基于GPS数据的道路线形恢复实验教学实践

刘 硕， 杨 轸， 许 多， 王俊骅

（同济大学道路与交通工程教育部重点实验室，道路交通安全与环境教育部工程研究中心，上海 201804）

0 引 言

道路安全实验课程是道路工程专业学生的必修课程，该课程的目的是通过实验的形式，探讨如何从人－车－路复杂系统的角度，经济、合理地减少交通事故损失，提升道路交通安全性，是一门与工程实际紧密相连的实践课。在道路交通安全管理中，经常会遇到这样的问题，由于早期的公路建设和管理不规范，许多道路的线形资料已经遗失，甚至有些低等级的道路没有线形资料，加之道路的改建扩建等情况，不少道路存在线形资料不全，与实际不符的情况［1-3］。而线形资料又是道路设施养护维修和管理、交通事故特征分析和事故还原工作的重要基础，通过线形恢复技术获取道路线形信息，对提升公路建设和交通管理水平有重要意义，因此线形恢复技术是道路工程专业学生需掌握的重要技能之一。

传统的道路线形恢复方法是通过经纬仪和水准仪获取道路的平面以及高程信息，缺点是工作速度慢且操作复杂。随着测绘技术及仪器的不断发展，基于GPS的道路线形恢复方法应用越来越广泛。因此，我校交通运输工程学院在道路安全实验课程中增设了道路线形恢复实验教学，采用手持和车载两种较为常见的GPS设备采集数据，并对线形恢复结果进行分析，探索两种方式的特点和适用性，训练学生运用所学的专业知识和理论，分析问题和解决问题的能力。

1 实验理念与目标

道路工程人才培养的一个重要任务就是使学生能够面向道路工程实践，因此加强道路工程实践能力和创新能力的培养、防止理论脱离实际，是实验教学理念的核心内容［4］。通过道路线形恢复实验教学和学生动手实验，锻炼学生实验及实践技能，培养发现、分析及解决问题的能力，进一步提升教学质量及人才培养质量。实验课程包括GPS设备使用方法及线形恢复方法培训、GPS采集实验、道路线形恢复及结果分析和讨论的全过程，能够拓宽学生知识面和专业技能，养成理论联系实际的学风和科学严谨的工作态度，对于提高学生综合素质有着积极意义［5］。

2 实验教学设计

2.1 实验设备及原理

GPS工作的原理主要是通过卫星接收地面发射出的控制信号，然后将其进行分析，并发送到地面用户的系统中，以便为用户提供三维位置、速度、方向以及时间等多维数据［6-7］。本实验采用手持和车载两种GPS设备（见图1）。辅助设备包括三角支架和可伸缩支撑杆，三角支架用于放置基站，保证基站的稳定性；支撑杆用于支撑移动站，保证移动站跟踪4颗以上的卫星，提高定位的准确性［8］。

2.2 实验内容

本实验教学包含4部分内容：①对两种GPS设备的使用方法及线形恢复方法进行培训；②学生分组进行GPS数据采集实验；③学生基于GPS数据恢复道路线形；④学生对线形恢复结果以及两种方法特点进行分析讨论。

(1)GPS设备使用方法及线形恢复方法培训。基于GPS数据的道路线形恢复实验教学，对GPS设备采集数据的原理与方法、GPS数据预处理的方法、道路线形恢复的理论与方法等内容进行集中教学指导，培养学生的专业理论素养。

(2)基于GPS的道路信息采集实验。①手持GPS采集数据方法：学生手持GPS测量仪器，保持仪器的相对稳定，沿实验路段道路中心线行走。直线段以正常速度行走，曲线段降低速度以增加采集点的数量。②车载GPS采集数据方法：在车顶部安装车载GPS设备，有驾照且熟练驾驶的学生驾驶车辆以速度不超过20 km／h沿实验路段每条车道各行驶1次。

图1 GPS采集设备

(3)基于GPS数据的道路线形恢复。手持GPS与车载GPS数据的测量方法基本原理相似［9-11］，但数据处理方式存在差异。手持GPS采集的坐标点可认为是道路中心线，可直接用采集数据进行道路线形恢复。车载GPS的测量方法中，由于车辆仅能在某一车道内行驶，采集的坐标点会偏离道路中心线，因此采用在同一测量路段的不同车道上往复测量，通过空间数据处理的方法确定道路中心线位置，从而进行道路线形的恢复。

基于手持GPS数据的道路线形恢复方法。将GPS数据转化为大地坐标，根据路段点位以及转角预先设置合适的圆曲线与直线，如图2所示，基于Civil3D软件采用最小二乘法的拟合方式进行道路线形恢复［12-13］。

基于车载GPS数据的道路线形恢复方法。由于车载GPS采集的是多个车道中心点的信息，偏离于道路中心线，因此首先通过车道中心点推算道路中心点。考虑到点的数量巨大，学生采用基于辅助计算工具，计算得到道路中心点，进而采用Civil3D软件进行道路线形的恢复。道路中心点算法思路为：①定义外圈的任一轨迹点P；②找到内圈距离外圈轨迹点P最近的N个点｛P1，P2，…，PN｝；③分别计算点P与内圈这N个点的中心点，作为道路中心点（见图3）。④以此类推，形成完整的道路中心点。

图2 直线圆曲线设置示意图

图3 道路中心点生成示意图（N＝5）

(4)线形恢复结果分析。引导学生从两个方面对道路线形恢复结果进行比较分析。①道路线形恢复效果，将坐标采样点与恢复线形的最短距离定义为偏移值，比较两种方法恢复线形的偏移值；②综合分析两种线形恢复方法的特点和适用性。

3 实验案例

3.1 实验路段以及基站校准

选择的实验路段为长度约3.5 km的环形道路，双向两车道，设计车速40 km／h，过往车辆较少，实验条件良好。学生根据实验道路的实际情况，在合适的点位布设基站，采用至少两个以上水准点作为坐标校准点。设备安装调试后，分组采用手持和车载两种方式在实验路段进行数据采集。

3.2 结果分析

(1)线形恢复结果分析。根据两次实验在两个校准点测得的多个坐标，采用取均值的方法确定校准点坐标，使手持和车载GPS恢复线形的校准点重合，得到结果如图4所示。红线为手持GPS的恢复结果，绿线为车载GPS的恢复结果，由图4可见，两种方式恢复的线形几乎重叠。手持与车载恢复的线形偏移值均值分别为0.677 m与0.488 m，直线段与曲线段的平均偏差分别是0.46 m与0.44 m。相对而言，车载GPS恢复的线形数据更加精确。

图4 线形恢复比较

(2)线形恢复方法特点分析。学生从恢复精度、采集便捷性、经济性以及适用情况等角度对比讨论了两种线形恢复方法，如表1所示。精度上，基于车载的线形恢复方法更优，更适用于道路改扩建等对于线形精度要求较高的情况；而便捷性及经济性角度，基于手持GPS的线形恢复方法更优，更适用于交通事故信息采集，事故场景再现等对时效性和便捷性要求较高的情况。

表1 两种线形恢复方法特点比较

4 结 语

基于GPS数据的道路线形恢复实验，将实验教学与课堂理论教学紧密结合，使学生掌握道路线形恢复方法［14］，了解手持和车载两种采集方式的特点和适用条件，同时掌握数据处理及分析方法，体验完整的科学研究过程［15］。从实施效果来看，对于提高学生的综合素质、培养学生的实践能力与创新精神具有积极作用，不仅丰富了学生的专业知识，同时增强了实践能力，提高了应用实验手段与方法去分析、研究和解决工程问题的能力。