实景三维移动测量系统在公路养护管理中的应用

张景怡，徐广锋，陈南翔，岳川云

(1.沈阳城市建设学院 土木工程系 沈阳市 110000； 2.辽宁奥路通科技有限公司 沈阳市 110000)

随着我国公路建设快速增长，公路路网趋于成熟，公路行业从建设阶段逐渐步入养护阶段[1]。我国在“十三五”中提出“改革攻坚、养护转型、管理升级、服务提质”一系列新的发展理念，进一步推动公路养护管理工作不断迈上新台阶。目前，公路养护管理工作模式相对落后，主要以台账、图表资料、现场调查的形式为主[2]，对于养护管理部门而言，根据报告数据或图片形式无法全面真实地掌握公路的服务状态，破损路段比较分散，现场查勘和组织专家会审费时费工。

实景三维移动测量系统基于地理信息技术，集成全球定位系统GPS、IMU惯性测量单元、车辆控制编码系统、高清全景影像、激光扫面仪和计算机等技术[3-5]，沿道路采集空间地理信息，在内业环境中对采集数据进行加工处理，通过激光点云提取道路资产矢量，形成专题成果[6-7]。在此基础上，根据公路养护管理特点，结合高清全景影像，定制适用于公路行业的实景三维平台，实现公路养护可视化、信息化管理，推动公路养护管理工作从传统模式向现代模式转变。

1 系统组成介绍

1.1 实景三维移动测量设备

实景三维移动测量设备采用车载方式，在车辆平台上搭载GPS卫星接收装置、IMU、车轮编码器、高清全景镜头、CCD相机、激光扫描仪、属性采集面板以及计算机控制装置，在正常驾驶速度下(60km/h)，输入采集工程基本信息，快速采集道路空间轨迹、路域范围内资产全景影像、激光影像、工程文件。实景三维移动测量车如图1所示：

在设备软、硬件的相互配合下，依靠GPS和IMU采集的数据进行组合导航定位，获取系统采集中每一时刻的姿态和位置数据。利用多传感器与同步控制技术，将动态定位定姿数据、激光扫描数据、全景影像、CCD影像等数据进行融合，在车辆行驶状态下，采集道路范围内相匹配的三维点云数据和全景影像。设备组成结构如图2，道路测量精度如表1所示。

1.2 数据处理软件

系统采用一体化内业处理软件，包括集成纠偏、数据预处理、全景影像拼接、数据源转换、内业处理，通过内业纠偏、转换、资产提取，生成具有空间位置的属性矢量数据。

表1 道路测量精度指标

(1)通过定姿定位集成纠偏软件倒导入流动站*.GPS文件、参考站*.epo文件、航位推算*.imu文件，对IUM数据进行组合预处理生成*.nav文件。

(2)采用多源数据预处理软件对数据进行解析，处理成可用于内业生产的文件格式。

(3)通过全景影像拼接软件，采用PTGui拼接方式，将6相机照片拼接成时态一致的全景影像。

(4)通过MMS数据库管理系统软件，将外业数据转换成可进入内业软件作业的数据源形式。通过多源数据测图服务管理与配置系统，将数据源、SQL数据库、参数搭建成用于内业的服务形式。

(5)各客户端通过内业处理软件登录，进行协同作业，顺序为生成道路中心线—区域规划—测量落地里程碑—进行道路资产量测，成果可按资产类型导出shapefile文件，通过ArcGIS渲染生成专题成果图。

1.3 公路实景平台

公路实景三维平台应用目的主要在于通过高清全景影像、矢量地图、遥感影像三界面，结合资产、检评、病害等公路数据，对管养路段进行可视化管理，能够及时掌握公路资产情况、公路技术状况指标，为公路养护管理提供直观的可视化依据。平台总体结构及平台界面如图3所示：

通过平台中矢量地图和遥感地图，查看养护路段空间分布位置，宏观掌握区域内公路服务水平，并可对养护路段进行分类统计和查询。通过高清全景影像，360°查看路域环境和资产，7200万像素的高清影像，能够清晰看出路面细小裂缝、坑槽、修补等路面损坏状况，直观查看路面病害情况，结合公路养护需求，在全景平台基础上，定制适用于公路养护管理的功能项，主要包括：

(1)路线及桩号查询功能

通过线性参考，建立道路中心线与桩号对应关系，在平台上实时显示路线上任意点位对应实际桩号，通过查询路线名称可定位到指定路线，通过桩号范围可查询、定位任意路段。在公路养护管理中，可掌握病害路段所在桩号范围，便于对养护维修路段进行巡查管理。

(2)公路资产查询统计功能

在日常养护管理过程中，对管养路段资产和使用状况进行统计管理，便于掌握管养路段基本情况。平台结合GIS服务，可对采集道路内资产进行查询、拾取、定位、导出，如：交通管理设施、标志牌、养护工区道班、落地里程碑等；并通过统计功能，实现按市、县区进行各项资产的统计分析。

(3)道路检评及道路病害指标查询功能

路面使用性能指数PQI由路面损坏状况指数PCI、路面行驶质量指数RQI、路面车辙深度指数RDI等组成，根据各指标数值能够真实反映路面使用性能和使用状况，平台将道路的PCI、RQI、RDI、弯沉指标以及病害组成及分布规律等指标数据以采集单位长度桩号对应的方式挂接到平台中，通过检评或病害模块，可查看管养路段的指标数值、主导病害以及病害的分布规律情况，将全景影像、矢量地图、遥感影像联动定位至某一指标数值或病害处，查看该处对应真实路面状况，病害破损程度等，使检评指标与全景影像相结合，指标数据能够科学地对路面状况作出评定，全景影像能够查看指标对应路面的真实状态，便于养护部门进行科学化、可视化管理。

(4)标注查询及影像挂接功能

在养护管理决策阶段，对于破损严重、重点关注路段或重要点位，可在全景影像界面上进行标注、编辑其属性信息，通过标注查询功能，能够直接对关注点位进行查询与定位；对于破损路面内部结构情况，可将该点位钻芯取样等需要补充强调的数据图片，通过图片挂接的形式进行表述，以便于辅助专家和管理者进行养护决策。

(5)影像对比功能

平台可发布不同时期采集的管养路段全景影像数据，通过影像对比功能，对比查看管养路段任意位置在不同时期全景影像，结合检评指标，对比管养路段不同时期、年度，或养护措施实施前后路面的服务水平变化以及路域范围内资产环境的变化情况，能够及时直观地掌握养护路段服务水平状态。

2 工程实例应用

依托S210中新线工程，通过工程总体情况概述、资产情况、检评指标以及改扩建前后影像对比，具体介绍实景三维平台的应用成果。

2.1 工程总体情况概述

S210中新线工程采集范围为K45+000～K65+000共20km，从二维矢量地图可看出该路段空间位置位于盘锦市盘山县，路段为双向2车道，道路等级为公路二级。通过全景浏览可查看路域范围内情况及道路总体使用状态。

2.2 工程资产情况

通过资产查询统计功能(如图4所示)，了解采集路段范围内交通附属设施情况。其中，标志标牌共101个，交通管理设施共42个，路灯两侧共计102个，落地里程碑20个，养护工区道班1个。通过资产查询可定位任意资产所在位置，查询资产属性及使用状况。

2.3 工程检评指标评价

通过道路检评指标功能，掌握该路段路面使用技术状况。从PQI饼状图可以看出采集路段中优良中次差的路段长度及所占比例，其中，PQI等级评价为良的路段占比较大，为12.5km，占比为62.5%；PQI等级评价为次差的路段占比较小，为0.24km，占比为1.2%。PCI指标最小值为52.2，位于桩号K47+995处，通过点击指标可跳转至该处全景影像，查看路面破损状况，从全景影像可看出，该处龟裂病害严重。

通过道路病害功能，可以看出，该路段主导病害为龟裂，病害面积为8900m2，占路段总面积的54.9%，其他病害还包括横纵缝、块裂及条裂等，从高清全景影像中可查看严重龟裂路段具体情况(如图5所示)，通过挂接钻芯取样的图片，可具体分析龟裂发生的层位及产生机理等。

2.4 改扩建影像对比

工程首次采集时间为2015年，由于当地经济发展需要，以及交通量不断增长情况，采集路段于2016～2017年进行改扩建施工，2017年对该路段进行二次采集，通过影像对比可以看出(如图6所示)，路段由原有双向2车道扩建为双向6车道，道路通车后使用状况良好。

3 公路实景三维平台功能完善与升级

公路养护管理决策是提升养护管理科学化的重要环节，目前平台应用对于养护管理决策全流程还存在不足之处。研究从公路养护管理角度出发，结合公路养护决策管理流程，对现有平台功能提出完善升级的相关建议。

(1)开发交通量及养护历史功能模块

交通量及轴载数据是道路养护决策及结构设计中重要的基础动态参数，基于交通量与路况关系的路面性能衰变模型，是路面养护管理决策中重要的基础数据[8]；养护历史即为管养路段建管养信息档案，记录管养路段的管养过程、大中修时间、实施方案等，结合路面使用性能、病害和交通量情况，分析路面损坏机理，辅助管理者进行养护管理决策。在现有平台功能上，增加交通量和养护历史查询功能，对已确定大中修的管养路段进行综合分析，在此基础上，确定包括不同养护措施和工艺的路面养护方案。

(2)增加审核结构及费用测算功能

养护决策的基本方法是依据路面各项检测指标、公路技术等级和交通量等数据，确定大中修养护路段，提出养护建议，预测养护费用[9]。通过对路段指标分析，通过专家会审，确定路段审核结构，在平台上输出路段状况分析结果、审核结构及费用测算，按区域统计全省(各市)当年大中修检测路段审核结构及初步测算费用的汇总信息，便于掌握大中修路段总体情况及投入费用信息。

(3)接入倾斜影像系统界面

在高清全景影像、矢量地图、遥感影像三界面基础上，接入倾斜影像界面，通过四界面联动展示，实现从宏观带状到微观单体模型一体化展示。在倾斜影像界面中，可加载无人机倾斜摄影、三维建模、BIM模型等数据类型，并实现三维浏览、属性查询、量测、标注等功能。

4 结论

(1)介绍实景三维移动采集系统组成，包括实景三维移动采集设备、内业数据处理软件以及公路定制化应用平台。

(2)平台主要功能包括可视化的360°全景影像浏览及三界面联动功能、路线及桩号查询功能、公路资产查询统计功能、道路检评及道路病害指标查询功能、标注查询及影像挂接功能、影像对比功能。

(3)结合S210中新线实体工程实例，对实景平台部分功能在养护管理中的应用进行介绍。

(4)基于公路养护管理决策流程，在现有平台基础上，对功能提出完善与升级的建议，增加交通量及养护历史、审核结构及费用测算等功能、接入倾斜影像系统界面。