GIS与环境重构技术在高速公路监控应急指挥中的作用

　　随着经济的发展，GIS技术和环境重构技术已广泛地应用于城市规划、土地管理、电力水利等各行业中，在交通行业中的应用更是异军突起。在早先的应急指挥车中，仅采用了二维GIS，传统的二维GIS将一维、二维对象垂直投影到二维平面上，存储它们投影结果的几何形态与相互间的位置关系，单纯的二维地理信息系统不能真实地描述三维客观世界。GIS所表达的地理信息是三维连续分布的，三维GIS能够很好地表达三维的客观世界，应急指挥车在车载集成设备的研究中，考虑了三维GIS技术与环境重构技术集成到应急指挥车中，为高速公路应急救援事件提供有力的技术支撑。环境重构能提供一种真实环境世界，再结合三维GIS技术，为高速公路应急救援提供技术支撑，实现对事故快速、有效、真实的做出判断和处理。三维GIS系统的整体实现采用主题数据库软件存储后台数据，同时应用DSP软件对系统进行二次开发。三维可视技术使车内工作人员能够构建三维信息空间，实现完备的三维GIS可视化。

　　一、高速公路三维GIS地图构建技术研究

　　1、应急指挥车的采集方式

　　在应急指挥车安装采集摄像系统，对现场实景影像和数据进行采集。采集到的数据通过专用软件加工，可生成能满足不同需要的三维空间数据库、专题图及电子地图。

　　2、高速公路实景影像采集和影像库建立

　　采集对象包括：高速公路路边设施、路边构造物、事故现场等实景影像和空间数据。

　　3、建立高速公路设施和空间数据库

　　提取的数据内容包括高速公路现场的空间数据和基本属性信息。通过数据提取软件自动提取，系统对提取的数据进行处理，直接生成交通设施的影像和空间数据库。提取到的设施信息可直接和二维地图数据库连接。

　　4、建立高速公路设施属性数据库

　　通过实景影像提取设施的基本属性信息。充分利用已有的设施属性数据资源。对缺少的属性信息进行收集、补充。建立完成的设施属性数据库，并实现与空间库和影像库的衔接。

　　5、道路精细实景矢量三维电子地图建立

　　（1）利用卫星影像进行现场模型采集；

　　（2）利用卫星影像对现场贴图；

　　（3）利用采集的三维实景影像建立高速公路精细实景矢量三维电子地图，以支持应用需求。

　　6、三维电子地图的更新方式

　　三维矢量电子地图系统，可以对已有模型库进行新增和修改。当现场改变时，可通过对已变化的现场进行实景影像采集和处理，建立三维实景模型，进行三维电子地图的更新。

　　二、现场环境重构技术研究

　　应急指挥车的现场环境重构后，直接把这些信息传递到应急指挥车内，当车辆行驶到新的地点就自动更新地图，然后将更新的所有信息显示在导航屏幕上。

　　研究实时应急场景的真实再现技术，为应急处置现场状况展现、应急预案效果评估提供支持。课题采用三维扫描仪进行图像信息的采集，并启用相关的软件进行现场环境的重构，环境重构的示意图如图1所示。

　　图1环境重构示意图

整个环境重构过程包含了数据采集、点云去噪与补洞、点云匹配和表面重建共4个步骤，如图2所示。

　　图2基于三维激光扫描仪的环境重构操作流程

　　1、数据采集

　　数据采集可以分为4个步骤：在高速公路现场对周边环境、气候状况、人员伤亡情况等进行扫描、拍摄等数据的提取。

　　（1）在事故现场，根据现场实际的情况估计扫描测站应设的站数和位置，一定要确保扫描区域有公共部分，并且减少周边环境的遮挡，同时也应保证扫描距离在扫描仪的有效范围之内。控制点的布设在扫描检测站附近。粗设完毕后，按照扫描测站的情况来进行，要保证每一检测点和至少2个其他检测点通视，且检测点通视区域要尽可能包含所有欲扫描区域。

　　（2）保证布设的检测点精度高，需将控制测量分为平面控制测量及高程控制测量，分别进行测量与平差计算，以获得高精度的检测点，并为后续点的配准提供保证。

　　（3）根据扫描的顺序，按照一定的方式进行编号，可以从左向右还可以从右向左。

　　（4）扫描的分辨率要做到1／10，同时为了能够的扫描。

　　2、点云去噪及补洞

　　事故现场采集到的数据质量较差，含有较大的噪声，针对现有的散乱点云或者网格模型数据运用双边滤波或者小波等方法对其进行滤波去噪。点云的补洞利用DSP软件进行。生成网格模型后，DSP软件能够自动识别模型的孔洞，运用手工的方法对其进行补充。

　　3、点云匹配

　　点云去噪和补洞之后，即可开始匹配。点云匹配就是将不同时间、不同传感器或不同条件下获取的两点或多点进行匹配、叠加的过程，它已经被广泛地应用于公路、遥控、化工等领域。匹配技术的流程如下：第一，选取特征点，获取特征值；第二，获取空间坐标变换参数；第三，根据坐标转换参数进行全图点云匹配。寻求具有良好不变性和准确性的特征提取方法，对于匹配精度至关重要。

　　4、表面重建

　　点云的表面重建可以根据点云数据生成准确的三维模型。由于点云本身的离散性．会导致模型有一定的缺陷，需要在三维模型生成之前。根据不同空间维度的二维模型进行修正，之后合并生成应急处置区域的数字三维模型。

　　公路模型质量除了受到点云匹配精度的整体影响外，还受到点云密度的细节影响。而且由于激光扫描设备动态中无法保持与地面的法向关系，为了提高测量的准确性，将扫描面网格化，扫描每个网格化后的空间片的中心到设备的距离以及到采样点的间隔进行分块，从而集成获取点云数据。

　　三、应急指挥车基于新技术的仿真应急演练模块设计

　　仿真演练系统模块分为4部分功能，包括：场景设计、验证、模拟、后评估。场景设计主要是应急流程的图形化设计公路的各种突发事件如灾害、交通事故及人为破坏的应急救援、应急指挥、应急调度等进行事件场景的设计及图形化实现。主要设计要素包括：（1）事件现场交通运行情况；（2）应急救援系统；（3）现场发布系统；（4）应急资源等供应系统。编辑完后通过解析方法将规定的格式实例化。

　　验证主要是验证应急预案流程的可行性，验证所建立的预案流程是否按照规定的建模要求建立，通过验证后满足应急预案的要求，则进行下一步的模拟工作。如果存在错误则需要进一步修改，直到符合应急预案要求后方可进行模拟工作。

　　模拟模块是系统的核心部分，其目标是不断改善面向问题、面向用户的模块描述能力和对模型实验的功能。在不同程度的仿真表达不同问题的习惯语言，方便地与计算机对话，完成建模或仿真试验。仿真的过程包括建立仿真模型和进行仿真试验2个主要步骤。

　　后评估模块是对仿真结束后的进一步分析，应急指挥车内技术人员可以基于三维GIS和环境重构技术，形象直观地进行操作对预案进行修改完善，最终生成事件的应急处置方案。

　　四、三维GIS与环境重构技术在应急指挥车中的应用

　　基于环境重构技术快速数字化事件现场；结合三维GIS系统和应急处置预案系统，实现紧急事件应急处置方案的快速建模、仿真分析，为现场决策提供重要支撑。事件现场数字化重构系统通过多台视频摄像机采集应急指挥现场环境图像，应用3层结构的动态数字地图模型作为环境感知和重构的基础，将应急场景的真实再现，为应急处置现场状况展现、应急预案效果评估提供支持。

　　按照如上功能要求，建立应急指挥车重构系统架构平台，见图3。

图3重构系统平台整体架构图

　　结合三维CIS技术和环境重构技术进行仿真分析，同时进行紧急事件应急处置预案的快速建模，基于三维GIS对拟定的方案进行仿真分析，检验方案效果，进行预案的完善，运用计算机仿真和虚拟现实技术，将特定事件处置现场在数字平台上进行虚拟显示，从而达到检验处置效果、优化处置方案的目的，最终生成事件的应急处置决策。

　　应急预案流程仿真系统侧重于流程的流转和展示，意在让操作者能看到预案流程的整个过程以及每一个细节，重在对已经建立的应急预案流程进行展示和评估。基于上述技术的应急指挥车的功能

　　如图4所示。

　　图4系统的总体架构图

基于环境重构与三维GIS的应急指挥车在二维GIS的基础上，增加了实景三维影像以及环境重构模拟功能。在高速公路应急事件现场中，通过采集系统将现场图像进行采集，并通过车内系统平台对图像进行处理、仿真构建成一个接近于真实现场的模型，在车内显示系统中显示出来，在应急事件现场，应急指挥车车内工作人员可以通过视频通信终端设备，将事故现场的最新图像及时传递到指挥中心，提供给高层专家、领导，使之迅速做出决策方案，有效地支持了管理和决策等高级应用。（