三維GIS在高速公路監控管理中的應用

李偉

摘要：高速公路建設于我國現代化建設進程意義重大，高速公路的發展不僅僅是為了滿足社會經濟發展需要，也在一定程度上標志著是時代進步和人類文明發展的程度。在交通建設迅猛發展的大背景下，高速公路的規劃和管理越發重要。然而，目前我國高速公路信息主要流于二維層面，對交通道路、設施、車輛等元素的展現尚且停留在二維效果圖的制作上，但是高速公路的許多管理數據（諸如路段基礎設施、機電設備、車流量、路況等）之間的關系都是相對孤立的。因此，如何完成高速公路的三維建模，并集成其各類信息，從而構建出數字高速公路信息平臺的整體框架，使之服務于高速公路乃至交通建設的規劃與管理是當前高速公路信息化建設的新目標和方向。本文從高速公路監控管理的業務需要出發，結合目前國內高速公路機電系統工程建設及管理現狀，對基于三維GIS的監控管理系統結構、功能設計和數據組織等進行研究。

關鍵詞： 高速公路、監控系統、三維監控、GIS

中圖分類號： TP391 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2015）06（b）-0000-00

目前國內高速公路領域已經大量使用了地理信息系統（Geographic Information Systerm，簡稱 GIS）相關技術，但基本上都是圍繞傳統的二維GIS地圖定制一些簡單的應用，功能上比較單一，對各類信息、設備的展示和控制還停留在二維模擬顯示的層面，對相應的空間數據沒有進行有效的使用。

傳統二維GIS多是在十多年前甚至更早的技術體系基礎上設計和開發出來的，這在一定程度上限制了地圖監控軟件的進一步發展和應用。計算機技術和全球信息技術的飛速發展，特別是面向對象（Object-Oriented）、可視化程序設計、組件式軟件（Components Software）、分布式計算（Distributed Computing）、多媒體（Multimedia）和 Internet/Intranet 等技術的出現和應用，對GIS應用提出了新的技術要求， 基于地圖的監控軟件發展到一個全新的階段，這也為我們的監控系統的發展提升提供了一個新的舞臺。

在現代計算機圖形學的重要成果基礎上形成和發展的三維及虛擬現實技術，已可完成很多以往不能完成的事情。近年來，三維的軟硬件技術方面發展極為迅速，其成本不斷降低，顯卡計算能力甚至出現了富余，顯卡廠商出于利用強大的處理能力為通用計算發揮作用的考慮，提出了GPU （Graphic Processor Unit）的實現。地理信息是用來描述空間，而采用三維方式進行描述顯然更為進步，因而，引入三維技術可使地圖監控信息技術的發展增添強大的活力。目前三維GIS的發展正處在一個重要時期。現有三維技術已能較好地解決全球尺度“三維可視化”問題，但隨著應用的深入，則要求三維GIS能夠用于管理，即在地理空間內置規律的探索和實際業務系統的決策支持上有用武之地，而這都需要有更深的視角和新的思路以考慮地圖監控系統的發展。

2、業務需求

高速公路交通監控系統一般采用監控中心、外場設施的結構形式。其中，監控計算機網絡包括數據管理服務器、交通控制工作站、打印機、監視器等相關設備安裝在監控中心；該子系統的外場設施：微波車輛檢測器、氣象檢測器（能見度檢測）、一氧化碳檢測器、通過率檢測器、風速風向檢測儀、亮度檢測器、火災探測器、消防水池液位檢測器、緊急電話、視頻攝像機、各種可變信息標志等安裝在道路沿線、隧道、服務區和收費站出、入口等處，共同完成和實現交通信息采集、控制與誘導、信息發布、事故預防等功能。

1、交通信息采集

所謂交通信息一般包括交通數據（車速、占有率、車頭時距等）、收費站口擁堵情況、養護施工信息、突發事件、道路運行狀況、視頻圖像、隧道內環境信息、惡劣氣象及相關路段和路網信息等方面。

2、 交通信息處理

交通信息處理主要是利用設置在道路沿線、隧道內外、互通立交兩側及出、入口處的各種類型的信息采集設備、可變信息標志，構建數據分析、交通控制與誘導體系，用于預防道路擁阻及疏導交通，給道路使用者和管理者提供各種交通信息，以保證道路安全、暢通。

3、交通信息發布

采用數字化、網絡化、智能化技術，以互動友好的方式，及時為道路使用者和管理者提供準確的道路、路況、沿線交通信息以及風情、旅游信息等。系統通過多層次、多渠道、多種發布設施，利用監控中心計算機系統、數字大屏幕系統及在道路沿線設置的各類可變信息標志、顯示設備實現交通、氣象及路網的實時更新和發布。

3、三維監控

3.1系統功能

三維交通監控地理信息系統綜合了交通信息獲取、分析，進而對道路交通進行直接或間接優化、控制、指揮的功能。相對于一般的二維監控系統，三維交通監控地理信息系統更突出交通地理信息，與交通輔助控制的融合更為深刻，既顯示出以交通地理信息為基礎的地理信息系統的優勢，也集中表現出以交通監控為基礎的交通控制管理系統的各種功能。各個子系統既有很強的獨立性或功能傾向性，又全面互連。系統將平面地圖與三維地圖緊密地結合起來，實現平面地圖與三維虛擬場景的同步定位顯示和適時導航，更加直觀的展現全路段道路監控的風采。

圖 3.1三維道路及設施圖

圖 3.2三維隧道及設施圖

3.2系統特色

三維基本操作：通過對三維地圖空間的大小操作、垂直旋轉，三維場景的升降來幫助實現用戶瀏覽虛擬道路場景，給用戶以視覺沖擊；通過平面地圖與三維立體空間的切換，可使用戶有全新的視覺體驗。

三維飛行瀏覽：通過系統設置的飛行路線（也可由用戶自定義），使用飛行控制工具進行飛行操作，能從不同視角、方位，結合平面地圖，全方位瀏覽三維道路場景，仿若置身其中，有助于用戶熟悉道路環境。

三維實時導航和三維定位：空間信息查詢、路徑導航優化。可在三維圖上實時顯示出搜尋結果，與平面地圖相印證，實現二者的同步對應；可以路線動態導航形式顯示路徑結果，二維平面圖與三維空間同時模擬路徑，適應不要需要。

場景氣象仿真：根據采集到的氣象數據，對場景內進行粒子仿真，比如雨、霧、冰、雪等氣象環境的仿真。以及火災、維護、事故事件處理等的三維方式體現。

二三維一體化：系統以二維矢量、二維影像以及三維場景三種表現方式進行數據的展現，并可以以二三維一體化的形式在三維球體上展現數字、數據以及圖形分析結果等展現數據。

三維地圖指北針自動辨別方向：根據平面地圖和三維地圖的方位適時準確的顯示正確的方向，特別是在三維地圖模擬最優路徑的行走路線和三維飛行瀏覽時，能夠準確的自動辨別方位并顯示出來，且保證三維地圖場景始終向前移動。

三維道路設施模擬：通過在三維場景進行設備建模，通過模型的附加屬性感知采集外場數據，實現設備在三維場景中的實時監控，更好地實現展示與互動。

3.3體系結構

三維交通監控地理信息系統的建設依賴于高速公路沿線道路交通、行政區劃、管理機構、外場設備、服務設施、收費設施、路政設施、養護設施等的屬性和空間信息，此高速公路基礎設施信息庫及實時采集信息，經過各業務模塊專業引擎進行針對性的數據處理分析，最終可為監控、養護、路政等業務部門提供服務支撐平臺。高速公路道路使用者和管理者可使用不同的業務終端通過統一的接入平臺訪問交通信息服務，接入平臺將根據不同的用戶類型及使用權限為各類用戶提供專屬信息，系統的體系結構如圖（3-4）所示：

圖 3.3 體系結構圖

4、結語

通過研究三維GIS交通監控系統的技術應用及其與二維監控系統的比較可以發現三維GIS交通監控系統能夠增強高速公路交通監控系統的用戶體驗、提高事故事件監視及處理的準確性、提高應急指揮管理的時效性，最終將能體現更好的社會效益。

綜上所述，三維GIS監控管理系統將成為智能交通系統組成中不可或缺的部分；它是提高高速公路監管水平，實現高速公路行車高效、安全、舒適，提高管理部門工作效率的必要方法。大力推廣并應用高速公路三維監控系統，對于改善高速公路的交通狀態、促進附加產業發展都有著非凡的意義，不管從經濟層面還是從社會生活層面都有其必要性。本文主要結合目前國內高速公路監控系統的建設現狀，對三維GIS在高速公路監控系統中的應用進行了分析研究，供業界參考。

【參考文獻】

1.陳啟美，金凌，王從俠.高速公路通信收費監控系統構成與進展.北京：國防工業出版社，2006.

2.趙連鈞，基于Skyline 的高速公路3D GIS系統開發。北京：交通科技，2010