一種公路運(yùn)輸投送信息化道路勘察設(shè)備的研究

0 引 言

遠(yuǎn)程機(jī)動(dòng)能力是部隊(duì)完成多樣化軍事任務(wù)的重要保證，在陌生區(qū)域組織長(zhǎng)距離摩托化機(jī)動(dòng)或運(yùn)輸保障，道路勘察是指揮員獲取道路信息的重要途徑。通過(guò)道路勘察獲得機(jī)動(dòng)或運(yùn)輸保障路線路面質(zhì)量、車(chē)道數(shù)、道路寬度、坡度、彎度、橋梁載荷、隧道與涵洞凈空高度、收費(fèi)站凈空高度、路障、道路交通狀況及道路周邊環(huán)境等方面有效情報(bào)是指揮機(jī)關(guān)正確下定決心、科學(xué)制定公路運(yùn)輸投送方案的重要因素。傳統(tǒng)的部隊(duì)道路勘察缺乏有效技術(shù)手段，多數(shù)通過(guò)自制的簡(jiǎn)易裝置依靠經(jīng)驗(yàn)測(cè)量或人工測(cè)量的方式進(jìn)行，難以適應(yīng)部隊(duì)快速機(jī)動(dòng)能力的建設(shè)需要，為此我們研制了一種公路運(yùn)輸投送信息化勘察設(shè)備—道路勘察箱，以提高部隊(duì)運(yùn)輸投送道路勘察效率。

1 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

1.1 美國(guó)現(xiàn)狀

目前國(guó)外已研制出多種民用道路數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)用于數(shù)據(jù)采集和道路路面的圖象處理，如美國(guó)的 LT-21001 多功能道路檢測(cè)車(chē)，可采集高清數(shù)字圖像和曲率數(shù)據(jù)，GPS 經(jīng)度緯度數(shù)據(jù)可用于與 GIS 系統(tǒng)映射。采集的道路路況數(shù)據(jù)包括平整度、車(chē)轍、缺陷斷層、紋理以及裂縫和補(bǔ)坑等，被用于路面管理。

1.2 國(guó)內(nèi)現(xiàn)狀

國(guó)內(nèi)民用道路移動(dòng)測(cè)量技術(shù)近年來(lái)發(fā)展迅速，武漢大學(xué)測(cè)繪與遙感重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室與立得空間信息技術(shù)有限公司共同研發(fā)的移動(dòng)道路測(cè)量系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)對(duì)道路及兩旁地物的空間數(shù)據(jù)以及實(shí)景圖片的快速采集。系統(tǒng)集成 GPS 全球定位、慣性導(dǎo)航、CCD 測(cè)量等技術(shù)，數(shù)據(jù)通過(guò)專(zhuān)用軟件加工可生成能滿(mǎn)足不同需要的數(shù)據(jù)庫(kù)及電子地圖。目前國(guó)內(nèi)研究的基于北斗和慣導(dǎo)結(jié)合的航姿系統(tǒng)已有實(shí)驗(yàn)產(chǎn)品能滿(mǎn)足較長(zhǎng)涵洞、隧道中的坡度、彎度測(cè)量等要求。

軍隊(duì)方面，目前部隊(duì)尚無(wú)用于道路勘察的專(zhuān)用設(shè)備，道路勘察費(fèi)時(shí)、費(fèi)力，信息無(wú)法共享。通過(guò)研制道路勘察箱來(lái)提高部隊(duì)道路勘察的勘察效率。結(jié)合軍用 CDMA、后勤一體化指揮平臺(tái)、軍交運(yùn)輸動(dòng)態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)道路勘察數(shù)據(jù)處理共享。各勘察點(diǎn)的測(cè)量數(shù)據(jù)、照片與 GIS 相應(yīng)的坐標(biāo)點(diǎn)關(guān)聯(lián)，為指揮機(jī)關(guān)決策提供詳細(xì)道路信息及相關(guān)影像數(shù)據(jù)。裝備預(yù)計(jì)編配師以上軍交運(yùn)輸部門(mén)。

2 工作原理

道路勘察箱主要采用雙目近景攝影測(cè)量法，利用衛(wèi)星定位設(shè)備、慣導(dǎo)設(shè)備、CCD 相機(jī)等設(shè)備快速采集道路立體影像對(duì)，依據(jù)近景三角測(cè)量原理在影像上進(jìn)行相對(duì)幾何尺寸測(cè)量，同時(shí)由慣導(dǎo)設(shè)備輸出俯仰坡度和曲度。通過(guò)同步觸發(fā)器關(guān)聯(lián)位置信息、測(cè)量數(shù)據(jù)以及視頻數(shù)據(jù)等。

雙目測(cè)量模塊的兩個(gè)攝像頭參數(shù)（ 攝像頭的焦距 f）相同且光心平行放于一條直線上，構(gòu)成平行雙目立體攝影測(cè)量系統(tǒng)，該系統(tǒng)在行駛過(guò)程中拍攝沿線數(shù)字影像，通過(guò)影像解析來(lái)計(jì)算影像上可見(jiàn)的所有關(guān)注對(duì)象的空間大地坐標(biāo)，攝影測(cè)量通過(guò)光線交會(huì)實(shí)現(xiàn)目標(biāo)定位，原理如圖 1 所示。

當(dāng)兩個(gè)攝像機(jī)同時(shí)拍攝圖像時(shí)，可以獲取同一場(chǎng)景的兩幅不同的圖像，通過(guò)三角測(cè)量原理計(jì)算圖像像素間的位置偏差，復(fù)原三維世界坐標(biāo)中的深度信息。CCD 攝像機(jī)的焦距為f，b 為兩攝像機(jī)的中心距離，P1（x1，y1）和 P2（x2，y2）為目標(biāo)點(diǎn)在兩成像平面內(nèi)的成像點(diǎn)坐標(biāo)。取兩攝像機(jī)鏡頭中心連線 O1O2 向右為 Z 軸正方向，連線中點(diǎn) O 為世界坐標(biāo)系的原點(diǎn)，垂直于 X 軸所在水平面向下為 Y 軸正方向，Z 軸正方向?yàn)榇怪庇?X 軸所在平面離開(kāi)攝像機(jī)指向目標(biāo)點(diǎn) P 的方向。根據(jù)三角測(cè)量原理，目標(biāo)點(diǎn)的世界坐標(biāo)為 P（X，Y，Z），視差定義為 d=|P1-P2|。由相似三角形關(guān)系可得 ：

可依據(jù)光心位置 O1 和成像位置計(jì)算被測(cè)點(diǎn)參數(shù)。通過(guò)數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量技術(shù)解算目標(biāo)點(diǎn)的三維空間位置。通過(guò)三角測(cè)量原理獲取圖像上任何一點(diǎn)的坐標(biāo)信息，或測(cè)量道路路面的幾何參數(shù)、道路要素幾何參數(shù)等。

定位定姿模塊采集北斗、慣導(dǎo)等傳感器數(shù)據(jù)，并經(jīng)同步控制器處理為攝影平臺(tái)提供具體坐標(biāo)位置和朝向信息。影像模塊采集數(shù)字影像，結(jié)合定位定姿模塊輸出的位置和方向進(jìn)行數(shù)據(jù)加工和整合，為 GIS 系統(tǒng)提供具體的數(shù)據(jù)庫(kù)產(chǎn)品。這些數(shù)據(jù)包括影像數(shù)據(jù)、視頻數(shù)據(jù)、定位定姿數(shù)據(jù)，均能夠被及時(shí)加工，生成所需的專(zhuān)題數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)道路信息圖形圖像可視化管理。系統(tǒng)工作原理如圖 2 所示。

3 道路勘察箱技術(shù)實(shí)現(xiàn)

3.1 系統(tǒng)組成

道路勘察系統(tǒng)主要由承載分系統(tǒng)、定位分系統(tǒng)、成像分系統(tǒng)、數(shù)據(jù)傳輸分系統(tǒng)、控制分系統(tǒng)、后處理分系統(tǒng)以及應(yīng)用分系統(tǒng)等組成。系統(tǒng)組成如圖 3 所示。

（1）主要硬件設(shè)備構(gòu)成

道路勘察系統(tǒng)將 BD2/GPS 定位設(shè)備、慣性導(dǎo)航設(shè)備、立體相機(jī)、攝像頭、同步觸發(fā)器、工控電腦等綜合集成，能隨車(chē)運(yùn)輸、易于安裝，具有集成度高、采集效率高等優(yōu)點(diǎn)。道路勘察主要設(shè)備如圖 4 所示，道路勘察箱如圖 5 所示。

（2）系統(tǒng)軟件構(gòu)成

道路勘察箱軟件主要由信息采集模塊、數(shù)據(jù)處理模塊和道路勘察信息管理模塊組成。信息采集模塊利用道路勘察設(shè)備采集道路的影像信息、坡度、斜度、彎度、涵洞凈空高、經(jīng)緯度等信息。將采集的影像數(shù)據(jù)、視頻數(shù)據(jù)、地理位置數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)存儲(chǔ)在軟件規(guī)定的路徑中 ；數(shù)據(jù)處理模塊主要利用立體幾何圖算法確定道路的幾何參數(shù)，并利用時(shí)間同步控制功能將道路信息與道路經(jīng)緯度相關(guān)聯(lián)。解析讀取文件數(shù)據(jù)、影像數(shù)據(jù)后顯示 BD 坐標(biāo)、角度、距離等數(shù)據(jù)，計(jì)算用戶(hù)測(cè)得的長(zhǎng)度、寬度、高度等結(jié)果 ；道路勘察信息管理模塊對(duì)數(shù)據(jù)處理過(guò)的道路勘察信息進(jìn)行管理，包括勘察任務(wù)信息管理、視頻信息管理、圖像信息管理、測(cè)量信息管理等。道路勘察信息管理軟件數(shù)據(jù)流程如圖 6 所示。

3.2 系統(tǒng)工作流程

系統(tǒng)作業(yè)框圖如圖 7 所示。使用車(chē)載采集系統(tǒng)采集BD2/GPS，IMU，CCD 影像等原始數(shù)據(jù) ；集成定位定姿處理時(shí)，使用系統(tǒng)配備的組合定位定姿處理軟件進(jìn)行系統(tǒng)軌跡和姿態(tài)處理 ；地理參考處理時(shí)，使用標(biāo)配的地理參考處理軟件將 CCD 影像、視頻等數(shù)據(jù)通過(guò)時(shí)間同步數(shù)據(jù)與定位定姿結(jié)果進(jìn)行關(guān)聯(lián) ；立體測(cè)圖處理時(shí)通過(guò)近景攝影測(cè)量技術(shù)，基于地理參考的實(shí)景影像進(jìn)行測(cè)量、建庫(kù)處理，輸出用戶(hù)需要的成果數(shù)據(jù)，并發(fā)送到綜合數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)，業(yè)務(wù)系統(tǒng)根據(jù)需要從綜合數(shù)據(jù)庫(kù)查詢(xún)數(shù)據(jù)。

4 結(jié) 語(yǔ)

道路勘察箱綜合運(yùn)用近景測(cè)量技術(shù)、圖形圖像處理技術(shù)、定位導(dǎo)航技術(shù)、光機(jī)電技術(shù)、數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)以及計(jì)算機(jī)測(cè)控技術(shù)對(duì)道路通過(guò)能力進(jìn)行快速檢測(cè)和記錄。將北斗導(dǎo)航設(shè)備、慣導(dǎo)設(shè)備、CCD 相機(jī)對(duì)、視頻采集設(shè)備、同步觸發(fā)器、工業(yè)單板控制機(jī)、網(wǎng)路設(shè)備、電源等集成，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、攜帶方便、人工干預(yù)少、結(jié)果客觀、性?xún)r(jià)比高等特點(diǎn)。該設(shè)備在東部戰(zhàn)區(qū)陸軍某旅進(jìn)行了試用，結(jié)果表明，道路勘查箱可實(shí)現(xiàn)對(duì)道路數(shù)據(jù)的快速采集和處理，實(shí)現(xiàn)道路勘察數(shù)據(jù)的處理共享，為指揮機(jī)關(guān)決策提供詳細(xì)道路信息及相關(guān)影像資料數(shù)據(jù)，提高道路勘察的信息化程度。