基于全景技術(shù)的高速路產(chǎn)路權(quán)管理平臺(tái)

李應(yīng)華

（江西省公路路政管理總隊(duì)，南昌 330038）

0 引言

高速公路路產(chǎn)和路權(quán)信息是路政部門對(duì)所管區(qū)域內(nèi)公路進(jìn)行建設(shè)、執(zhí)法和維護(hù)等活動(dòng)中生成的，是高速公路真實(shí)現(xiàn)狀的載體和原始資料。因此了解和維護(hù)路產(chǎn)路權(quán)是保護(hù)國(guó)有資產(chǎn)和發(fā)展公路事業(yè)的基礎(chǔ)，具有重要意義。當(dāng)前我國(guó)處在經(jīng)濟(jì)新常態(tài)，高速公路管理迎來(lái)了交通執(zhí)法管理改革的重大機(jī)遇，保護(hù)好路產(chǎn)路權(quán)，是推動(dòng)公路可持續(xù)高質(zhì)量發(fā)展的必然要求。有關(guān)部門對(duì)高速公路建設(shè)力度的不斷加大,高速公路總里程數(shù)也在持續(xù)增加，相應(yīng)的路政管理內(nèi)容多而且復(fù)雜，做好路政管理工作比以往任何時(shí)期都要更難。因此，為了保障高速公路路產(chǎn)路權(quán)正常有序運(yùn)營(yíng)，建立一個(gè)高效、科學(xué)、規(guī)范、精準(zhǔn)的路產(chǎn)路權(quán)信息采集系統(tǒng)，是推進(jìn)高速公路現(xiàn)代化建設(shè)和信息化路線必不可少的環(huán)節(jié)。

路政管理是公路管理的核心部分。然而在現(xiàn)有的路產(chǎn)路權(quán)管理體系中，主要還是依靠高速公路路政執(zhí)法部門，通過(guò)定期路面巡查對(duì)路產(chǎn)路權(quán)情況進(jìn)行人工監(jiān)控和記錄上報(bào)，對(duì)各類損壞、盜竊及其他違規(guī)違法事件進(jìn)行勘察和追蹤。各級(jí)高速公路在路政管理中存在執(zhí)法技術(shù)比較落后，技術(shù)更新速度相比高速公路的發(fā)展還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的問(wèn)題。為響應(yīng)交通運(yùn)輸部信息化建設(shè)要求，提升高速公路路產(chǎn)路權(quán)巡查工作效率，加強(qiáng)路產(chǎn)路權(quán)數(shù)據(jù)采集與管理，本研究研發(fā)了基于移動(dòng)智能終端的高速公路三維全景影像技術(shù)的路產(chǎn)路權(quán)信息采集系統(tǒng)，將大量人力工作通過(guò)機(jī)器學(xué)習(xí)與三維全景技術(shù)轉(zhuǎn)化為自動(dòng)化處理方式，對(duì)當(dāng)前高速路政執(zhí)法管理工作有多方面促進(jìn)作用。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

本文旨在建立一套信息互通、協(xié)同高效、使用靈活的路產(chǎn)路權(quán)信息采集平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)對(duì)高速公路路產(chǎn)可視化實(shí)時(shí)管理和對(duì)各類路產(chǎn)進(jìn)行自動(dòng)化勘察和追蹤。提高路政管理部門信息服務(wù)水平，構(gòu)建路產(chǎn)路權(quán)新型管理和執(zhí)法機(jī)制。在充分調(diào)研路產(chǎn)路權(quán)執(zhí)法需求后，依據(jù)系統(tǒng)研發(fā)目標(biāo)明確、技術(shù)先進(jìn)、簡(jiǎn)單適用的原則，確定路產(chǎn)路權(quán)執(zhí)法平臺(tái)體系的工作流程，對(duì)平臺(tái)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)以及功能邏輯關(guān)系進(jìn)行總體設(shè)計(jì)。

結(jié)合路政執(zhí)法需求分析及高速公路管理的信息化現(xiàn)狀,基于全景技術(shù)的高速路產(chǎn)路權(quán)管理平臺(tái)系統(tǒng)后端架構(gòu)使用Java SSM 框架構(gòu)建Restful API服務(wù)；用戶端采用B/S架構(gòu)設(shè)計(jì)，構(gòu)建響應(yīng)式布局，適配Chrome、IE、EDGE 等主流瀏覽器。總體框架如圖1 所示。平臺(tái)分為支撐層、數(shù)據(jù)層、服務(wù)層和應(yīng)用層四個(gè)層面。

圖1 平臺(tái)框架

支撐層是路政執(zhí)法系統(tǒng)建設(shè)、運(yùn)行和服務(wù)的必備條件。在軟硬件的支持下，通過(guò)移動(dòng)式三維全景采集設(shè)備對(duì)高速公路上的路面狀況進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，并通過(guò)移動(dòng)設(shè)備將采集的數(shù)據(jù)及高精度位置信息實(shí)時(shí)上傳到后臺(tái)服務(wù)器。

數(shù)據(jù)層是路政執(zhí)法系統(tǒng)的物質(zhì)載體,是公路位置數(shù)據(jù)、路產(chǎn)屬性數(shù)據(jù)、執(zhí)法業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)場(chǎng)所。數(shù)據(jù)層主要對(duì)上傳到服務(wù)器的數(shù)據(jù)進(jìn)行管理。針對(duì)具有路產(chǎn)路權(quán)信息的三維實(shí)景進(jìn)行路產(chǎn)路權(quán)位置、屬性信息進(jìn)行提取，并將提取信息寫(xiě)入數(shù)據(jù)庫(kù)，為路產(chǎn)路權(quán)數(shù)據(jù)庫(kù)的形成提供基礎(chǔ)信息來(lái)源。

服務(wù)層是路政執(zhí)法系統(tǒng)的核心，用于處理和執(zhí)行相應(yīng)的業(yè)務(wù)指令。在服務(wù)層，程序自動(dòng)進(jìn)行全景拼接處理及圖像識(shí)別處理，產(chǎn)生一個(gè)具有路產(chǎn)路權(quán)信息和位置信息的三維實(shí)景。提供一個(gè)可實(shí)現(xiàn)全景制作、全景互動(dòng)、全景管理、全景可視化等功能的全景制作發(fā)布系統(tǒng)，并與高速公路路政業(yè)務(wù)管理及執(zhí)法監(jiān)督平臺(tái)無(wú)縫集成對(duì)接，實(shí)現(xiàn)高速公路實(shí)景三維和地理數(shù)據(jù)的相互結(jié)合。

應(yīng)用層通過(guò)可視化的用戶界面，為路政執(zhí)法人員提供數(shù)據(jù)采集和管理等功能。在應(yīng)用層，設(shè)計(jì)研發(fā)基于移動(dòng)智能終端三維全景影像采集系統(tǒng)，通過(guò)移動(dòng)智能終端搭載全景攝像傳感器，拍攝高速公路路產(chǎn)路權(quán)全景影像。此外本研究還采用B/S 架構(gòu)基于WebGIS 技術(shù)研發(fā)路政執(zhí)法管理端平臺(tái)。

2 關(guān)鍵技術(shù)

2.1 基于Krpano的三維全景系統(tǒng)研發(fā)

三維全景也稱為全景環(huán)視或360°全景,是一種基于相機(jī)對(duì)現(xiàn)實(shí)環(huán)境進(jìn)行多角度環(huán)繞拍攝,然后對(duì)拍攝的照片拼接合成并利用可視化引擎實(shí)現(xiàn)三維虛擬漫游效果。本研究在Krpano 平臺(tái)的支持下，基于WebGL 和JavaScript 腳本構(gòu)建快速和高質(zhì)量渲染的高速公路全景漫游系統(tǒng)，并通過(guò)XML（extensible markup language）靈活配置場(chǎng)景內(nèi)容。如圖2所示，本研究在路政執(zhí)勤車上裝備自動(dòng)化全景設(shè)備，研發(fā)拍攝控制軟件，實(shí)現(xiàn)執(zhí)勤時(shí)按需拍攝。在管理端利用Krpano 提供的二次開(kāi)發(fā)接口研發(fā)全景漫游系統(tǒng)。結(jié)合Web-GIS開(kāi)發(fā)技術(shù)，我們?cè)诟咚俟啡爸屑闪税俣鹊貓D、天地圖等常見(jiàn)的網(wǎng)絡(luò)地圖，并將全景視頻、路產(chǎn)POI 等進(jìn)行集成，部署于服務(wù)器供系統(tǒng)調(diào)用。此外利用VR 插件，在本系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)了WebVR功能。

圖2 全景拍攝系統(tǒng)

2.2 基于WebGIS路政執(zhí)法功能實(shí)現(xiàn)

WebGIS 是一種基于Web 的分布式地理信息系統(tǒng)，由服務(wù)端和客戶端構(gòu)成。WebGIS 相比傳統(tǒng)GIS系統(tǒng)具有異地使用、多用戶、跨平臺(tái)、更新統(tǒng)一等優(yōu)點(diǎn)。本系統(tǒng)充分利用高速公路基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、全景數(shù)據(jù)、執(zhí)法數(shù)據(jù)等眾多業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)，有效結(jié)合GIS的空間分析和分層展示技術(shù)，實(shí)現(xiàn)路政執(zhí)法業(yè)務(wù)信息與數(shù)字地圖的有效集成。并利用互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議，將該公路基礎(chǔ)設(shè)施和執(zhí)法業(yè)務(wù)的空間位置高度融合轉(zhuǎn)化到客戶端地圖顯示界面上。通過(guò)網(wǎng)絡(luò)對(duì)路產(chǎn)信息和路政執(zhí)法數(shù)據(jù)進(jìn)行發(fā)布和應(yīng)用，從而讓路政執(zhí)法信息在工作人員之間共享和協(xié)同應(yīng)用。并且與其他相關(guān)業(yè)務(wù)單位數(shù)據(jù)信息服務(wù)互調(diào)整合，實(shí)現(xiàn)更加直觀、高效、便捷的并行運(yùn)營(yíng)管理。

2.3 基于機(jī)器學(xué)習(xí)的路產(chǎn)自動(dòng)檢測(cè)

針對(duì)道路交通標(biāo)志識(shí)別系統(tǒng)中的識(shí)別精度和識(shí)別實(shí)時(shí)性問(wèn)題，利用機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)自動(dòng)提取交通信息一直是人工智能領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。本系統(tǒng)將基于機(jī)器學(xué)習(xí)算法的目標(biāo)自動(dòng)識(shí)別標(biāo)注技術(shù)應(yīng)用于全景圖像路產(chǎn)信息提取。參見(jiàn)圖3，本系統(tǒng)利用OpenCV 函數(shù)庫(kù)提取樣本圖像Haar 紋理特征，Haar 特征值通過(guò)照片的灰度變化情況計(jì)算而得，使用Haar 矩形特征相比使用照片的像素具有更高的魯棒性，而且具有形式簡(jiǎn)單，計(jì)算速度快等優(yōu)點(diǎn)。在另一方面本系統(tǒng)采用Adaboost 算法，通過(guò)對(duì)原始樣本進(jìn)行多次迭代訓(xùn)練，得到性能較低的弱分類器，最后通過(guò)加權(quán)組合生成具有更優(yōu)性能的強(qiáng)分類器在全景圖像上進(jìn)行路產(chǎn)路權(quán)自動(dòng)識(shí)別。Adaboost 集成算法是一種迭代算法，是目前在計(jì)算機(jī)視覺(jué)領(lǐng)域運(yùn)用非常廣泛的技術(shù)。

圖3 路產(chǎn)紋理信息提取

3 系統(tǒng)主要功能

3.1 高速公路路政巡查功能

公路巡檢是路政管理部門一項(xiàng)重要的日常管理工作。本系統(tǒng)通過(guò)配備全景設(shè)備的巡查車輛完成高速公路全景數(shù)據(jù)采集。利用全景處理引擎自動(dòng)化實(shí)現(xiàn)路產(chǎn)路權(quán)的全景信息化建設(shè)工作。根據(jù)業(yè)務(wù)需求，分為三種執(zhí)法巡查模式。

3.1.1 等距自動(dòng)巡查

在執(zhí)法過(guò)程中,路政巡查人員可以隨時(shí)隨地在移動(dòng)端提前制定巡查距離。系統(tǒng)將通過(guò)實(shí)時(shí)定位，當(dāng)巡查車輛行駛指定距離時(shí)自動(dòng)觸發(fā)全景拍攝，并及時(shí)上傳現(xiàn)場(chǎng)照片。

3.1.2 定點(diǎn)自動(dòng)巡查

主要針對(duì)核心業(yè)務(wù)要求，執(zhí)法車輛經(jīng)過(guò)本單位所管轄路段的路產(chǎn)設(shè)施（橋梁、通道、交通標(biāo)志等）時(shí)，自動(dòng)執(zhí)行拍攝任務(wù)，也可以在系統(tǒng)中新增任務(wù)點(diǎn)。

3.1.3 手動(dòng)巡查

執(zhí)法過(guò)程中，遇見(jiàn)突發(fā)事件可以手動(dòng)執(zhí)行拍攝任務(wù)。

參見(jiàn)圖4，巡查過(guò)程中產(chǎn)生的全景影像將在服務(wù)器自動(dòng)拼接，生成Krpano 全景漫游服務(wù)，并且自動(dòng)構(gòu)建WebVR功能。

圖4 巡查全景和WebVR功能

3.2 路產(chǎn)路權(quán)檢測(cè)和識(shí)別

該子系統(tǒng)針對(duì)各級(jí)路政管理部門所管轄路段的路產(chǎn)設(shè)施（橋梁、通道、交通標(biāo)志等）和路產(chǎn)設(shè)施以外的路權(quán)建立智能電子化管理。該子系統(tǒng)分為路產(chǎn)標(biāo)志檢測(cè)和路產(chǎn)屬性識(shí)別兩個(gè)模塊。路產(chǎn)標(biāo)志檢測(cè)是在三維全景圖像中尋找相關(guān)路產(chǎn)目標(biāo)并定位。路產(chǎn)屬性識(shí)別是對(duì)路產(chǎn)的信息進(jìn)行提取和分類。

在路產(chǎn)標(biāo)志識(shí)別模塊，基于高速路產(chǎn)具有豐富的邊緣信息，本系統(tǒng)通過(guò)Opencv 訓(xùn)練路產(chǎn)檢測(cè)分類器提取路產(chǎn)（如路牌）輪廓實(shí)現(xiàn)路產(chǎn)在全景中的定位。首先利用OpenCV 的樣本集工具將高速公路交通標(biāo)志等不同路產(chǎn)樣本轉(zhuǎn)化為訓(xùn)練分類模型時(shí)所支持的格式（*.vec）；利用OpenCV 計(jì)算路產(chǎn)在全景照片中的Haar 特征值。然后利用Adaboost 算法訓(xùn)練一個(gè)最終路產(chǎn)級(jí)聯(lián)檢測(cè)器。

在路產(chǎn)屬性識(shí)別模塊，如圖5所示，系統(tǒng)可以利用檢測(cè)器自動(dòng)檢測(cè)全景中的路產(chǎn)設(shè)施，然后基于全景拍攝時(shí)獲得的定位信息，篩選數(shù)據(jù)庫(kù)中備案的路產(chǎn)，從而實(shí)現(xiàn)全景和實(shí)際路產(chǎn)匹配和識(shí)別。參見(jiàn)圖6，在路產(chǎn)檔案功能系統(tǒng)中，路政管理人員可以對(duì)匹配結(jié)果進(jìn)行檢查和編輯。

圖5 路產(chǎn)路權(quán)屬性自動(dòng)匹配系統(tǒng)

圖6 路產(chǎn)檔案功能界面

3.3 一張圖功能

基于地理基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、高速公路路網(wǎng)、路政業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)、全景執(zhí)法數(shù)據(jù)，參見(jiàn)圖7，本系統(tǒng)利用全景技術(shù)打造高速公路路政執(zhí)法一張圖平臺(tái)。通過(guò)定制可視化工作界面，并接入高速公路路政業(yè)務(wù)管理及執(zhí)法監(jiān)督平臺(tái)，采用定制化工作流，實(shí)現(xiàn)上傳自動(dòng)綁定路產(chǎn)路權(quán)一張圖進(jìn)行結(jié)合展示。該功能借助執(zhí)法全景進(jìn)行高速公路全路段宏觀監(jiān)測(cè)，結(jié)合多源數(shù)據(jù)融合實(shí)現(xiàn)高速路產(chǎn)路權(quán)信息和公路空間信息的有機(jī)融合，為路政管理部門提供路產(chǎn)設(shè)施規(guī)劃設(shè)計(jì)、運(yùn)行維護(hù)、交通調(diào)查、環(huán)境監(jiān)測(cè)與評(píng)估等決策支持。

圖7 一張圖功能

3.4 人員和設(shè)備管理

該功能子系統(tǒng)充分結(jié)合GIS、定位、互聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)，獲得路政執(zhí)法車和執(zhí)法人員的實(shí)時(shí)位置，實(shí)現(xiàn)對(duì)路政執(zhí)法的動(dòng)態(tài)高效管理，參見(jiàn)圖8。遇在各種預(yù)定的案件或突發(fā)案情發(fā)生時(shí)，該系統(tǒng)能夠快速反應(yīng)，在管理端的觸發(fā)提醒，在地圖上精準(zhǔn)定位事件發(fā)生的地點(diǎn)，根據(jù)當(dāng)前執(zhí)法人員和車輛狀態(tài)，提供有參考意義的資源和人員調(diào)度方案，提升路政管理部門的案件應(yīng)急能力。

圖8 車輛巡查軌跡管理

4 結(jié)語(yǔ)

基于全景技術(shù)的高速路產(chǎn)路權(quán)管理平臺(tái)建立在全景、機(jī)器學(xué)習(xí)相關(guān)關(guān)鍵技術(shù)和路政執(zhí)法監(jiān)察相關(guān)核心業(yè)務(wù)知識(shí)的基礎(chǔ)之上，結(jié)合Web-GIS強(qiáng)大數(shù)據(jù)管理和可視化功能，構(gòu)建了一個(gè)移動(dòng)化、智能化的路政執(zhí)法系統(tǒng)。本系統(tǒng)從實(shí)用性出發(fā)，設(shè)計(jì)和構(gòu)建了路政執(zhí)法全景平臺(tái)，探索了一條新的路政執(zhí)法模式。具體如下：

（1）自動(dòng)化構(gòu)建三維實(shí)景體驗(yàn)系統(tǒng)。通過(guò)移動(dòng)設(shè)備完成高速公路的全景數(shù)據(jù)采集工作，自動(dòng)上傳到全景制作發(fā)布平臺(tái)，利用全景引擎自動(dòng)化實(shí)現(xiàn)路產(chǎn)路權(quán)的全景信息化建設(shè)工作。

（2）路面路產(chǎn)路權(quán)信息的自動(dòng)提取。該項(xiàng)目研究使用機(jī)器學(xué)習(xí)的方法對(duì)標(biāo)志牌進(jìn)行識(shí)別，提取標(biāo)志牌的圖形特征并分辨，不僅準(zhǔn)確率高并且大大節(jié)省了人力成本和時(shí)間成本。

（3）基于GIS 的全景空間化技術(shù)。通過(guò)連續(xù)的拍攝實(shí)景三維圖像并記錄位置坐標(biāo)，運(yùn)用二維GIS地圖顯示這些連續(xù)的實(shí)景三維圖像，為用戶提供了豐富的環(huán)境信息、位置信息，實(shí)現(xiàn)路產(chǎn)路權(quán)的高效數(shù)字化和三維化顯示。