李偉

摘要：高速公路建設(shè)于我國現(xiàn)代化建設(shè)進(jìn)程意義重大，高速公路的發(fā)展不僅僅是為了滿足社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展需要，也在一定程度上標(biāo)志著是時(shí)代進(jìn)步和人類文明發(fā)展的程度。在交通建設(shè)迅猛發(fā)展的大背景下，高速公路的規(guī)劃和管理越發(fā)重要。然而，目前我國高速公路信息主要流于二維層面，對(duì)交通道路、設(shè)施、車輛等元素的展現(xiàn)尚且停留在二維效果圖的制作上，但是高速公路的許多管理數(shù)據(jù)（諸如路段基礎(chǔ)設(shè)施、機(jī)電設(shè)備、車流量、路況等）之間的關(guān)系都是相對(duì)孤立的。因此，如何完成高速公路的三維建模，并集成其各類信息，從而構(gòu)建出數(shù)字高速公路信息平臺(tái)的整體框架，使之服務(wù)于高速公路乃至交通建設(shè)的規(guī)劃與管理是當(dāng)前高速公路信息化建設(shè)的新目標(biāo)和方向。本文從高速公路監(jiān)控管理的業(yè)務(wù)需要出發(fā)，結(jié)合目前國內(nèi)高速公路機(jī)電系統(tǒng)工程建設(shè)及管理現(xiàn)狀，對(duì)基于三維GIS的監(jiān)控管理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、功能設(shè)計(jì)和數(shù)據(jù)組織等進(jìn)行研究。

關(guān)鍵詞： 高速公路、監(jiān)控系統(tǒng)、三維監(jiān)控、GIS

中圖分類號(hào)： TP391 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2015）06（b）-0000-00

目前國內(nèi)高速公路領(lǐng)域已經(jīng)大量使用了地理信息系統(tǒng)（Geographic Information Systerm，簡稱 GIS）相關(guān)技術(shù)，但基本上都是圍繞傳統(tǒng)的二維GIS地圖定制一些簡單的應(yīng)用，功能上比較單一，對(duì)各類信息、設(shè)備的展示和控制還停留在二維模擬顯示的層面，對(duì)相應(yīng)的空間數(shù)據(jù)沒有進(jìn)行有效的使用。

傳統(tǒng)二維GIS多是在十多年前甚至更早的技術(shù)體系基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)和開發(fā)出來的，這在一定程度上限制了地圖監(jiān)控軟件的進(jìn)一步發(fā)展和應(yīng)用。計(jì)算機(jī)技術(shù)和全球信息技術(shù)的飛速發(fā)展，特別是面向?qū)ο螅∣bject-Oriented）、可視化程序設(shè)計(jì)、組件式軟件（Components Software）、分布式計(jì)算（Distributed Computing）、多媒體（Multimedia）和 Internet/Intranet 等技術(shù)的出現(xiàn)和應(yīng)用，對(duì)GIS應(yīng)用提出了新的技術(shù)要求， 基于地圖的監(jiān)控軟件發(fā)展到一個(gè)全新的階段，這也為我們的監(jiān)控系統(tǒng)的發(fā)展提升提供了一個(gè)新的舞臺(tái)。

在現(xiàn)代計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的重要成果基礎(chǔ)上形成和發(fā)展的三維及虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，已可完成很多以往不能完成的事情。近年來，三維的軟硬件技術(shù)方面發(fā)展極為迅速，其成本不斷降低，顯卡計(jì)算能力甚至出現(xiàn)了富余，顯卡廠商出于利用強(qiáng)大的處理能力為通用計(jì)算發(fā)揮作用的考慮，提出了GPU （Graphic Processor Unit）的實(shí)現(xiàn)。地理信息是用來描述空間，而采用三維方式進(jìn)行描述顯然更為進(jìn)步，因而，引入三維技術(shù)可使地圖監(jiān)控信息技術(shù)的發(fā)展增添強(qiáng)大的活力。目前三維GIS的發(fā)展正處在一個(gè)重要時(shí)期?，F(xiàn)有三維技術(shù)已能較好地解決全球尺度“三維可視化”問題，但隨著應(yīng)用的深入，則要求三維GIS能夠用于管理，即在地理空間內(nèi)置規(guī)律的探索和實(shí)際業(yè)務(wù)系統(tǒng)的決策支持上有用武之地，而這都需要有更深的視角和新的思路以考慮地圖監(jiān)控系統(tǒng)的發(fā)展。

2、業(yè)務(wù)需求

高速公路交通監(jiān)控系統(tǒng)一般采用監(jiān)控中心、外場設(shè)施的結(jié)構(gòu)形式。其中，監(jiān)控計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)包括數(shù)據(jù)管理服務(wù)器、交通控制工作站、打印機(jī)、監(jiān)視器等相關(guān)設(shè)備安裝在監(jiān)控中心；該子系統(tǒng)的外場設(shè)施：微波車輛檢測器、氣象檢測器（能見度檢測）、一氧化碳檢測器、通過率檢測器、風(fēng)速風(fēng)向檢測儀、亮度檢測器、火災(zāi)探測器、消防水池液位檢測器、緊急電話、視頻攝像機(jī)、各種可變信息標(biāo)志等安裝在道路沿線、隧道、服務(wù)區(qū)和收費(fèi)站出、入口等處，共同完成和實(shí)現(xiàn)交通信息采集、控制與誘導(dǎo)、信息發(fā)布、事故預(yù)防等功能。

1、交通信息采集

所謂交通信息一般包括交通數(shù)據(jù)（車速、占有率、車頭時(shí)距等）、收費(fèi)站口擁堵情況、養(yǎng)護(hù)施工信息、突發(fā)事件、道路運(yùn)行狀況、視頻圖像、隧道內(nèi)環(huán)境信息、惡劣氣象及相關(guān)路段和路網(wǎng)信息等方面。

2、 交通信息處理

交通信息處理主要是利用設(shè)置在道路沿線、隧道內(nèi)外、互通立交兩側(cè)及出、入口處的各種類型的信息采集設(shè)備、可變信息標(biāo)志，構(gòu)建數(shù)據(jù)分析、交通控制與誘導(dǎo)體系，用于預(yù)防道路擁阻及疏導(dǎo)交通，給道路使用者和管理者提供各種交通信息，以保證道路安全、暢通。

3、交通信息發(fā)布

采用數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化技術(shù)，以互動(dòng)友好的方式，及時(shí)為道路使用者和管理者提供準(zhǔn)確的道路、路況、沿線交通信息以及風(fēng)情、旅游信息等。系統(tǒng)通過多層次、多渠道、多種發(fā)布設(shè)施，利用監(jiān)控中心計(jì)算機(jī)系統(tǒng)、數(shù)字大屏幕系統(tǒng)及在道路沿線設(shè)置的各類可變信息標(biāo)志、顯示設(shè)備實(shí)現(xiàn)交通、氣象及路網(wǎng)的實(shí)時(shí)更新和發(fā)布。

3、三維監(jiān)控

3.1系統(tǒng)功能

三維交通監(jiān)控地理信息系統(tǒng)綜合了交通信息獲取、分析，進(jìn)而對(duì)道路交通進(jìn)行直接或間接優(yōu)化、控制、指揮的功能。相對(duì)于一般的二維監(jiān)控系統(tǒng)，三維交通監(jiān)控地理信息系統(tǒng)更突出交通地理信息，與交通輔助控制的融合更為深刻，既顯示出以交通地理信息為基礎(chǔ)的地理信息系統(tǒng)的優(yōu)勢，也集中表現(xiàn)出以交通監(jiān)控為基礎(chǔ)的交通控制管理系統(tǒng)的各種功能。各個(gè)子系統(tǒng)既有很強(qiáng)的獨(dú)立性或功能傾向性，又全面互連。系統(tǒng)將平面地圖與三維地圖緊密地結(jié)合起來，實(shí)現(xiàn)平面地圖與三維虛擬場景的同步定位顯示和適時(shí)導(dǎo)航，更加直觀的展現(xiàn)全路段道路監(jiān)控的風(fēng)采。

圖 3.1三維道路及設(shè)施圖

圖 3.2三維隧道及設(shè)施圖

3.2系統(tǒng)特色

三維基本操作：通過對(duì)三維地圖空間的大小操作、垂直旋轉(zhuǎn)，三維場景的升降來幫助實(shí)現(xiàn)用戶瀏覽虛擬道路場景，給用戶以視覺沖擊；通過平面地圖與三維立體空間的切換，可使用戶有全新的視覺體驗(yàn)。

三維飛行瀏覽：通過系統(tǒng)設(shè)置的飛行路線（也可由用戶自定義），使用飛行控制工具進(jìn)行飛行操作，能從不同視角、方位，結(jié)合平面地圖，全方位瀏覽三維道路場景，仿若置身其中，有助于用戶熟悉道路環(huán)境。

三維實(shí)時(shí)導(dǎo)航和三維定位：空間信息查詢、路徑導(dǎo)航優(yōu)化。可在三維圖上實(shí)時(shí)顯示出搜尋結(jié)果，與平面地圖相印證，實(shí)現(xiàn)二者的同步對(duì)應(yīng)；可以路線動(dòng)態(tài)導(dǎo)航形式顯示路徑結(jié)果，二維平面圖與三維空間同時(shí)模擬路徑，適應(yīng)不要需要。

場景氣象仿真：根據(jù)采集到的氣象數(shù)據(jù)，對(duì)場景內(nèi)進(jìn)行粒子仿真，比如雨、霧、冰、雪等氣象環(huán)境的仿真。以及火災(zāi)、維護(hù)、事故事件處理等的三維方式體現(xiàn)。

二三維一體化：系統(tǒng)以二維矢量、二維影像以及三維場景三種表現(xiàn)方式進(jìn)行數(shù)據(jù)的展現(xiàn)，并可以以二三維一體化的形式在三維球體上展現(xiàn)數(shù)字、數(shù)據(jù)以及圖形分析結(jié)果等展現(xiàn)數(shù)據(jù)。

三維地圖指北針自動(dòng)辨別方向：根據(jù)平面地圖和三維地圖的方位適時(shí)準(zhǔn)確的顯示正確的方向，特別是在三維地圖模擬最優(yōu)路徑的行走路線和三維飛行瀏覽時(shí)，能夠準(zhǔn)確的自動(dòng)辨別方位并顯示出來，且保證三維地圖場景始終向前移動(dòng)。

三維道路設(shè)施模擬：通過在三維場景進(jìn)行設(shè)備建模，通過模型的附加屬性感知采集外場數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)設(shè)備在三維場景中的實(shí)時(shí)監(jiān)控，更好地實(shí)現(xiàn)展示與互動(dòng)。

3.3體系結(jié)構(gòu)

三維交通監(jiān)控地理信息系統(tǒng)的建設(shè)依賴于高速公路沿線道路交通、行政區(qū)劃、管理機(jī)構(gòu)、外場設(shè)備、服務(wù)設(shè)施、收費(fèi)設(shè)施、路政設(shè)施、養(yǎng)護(hù)設(shè)施等的屬性和空間信息，此高速公路基礎(chǔ)設(shè)施信息庫及實(shí)時(shí)采集信息，經(jīng)過各業(yè)務(wù)模塊專業(yè)引擎進(jìn)行針對(duì)性的數(shù)據(jù)處理分析，最終可為監(jiān)控、養(yǎng)護(hù)、路政等業(yè)務(wù)部門提供服務(wù)支撐平臺(tái)。高速公路道路使用者和管理者可使用不同的業(yè)務(wù)終端通過統(tǒng)一的接入平臺(tái)訪問交通信息服務(wù)，接入平臺(tái)將根據(jù)不同的用戶類型及使用權(quán)限為各類用戶提供專屬信息，系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)如圖（3-4）所示：

圖 3.3 體系結(jié)構(gòu)圖

4、結(jié)語

通過研究三維GIS交通監(jiān)控系統(tǒng)的技術(shù)應(yīng)用及其與二維監(jiān)控系統(tǒng)的比較可以發(fā)現(xiàn)三維GIS交通監(jiān)控系統(tǒng)能夠增強(qiáng)高速公路交通監(jiān)控系統(tǒng)的用戶體驗(yàn)、提高事故事件監(jiān)視及處理的準(zhǔn)確性、提高應(yīng)急指揮管理的時(shí)效性，最終將能體現(xiàn)更好的社會(huì)效益。

綜上所述，三維GIS監(jiān)控管理系統(tǒng)將成為智能交通系統(tǒng)組成中不可或缺的部分；它是提高高速公路監(jiān)管水平，實(shí)現(xiàn)高速公路行車高效、安全、舒適，提高管理部門工作效率的必要方法。大力推廣并應(yīng)用高速公路三維監(jiān)控系統(tǒng)，對(duì)于改善高速公路的交通狀態(tài)、促進(jìn)附加產(chǎn)業(yè)發(fā)展都有著非凡的意義，不管從經(jīng)濟(jì)層面還是從社會(huì)生活層面都有其必要性。本文主要結(jié)合目前國內(nèi)高速公路監(jiān)控系統(tǒng)的建設(shè)現(xiàn)狀，對(duì)三維GIS在高速公路監(jiān)控系統(tǒng)中的應(yīng)用進(jìn)行了分析研究，供業(yè)界參考。

【參考文獻(xiàn)】

1.陳啟美，金凌，王從俠.高速公路通信收費(fèi)監(jiān)控系統(tǒng)構(gòu)成與進(jìn)展.北京：國防工業(yè)出版社，2006.

2.趙連鈞，基于Skyline 的高速公路3D GIS系統(tǒng)開發(fā)。北京：交通科技，2010