基于实景三维GIS和移动巡查技术的公路管理应用系统解决方案

基于实景三维GIS和移动巡查技术的公路管理应用系统目录1引言22传统公路信息管理系统的不足23实景三维公路综合管理系统的核心技术33.1实景三维GIS33.2移动巡查系统44公路综合管理系统在公路管理业务中的应用64.1公路综合管理系统的体系结构64.2公路路政管理74.3公路养护管理84.4公路应急指挥84.5公众出行服务95结束语101 引言截至2008年底，我国公路通车总里程达到373.02万公里，高速公路里程达6.03万公里，一级公路有5.42万公里，是中国成立初期的45倍，在高速公路建设方面，根据公开资料统计，世界高速公路里程最多的国家美国，也只有8万公里左右，而到2009年6月，中国已建成的高速公路就已经达到7.5万公里左右。公路信息化是实现公路养护与管理现代化重要基础。信息化作为提高公路管理水平、提高公路运行效益的关键手段之一，其信息的快速传递、完整正确、交换畅通是公路信息化管理的根本保证。我国公路的高速发展使得公路信息化管理日益成为一个重要的问题 ，采用各种先进科技、提高公路管理水平，实现公路可视化、信息化综合管理，已经成为公路基础设施养护与建设的紧迫要求。为了满足公路的信息化管理的需求，本文介绍了基于实景三维GIS和移动巡查系统的公路管理系统，并对该系统在公路路政、养护、应急的应用模式进行了详细的讨论。2 传统公路信息管理系统的不足整个公路系统包括路政、养护等多个部门，各个部门有各自的信息系统，彼此之间的数据也是由各自部门维护。因为采用不同的数据格式和交换格式，导致无法整合到统一的地理数据平台上进行统计分析和数据挖掘，不能有效实现业务数据共享，从而使得各个部门之间难以实现高效协同，决策者难以通过统一的数据展示平台及时全面地整个公路运营管理状态。传统的二维地图上能够显示方位信息，却不能显示详细的环境信息（山体、边坡的形态等），而公路分布在狭长的地表，穿越高山峡谷等各种复杂的地理环境，因此环境数据是十分重要的。一旦雪灾、地震、滑坡、水灾等自然灾害不期而至，需要通过历史的和实时的环境信息为决策指挥提供依据，而这些却正是二维地图数据所缺乏的。另外，在二维地图上，所有的公路设施都是以平面投影的符号来表达的，不但不够直观，有时还会导致判读的困难，例如：当一个杆上有几个标志时，就只能变通方式表示，需要有一定识图经验的人才能读懂。二维地图上，也无法全面表示立面目标之间准确的相对关系，诸如桥梁上的标志或广告牌与桥梁之间的相对关系，电线与路牌之间的相对关系等等。这样就不能通过信息系统对立面设施进行查询、观察和分析。3 实景三维公路综合管理系统的核心技术事实上，基于传统二维地图的GIS空间分析是不完整的，因为它只能实现宏观的、浓缩的、概略的统计和分析，一旦我们要对细部环境进行查询、观察和分析，则无法通过4D产品得到足够的数据支持。因此，我们需要一种新的数据源和数据管理手段来满足公路部门在路政、养护、应急和出行服务等方面对于详细环境数据的需要。实景三维GIS技术和基于MMS技术的移动巡查系统能够很好的解决这个问题。3.1 实景三维GIS传统GIS的使用者常常感到困惑，分辨率越来越高的航片和卫片可以让人越来越清晰地鸟瞰地球，然而一旦到了地面，能够看到的只有抽象的二维地图或是为模拟空间绘制的虚拟3D仿真图，无法让人全面了解环境。现有的行业GIS主要基于符号化的二维地图构建，只能实现数据的平面图形显示。随着近年来测绘技术、计算机与网络技术的飞速发展，实景三维的地理信息系统已突破原有技术瓶颈，现已成为国际GIS应用的热点，也代表着未来GIS的一个重要发展方向。实景三维GIS是在二维GIS的基础之上，增加了连续的实景三维影像，并通过开放的软件（立得真图（TrueMap）地理数据平台）与基于GIS的行业应用进行无缝集成，从而给用户提供了具有丰富环境信息和立面信息的实景可视化环境，有效的支持了管理和决策等高级应用。图1 实景三维GIS与传统二维平面GIS由于公路部门的管理对象90%与地理位置有关，地理数据对于公路管理具有十分重要的地位。在常规的公路管理信息系统中，使用的地理数据主要是简单的二维矢量图，所有的公路设施都是以平面投影的符号来表达的，某些情况下会导致判读的困难，例如：当一个立杆上有几个标志牌时，就只能变通方式表示，需要有一定识图经验的人才能读懂。二维地图上，也无法全面表示立面目标之间准确的相对关系，诸如桥梁上的标志或广告牌与桥梁之间的相对关系，电线与路牌之间的相对关系等等。这样就不能通过信息系统对立面设施进行查询、观察和分析。实景三维GIS作为一种新兴的技术，能够为公路的管养提供丰富的基础地理空间信息。3.2 移动巡查系统移动巡查系统是在移动巡查车上，安装有GPS、视频、可量测立体相对和3G传输设备，能够方便接入现场视频，构建动态可量测的实景影像公路系统，通过3G设备将现场情况快速送达指挥中心，使决策者在第一时间掌握现场态势，迅速准确的做出应急指挥决策。图2 移动巡查系统体系结构4 公路综合管理系统在公路管理业务中的应用4.1 公路综合管理系统的体系结构图3 公路综合管理系统体系结构一个典型的公路综合管理系统分为信息采集层、地理数据层、业务数据层、业务应用层和公众服务层。信息采集层使用移动道路测量系统、移动监控系统和道口监控系统进行多源数据采集。用于公路综合管理系统的数据包括二维矢量数据、遥感影像数据、实景三维影像数据等系统基础数据和用来支持决策服务的实时道口流量数据、移动监控系统采集的现场实时状态数据。公路综合管理系统是一个专家系统，对于这个系统的数据存储可分为两层，一层是包含丰富空间信息和环境信息的地理数据库层；公路行业的路产权信息、坐标/里程碑信息等业务相关信息则存储在业务数据库层。在数据层之上的业务应用层和公众服务层是在这两套综合数据的基础上对于行业决策支持，例如：路政巡查、养护管理和应急指挥，提供一个实景三维可视化平台。公众服务层对于老百姓关心出行信息、道路信息和公交信息等提供发布平台。4.2 公路路政管理公路路政巡检部门为了确保所辖区域内公路线路的正常运作，需要派出路政巡检人员定期到每条公路线路对公路及所附属的构造物(路线、路基、路面、沿线设施、桥涵及交叉工程、绿化)和路况质量进行检查、测量、评定，还需要对公路的养护管理资料(公路病害资料、公路病害修复信息、公路日常养护信息等)进行更新、存储、分析，并且为养护管理人员提供数据分析以提高管理质量。路政巡视检查和评测工作为所辖区域的正常交通畅通及安全运行提供了重要保障。基于实景三维影像的公路综合管理系统建立了一个基于全球定位系统（GPS）、地理信息系统（GIS）和监控设备的车辆系统、便携式统、固定监控系统组成的监控网络，能够极大的提高路政的工作效率：1) 便携式系统：巡检人员手持装有公路地理信息（电子地图）的掌上电脑，通过GPS定位，可以直接巡检辖区路段和设施，并通过移动通信网络与指挥中心数据进行同步，实现案件的移动巡查，快速处理。2) 移动巡查车系统：系统通过视频将巡查的路况、事件、位置（GPS）等同步发送到指挥中心，也可以根据需要人工触发影像拍摄立体影像，与位置（GPS）一起发送给指挥中心，完成对诸如车辆超限超载案件的实时取证和执法监控。3) 固定监控系统：通过线圈传感器获取车流量、车型等信息，通过高分辨率固定视频监控事故等等。图6 可视化路政系统4.3 公路养护管理养护是公路管理部门的主要业务，基于实景三维影像的公路综合管理系统可以为公路养护提供全方位的支持。通过公路巡查车系统和便携式系统实时对道路进行监控，完成从病害检测、养护计划下达、养护竣工验收的闭环管理。图7 可视化养护系统示意图4.4 公路应急指挥因台风、暴雨、洪水、暴雪等自然灾害侵害常常会引发公路及附属设施损坏使公路无法正常运行的情况。为了保证在突发性灾害发生时，减少损失，尽快恢复正常秩序，必须要建立一套完善的公路应急抢险系统和应急储备体系，基于实景三维影像的公路综合管理系统能够提供对公路应急管理的全面支持：1) 通过系统提供的航卫片和实景三维影像从天上到地下，从宏观到微观的全视角、全可视化展现地形地貌、路网、物资、设施、人员、危险源、风险源等的位置分布和状态，使决策者与信息系统迅速交互，提高决策和应急处置效率2) 可以调动移动巡查车在紧急情况发生时快速抵达现场，使用3G等无线通讯手段，将现场的可量测影像及视频数据发回指挥部，供领导决策，还可通过移动巡查车采集的实时可量测影像数据完成现场道路损毁情况（如：滑坡土石方、现有通行能力等）的计算图8 应急指挥系统通过影像的应用，管理者和决策者可随时了解应急机构、设施、危险源、风险源等的位置分布与状态，完成隐患的排查和预案的制定等工作。在应急指挥时，通过调用历史影像数据以及与现场动态视频数据进行对比分析，可快速作出决策指挥。在抢险之后根据现场影像数据与历史影像数据，进行损害评估、重建规划等。4.5 公众出行服务公众出行服务是基于WebGIS建立的为公众提供公路设施信息、路况信息、导航信息等服务的信息系统，基于道路实景影像、视频、360全景图片等影像地图技术搭建的公共出行服务系统将相比二维地图对公众更具吸引力。它主要具备公路地理信息、配套设施信息和路况信息的发布功能，出行路线个性化选择功能和公路沿线实景导航等功能。一个典型的公众出行服务系统包括以下子系统：1) 出行信息发布和查询子系统：供出行者查询路网空间信息和实时路况信息2) 路径选择子系统：为公众提供出行路线选择服务，用户可以选择起点和终点，系统根据路网信息，当前路况信息，通过网络分析，动态生成出行路线，显示于电子地图3) 实景导航子系统：实现对道路沿线景观（路面、边坡、绿化等）及设施（如收费站、服务区、停车区、加油站等）的道路影像浏览和实景导航图9 基于实景三维影像的公众服务5 结束语实景三维GIS是GIS必然的发展方向，该技术为公路的信息化管理提供了丰富的数据源和管理基础。以近景摄影测量技术、无线通讯技术为基础的移动巡查系统为公路管理提供了便捷的业务数据采集手段。以这两种技术为核心构造的公路信息化管理系统能够为路政、养护、巡查和出行服务提供强有力的支持，该系统已经在宁波江北区公路管理中取得了很好的应用。11