复杂交通枢纽实景三维一张图可视化智能管理关键技术

伍庭晨，谢 潇，徐 坤，陈 磊，黄雅晴

(1.兰州交通大学，甘肃 兰州 730071；2.中国科学院沈阳应用生态研究所，辽宁省环境计算与可持续发展重点实验室，辽宁 沈阳 110016；3.浙江中海达空间信息技术有限公司，浙江 湖州 313200)

0 引 言

随着经济的高速、持续发展和城市化进程的加快，单一的交通模式和简约的交通功能逐渐向集约化、综合化转变，形成大型或特大型城市综合性复杂交通枢纽。作为区域内各种动、静态交通流的交汇点，在空间上高度集聚多种交通方式，是实现出行者“无缝衔接”换乘的载体[1-3]。

目前，基于二维底图的交通枢纽平台建设方案虽已成熟，在二维空间数据表达本身存在高程信息缺失、语义信息不足、空间关系粗略等局限，脱离了真实的室内空间结构及所在的立体空间位置，无法支撑枢纽复杂三维环境下的精细化管理、自动导航、智能决策等出行需求[4-5]。与此同时，安保工作一直是交通枢纽的基础性、关键性任务，但现有警务系统在“事件定位-信息发布-警力调度”的联动安防工作仍存在滞后性，其警力布置规划也很难避免室内盲区的产生，使警力调用的合理性和时效性降低，难以提供智能化指挥调度的支持[6]。

为此，本文针对提升城市交通出行保障能力、增强应急响应与资源调度效率等需求，整合区域重点公共管理与横向部门现有的人脸、卡口、视频等大数据资源，建设交通枢纽三维全景地图与精准定位基础上的应用服务，形成“复杂交通枢纽实景三维一张图”的全域智能管理新模式。在此基础上，结合物联网多端口协同技术，搭建民众与警务人员之间的信息通道，最终实现高水平数字化与智能化协同的交通枢纽警务综合管理平台。

1 系统设计

交通枢纽实景三维系统由业务层、服务层、数据层、基础设施层、安全保障体系及标准规范体系6部分组成，其总体架构如图1所示。系统采用B/S架构：前端开发采用Vue界面框架和JavaScript语言，数据库采用MongoDB与PostgreSQL，后端开发采用Java语言。系统依托DT Builder、DT Server以及DT Globe进行数据处理、服务发布以及三维可视化，能够加载Tb级数据、支持多样化设备终端，支持倾斜摄影、点云及影像等多源数据。

图1 系统总体架构图

系统以现有二、三维空间信息数据库资源为基础，支持对多源建筑要素数据集成管理与展示，真实地还原交通枢纽站体的立体环境，实现全要素的三维展示和共享，方便决策者和用户了解建设情况；同时实景三维模型作为基础地理信息框架和定位参考“一模多用”可服务于各类交通枢纽管理部门[7]。

2 关键技术

本方案以民生快进快出和警务应急响应等应用需求为目标，从“实景三维地图建设-高精度定位-警民联动应用”逐步构建智慧警务一体化应用平台：

(1)视觉语义增强的全域实景三维建模技术。针对综合交通枢纽的全域空间数字化管理需求，采用三维可视化与多源数据融合方法，实现室内外、地上地下一体化实景三维地图，能够兼顾全域场景下的视觉信息和语义表示；

(2)语义对象级融合的混合定位技术。采用多方混合的无线局域网定位系统，包括蓝牙、Wi-Fi及超宽带(Ultra-Wide Band，UWB)，重点利用实时语义立体匹配技术辅助室内的精确定位，提高室内定位的覆盖度与准确度，为三维实景导航与移动警力调配提供支持；

(3)终端协同模式下的警民联动应用架构。联合警务、政务以及民众等应用对象，构建同步桌面端和移动端两端的三维实景模型综合应用，支撑全局综合指挥与局部精准处置的可视化协同决策。

2.1 视觉语义增强的全域实景三维建模技术

国产化的采集装备已能够满足实景三维建设的要求，包括倾斜摄影测量仪、机载激光雷达等，同时有大量软件支持城市模型的自动化建模。然而，对于综合型的交通枢纽建筑体表现的空间结构之复杂、物体轮廓之细密、语义信息之繁多等特点，单一的扫描数据与建模方法无法满足从单体到全景的室内外精细建模。

因此，本方案提出一种视觉语义增强的实景三维建模技术，如图2所示，其关键在于：

(1)视觉表达增强。结合CC集群建模、逆向建模，纹理贴合等多种建模技术，高精度还原交通枢纽内部与外部构造轮廓，在此过程中，重点采用OSG三维渲染对三维空间及所含模型进行装配、渲染及优化，进一步引入全景图像与三维模型融合，使模型观感与原物体达到一致，从视觉表达上打破了虚拟和现实的边界[8-9]。

(2)语义信息增强。汇集路网、警力警情及设备POI点信息，路网数据等多源异构数据，通过多源异构数据时空一致性映射、特征精准融合等核心技术，建立位置精准、基准统一、属性丰富的三维模型语义覆盖网络，能够更清晰地从虚拟模型上获取多方位的真实信息。

所构建的实景三维模型能够让大众、安保以及管理人员等不同层次用户直观精准的对复杂空间格局进行感知与认知，可为交通枢纽的全域智能管理提供空间地理信息大数据基础支撑。

2.2 语义对象级融合的混合定位技术

目标的位置信息在室内场景中有重要作用，包括定位管理、精确导航及视频联动等功能应用，相较于室外GPS卫星快速定位，在室内受到屋顶以及其他障碍物的遮挡导致信号容易产生波动，无法进行连续的精确定位，表1为当前常用的室内定位技术。

表1 室内定位技术对照表

室内定位技术在简单的实验环境中，理论上可以达到米级甚至厘米级的精度，而在实际应用中由于场景的复杂性，即跨层结构、建筑空高、大型柱体等情况不一的空间遮挡，使得上述空间定位技术在复杂交通枢纽中，普遍存在信号大范围缺失与漂移等问题，因此需要在合理控制施工和硬件成本的条件下对定位技术进行优化。本文基于三维室内POI 专题场景对象(出入口、商铺、车位等目标或区域)，提出一种面向虚拟模型与现实景象的实时语义立体匹配技术，包括以下关键步骤：

(1)结合移动摄像头实时获取的现实景象与构建的室内三维模型全局图像，利用图像特征点匹配、场景自动识别、视觉信息反演等算法[13-14]，判别现实对象(路牌、电梯、商标等标志性建筑)与三维模型的一致程度，实现视觉对象语义约束的几何定位[15](图3a)。

图3 语义对象级融合的混合定位示例图

(2)结合三维POI对象语义信息与室内路网数据，利用空间模型的几何量测算法判断定位所在位置与目标对象间的现实方向与距离，在场景展示中表现语义提示信息，使相对位置更精准，导航倾向性更明确(图3b)。

通过室内对象语义辅助的高精度混合定位能够在大空间范围内获取人或物的准确位置信息，用于人员跟踪、客流分析、警力响应及资源调配等延展应用。

2.3 多终端协同的警民联动应用技术

终端协同(Multi-terminal Cooperation)是指在网络控制下，多个终端有组织地聚合形成支持丰富业务内容的协同系统，能够突破单一网络的限制，实现更加高效的业务传输[16-17]。本方案利用此系统模式提出基于实景三维电子沙盘的警民联动应用架构，如图4所示，包括以下内容：

图4 终端协同模式设计原理图

(1)桌面端应用，主要服务于公安。其中，信息追踪包括人员实时定位、人员实时轨迹、定位人查询以及警务资源可视化；警情互通包括视频联动、IP广播联动、双向报警、警力资源调度等；应用管理包括人员管理、设备管理和后台管理等。

(2)移动端应用，同时服务于公安和民众。其中，警情上报为民众提供即时的紧急报警途径，精准管控用于支撑警员获取报警人位置和警情信息，同时以共享形式发给相应片区管理人员，并实现报警人后续移动位置追踪；应用交互包括室内外导航、虚拟漫游及乘车引导等出行服务。

上述应用构架通过连接终端建立公安与民众之间的信息通道，保证服务端全局综合指挥与移动端局部精准处置协同的可视化决策，大幅提升了交通枢纽指挥中心与公安警力的风险管控能力。

3 平台实现与应用案例

3.1 杭州东站警民分用全息三维系统

杭州东站是中国大型铁路枢纽站之一，作为一个结构复杂的大型室内外综合体[18]，东站枢纽一直是公安警力在线建设的重点区域，在人流量巨大，应急响应速度要求高，且警力布置有限的情况下，缺乏基于三维环境下的警力布置规划，很难避免监控盲区的产生，导致人员出行与警力调用的合理性与时效性降低。

通过本文中的关键技术与系统总体架构，搭建杭州东站警民分用实景三维平台，如图5所示，包括以下主要内容：

图5 复杂交通枢纽系统数据体系构成、应用形式及示范

(1)构建杭州东站全域实景三维一张图，通过对多源数据集成的室内结构的高精度建模，并融入传感器数据(人脸、卡口和视频等)及专题数据(POI及路网数据等)实现杭州东站室内外一体化实景三维地图制作。

(2)混合布局定位技术与位置信息应用，通过GPS、蓝牙等多种定位信号同步传输实现数据的初步采集；随后对海量定位数据进行去噪后再通过协调过滤筛选出准确数据；进一步通过场景的实时切换实现室内外定位多精度无缝切换，最终完成警力资源实时动态定位表达等应用。

(3)设计警民联动治安防控功能体系，构建桌面端和移动端两端应用，其中桌面端应用主要面向警务管理与调度，移动端应用则面向民众个体与警务人员，分别实现导航、报警及信息共享等警情联动功能。

3.2 杭州萧山机场智安航站楼警务平台

由于系统中各模块的可复用性较高，能够将杭州东站平台的构建流程迁移至萧山机场中，实现高水平数字化与智能化协同的交通枢纽警务综合管理平台；在此过程中，采用视觉语义增强技术的实景模型更加具备真实感，在视觉上给平台用户带来沉浸式体验。

4 结 语

随着智慧出行服务从室外延伸至室内，重要交通枢纽的平台建设已成为未来城市数字化改革不可或缺的一环，在复杂立体空间中实施精细结构化的三维实景解决方案是建设高水平智能化交通枢纽的必然要求。本文关键技术的研究和平台的设计，支持直观、精细的三维实景模型和高精度、稳定的人员定位，打造了虚拟环境下的“数字孪生枢纽”，为复杂交通枢纽智能化管理提供了立体可视化管控新模式。特别是将商铺、地铁、停车场、监控设备、进出卡口等跨部门跨领域信息和实景三维一张图进行了语义对象级融合，为精细化业务管理和民众的快捷指向性出行需求提供了有效支撑。此外，依托路地警务融合与室内外精确定位实现指挥中心、公安、交警等部门的一体化指挥联动，特别与民众实行信息互通、协同作战，实现警情的快速响应与快速处置，对于推动“智慧安防”建设起到积极的促进作用。