基于實景三維建模的道路交通事故現(xiàn)場勘查思路探析

鄭金子 楊奇 劉君

摘 要：傳統(tǒng)單純依靠人工測量的道路交通事故現(xiàn)場勘查方法存在耗時長、復勘難等弊端，為有效提升事故現(xiàn)場勘查工作的效率和科學性，公安部于2018年發(fā)布了行業(yè)標準《基于多旋翼無人駕駛航空器的道路交通事故現(xiàn)場勘查系統(tǒng)》（GA/ T 1382-2018），對基于多旋翼無人駕駛航空器的道路交通事故現(xiàn)場勘查系統(tǒng)的組成、技術要求、試驗方法和檢驗規(guī)則等做了規(guī)定。該技術一定程度上提升了事故現(xiàn)場勘查制圖的效率，但是由于二維圖像存在畸變誤差、僅可記錄單一視角信息等局限性，基于二維圖像的勘查技術仍無法完美解決事故現(xiàn)場勘查問題。對此，論文分析了智能交通、智慧城市、應急管理等領域應用實景三維建模的經(jīng)驗做法，探索了基于實景三維模型開展道路交通事故現(xiàn)場勘查的新思路。

關鍵詞：道路交通事故；現(xiàn)場勘查；實景三維模型；無人機

道路交通事故現(xiàn)場勘查是指公安機關交通管理部門在接到交通事故報案到達事故現(xiàn)場后，對現(xiàn)場進行拍攝、收集證據(jù)的過程，具體包括拍攝現(xiàn)場照片、繪制現(xiàn)場圖、提取痕跡與物證、制作現(xiàn)場勘查筆錄等工作內容。道路交通事故現(xiàn)場勘查手段和技術經(jīng)歷了從傳統(tǒng)單純依靠人工勘查到綜合近景攝影勘查，再到無人機航拍圖像勘查的技術演進。經(jīng)過長期的探索和實踐，道路交通事故現(xiàn)場勘查效率和科學性得到了很大程度的提升，但仍無法完美實現(xiàn)快速、準確、全面的勘查要求，如人工測量容易引入人為誤差，耗時較長容易誘發(fā)二次交通事故，現(xiàn)場清除恢復交通后復勘困難，容易存在信息遺漏；基于二維圖像的攝影測量由于畸變特性導致誤差較大，且難以對事故現(xiàn)場進行全方位、多角度的完整展現(xiàn)。對此，本文從道路交通事故現(xiàn)場勘查工作的實際需求出發(fā)，通過對基于傾斜攝影的實景三維建模技術原理和特性的分析，對基于實景三維建模技術進行道路交通事故現(xiàn)場勘查的技術思路進行了探索研究。

1 事故現(xiàn)場勘查技術演進

為有效提升傳統(tǒng)人工勘查方法的效率和準確性，國內外相繼探索基于攝影測量技術開展交通事故現(xiàn)場勘查的途徑。瑞典和德國自40年代起，率先采用了攝影測量的方法處理交通事故。日本于1967年推出第一輛利用攝影測量方法勘查交通事故現(xiàn)場的專用警車，并于幾年后在日本推廣使用。新加坡于1989年提出了利用非量測相機進行事故現(xiàn)場測量的方法。80年代，以透視原理為基礎的利用攝影圖像確定制動拖痕長度、車輛停止位置和其他痕跡位置的技術被提出，在此基礎上，可用于交通事故現(xiàn)場攝影測量的一些專用軟件陸續(xù)問世，如TRANS4、FOTOGRAM、PC-RECT等，其中，以PC-RECT為主要模塊的奧地利軟件PC-CRASH是世界范圍內應用最為廣泛的交通事故再現(xiàn)分析軟件，在事故現(xiàn)場勘查和車輛勘驗獲得的數(shù)據(jù)信息基礎上，可實現(xiàn)事故發(fā)生過程的仿真和重建[1-4]。該階段的事故現(xiàn)場勘查技術主要完成二維攝影測量，與傳統(tǒng)人工測量相比，方法簡單、信息易于保存，但是其勘測精度受攝影角度、攝影位置的影響較大。

我國從90年代開始研究近景攝影測量技術在事故再現(xiàn)領域的應用，相關成果雖可獲取交通事故現(xiàn)場勘查的主要內容，但由于實際操作中存在諸多不便，無法便捷、高效地取得事故現(xiàn)場全局影像，該階段更多側重于理論研究，相關成果并未得到普遍應用。隨著低空無人機特別是消費級無人機的迅猛發(fā)展，因其可完整、快速、準確地獲取事故現(xiàn)場影像，便于日后事故分析查證等優(yōu)勢，基于無人機航拍的道路交通事故現(xiàn)場勘查正在得到越來越多的關注。公安部于2018年發(fā)布了行業(yè)標準《基于多旋翼無人駕駛航空器的道路交通事故現(xiàn)場勘查系統(tǒng)》（GA/T1382-2018）[5]，通過無人機航拍獲取事故發(fā)生位置、航拍影像圖、事故現(xiàn)場圖等現(xiàn)場勘查數(shù)據(jù)，并由計算機輔助開展事故現(xiàn)場測量、事故現(xiàn)場記錄圖和事故現(xiàn)場比例圖繪制等勘查工作。此技術有效提升了事故現(xiàn)場勘查制圖的效率，且無人機航拍的實景照片可以記錄事故現(xiàn)場周邊環(huán)境、事故形態(tài)以及車輛、人員、物體、痕跡等位置和相互關系，但是由于二維圖像的畸變特性，導致基于航拍照片的事故現(xiàn)場測量存在較大的測量誤差，且越靠近照片邊緣誤差越大。

綜上，運用攝影測量技術進行道路交通事故現(xiàn)場勘查的探索一定程度上提高了工作效率和科學性，但是現(xiàn)有的基于二維圖像的勘查技術在測量精確性方面仍需提升，且無法完整記錄事故現(xiàn)場情況，對于復雜現(xiàn)場信息遺漏和勘誤問題仍無法有效解決。對此，基于無人機航拍圖像的實景三維建模技術提供了新的解決思路，且已在部分行業(yè)領域得到了較好的應用。

2 實景三維建模技術現(xiàn)狀

2.1 基于無人機傾斜攝影測量的實景三維建模技術

精細化三維模型可準確記錄現(xiàn)場全要素信息，可被用于數(shù)據(jù)分析、管理和信息化等多種用途，在不同行業(yè)也得到日益廣泛的應用。傳統(tǒng)航空攝影測量和衛(wèi)星遙感手段主要針對地物場景的頂部進行模型重建，而對側面信息的三維重建一直缺少有效的解決手段，且傳統(tǒng)方式還存在周期長、成本高等缺點，限制了數(shù)字攝影測量技術在精細化三維建模方面中的應用[6]。隨著無人機技術、攝影測量、計算機視覺、云計算等核心技術的發(fā)展，傾斜攝影測量技術的出現(xiàn)較好地解決了這一難題。

無人機傾斜攝影技術即通過無人機搭載傳感器設備，從不同角度對地物進行數(shù)據(jù)采集，可以準確、快速地采集地物場景的頂部及側面的高分辨率紋理信息，然后通過后期空中三角測量、密集點云生成、三維網(wǎng)格構建以及紋理映射等技術，能夠生成真實的精細三維模型。無人機傾斜攝影技術具有以下優(yōu)勢：1）無人機具有高度的靈活性和機動性，更加容易獲取不可達區(qū)域的高分辨率影像數(shù)據(jù)；2）無人機操作方便，通過簡單培訓，僅使用飛控軟件即可完成無人機各種操作；3）與激光攝影測量相比，無人機攝影測量的數(shù)據(jù)采集成本相對較低；4）隨著計算機硬件的發(fā)展以及傾斜攝影測量技術中相關算法的成熟，全自動化的三維建模技術逐步完善，從而可以大大減少數(shù)據(jù)處理成本。綜上，無人機傾斜攝影測量技術可以高效率、低成本地自動生成高精度、高逼真度的實景三維模型，因此，被廣泛應用于智能交通、智慧城市、應急管理等領域。

2.2 實景三維建模技術應用現(xiàn)狀

2.2.1智能交通領域

在智能網(wǎng)聯(lián)汽車方面，安全性和成熟度的提升需要大量測試，而實地測試存在著測試成本高、測試牌照和測試道路限制嚴格等困難，以實景三維模型為基礎的數(shù)字孿生車聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)為此提供了解決思路。通過將自動駕駛車輛映射到三維孿生場景，可實現(xiàn)車輛路線跟蹤和實時監(jiān)控，從路網(wǎng)視角、街道視角、車輛視角等多維度進行交通信息瀏覽，并可實現(xiàn)車輛路線與交通分布的智能匹配，如圖1所示。在智能監(jiān)控方面，傳統(tǒng)視頻監(jiān)控存在畫面獨立看不全、視角分散不直觀、畫面位置不明確等弊端，實景三維為此提供了時空信息的承載底座和關聯(lián)紐帶，通過視頻傳感器與實景三維場景智能融合，結合車輛特征自動識別、車輛軌跡自動提取等技術，可真正實現(xiàn)基于“上帝視角”的交通狀態(tài)智能監(jiān)控，如圖2所示。

2.2.2智慧城市領域

實景三維模型為智慧城市建設提供了數(shù)字空間底座，通過注入城市動態(tài)多源大數(shù)據(jù)，可實現(xiàn)城市級、部件級實景三維瀏覽，進而開展城市精細管控、自然資源管理、新冠疫情防控等多方面應用。在城市精細管理方面，以數(shù)字空間底座為基礎，融合用房屋編碼、統(tǒng)一地址和電子地圖等信息構建基于實景三維的統(tǒng)一空間索引，打造融合人口、法人、房屋、事件、通信等社會治理要素的智能底板，在此基礎上，融合城市動態(tài)數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)等多源大數(shù)據(jù)，構建實景孿生城市，為開展精細化城市管理提供基礎支撐，如圖3所示。在城市變化監(jiān)測方面，針對城市化進程快速、地圖更新需求頻繁的現(xiàn)狀，通過實景三維技術對城市街區(qū)、建筑物變化等進行監(jiān)測，記錄城市發(fā)展變遷軌跡，為城市規(guī)劃、違法建筑物檢測等業(yè)務提供輔助支持，如圖4所示。

2.2.3應急管理領域

由于我國地域遼闊、人口眾多，應急管理工作存在著多部門協(xié)調難度大、數(shù)據(jù)整合與自動化程度低、現(xiàn)場信息表達不直觀等現(xiàn)實問題，導致應急處置和救援活動具有較大的盲目性，通常依靠經(jīng)驗和直覺來進行。通過對事件突發(fā)區(qū)域的快速三維重建，并接入GPS、攝像頭、傳感器等設備數(shù)據(jù)，可實現(xiàn)視域分析、應急路線規(guī)劃等三維可視化應急指揮決策，已經(jīng)在地質災害防治、城市防汛和治安管理等復雜多樣的應急場景中發(fā)揮了作用。在地質災害防治方面，以實景三維場景和物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)為基礎，能夠及時還原災害現(xiàn)場并準確評估災害影響，從而可輔助開展地質災害實景排查、環(huán)境模擬、應急過程與應急能力評估。在城市防汛方面，基于實景三維平臺對城市區(qū)域防汛安全狀態(tài)進行監(jiān)測預警，掌握全區(qū)域水文狀態(tài)，在救援過程中可為多部門快速協(xié)同會商、科學疏散人員和調配救援資源等提供輔助決策，如圖5所示。在治安管理方面，基于實景三維電子警務平臺，對于區(qū)域潛在事件風險進行動態(tài)推演與規(guī)劃，并合理分配安保力量與警用裝備，通過應急預案演練與模擬決策結果科學制定安保措施，如圖6所示。

3基于實景三維建模的事故現(xiàn)場勘查啟示

基于無人機傾斜攝影的實景三維建模技術發(fā)展為道路交通事故現(xiàn)場勘查提供了如下技術思路和應用啟示。

3.1構建事故現(xiàn)場實景三維模型 實現(xiàn)事故勘查復現(xiàn)化

實景三維是傾斜攝影測量、激光掃描、大數(shù)據(jù)、云計算等新技術催生的新型空間數(shù)據(jù)表達形式，與二維圖像相比，可提供全要素、全角度、全尺度的三維模型，具有強大的展示效果，基于采集數(shù)據(jù)的DOM（數(shù)字正射影像圖）避免了二維圖像的畸變誤差，可保證俯視圖的測量精度；與仿真三維模型相比，通過一個垂直視角和多個傾斜視角同步采集影像，可獲取場景物體頂面和側面的高分辨率紋理，因而可真實反映事故現(xiàn)場情況、還原完整現(xiàn)場。綜上，基于實景三維模型的道路交通事故現(xiàn)場勘查可深化無人機在事故現(xiàn)場勘查領域的“可見”能力，不僅可保證不同角度、不同位置物證的勘測精度，也可實現(xiàn)事故現(xiàn)場多視角、多尺度的細致觀察，便于交通恢復后基于模型進行復勘，修正數(shù)據(jù)勘誤，查找遺漏信息，有效解決了人工勘查“不快、不全”和二維圖像勘查“不準、不全”的問題。

3.2構建無人機航拍標準化規(guī)程 實現(xiàn)操作流程腳本化

基于無人機航拍圖像的實景三維建模對于無人機操作技巧具有較高的要求，特別是道路交通事故現(xiàn)場具有地質形態(tài)多樣、現(xiàn)場規(guī)模不定、痕跡存留短暫等特點，若要在各種地形環(huán)境下、針對各類事故現(xiàn)場都可快速、準確、完整地通過無人機采集事故現(xiàn)場圖像，更需要規(guī)范化、腳本化的操作規(guī)程作指導。基于無人機航拍的實景三維建模技術已較為成熟，并在上述相關領域也已得到較好的應用，但是面向道路交通事故現(xiàn)場重建的模型構建技術尚需探索，其中，航拍圖像的分辨率、重疊度、特征點數(shù)量、紋理質量等指標對于實景三維模型的質量至關重要。綜上，面向不同類型事故場景的無人機航拍標準化操作規(guī)范可提升無人機在道路交通事故現(xiàn)場勘查領域的“可用”能力，可實現(xiàn)操作流程腳本化和操作經(jīng)驗可復制、可遷移。

3.3探索三維模型信息提取技術 實現(xiàn)事故現(xiàn)場數(shù)字化

基于無人機傾斜攝影的三維模型是由一系列不規(guī)則的三角形連接而成，因而模型無法區(qū)分其中的各個物體，此類模型主要用于可視化展示，仍需人工在模型上手動測量。為進一步提升基于實景三維模型的事故現(xiàn)場勘查效率，探索研究事故現(xiàn)場實景三維模型的信息自動提取技術，通過對三維模型中對象實體的外輪廓提取，對建筑、樹木、車輛、物證等實體進行單獨表達和屬性附加，將以往“從數(shù)據(jù)到數(shù)據(jù)”的簡單三維模型升級為“從數(shù)據(jù)到數(shù)據(jù)和內容”的可感知三維模型，擴展模型的“可知”能力，在快速、準確、結構化提取關鍵物證信息的基礎上，也可輔助調查人員開展道路要素合規(guī)性研判等深度調查分析。

4 結束語

道路交通事故現(xiàn)場勘查工作是事故成因分析和事故責任認定的基礎，特別對于大型交通事故，快速、準確、全面的事故現(xiàn)場勘查對于開展事故深度調查，進而殲滅相關安全隱患具有十分重要的意義。論文通過調研基于無人機傾斜攝影的實景三維建模技術在智能交通、智慧城市、應急管理等領域的應用經(jīng)驗，從實際應用需求出發(fā)探索了基于實景三維模型開展事故現(xiàn)場勘查的技術思路，希望通過相關先進技術的賦能應用，提升我國道路交通事故現(xiàn)場勘查工作的科學性、準確性和高效性。

參考文獻

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基于無人機航拍三維建模的交通事故現(xiàn)場勘測系統(tǒng)設計

無人機航拍三維建模的交通事故現(xiàn)場勘測系統(tǒng)結構

無人機航拍三維建模的交通事故現(xiàn)場勘測系統(tǒng)由交通事故勘專用無人機、現(xiàn)場勘測數(shù)據(jù)采集與處理終端、現(xiàn)場勘測成果輸出與執(zhí)法終端、交通事故管理中心端四大系統(tǒng)構成。

無人機航拍三維建模的交通事故現(xiàn)場勘測系統(tǒng)功能

無人機航拍三維建模的交通事故現(xiàn)場勘測系統(tǒng)的主要功能包括：

一、無人機航功能：需要由專業(yè)人員對無人機進行操控，在指定地點航拍所需要的用于三維建模的交通事故現(xiàn)場勘測所需要的各類資料。

二、三維建模功能：能導入無人機航拍影像，進行三維建模操作，完成定地點區(qū)域交通事故現(xiàn)場勘測對象的三維建模任務。

三、交通事故勘測功能：能按照公安部相關規(guī)范和標準的要求，在三維模型上進行交通事故現(xiàn)場勘測，聲稱符號標準的成果用于交通事故處理。

四、交通事故勘測成果輸出功能：可以現(xiàn)場完成交通事故現(xiàn)場勘測成果的輸出打印、查詢等功能。

五、交通事故資料上傳：能將交通事故現(xiàn)場勘測資料數(shù)據(jù)上傳到交通事故管理中心端，為中心端基本于大數(shù)據(jù)的交通事故分析、管理、處置等提供依據(jù)。