實景三維移動測量系統在公路養護管理中的應用

張景怡，徐廣鋒，陳南翔，岳川云

(1.沈陽城市建設學院 土木工程系 沈陽市 110000； 2.遼寧奧路通科技有限公司 沈陽市 110000)

隨著我國公路建設快速增長，公路路網趨于成熟，公路行業從建設階段逐漸步入養護階段[1]。我國在“十三五”中提出“改革攻堅、養護轉型、管理升級、服務提質”一系列新的發展理念，進一步推動公路養護管理工作不斷邁上新臺階。目前，公路養護管理工作模式相對落后，主要以臺賬、圖表資料、現場調查的形式為主[2]，對于養護管理部門而言，根據報告數據或圖片形式無法全面真實地掌握公路的服務狀態，破損路段比較分散，現場查勘和組織專家會審費時費工。

實景三維移動測量系統基于地理信息技術，集成全球定位系統GPS、IMU慣性測量單元、車輛控制編碼系統、高清全景影像、激光掃面儀和計算機等技術[3-5]，沿道路采集空間地理信息，在內業環境中對采集數據進行加工處理，通過激光點云提取道路資產矢量，形成專題成果[6-7]。在此基礎上，根據公路養護管理特點，結合高清全景影像，定制適用于公路行業的實景三維平臺，實現公路養護可視化、信息化管理，推動公路養護管理工作從傳統模式向現代模式轉變。

1 系統組成介紹

1.1 實景三維移動測量設備

實景三維移動測量設備采用車載方式，在車輛平臺上搭載GPS衛星接收裝置、IMU、車輪編碼器、高清全景鏡頭、CCD相機、激光掃描儀、屬性采集面板以及計算機控制裝置，在正常駕駛速度下(60km/h)，輸入采集工程基本信息，快速采集道路空間軌跡、路域范圍內資產全景影像、激光影像、工程文件。實景三維移動測量車如圖1所示：

在設備軟、硬件的相互配合下，依靠GPS和IMU采集的數據進行組合導航定位，獲取系統采集中每一時刻的姿態和位置數據。利用多傳感器與同步控制技術，將動態定位定姿數據、激光掃描數據、全景影像、CCD影像等數據進行融合，在車輛行駛狀態下，采集道路范圍內相匹配的三維點云數據和全景影像。設備組成結構如圖2，道路測量精度如表1所示。

1.2 數據處理軟件

系統采用一體化內業處理軟件，包括集成糾偏、數據預處理、全景影像拼接、數據源轉換、內業處理，通過內業糾偏、轉換、資產提取，生成具有空間位置的屬性矢量數據。

表1 道路測量精度指標

(1)通過定姿定位集成糾偏軟件倒導入流動站*.GPS文件、參考站*.epo文件、航位推算*.imu文件，對IUM數據進行組合預處理生成*.nav文件。

(2)采用多源數據預處理軟件對數據進行解析，處理成可用于內業生產的文件格式。

(3)通過全景影像拼接軟件，采用PTGui拼接方式，將6相機照片拼接成時態一致的全景影像。

(4)通過MMS數據庫管理系統軟件，將外業數據轉換成可進入內業軟件作業的數據源形式。通過多源數據測圖服務管理與配置系統，將數據源、SQL數據庫、參數搭建成用于內業的服務形式。

(5)各客戶端通過內業處理軟件登錄，進行協同作業，順序為生成道路中心線—區域規劃—測量落地里程碑—進行道路資產量測，成果可按資產類型導出shapefile文件，通過ArcGIS渲染生成專題成果圖。

1.3 公路實景平臺

公路實景三維平臺應用目的主要在于通過高清全景影像、矢量地圖、遙感影像三界面，結合資產、檢評、病害等公路數據，對管養路段進行可視化管理，能夠及時掌握公路資產情況、公路技術狀況指標，為公路養護管理提供直觀的可視化依據。平臺總體結構及平臺界面如圖3所示：

通過平臺中矢量地圖和遙感地圖，查看養護路段空間分布位置，宏觀掌握區域內公路服務水平，并可對養護路段進行分類統計和查詢。通過高清全景影像，360°查看路域環境和資產，7200萬像素的高清影像，能夠清晰看出路面細小裂縫、坑槽、修補等路面損壞狀況，直觀查看路面病害情況，結合公路養護需求，在全景平臺基礎上，定制適用于公路養護管理的功能項，主要包括：

(1)路線及樁號查詢功能

通過線性參考，建立道路中心線與樁號對應關系，在平臺上實時顯示路線上任意點位對應實際樁號，通過查詢路線名稱可定位到指定路線，通過樁號范圍可查詢、定位任意路段。在公路養護管理中，可掌握病害路段所在樁號范圍，便于對養護維修路段進行巡查管理。

(2)公路資產查詢統計功能

在日常養護管理過程中，對管養路段資產和使用狀況進行統計管理，便于掌握管養路段基本情況。平臺結合GIS服務，可對采集道路內資產進行查詢、拾取、定位、導出，如：交通管理設施、標志牌、養護工區道班、落地里程碑等；并通過統計功能，實現按市、縣區進行各項資產的統計分析。

(3)道路檢評及道路病害指標查詢功能

路面使用性能指數PQI由路面損壞狀況指數PCI、路面行駛質量指數RQI、路面車轍深度指數RDI等組成，根據各指標數值能夠真實反映路面使用性能和使用狀況，平臺將道路的PCI、RQI、RDI、彎沉指標以及病害組成及分布規律等指標數據以采集單位長度樁號對應的方式掛接到平臺中，通過檢評或病害模塊，可查看管養路段的指標數值、主導病害以及病害的分布規律情況，將全景影像、矢量地圖、遙感影像聯動定位至某一指標數值或病害處，查看該處對應真實路面狀況，病害破損程度等，使檢評指標與全景影像相結合，指標數據能夠科學地對路面狀況作出評定，全景影像能夠查看指標對應路面的真實狀態，便于養護部門進行科學化、可視化管理。

(4)標注查詢及影像掛接功能

在養護管理決策階段，對于破損嚴重、重點關注路段或重要點位，可在全景影像界面上進行標注、編輯其屬性信息，通過標注查詢功能，能夠直接對關注點位進行查詢與定位；對于破損路面內部結構情況，可將該點位鉆芯取樣等需要補充強調的數據圖片，通過圖片掛接的形式進行表述，以便于輔助專家和管理者進行養護決策。

(5)影像對比功能

平臺可發布不同時期采集的管養路段全景影像數據，通過影像對比功能，對比查看管養路段任意位置在不同時期全景影像，結合檢評指標，對比管養路段不同時期、年度，或養護措施實施前后路面的服務水平變化以及路域范圍內資產環境的變化情況，能夠及時直觀地掌握養護路段服務水平狀態。

2 工程實例應用

依托S210中新線工程，通過工程總體情況概述、資產情況、檢評指標以及改擴建前后影像對比，具體介紹實景三維平臺的應用成果。

2.1 工程總體情況概述

S210中新線工程采集范圍為K45+000～K65+000共20km，從二維矢量地圖可看出該路段空間位置位于盤錦市盤山縣，路段為雙向2車道，道路等級為公路二級。通過全景瀏覽可查看路域范圍內情況及道路總體使用狀態。

2.2 工程資產情況

通過資產查詢統計功能(如圖4所示)，了解采集路段范圍內交通附屬設施情況。其中，標志標牌共101個，交通管理設施共42個，路燈兩側共計102個，落地里程碑20個，養護工區道班1個。通過資產查詢可定位任意資產所在位置，查詢資產屬性及使用狀況。

2.3 工程檢評指標評價

通過道路檢評指標功能，掌握該路段路面使用技術狀況。從PQI餅狀圖可以看出采集路段中優良中次差的路段長度及所占比例，其中，PQI等級評價為良的路段占比較大，為12.5km，占比為62.5%；PQI等級評價為次差的路段占比較小，為0.24km，占比為1.2%。PCI指標最小值為52.2，位于樁號K47+995處，通過點擊指標可跳轉至該處全景影像，查看路面破損狀況，從全景影像可看出，該處龜裂病害嚴重。

通過道路病害功能，可以看出，該路段主導病害為龜裂，病害面積為8900m2，占路段總面積的54.9%，其他病害還包括橫縱縫、塊裂及條裂等，從高清全景影像中可查看嚴重龜裂路段具體情況(如圖5所示)，通過掛接鉆芯取樣的圖片，可具體分析龜裂發生的層位及產生機理等。

2.4 改擴建影像對比

工程首次采集時間為2015年，由于當地經濟發展需要，以及交通量不斷增長情況，采集路段于2016～2017年進行改擴建施工，2017年對該路段進行二次采集，通過影像對比可以看出(如圖6所示)，路段由原有雙向2車道擴建為雙向6車道，道路通車后使用狀況良好。

3 公路實景三維平臺功能完善與升級

公路養護管理決策是提升養護管理科學化的重要環節，目前平臺應用對于養護管理決策全流程還存在不足之處。研究從公路養護管理角度出發，結合公路養護決策管理流程，對現有平臺功能提出完善升級的相關建議。

(1)開發交通量及養護歷史功能模塊

交通量及軸載數據是道路養護決策及結構設計中重要的基礎動態參數，基于交通量與路況關系的路面性能衰變模型，是路面養護管理決策中重要的基礎數據[8]；養護歷史即為管養路段建管養信息檔案，記錄管養路段的管養過程、大中修時間、實施方案等，結合路面使用性能、病害和交通量情況，分析路面損壞機理，輔助管理者進行養護管理決策。在現有平臺功能上，增加交通量和養護歷史查詢功能，對已確定大中修的管養路段進行綜合分析，在此基礎上，確定包括不同養護措施和工藝的路面養護方案。

(2)增加審核結構及費用測算功能

養護決策的基本方法是依據路面各項檢測指標、公路技術等級和交通量等數據，確定大中修養護路段，提出養護建議，預測養護費用[9]。通過對路段指標分析，通過專家會審，確定路段審核結構，在平臺上輸出路段狀況分析結果、審核結構及費用測算，按區域統計全省(各市)當年大中修檢測路段審核結構及初步測算費用的匯總信息，便于掌握大中修路段總體情況及投入費用信息。

(3)接入傾斜影像系統界面

在高清全景影像、矢量地圖、遙感影像三界面基礎上，接入傾斜影像界面，通過四界面聯動展示，實現從宏觀帶狀到微觀單體模型一體化展示。在傾斜影像界面中，可加載無人機傾斜攝影、三維建模、BIM模型等數據類型，并實現三維瀏覽、屬性查詢、量測、標注等功能。

4 結論

(1)介紹實景三維移動采集系統組成，包括實景三維移動采集設備、內業數據處理軟件以及公路定制化應用平臺。

(2)平臺主要功能包括可視化的360°全景影像瀏覽及三界面聯動功能、路線及樁號查詢功能、公路資產查詢統計功能、道路檢評及道路病害指標查詢功能、標注查詢及影像掛接功能、影像對比功能。

(3)結合S210中新線實體工程實例，對實景平臺部分功能在養護管理中的應用進行介紹。

(4)基于公路養護管理決策流程，在現有平臺基礎上，對功能提出完善與升級的建議，增加交通量及養護歷史、審核結構及費用測算等功能、接入傾斜影像系統界面。