一种公路运输投送信息化道路勘察设备的研究

0 引 言

远程机动能力是部队完成多样化军事任务的重要保证，在陌生区域组织长距离摩托化机动或运输保障，道路勘察是指挥员获取道路信息的重要途径。通过道路勘察获得机动或运输保障路线路面质量、车道数、道路宽度、坡度、弯度、桥梁载荷、隧道与涵洞净空高度、收费站净空高度、路障、道路交通状况及道路周边环境等方面有效情报是指挥机关正确下定决心、科学制定公路运输投送方案的重要因素。传统的部队道路勘察缺乏有效技术手段，多数通过自制的简易装置依靠经验测量或人工测量的方式进行，难以适应部队快速机动能力的建设需要，为此我们研制了一种公路运输投送信息化勘察设备—道路勘察箱，以提高部队运输投送道路勘察效率。

1 国内外研究现状

1.1 美国现状

目前国外已研制出多种民用道路数据采集系统用于数据采集和道路路面的图象处理，如美国的 LT-21001 多功能道路检测车，可采集高清数字图像和曲率数据，GPS 经度纬度数据可用于与 GIS 系统映射。采集的道路路况数据包括平整度、车辙、缺陷断层、纹理以及裂缝和补坑等，被用于路面管理。

1.2 国内现状

国内民用道路移动测量技术近年来发展迅速，武汉大学测绘与遥感重点实验室与立得空间信息技术有限公司共同研发的移动道路测量系统可实现对道路及两旁地物的空间数据以及实景图片的快速采集。系统集成 GPS 全球定位、惯性导航、CCD 测量等技术，数据通过专用软件加工可生成能满足不同需要的数据库及电子地图。目前国内研究的基于北斗和惯导结合的航姿系统已有实验产品能满足较长涵洞、隧道中的坡度、弯度测量等要求。

军队方面，目前部队尚无用于道路勘察的专用设备，道路勘察费时、费力，信息无法共享。通过研制道路勘察箱来提高部队道路勘察的勘察效率。结合军用 CDMA、后勤一体化指挥平台、军交运输动态监控系统实现道路勘察数据处理共享。各勘察点的测量数据、照片与 GIS 相应的坐标点关联，为指挥机关决策提供详细道路信息及相关影像数据。装备预计编配师以上军交运输部门。

2 工作原理

道路勘察箱主要采用双目近景摄影测量法，利用卫星定位设备、惯导设备、CCD 相机等设备快速采集道路立体影像对，依据近景三角测量原理在影像上进行相对几何尺寸测量，同时由惯导设备输出俯仰坡度和曲度。通过同步触发器关联位置信息、测量数据以及视频数据等。

双目测量模块的两个摄像头参数（ 摄像头的焦距 f）相同且光心平行放于一条直线上，构成平行双目立体摄影测量系统，该系统在行驶过程中拍摄沿线数字影像，通过影像解析来计算影像上可见的所有关注对象的空间大地坐标，摄影测量通过光线交会实现目标定位，原理如图 1 所示。

当两个摄像机同时拍摄图像时，可以获取同一场景的两幅不同的图像，通过三角测量原理计算图像像素间的位置偏差，复原三维世界坐标中的深度信息。CCD 摄像机的焦距为f，b 为两摄像机的中心距离，P1（x1，y1）和 P2（x2，y2）为目标点在两成像平面内的成像点坐标。取两摄像机镜头中心连线 O1O2 向右为 Z 轴正方向，连线中点 O 为世界坐标系的原点，垂直于 X 轴所在水平面向下为 Y 轴正方向，Z 轴正方向为垂直于 X 轴所在平面离开摄像机指向目标点 P 的方向。根据三角测量原理，目标点的世界坐标为 P（X，Y，Z），视差定义为 d=|P1-P2|。由相似三角形关系可得 ：

可依据光心位置 O1 和成像位置计算被测点参数。通过数字摄影测量技术解算目标点的三维空间位置。通过三角测量原理获取图像上任何一点的坐标信息，或测量道路路面的几何参数、道路要素几何参数等。

定位定姿模块采集北斗、惯导等传感器数据，并经同步控制器处理为摄影平台提供具体坐标位置和朝向信息。影像模块采集数字影像，结合定位定姿模块输出的位置和方向进行数据加工和整合，为 GIS 系统提供具体的数据库产品。这些数据包括影像数据、视频数据、定位定姿数据，均能够被及时加工，生成所需的专题数据，实现道路信息图形图像可视化管理。系统工作原理如图 2 所示。

3 道路勘察箱技术实现

3.1 系统组成

道路勘察系统主要由承载分系统、定位分系统、成像分系统、数据传输分系统、控制分系统、后处理分系统以及应用分系统等组成。系统组成如图 3 所示。

（1）主要硬件设备构成

道路勘察系统将 BD2/GPS 定位设备、惯性导航设备、立体相机、摄像头、同步触发器、工控电脑等综合集成，能随车运输、易于安装，具有集成度高、采集效率高等优点。道路勘察主要设备如图 4 所示，道路勘察箱如图 5 所示。

（2）系统软件构成

道路勘察箱软件主要由信息采集模块、数据处理模块和道路勘察信息管理模块组成。信息采集模块利用道路勘察设备采集道路的影像信息、坡度、斜度、弯度、涵洞净空高、经纬度等信息。将采集的影像数据、视频数据、地理位置数据实时存储在软件规定的路径中 ；数据处理模块主要利用立体几何图算法确定道路的几何参数，并利用时间同步控制功能将道路信息与道路经纬度相关联。解析读取文件数据、影像数据后显示 BD 坐标、角度、距离等数据，计算用户测得的长度、宽度、高度等结果 ；道路勘察信息管理模块对数据处理过的道路勘察信息进行管理，包括勘察任务信息管理、视频信息管理、图像信息管理、测量信息管理等。道路勘察信息管理软件数据流程如图 6 所示。

3.2 系统工作流程

系统作业框图如图 7 所示。使用车载采集系统采集BD2/GPS，IMU，CCD 影像等原始数据 ；集成定位定姿处理时，使用系统配备的组合定位定姿处理软件进行系统轨迹和姿态处理 ；地理参考处理时，使用标配的地理参考处理软件将 CCD 影像、视频等数据通过时间同步数据与定位定姿结果进行关联 ；立体测图处理时通过近景摄影测量技术，基于地理参考的实景影像进行测量、建库处理，输出用户需要的成果数据，并发送到综合数据库存储，业务系统根据需要从综合数据库查询数据。

4 结 语

道路勘察箱综合运用近景测量技术、图形图像处理技术、定位导航技术、光机电技术、数据库技术以及计算机测控技术对道路通过能力进行快速检测和记录。将北斗导航设备、惯导设备、CCD 相机对、视频采集设备、同步触发器、工业单板控制机、网路设备、电源等集成，具有结构简单、携带方便、人工干预少、结果客观、性价比高等特点。该设备在东部战区陆军某旅进行了试用，结果表明，道路勘查箱可实现对道路数据的快速采集和处理，实现道路勘察数据的处理共享，为指挥机关决策提供详细道路信息及相关影像资料数据，提高道路勘察的信息化程度。