(tǒng)是處理交通網(wǎng)絡(luò)空間數(shù)據(jù)與屬性數(shù)據(jù)的工具，能夠縮短輸入和調(diào)查數(shù)據(jù)的時間，減少工作量，提升工作效率。

GPS 屬于衛(wèi)星導(dǎo)航定位計時系統(tǒng)接收器，通過GPS 發(fā)送數(shù)據(jù)計量精度、緯度、高度、位置。全球定位系統(tǒng)包含空間衛(wèi)星地面控制部分和用戶裝置部分。GPS 定位原理是使用衛(wèi)星間和地面用戶間位置交互，將空間和位置關(guān)系使用導(dǎo)航定位信號表示，從而測算詳細(xì)物體的位置、時間、運(yùn)動速度。

GPS 與GIS 路網(wǎng)結(jié)構(gòu)的基本元素由節(jié)點(diǎn)構(gòu)成，節(jié)點(diǎn)和路段也是基本組成內(nèi)容，使用GIS 地理空間特征抓取能夠快速獲得某段公路上的交通信息、地理信息。GPS 與GIS 位置交互夠測算定位目標(biāo)在公路網(wǎng)中的速度、交通信息。GPS 與GIS 技術(shù)在交通行業(yè)中應(yīng)用相關(guān)技術(shù)有著理想的前景[2]。

3 GPS 與GIS 系統(tǒng)智能化路網(wǎng)地圖服務(wù)

在GPS 與GIS 構(gòu)建的智能化公路網(wǎng)絡(luò)中，首先選擇的地圖服務(wù)。公開地圖（Open Street Map，OSM）是研究的地圖來源，屬于網(wǎng)上能夠為大眾提供免費(fèi)的開源地圖服務(wù)。OMS 圖是對個體GPS 裝置獲取的數(shù)據(jù)，含有地理信息、照片、圖片等途徑產(chǎn)生信息描繪的成果。在網(wǎng)站中，地圖圖像與向量數(shù)據(jù)能夠通過共享創(chuàng)意姓名的方式授權(quán)。OMS 可讓用戶享受到免費(fèi)服務(wù)，從而獲取了龐大的客戶使用量。在此次研究中，一些工作集中在構(gòu)建數(shù)據(jù)上，需要重構(gòu)和修訂數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)核查標(biāo)準(zhǔn)有著簡單性、客觀性，提取無法實(shí)現(xiàn)全盤檢測和提取系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)構(gòu)造過程中，未完全掌握道路信息。

尤其是低等級道路，在同一道路中接入口和交叉口信息不準(zhǔn)確，有著較多的干擾性因素。對于數(shù)據(jù)問題，此系統(tǒng)在研究過程中完成了基于OMS 路網(wǎng)數(shù)據(jù)的構(gòu)造過程轉(zhuǎn)換路網(wǎng)數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化處理現(xiàn)有數(shù)據(jù)，滿足系統(tǒng)構(gòu)建需求。并且在數(shù)據(jù)開源的基礎(chǔ)上，引用論文文獻(xiàn)，解決了數(shù)據(jù)授權(quán)等問題[3]。

4 GPS 與GIS 系統(tǒng)智能化技術(shù)應(yīng)用

結(jié)合GPS 路網(wǎng)分析和GPS 定位誤差，在公路勘查中如何應(yīng)用GPS 和GIS 是需要解決的重點(diǎn)問題[4]。

4.1 采集路況勘查

路況勘查采集指的是判斷、測量、記錄路面特殊狀況信息的過程。在探究此方案中，用戶移動到路面區(qū)域手動設(shè)置分類標(biāo)簽，應(yīng)用移動設(shè)備對此區(qū)域開展拍照測量。錄像移動設(shè)備要按照網(wǎng)絡(luò)把數(shù)據(jù)上傳到服務(wù)器，即采集和勘查路況的全圖片進(jìn)行識別訓(xùn)練。在人工智能發(fā)展中，若是想要實(shí)現(xiàn)識別的圖像，則要先提供預(yù)先分類的數(shù)據(jù)，以此類數(shù)據(jù)構(gòu)建模型，從而完成識別。通常情況下提供的預(yù)分類數(shù)據(jù)煩瑣，需要花費(fèi)較多的人力和物力，而研究此方案能夠分類采集數(shù)據(jù)、分?jǐn)偝杀?。?dāng)下市面上的智能移動設(shè)備提供的圖片采集清晰度符合勘查采集需求，因此需要使用其作為圖片數(shù)據(jù)來源。

移動設(shè)備支持用戶輸入與網(wǎng)絡(luò)連接，在采集位置與圖像信息后，通過移動設(shè)備添加附加信息上傳到服務(wù)器前端和數(shù)據(jù)采集端[5]。用戶要參照GIS路網(wǎng)的信息，使用乘車、步行的方式到達(dá)測量位置，打開軟件開始定位。公路現(xiàn)場勘查人員通過現(xiàn)場情況明確勘查的類型，按照勘查類型選擇對應(yīng)的測量模式，保證能夠和測量目標(biāo)適應(yīng)。對目標(biāo)開展測量和拍攝，用戶在移動后選擇定位點(diǎn)，明確目標(biāo)范圍，上傳數(shù)據(jù)，考慮一些區(qū)域有GPS 信號差的情況。若是用戶發(fā)現(xiàn)GPS 信息存在誤差，可以手動矯正，保證能夠獲得正確的數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)收集端運(yùn)行是在服務(wù)器上能夠?qū)崿F(xiàn)文件上傳接口，同時根據(jù)類型存儲用戶上傳的位置信息和數(shù)據(jù)信息，根據(jù)支持的類型獲取信息，以便其他需求應(yīng)用[6]。路況勘查采集的功能邏輯結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

圖2 功能邏輯結(jié)構(gòu)

4.2 提升公路路網(wǎng)定位精度

全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)組合相對定位模式分為緊組合和松組合2 種模式。2 項組合模式的差異是構(gòu)建觀測方式存在不同[7]。松組合模式只看重構(gòu)建系統(tǒng)內(nèi)部雙差觀測方程；緊組合模式在松組合模式基礎(chǔ)上進(jìn)行優(yōu)化。不同系統(tǒng)的組成和松組合比較增加了結(jié)果的驗證。對比復(fù)雜環(huán)境或干擾因素多的場景能夠使用更廣泛，考慮技術(shù)研究后續(xù)系統(tǒng)開發(fā)應(yīng)用在公路路網(wǎng)，使用環(huán)境復(fù)雜。松組合模式與緊組合模式間，組合模式有著適用性，設(shè)計的計算分析復(fù)雜。緊組合對復(fù)雜觀測環(huán)境定位精度研究有影響，松組合和緊組合模式下，計算結(jié)果、定位誤差，區(qū)間分布分析結(jié)果存在不同。提升精度的主要因素是固定整周模糊度。整周模糊度要通過觀測獲得，使用數(shù)學(xué)方法對其確定[8]。

5 結(jié) 論

構(gòu)建智能化勘查公路系統(tǒng)，可以總結(jié)和劃分勘查內(nèi)容，明確包含的勘查公路內(nèi)容和法律法規(guī)，考慮公路事故現(xiàn)場勘查的要求和發(fā)展情況、采集數(shù)據(jù)、勘查設(shè)備、數(shù)據(jù)處理等內(nèi)容，以解決采集、上傳現(xiàn)場勘查數(shù)據(jù)等問題，保證公路路網(wǎng)能夠安全運(yùn)行。