基于近景摄影测量的交通事故现场信息重建方法研究与应用

衡威威，冯 浩，沈 明，张泽枫，李 威

（1.司法鉴定科学研究院 上海市司法鉴定专业技术服务平台，上海200063；2.上海市公安局 浦东分局交通警察支队，上海201201）

传统交通事故现场勘验测量一般使用卷尺、皮尺等测量工具，所有现场数据必须当场完成测量，容易出现勘察数据疏漏，并且一旦事故现场解除后，如后期事故调查处理过程中发现需补充测量数据，客观条件很难再允许进行补充测量，导致后续工作无法正常开展。

随着摄影测量技术在交通事故领域的发展，应用摄影测量方法能够有效克服传统现场测量方法的缺陷，不仅能快速完成现场测量工作，全面地记录事故现场平面和空间数据，还可以在事故发生后对事故现场信息进行重建与还原，较好地拓展了事故现场信息的应用性[1-2]。同时，摄影测量设备相较于全站仪、激光测绘仪、GPS等，又具有成本低、使用方便的特点，因此具有良好的应用性和推广性。

本文详细阐述了利用摄影测量技术进行交通事故现场信息重建的方法和过程，并给出了该方法在以往真实交通事故案件中的应用说明，表明了该方法具有良好的应用性和有效性。

1方法

1.1 基本原理

本文方法主要依据近景摄影测量中的直接线性变换解法，该解法是建立在像点图像坐标和相应物点物方空间坐标之间直接的线性关系的算法。它无需内方位元素值和外方位元素的初始近似值，特别适用于非量测相机所摄影像的摄影测量处理，日常所见相机大多为非量测相机[3]。

直接线性变换解法由近景摄影测量基本解析式——共线条件方程推导而来，其解法关系式为

式中：（x， y）为像点图像坐标；（X， Y， Z）为物点空间坐标；l1，l2…l11为直接线性变换系数，是内外方位元素的函数。该式为三维直接线性变换解法关系式，适用于三维目标的测量，求解方程组至少需要六个点。

如果被测物体为二维目标，则可认为Z为某一常数，此时式（1）可改写并化简为

该式即为二维直接线性变换解法关系式，适用于二维目标或平面的测量，求解方程组至少需要四个点。

1.2工具

基于摄影测量技术对道路交通事故现场进行重建和还原所需工具包括：相机、标定板、测量工具、现场重建相关计算机软件等。

标定板用于对记录事故现场相关信息的摄像镜头进行畸变矫正，常见为棋盘格畸变标定板；测量工具用于对参考距离的测量，常见为钢卷尺；具有场景或目标信息重建功能的，常见的商用软件有PC-Rect、PhotoModeler等。

1.3过程

1.3.1 确定重建类型

（1）二维信息重建。通常在道路交通事故中，道路路面上会遗留有大量事故相关信息，如轮胎拖痕、路面标线、血迹、洒落物等，对事故现场路面进行二维重建能有效获取这些路面特征信息。同时，二维重建条件限制少，简单易操作，是目前较常用的重建类型。如图1所示，为对事故现场人行横道线区域进行二维重建的结果。

图1 交通事故现场二维重建结果示例

（2）三维信息重建。事故现场立体表面（如车体）上也经常遗留有变形、刮擦痕迹等重要特征信息，此时则需采用三维重建方法来获取多个表面上的信息，三维重建条件相对较为苛刻。如图2所示，为对车身部分外表面进行三维重建的结果示例。

图2 车身部分外表面三维重建结果示例

1.3.2 选取和测量参考线段

参考距离通常选取现场路面上的标志标线、接缝线、井盖等便于测量、易于辨识的路面特征信息，二维重建需至少选取四条参考线段，三维重建需至少选取不同表面上的六条参考线段。如图3所示，选取图中路面标线端点组成四条参考线段，可方便测量出四段参考距离。

当事故现场路面未存在易于定位、测量的路面特征信息时，可人工设置参考位置点，并测量出参考位置点间相对距离，作为参考线段，如图4所示。

图3 选取路面标线端点组成参考线段

图4 人工设置参考线段

1.3.3 拍摄图片

当进行现场二维信息重建时，应至少拍摄一张完全包含所有参考位置点和待重建区域的事故现场照片，如图5所示，红线区域为待重建区域。当进行三维现场重建时，应至少拍摄多张不同角度的均包含参考线段和待重建区域的现场照片，且各张照片中均应包含待重建区域，如图6所示为对一车辆部分车身平面进行重建照片示例，红线区域为待重建区域。

图5 二维重建拍摄照片示例

图6 三维重建拍摄照片示例

1.3.4 畸变矫正

常见相机通常为非量测相机，镜头畸变量较大且未进行初始标定，导致拍摄所得图像存在较大的畸变，且越靠近图像边缘，畸变量越大。尤其对于车载视频行驶记录装置（如行车记录仪等）所拍摄的视频图像畸变量尤为突出，对重建结果影响较大。因此，在条件允许的情况下，在重建之前先对摄像镜头进行畸变矫正是必要的。如图7所示，为对某一车辆行驶记录仪摄像镜头进行畸变矫正标定。

图7 镜头畸变矫正标定

1.3.5利用计算机软件进行重建

本文选取由奥地利Dr.Steffan Datentechnik开发的PC-Rect软件作为交通事故现场信息重建软件，该软件包含图像畸变矫正、二维摄影测量、三维摄影测量（可选）及图像拼接等功能，并支持多种常见图片格式以及AVI格式视频的输入和输出，能够较好地实现交通事故现场重建功能。具体操作步骤如图8和图9所示，分别为运用PC-Rect软件进行二维重建和三维重建的具体操作步骤。

图8 运用PC-Rect进行交通事故现场二维信息重建步骤

图9 运用PC-Rect进行交通事故现场三维信息重建步骤

1.3.6 精度验证

完成重建后，还应对重建结果进行精度验证，可参照GA41《道路交通事故痕迹物证勘验》中对痕迹物证测量误差的要求进行验证。对于不满足应用精度要求的，应对重建过程中涉及的各步骤中可能引起的误差进行分析或选取其他符合需求的图像后再次进行重建，以减小误差满足相应精度要求。

重建过程中可能导致较大误差的原因通常有：

（1）图像畸变误差较大情况下未进行畸变矫正处理；（2）参考线段选择不合理或测量不精确，例如参考线段间仅为互相平行或垂直关系，或者待测量区域距离参考线段位置较远，关于参考线段的选取可参照文献[3] [4] 中所述理论和方法进行；（3）二维重建中待重建的区域并非平面，例如路面存在较大的拱形坡度等。

2 案例应用

2.1 案例1

（1）简要案情：2018年某月某日，某地绕城公路上发生一起车辆与行人相撞的交通事故。委托方提供的该起事故鉴定材料有交通事故现场图、现场照片及涉事车辆车载视频记录装置记录的事发时视频。要求对事发前涉事车辆的部分行驶过程进行重建。

（2）方法及方案：利用近景摄影测量中的直接线性变换方法及PC-Rect4.2软件对车载视频中特定时刻的图像进行投影变换。现场实验，通过重新打开并调整该车车载视频记录装置，定位某个与该车相对固定距离的视频中的一点，并以该点在视频中的运动间接计算出该车的行驶过程，如图10所示。

图10 现场实验定位视频画面中的一点

（3）结果：如图11所示为车载视频记录的事发前某一帧图像，图12为利用摄影测量方法对该帧图像进行二维重建后的结果，由图中重建后信息可得车辆前端到其前方分道线的距离。

图11 事发前车载视频某一帧图像

图12 路面二维信息重建后的图像

2.2 案例2

（1）简要案情：2019年某月某日，一车辆在某一医院出口处涉嫌发生交通事故。要求对涉事车辆事发时相对出口处道路边缘的位置进行计算，由于事发后涉事车辆位置已移动，现场勘验时已无法测量其位置。委托方提供该出口处事发时监控视频一份，视频中事发时某一帧图像如图13所示，黑色车为涉事车辆。

（2）方法及方案：运用近景摄影测量中二维直接线性变换方法及PC-Rect4.2软件结合事故现场勘查信息对图13进行投影变换处理，计算涉事车辆左后轮着地点距离道路边缘的位置，并据此定位车辆位置。

（3）结果：处理结果如图14所示，图中可得涉事车辆左后轮着地点距离水泥路面边缘的位置关系。

图13 事发时监控视频某一帧图像

图14 地面二维信息重建后图像

3讨论

交通事故现场信息重建的目的是为了最大程度地记录、还原事故现场所包含的全部信息或某些特定信息，尤其是相对位置信息和尺寸信息。通常委托方提供的反映交通事故现场信息的材料有交通事故现场图和现场照片，GA49-2014《道路交通事故现场图绘制》中要求现场图应全面、客观、准确地表现交通事故现场情况，GA41-2014《道路交通事故痕迹物证勘验》中也对事故现场痕迹物证的勘验、记录作出了具体的要求。但是，有时限于客观条件限制或人为因素影响，事故现场勘验中并不能完全记录现场所有的信息，或者更多时候是由于在事故的后续调查处理当中，又需要新的、非常规的现场信息去完成特定的事故分析工作。

基于摄影测量进行交通事故现场信息重建可以较好地解决某些事故当中遇到的这部分问题，例如案例1中，事故处理当中需要还原事发前涉事车辆的部分行驶状态，如何发掘车载视频中包含的运动信息是解决该问题的关键，显然常规的事故现场勘验很难实现车辆行驶状态的还原，运用摄影测量方法结合其他相应方法可以很直观、准确地实现车辆事发前行驶状态信息的重建与还原；案例2中事故现场人为移动导致无法直接勘验所需信息，运用摄影测量可间接还原所需信息。

运用摄影测量方法结合视频或图像能够直观有效地完成交通事故现场信息的重建，在解决事故处理当中的某些特定问题时能发挥独特的优势作用，具有很好的实用性，在交通事故技术鉴定当中非常值得推广。最后，本文应用案例只给出了运用摄影测量方法进行事故现场二维信息重建的成熟案例，三维信息重建的应用尚不成熟，也将是下一步该方向研究的重点。