基于实景三维GIS数字公路的技术与应用

导读：实景三维GIS是GIS应用发展的必然方向，该技术为公路的信息化管理提供了丰富的数据源和管理基础。移动道路测量作为一种机动灵活、快速高效、精准的可量测实景影像采集与更新技术，为实现数字公路地理信息数据的持续更新提供了技术保障。

一、引言
    在公路，尤其是高速公路传统的日常道路运行中，我们的养护、维护、路政、救援、应急指挥等管控作业流程通常需要通过收集各级管理、养护和现场反馈大量的运行情况，然后看设计文件、统计报表、图纸、照片来了解、分析、决策。然而，由于这些传统的管控作业往往会由于资料量大、不全、不准、难找，十分困难、低效；即便找到了，这些传统的资料对于非专业人员来说，数据枯燥、图形抽象、信息孤立而难以关联，以至严重影响我们的道路运营和养护管理水平，在道路应急救援、抢险的时候这个问题更加突出。
    这样的问题在几条高速公路的运行管理中已经明显的产生了。随着“7918”规划的实施，这几年我们很多省已经形成了几百、上千公里的路网，一些大省更是将形成3千到5千公里的路网，当高速公路形成网络后这个问题必将更加严重。

    一种采用高清数字摄影摄像+陀螺仪+GPS三种技术组合的移动式道路实景信息采集技术，即所谓基于MMS技术的实景三维GIS的应用，必将彻底改变这种状态。

    当我们采用了基于MMS技术的实景三维GIS系统以后，你可以将每一公里道路、每个立交、隧道、桥梁、收费站、服务区、停车区、边坡、涵洞、上跨下穿管线，乃至任何你要关注和管理的构造物、设备都采集到你的路段、路网GIS数据库以后，你不用挪动一步路，你所管控的任何对象分分秒秒之间将以实景视频的方式展示在你的面前！你可能不信，上千公里高速公路要采集这么多的基于GIS的构造物、设备信息，需要多大的数据库支撑？需要多少时间采集？你可能怀疑，如此庞大的GIS数据库，调用某个信息需要多少时间?一个这样的公路网GIS数据库能同时支持多少用户？使用是否方便？本文将在下面的篇章里用数据和案例告诉你。


 二、 GIS技术与公路管理的关系

    截至2009年底，我国建成的高速公路已经达到6.5万公里左右。

公路的一个突出特点是：点多、线长、网状、面广。一个省、一个地区直到一个国家，都会有一个庞大的公路网，这些公路网必然是由许许多多道路、桥涵、隧道、边坡、绿化、立交、收费站、监控站、配电房、服务区、停车区等等各种设施和构造物串联形成的，它们以不同的形态、不同的功能、不同的空间位置但又相互密切相关地、互为依靠地分布在我们广大的地理范围内。在长期的公路运营中，交通拥堵与事故、自然和气象灾害是我们永远要面对困难和矛盾，而这些事件、事故、灾害也同样分布在我们公路网所在的广大的地理范围内。这一切告诉我们，对于公路的运营、养护、管理，必须要掌握和了解与公路设施和构造物密切相关的地理环境，以及现代科技对地理环境进行标识和管理的GIS技术，而在应对各类突发事件中，GIS系统的应用已成为现代化公路管理的重要课题。

    2.1 GIS与高速公路管理具有不可分割的关系

    何谓“GIS”？
    GIS－Geographic Information System
    地理 信息 系统
    ——“基于位置的信息”。

    地球上任何一样物件，只要存在，就一定会有一个它存在的位置，也就会有一个它对应的GIS坐标。

    对于我们管理的高速公路的各种构造物和设施，或称为物件，它也必然会有一个对应的GIS坐标。
    在我们传统的公路管理中，在没有建立GIS数据库的情况下，或者说我们如果脱离了GIS的坐标管理我们的公路时，我们可以看到大量的统计报表、图纸、照片、影像资料。但是，我们无法清晰地、一目了然地看到我们整个路网（这里我们要特别强调形成路网以后）各种构造物和设施的布局，无法看清楚这些构造物、设施之间的地理关系和与地理位置相关的功能关联性。

然而，对公路网各种构造物和设施布局的地理信息的掌握，绝对是路网运营、养护、管理、应急救援管理的重要要素。比如，路网中交通量最大、收费额最小、通行最堵分别在路网的什么位置，它和周边道路结构有何关系、周边的工业、运输、物流、贸易、旅游状态如何、区域的交通量、出行特点、车辆类别有什么特点；又比如，路网中养护频率最高、养护费用最多的路段、构造物分布在什么位置，该区域的道路状态、结构特点、气象条件、交通量、车辆类别如何；再比如，当一个隧道发生火灾时，我们的应急预案必须立即找到离火灾点最近并可用的各种消防资源，如：消防队、灭火器材、抢险队、医疗、救援通道、逃生通道、车辆撤离通道、情报板，等等。以上应用无一可以离开GIS数据库。

    2.2 GIS与公路管理结缘的漫长道路

    其实GIS早在15年前已经在我们的公路勘测、设计、施工、和管理中得到了一些应用。

    由于公路管理的分散性和大空间跨度性，空间地理信息成为链接公路运营管理服务包括收费、通信、监控系统及各业务系统如养护、路政、资产管理系统的信息基础设施，采用各种先进科技、提高公路管理水平，实现公路可视化、信息化综合管理，已经成为公路基础设施养护与建设的紧迫要求。

    多年来，国内外学者陆续将地理信息技术引入到公路信息化管理，在公路建设、路政执法和资产管理方面取得较好的效果。美国联邦公路局将GPS、GIS及多媒体视频等技术应用到公路资产管理，可以迅速的定位查看损坏的公路资产视频，保证了道路的安全性[4]。新西兰ROMDAS集成GPS和Video，用GPS中心线实现了可视化的公路管理[5]。

    但是，在我们国内的具体应用中，由于公路系统内包括运营、路政、养护等多个部门，各个部门有各自的信息系统，彼此之间的数据也是由各自部门维护。因为采用不同的数据格式和交换格式，导致无法整合到统一的地理数据平台上进行统计分析和数据挖掘，不能有效实现业务数据共享，从而使得各个部门之间难以实现高效协同，决策者难以通过统一的数据展示平台及时全面地掌控整体的公路运营状态。

    而早期的GIS应用一般采用传统的二维地图显示方位信息，不能显示详细的环境信息（山体、边坡的形态等），而对于分布在狭长的地表公路，穿越高山峡谷等各种复杂的地理环境，三维的环境构造的信息和数据是十分重要的。一旦雪灾、地震、滑坡、水灾等自然灾害不期而至时，需要通过历史的和实时的环境信息对比为决策指挥提供依据，而这些却正是二维地图数据无法实现的。另外，在二维地图上，所有的公路设施都是以平面投影的符号来表达的，不但不够直观，有时还会导致判读的困难，例如：当一个杆上有几个标志时，就只能以变通方式表示，需要有一定识图经验的人才能读懂。二维地图上，也无法全面表示立面目标之间准确的相对关系，诸如桥梁上的标志或广告牌与桥梁之间的相对关系，电线与路牌之间的相对关系等等。这样就不能通过信息系统对立面设施进行查询、观察和分析。这种状况严重影响了GIS技术在公路领域的应用。

     随着计算机仿真技术、3D动画技术的发展，为了让非GIS专业人员在广大领域更方便的使用GIS技术，计算机仿真技术、3D动画技术开始与GIS技术结合，出现了三维仿真GIS的应用，较好地克服了一般业务、管理人员利用GIS技术的困难。但是，由于利用计算机仿真技术、3D动画技术建立三维GIS数据库的信息采集和制作困难、周期长、成本高，此项应用仍然大面积、多领域推广应用。

    基于MMS技术的实景三维GIS的应用技术正是在这样的背景下应运而生的。这种革命性的GIS应用技术的实现，如同当年由于基于窗口图形的Windowsd操作系统的应用，使得亿万非计算机专业的人们，终于摆脱了基于计算机命令的复杂的DOS操作系统的束缚，非常方便地使用计算机处理他们自己的事务。以至今天无论老人还是小孩只要使用一个鼠标，就可以在计算机荧屏上点一下他选择的某一个图标，就可以做许许多多的事情了。实景三维GIS技术的应用将使各种非GIS专业的业务、管理、领导人员在日常管理中不再唯一地依靠抽象的图纸、枯燥的数据、孤立的图像来分析判断运营、养护、应急救援面临的各种复杂的相关矛盾或冲突，他们可以借助实景三维GIS数据库，快速浏览事件现场的实景GIS视频（通常只需分秒之间），清楚地了解前后左右道路结构状态（包括构造物的实际几何数据）、相邻交通结构之间的功能关系及通行能力；通过监控系统、收费系统掌握实时的交通信息和气象信息，从而可以准确、有效地提出具体的处置决策。有了实景三维GIS的应用技术，我们可以期待，GIS的应用一定会更多、更方便地应用到我们各行各业的工作、管理乃至我们的生活中来。