（计算机应用技术专业论文）基于多传感器数据融合的路面三维重构.pdf

摘要 随着我国公路建设的发展，公路养护维修的多种任务也伴随而来，尤其是我国修建 的一些高等级公路已进入中修或大修期。当前的三维检测技术已基本满足路面管理系 统、智能交通系统( i t s ) 和日益完善的路面评价技术的需要，但落后的路面重构技术 却无法将大量的检测数据应用到道路的养护维修中。目前，路面重构技术正向多传感器 信息融合的方向发展。研究最新的数字路面重构技术不但可以满足我国日益繁重的路面 养护维修的需要，而且对于提高我国的路面评价水平和i t s 技术的发展也有着重要的意 义。 路面是一个三维实体，通过将路面三维实体映射到由路面里程、横断面和路面相对 高程组成的三维路面坐标系中，可以将路面的三维重构简化为横断面重构、纵断面重构 和高程重构。依据路面重构技术提出了路面的三层重构模型：纹理层，断面层和g p s 层。由于每个层次具有不同的精度，反映不同的道路信息，因此为了还原真实路型，需 要融合g p s 信息( 经纬度信息和高程信息) ；为了获取路面信息( 车辙、平整度等) ， 需要融合断面信息；为了得到路面细节( 纹理，裂缝等) ，需要融合纹理信息。本文通 过多信息融合实现了路面的可视化全频重构。 通过对数字路面重构的准确性和完整性的研究，提出了g p s 与惯导融合的连续定 位和精密定位技术。通过对g p s 误差的分析，得出引起误差最严重的因素是信号中断。 本文利用惯性导航系统的特性，实现了在g p s 信号中断时对道路的定位，保证了数据 采集的完整性以及重构路面的完整性、连续性。传统的里程定位是通过光电编码器测距 仪实现的，此方法在直道上精度很高。然而实际道路中弯道也占了很大一部分，由于内 外道里程的差距，使得光电编码器测距仪在长距离定位中累积误差，定位精度越来越低。 本文利用g p s 和陀螺仪的辅助，解决了误差累积的问题，提高了里程定位的精度。 传统的路面三维重构大多数仅反映了路面的部分信息，很难建立出立体直观的三维 路面模型。真正的路面包括纹理、平整度、车辙、路型、高程、里程等信息。本文基于 0 p e n g l 生成了可视化的三维数字路面，为道路的养护维修提供了有效的参考。 关键词：三维路面，道路里程定位，o p e n g l ，g p s a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fh i g h w a yc o n s t r u c t i o n ，r o a dm a i n t e n a n c ei sa l s oa c c o m p a n i e d b yav a r i e t yo ft a s k s ，i np a r t i c u l a r , s o m eh i g h w a y sh a v ee n t e r e dap e r i o do fr e p a i ro ro v e r h a u l t h et h r e e d i m e n s i o n a lm e a s u r e m e n tt e c h n o l o g yh a sb a s i c a l l ym e tt h er e q u i r e m e n t so f p a v e m e n tm a n a g e m e n ts y s t e m ，i n t e l l i g e n tt r a n s p o r t a t i o ns y s t e m ( i t s ) a n di n c r e a s i n g l y s o p h i s t i c a t e dp a v e m e n te v a l u a t i o n b u t , a st h eb a c k w a r dr o a dr e c o n s t r u c t i o n ，al a r g en u m b e r o fd e t e c t i o nd a t ac a nn o tb ea p p l i e dt ot h er o a d sm a i n t e n a n c ea n dr e p a i r a tp r e s e n t ，p a v e m e n t r e c o n s t r u c t i o ni sd e v e l o p i n gt om u l t i s e n s o ri n f o r m a t i o nf u s i o ns t a g e w er e s e a r c ho nt h e l a t e s td i g i t a lp a v e m e n tr e c o n s t r u c t i o nt e c h n o l o g y ，i tn o to n l yc a nm e e t0 1 1 1 7i n c r e a s i n gn e e d s f o rr o a dm a i n t e n a n c ea n dr e p a i r , b u ta l s oh a sg r e a ts i g n i f i c a n c et oi m p r o v i n gr o a da s s e s s m e n t l e v e la n dp r o m o t i n gt h ed e v e l o p m e n to fi t st e c h n o l o g y p a v e m e n ti sat h r e e d i m e n s i o n a lb o d y ，u n d e rt h et h r e e d i m e n s i o n a lr o a dc o o r d i n a t e s y s t e mw i t ht h ep r o f i l i n gb ex - a x i s ，c r o s s s e c t i o n a lb ey - a x i sa n dt h er e l a t i v eh e i g h tb ez - a x i s ， t h et h r e e - d i m e n s i o n a lr e c o n s t r u c t i o no fr o a dc a nb es i m p l i f i e dt ot h ec r o s s - s e c t i o n a l r e c o n s t r u c t i o n ，v e r t i c a ls e c t i o nr e c o n s t r u c t i o na n dh e i g h tr e c o n s t r u c t i o n b a s e do nt h e r e c o n s t r u c t i o nt e c h n o l o g y , t h et h r e el a y e r sr e c o n s t r u c t i o nm o d e li n c l u d i n gt e x t u r el a y e r , s e c t i o nl a y e ra n dg p sl a y e ri si n t r o d u c e d e a c hl a y e rh a st h ed i f f e r e n ta c c u r a c ya n dr e f l e c t s t h ed i f f e r e n tr o a di n f o r m a t i o n ，s ot h er o a dn e e d st oi n t e g r a t eg p si n f o r m a t i o n ( 1 a t i t u d e ， l o n g i t u d ea n da l t i t u d e ) i no r d e rt or e s t o r et h et r u er o a d ，i n t e g r a t et h es e c t i o ni n f o r m a t i o nt o o b t a i nt h ep a v e m e n ti n f o r m a t i o n ( r u t ，r o u g h n e s s ，e t c ) a n di n t e g r a t et h et e x t u r ei n f o r m a t i o nt o g e tt h er o a dd e t a i l s ( t e x t u r e ，c r a c k s ，e t c ) i n t h i sp a p e r , t h e f u l l r a n g ev i s u a l i z a t i o n r e c o n s t r u c t i o no fr o a dh a sb e e na c h i e v e db yu s i n gm u l t i i n f o r m a t i o nf u s i o n b ys t u d y i n gt h ea c c u r a c ya n di n t e g r a l i t yo f t h ep a v e m e n tr e c o n s t r u c t i o n , t h i sp a p e rg i v e s ac o n t i n u o u sa n dp r e c i s i o np o s i t i o n i n gt e c h n o l o g y 、i mi n t e g r a t i o no fg p sa n di n s b y a n a l y z i n gt h eg p se r r o r ，t h i sp a p e rh a dm a d et h ec o n c l u s i o nt h a tt h em o s ts e r i o u sf a c t o r c a u s i n ge r r o ri ss i g n a li n t e r r u p t i o n i nt h i sp a p e r , a c h i e v e du s i n gt h ei n e r t i a ln a v i g a t i o n s y s t e mf e a t u r e s ，t h o u g ht h eg p ss i g n a li si n t e r r u p t e d ，w ec a l lp o s i t i o no nt h er o a d ，t h e i n t e g r a l i t y o ft h e d a t aa c q u i s i t i o na n dt h ei n t e g r a l i t ya n dc o n t i n u i t yo ft h ep a v e m e n t i i i r e c o n s t r u c t i o nh a v eb e e ne n s u r e d t h et r a d i t i o n a lr o a dm i l e a g ep o s i t i o n i n gu s e sp h o t o e l e c t r i c e n c o d e rt oa c h i e v e ，t h i sm e t h o di sh i g hp r e c i s i o ni nt h es t r a i g h t s b u tt h ec u r v ep l a y sam a j o r p a r ti nt h er e a l i t yr o a d d u et ot h ed i f f e r e n c eo ft h em i l e a g eb e t w e e ni n s i d el a n ea n do u t s i d e l a n e ，t h ee r r o r si nt h el o n g - d i s t a n c ep o s i t i o n i n gh a v eb e e na c c u m u l a t e da n dp o s i t i o n i n g a c c u r a c yi sg e t t i n gl o w e ra n dl o w e r i nt h i sp a p e r ，w en s eg p s w i t hg y r o s c o p et os o l v et h e p r o b l e mo f e r r o ra c c u m u l a t i o n , i n c r e a s et h ea c c u r a c yo ft h em i l e a g ep o s i t i o n i n g t h et r a d i t i o n a lt h r e e d i m e n s i o n a lp a v e m e n tr e c o n s t r u c t i o nr e f l e c t sp a r to ft h er o a d i n f o r m a t i o n , i ti sd i f f i c u l tt oe s t a b l i s hai n t u i t i o n i s t i ct h r e e - d i m e n s i o n a lm o d e l t h er e a lr o a d i n c l u d e st e x t u r e ，s m o o t h n e s s ，r u t ，r o a dt y p e ，a l t i t u d e ，m i l e a g e ，a n dm o r e i nt h i sp a p e r , b a s e d o no p e n g l ，at h r e e d i m e n s i o n a lv i s u a l i z a t i o no fd i g i t a lr o a di sg e n e r a t e d ，i tp r o v i d e st h em a n w h om a i n t a i n sr o a dw i t hae f f e c t i v er e f e r e n c e k e yw o r d s ：t h r e e - d i m e n s i o n a lp a v e m e n t , m i l e a g ep o s i t i o n i n g ，o p e n g l ，g p s 长安大学硕士学位论文 1 1 概述 第一章绪论 截至2 0 0 9 年底，我国公路总里程已达3 7 7 1 万公里，高速公路6 4 7 万公里，新增 公路通车里程9 。8 万公里，其中高速公路4 7 1 9 公里【l 】。大量高等级公路的建成通车，极 大地促进了国民经济的快速增长。与此同时，高速公路养护维修工作也伴随而来，尤其 是我国一些早期修建的高等级公路已进入中修或大修期。在交通部颁布的行业标准中【2 3 ， 4 1 已经比较明确详细地给出了沥青路面、水泥混凝土路面的检测内容、质量指标、检测 方法、采用的检测仪器设备、数据处理评价方法等。通过检测将得到大量的路况数据， 这些采集和处理的大量数据怎样才能有效利用，快速运用于道路的评价和维护呢? 这就 需要道路的三维可视化重构。 道路路面三维可视化重构是将路面各项指标的检测数据结果转换为三维的图形和 图像并进行交互处理的理论、方法和技术。借助这一技术，能在设计过程中逼真呈现路 面的真实状况，给研究人员以直观的三维立体影像，从而为道路几何线形评价，行车安 全评估，道路养护维修等提供决策的依据。 路面的三维重构可以看成是一种地形建模，就目前的地形建模显示，一般有以下三 种方法： 1 、分形算法建模【5 1 ：基于分形算法的建模，拥有每点处无限的细节以及物体整体和 局部特性之间的自相似性的特征。 2 、基于数据拟合的地形建模：最简单且常用的一种地形建模方法，是由稀疏分布点 的高程值构成一些简单的三角形平面，形成地形框架。显然，这种方法渲染速度很快， 但地形的真实感会大打折扣。 3 、基于真实地形数据的地形建模：基于真实地形数据建模构造场景的常用方法是采 用数字地面模型( d i g i t a lt e r r a i nm o d e l ) d t m e 6 1 和数字高程模型( d i g i t a le l e v a t i o nm o d e l ) d e m ，该方法数据获取有难度，而且数据量大，绘制速度对环境设备要求较高【1 7 。 通过分析发现，在过去所给出的三维图像研究中有的仅仅是横断面的连续排列；有 的加入了纵断面信息，但是缺乏路面的长波信息；有的虽然采用了g p s 测量路面的线 型，但仅作为参考信息，和路面三维信息无关；在现有的道路仿真中，很少建立出立体 直观的三维路面模型。因此，采用新方法在保证显示道路信息准确性和完整性的前提下， 第一章绪论 直观的显示出三维数字路面是我国公路发展中亟待解决的问题。本课题在总结国内外研 究成果的基础上，提出基于多传感器信息融合的路面三维重构。 1 2 课题研究的意义 1 2 1 路面质量评价的需要 在我国公路建设初期，公路建设里程少、路面等级低【8 】，通过落后的检测技术基本 可以满足路面状况的评价。 从1 9 8 8 年我国大陆第一条高速公路沪嘉高速公路通车开始【9 1 ，在“国道主干线 系统规划 的指导下，中国高速公路总体上实现了持续、快速和有序的发展，特别是1 9 9 8 年以来，国家实施积极的财政政策，高速公路得到快速发展，年均通车里程超过了4 0 0 0 公里，我国高速公路通车里程已经跃居世界第二【1 0 1 。在2 0 0 4 年国家出台了高速公路网规 划方案，对我国的高速公路网进行了详细长远的规划，该规划采用放射线和纵横网格相 结合的形式，包括7 条北京放射线、9 条纵向路线和1 8 条横向路线组成，总规模约8 5 万 公里，其中主线6 8 万公里，地区环线、联络线等其它路线约1 7 万公里，建成“7 9 1 8 刚9 1 。该规划是我国未来高速公路建设的重要依据，按照目前的建设速度和水平，如果 以每年4 千公里通车速度计算，要实现我国高速公路规划，大约还需要1 2 年左右。目前， 检测标准和检测技术都得到了迅速的发展，但通过检测得到的大量数据却还未能很好的 运用到道路的质量评价和养护维修中，开发包含大量数据信息的数字三维路面显示系统 显得很有必要。 全面了解和掌握路面真实状况，快速、准确显示路面完整的三维数字信息可以更好 的将道路检测信息体现出来，更好的运用于道路的质量评价和养护维修中。并且数字三 维路面的显示技术也有助于推进道路检测技术的一体化、智能化的发展。 1 2 2 路面养护管理系统的需要 针对道路路面的养护和改建，于1 9 5 0 年美国和加拿大提出了路面管理系统 ( p a v e m e n tm a n a g e m e n ts y s t e m ) 【l l 】。它主要为管理者提供客观有用的数据，以便公路 管理者能分析并作出可持续的、经济的和保守的路网养护决策。比较有代表性的系统有 加拿大安大略省的o p a c 系统【1 2 1 。路面管理系统主要包括以下几个部分： l 、建立路网的数据库：路面使用年限，交通流量变化，修筑方法，路面行驶质量； 2 、测量系统：经济、快速、客观、可信、精确、可重复和指标全面； 2 长安大学硕士学位论文 3 、建立路面养护日志； 4 、管理路面和再现。 随着大量公路建成通车，养护必然成为今后公路发展的重点。为了保证通车路面安 全、舒适、高效地运营，传统的养护方法已经很难适应养护管理的要求，一个路段或一 个省份乃至全国的路面养护体系的建立势在必行【1 3 】。 在路面养护体系中，公路管理部门首先对路面状况( 其中主要包括路面破损状况、 路面结构强度、路面平整度、路面抗滑性能等内容) 进行快速、客观、准确的检测，然 后就需要将检测的路面信息三维客观的显示出来，为路面养护管理及维修工程提供快速 真实的道路信息。 采用先进、高效的路面重构技术对路网道路信息进行三维显示，可以深入直观地认 识路面使用性能劣化的情况，从而为道路提供一种快速定位的养护方案。否则，依赖对 大量数据的人工分析，很难实现快速高效的道路养护。这不仅要耗费大量的人力、财力， 而且无法找准道路病害位置，由此造成的通行能力降低等间接经济损失更是难以估计。 我国路面管理系统的研究起源于1 9 8 4 年。1 9 8 5 年首先在辽宁营口地区移植了英国 的沥青路面养护管理系统【1 4 】。广东省高速公路数据库管理系统开发时加入了g i s 子模 块，实现了数据库管理系统开发时加入g i s 子模块，实现了简单数据的图形及文字之间 的相互查询，由于没有动态分段功能，故不能实现路段数据的动态显示功能。由孙立军 主持的基于g i s 的城市道路管理系统中，在实现基本的道路管理及分析功能的基础上， 在数据管理部分通过g i s 功能实现了数据的可视化管理，使得系统软件交互性、直观可 读性增强。 1 2 3 智能交通系统( i t s ) 系统发展的需要 近年来，随着经济的高速增长和汽车保有量的激增，交通拥挤、交通事故频发等造 成了越来越巨大的时间浪费、财产损失和环境污染，交通问题已成为包括我国在内的世 界各国政府共同面临的重要难题之一。为了解决交通拥堵、交通事故频发等产生的社会、 经济和生态系统等方面的问题，我国政府加大了对智能交通系统的研究和建设力度。 智能交通系统，英文全称为“i n t e l l i g e n tt r a n s p o r t a t i o ns y s t e m ( 简称i t s ) ，指将先 进的信息技术、数据通信技术、电子控制技术、计算机网络以及传感器技术等有效地综 合运用于地面交通管理体系，使交通系统实现智能化。借助交通系统的智能化，驾驶员 对交通状况了如指掌。i t s 体现了“人一车一路环境 的密切结合，从而可以极大地 第一章绪论 提高交通的安全性、系统的工作效率、环境质量以及能源的利用率。 智能交通系统目前世界上应用最为广泛的地区是日本，如日本的v i c s 系统相当完毕 和成熟，其次美国、欧洲等地区也普遍应用。我国的i t s 基础工作早在2 0 世纪7 0 年代 末就已经开始，当时交通部公路科学研究所与北京市公安局合作，首次在中国进行计算 机控制交通信号的工程试验【1 5 】。“十五 期间，以科技部启动国家“十五 科技攻关“智 能交通系统关键技术开发和示范工程”重大项目为标志，推动中m l t s 进入发展期【l6 1 。 “十一五 期间，我国智能交通将以实际应用和服务出行者为重点，进行智能交通系统 基础研究、产品开发和工程项目建设，为综合交通系统的形成提供条件【1 7 ，1 8 1 。 在i t s 中，信息技术研究使得各种具体的交通信息，如关于交通四要素的人、车、 路和环境实时信息或预测信息，以及系统中经过处理后得到的策略信息和控制用的目标 信息或控制信息能够充分地高效地利用。因此，准确、快速、实时地对路面参数进行精 密检测和三维可视化的显示成为智能交通发展的重要技术之一。 1 3 课题背景及发展现状 2 0 世纪6 0 年代初期，计算机应用到公路设计中【1 9 】，当时只是利用计算机运算的高 速度来完成一些繁冗复杂的计算工作，如平面和纵断面的几何线形设计、横断面的优化 计算等，而且这些功能都是由独立的程序完成的。 1 9 5 5 年，美国麻省理工学院的c h a i r e slm i l l e r 教授，首先提出数字地面模型这一概 念【2 0 1 。当时的研究目的是如何应用从摄影测量获得的数据通过数字化计算的方法来加快 公路设计。数字地面模型是伴随着电子计算机高速运算和大存储量而成熟的，它是公路 三维可视化设计的核心，公路平、纵、横和三维设计就是从d t m 中提出各种信息得来 的。2 0 世纪7 0 年代，道路路线设计优化拓展n - 维和三维选线，作为可视化三维设计 的基础数字地面模型( d i g i t a lt e r r a i nm o d e l ，简称d t m ) 开始应用。 我国公路三维可视化的研究始于7 0 年代后期。自1 9 7 9 年起，交通部组织有关科研 院所和设计单位先后对公路的数字地面模型、纵断面优化技术、平面及空间线形优化技 术等进行了研究，取得了一批实用的研究成果。 交通部组织实施的国家“九五 重点科技攻关项目“g p s 、航测遥感、公路c a d 集成技术”，现已开发完成。该项目通过对g p s 、航测遥感和公路c a d 技术的集成，研 究了沿测线路径曲线拟合和地形起伏改正的曲面拟合，采用面向对象软件工程技术，开 发完成了“数字地面模型( d t m ) 系统，并顾及地形特征对海量数据进行不规则三角 4 长安大学硕士学位论文 网( t i n ) 的快速建模，在道路建模方面取得了重大的研究成果。课题研究形成了以高 新技术为主体的野外勘察、内业数据处理和公路c a d 设计一体化的集成技术，解决了 我国公路建设中亟待解决的一系列关键技术，使我国公路测设新技术得到一次质的飞 跃。 武汉大学的左小清、李清泉针对公路呈线性分布的特点，采用动态分段技术来组织 管理路面三角形数据及道路属性数据。实验效果图如图1 1 所示。 警鼍轼薯墨哥塑野蔓，苎_ ! _ - _ 啊雄辩喇群螂一，一 图1 1 路面的三角形表达 南京理工大学贺安之、徐友仁2 0 0 4 年开发出j g 1 型激光三维路面状况智能检测系 统。该系统可以进行如图1 2 所示的路面三维图形显示。 图1 2j g 1 型激光三维路面状况检测系统绘制的三维路面 丹麦g r e e n w o o de n g i n e e r 公司开发的g w 高速激光路面检测车系统的路面重构软 件进行的如图1 3 所示的路面三维图形绘制。 第一章绪论 图1 3g w 高速激光路面检测车绘制的三维路面 国内外这些道路三维可视化中，虽然都建立了道路的三维模型，但仅从路型出发， 包含信息量很少，很难反映出真实的路面。本文试图解决这一问题，将道路检测出的数 据充分应用到道路三维重构中，建立道路整体模型，与路面属性数据库连接，动态浏览 道路检测效果，可视化地再现真实路面。 1 4 本文主要内容 本文主要针对保证路面信息准确性及完整性和数字路面的三维重构这两方面来进 行研究。 通过分析发现，三维路面信息的准确性和完整性很大程度上决定于路面检测系统对 高等级公路道路质量的检测方法，而三维路面的显示则取决于建模方法。因此，本文在 总结国内外研究成果的基础上，提出了通过g p s 经纬度来定位里程桩的方法实现了三 维路面信息的准确性，通过惯导系统来辅助g p s 轨迹的方法实现了三位路面信息的完 整性。 本文主要研究内容： 1 路面三维数学模型的建立和显示。 2 利用惯导辅助，实现在无g p s 信号下的连续定位。 3 利用g p s 定位原理，实现道路里程的精密定位。 4 实现路面的纹理映射，以及路面属性信息的显示。 本文章节安排： 第一章从国内外道路模型研究的发展以及路面养护数字化的需要，明确了开发包 含大量数据信息的数字三维路面显示系统的必要性； 第二章建立基于路面坐标系的路面三维重建模型，为实现路面信息准确的完整的 重构，提出了数字路面三维显示方法； 第三章分析了g p s 在采集过程中的误差，提出了结合惯导系统辅助g p s 定位的方 法，解决了g p s 在遇隧道、立交桥等无信号情况下的定位； 第四章分析了目前道路里程桩精密定位的方法，提出了基于g p s 经纬度的里程桩 定位技术及其应用； 第五章实现了基于m f c 和o p e n g l 建模的真实路面的三维重绘，以及通过访问 a c c e s s 数据库获取路面信息，实现路面信息的实时显示； 6 长安大学硕士学位论文 第二章数字路面的三维模型 路面是一个三维的信息实体，目前对路面的显示通常仅限于二维的图像显示，本章 主要融合纵断面信息、横断面信息、g p s 信息、陀螺仪信息以及纹理等信息给出数字路 面的三维显示模型。 2 1 三维路面实体 真实路面同时具有多维信息，这些信息通常有平整度、车辙、经纬度、纹理等，如 图2 1 所示。 图2 1 路面及评价参数 在大地坐标中，路面可以由无数个经度、纬度和高程坐标点的集合来表示。在路面 坐标中，常用断面剖面曲线表示路面。断面剖面曲线是指路面断面中的路表面曲线，包 括横断面剖面曲线和纵断面剖面曲线两类。路面横断面剖面曲线与车辙以及路表破坏程 度等有关。路面纵断面剖面曲线则与路面高程、平整度和表面纹理等有关。图2 1 显示 了路面横断面和纵断面剖面曲线的基本概念。 传统的断面显示存在以下缺点： l 、信息含量低，只能显示路面的路表信息( 平滑模型) 或高程信息( 彩色高程模型) 等。 2 、各种信息只是定性的显示，没有一个定量的数据显示。 为实现数字路面的三维立体显示，必须将路面的线形、纵断面、横断面、纹理的信 息放到一个统一的坐标系中，该坐标最好与实际检测过程相对应。因此，本文建立了以 7 第二章数字路面的三维模型 路面里程为z 轴，横断面为x 轴，各点高程为y 轴的路面坐标系。如图2 2 所示。 图2 2 路面坐标系中的道路三维数字模型 在该坐标系下，三维路面实体r 可以表示为一个连续的三维函数： 足= f ( x ，y ，z ) ( 2 1 ) 该坐标系的最大特点是以路面里程为z 轴坐标，将实际的路面纵断面展开成一直线； x 轴宽度为路面横断面宽度，可以是一个车道或多个车道；y 轴为路面的高程。 实际路面同时具有宏观信息和微观信息，为实现数字路面三维重构，重构路面必须 包含各个层面的信息，数字路面层次模型如图2 3 所示。 纹理层 断面层 g p s 层 图2 3 数字路面层次模型 在数字路面层次模型中，g p s 层包括路面的g p s 经纬度和g p s 高程信息，用于重构道 路的路型和坡度等信息；断面层包括路面的横断面( 车辙等) 和纵断面( 平整度等) 的 信息，用于重构道路的道路表面信息；纹理层包括路面的微观信息，如：裂纹、路面纹 理等，用于重构路面的细节信息。将各个层面的信息融合到一起，将重构出可视化数字 三维路面。 r 长安大学硕士学位论文 在路面重构中，本文采用图2 4 所示的路面坐标来研究路面的各个特性。即以纵断 面( 路面里程) 为z 轴，横断面为x 轴，各点高程为y 轴重建路面的三维曲面。重构过程 中，需要实现g p s 坐标、断面信息以及纹理信息在路面坐标中的统一。 2 2 数字路面的三维显示 图2 4 路面坐标系的统一 2 2 1 路型的显示 在路型的重构中，路面坐标系如图2 2 所示，其中x 轴即路面的横断面，坐标值是 由检测车的距离传感器的间距以及g p s 经纬度共同决定的；y 轴即路面的高程，坐标值 是由检测车距离传感器的采样值和g p s 高程共同来决定的；z 轴即路面的纵断面，坐标 值是由g p s 经纬度和位移传感器共同来决定。 既然路面是一个三维实体，并且可以表示为一个连续的三维函数，那针对每一个点 ( x i ，y i ，z i ) 都有它相应的位置属性，根据每个点的位置坐标，我们可以通过0 p e n g l 将其绘制到三维模型中的特定点。若将整个三维实体r 绘制到三维模型中，那就形成了 离散的三维路面。我们再结合插值等方法，就能将其平滑，形成具有路型信息的三维路 面。路面模型的绘制过程如图2 5 所示。 西 h实体r f ( i l f 滑路面 o p e n g i 。 ( 一 万法) 制 o p e n g l r l a n g l 图2 5 网格、平滑路面的绘制过程 2 2 2 路面在各坐标轴上的重构和优化 1 、路面坐标系x 轴重构： z 一 一 一 一 i i 一 - - - - - 一 一 一 一 一 - 一 一 一 - x 图2 6 不包含道路轨迹的路面重构 图2 7 包含道路轨迹的路面重构 在x 轴的重构过程中，若只有检测车距离传感器的间距，而这个间距是一个固定值， 因此重构出来的路面是直的，如图2 6 所示。而加入了g p s 经纬度信息后，通过经纬度 坐标计算出平面坐标，得到路面的轨迹，并叠加到重构路面上，使重构的路面拥有实际 1 0 长安大学硕士学位论文 道路的轨迹，重构结果更接近真实路面，如图2 7 所示。 2 、路面坐标系y 轴重构 x x 图2 8 不包含道路高程的路面重构 图2 , 9 包含道路高程的路面重构 z 在只有检测车激光位移传感器所采集的路表高程值的条件下，重构路面只包含了路 面表层的高程信息，如图2 8 所示。而加入了g p s 高程信息后，在路面表层上叠加道路 的高程，使重构路面更能体现出上坡下坡等信息，更接近真实道路，如图2 9 所示。 路面坐标系z 轴重构：z 轴是检测车采集数据的行驶方向即路面的延伸方向。在重 构的过程中由于光电编码器测距仪的累积误差以及道路内外道的误差，使得重构出来的 路面比实际路面长或者短。加入g p s 里程信息后，首先能够将误差压缩的每千米内， 然后内外道的统计计算，修正累积误差，使重构路面更准确。 l l ， ， 一 ，： ， ， ， 一 ， ； 第二章数字路面的三维模型 2 2 3 纹理及附属信息显示 对于数字路面来说，仅仅包含路面的路型信息是远远不够的，还得包含路面的纹理 信息( 包括裂纹等) 、平整度以及车辙等。 纹理信息我们可以通过纹理映射的方法，将纹理贴到路面上，这样路面看起来更真 实。附属信息可以通过文本显示的方式将某点的属性呈现在该点的位置上，附属信息是 通过a d o 技术使用s q l 查询语句访问a c c e s s 数据库来获得。 图2 1 0 数字路面的绘制过程 2 3 完整数字路面实现方法的研究 在一整段道路的数字路面重构当中，准确性、完整性是非常重要的。单单从重构方 法上是没有办法弥补的，这个必须要在数据采集的过程当中来保证。 准确性是指在整个重构的过程中，重构路面的长度要和实际路面的长度相匹配。比 如，实际道路是1 0 0 0 m ，在采集过程中，由于工具或方法的原因使得我们采集的路程比 实际多或者少，这样在路面重构的过程中道路信息就不准确。本文提出了使用g p s 经 纬度来精密定位里程的方法，可以很有效的提高里程定位的准确性。 完整性是指在整个重构的过程中，重构路面的信息要完整。比如，在采集过程中是 通过g p s 经纬度来确定路的走向的，若受到高大建筑物或者天桥等遮挡物的影响，g p s 将没有信号，无法采集到数据。那在重构的过程中，这部分的数据就缺省，不能保证完 整。为了弥补这部分数据，本文提出了使用惯导辅助来保证g p s 数据连续性采集的方 法。 2 4 小结 本章首先通过对真实路面的分析，得出路面是一个三维的信息实体。为了使重构路 面同时具有宏观信息和微观信息，建立了路面三层重构模型：纹理层，断面层和g p s 1 2 长安大学硕士学位论文 层。每个层次具有不同的坐标系，通过将三个层次的坐标系变换到统一的路面坐标系， 依据叠加原理实现数字路面的全频谱显示。建立了融合g p s 信息、陀螺仪信息、纵断 面信息、横断面信息以及纹理等信息的数字路面的三维模型，实现了路面的可视化显示。 第三章g p s 与惯性导航系统融合的连续定位算法 第三章g p s 与惯性导航系统融合的连续定位技术 在数据采集过程中，本文是利用g p s 经纬度来确定道路的走向的，若受山洞或者天 桥等遮挡物的影响，g p s 接收机将无法接收到g p s 信号，无法采集到数据。那在重构 的过程中，由于这部分数据的缺省，将无法保证道路重构的完整性。本章使用惯导辅助 保证了g p s 数据的连续性采集。 3 1g p s g p s ( g l o b a lp o s i t i o n i n gs y s t e m ，全球定位系统) 是一个中距离圆型轨道卫星导航 系统【2 l l 。它可以为地球表面绝大部分地区( 9 8 ) 提供准确、连续的三维位置和速度信息。 该系统包括太空中的2 4 颗g p s 卫星，地面上的1 个主控站、3 个数据注入站和5 个监测 站及作为用户端的g p s 接收机【2 2 l 。最少只需其中4 颗卫星，就能迅速实现用户端在地球 上所处的位置及海拔高度的精确定位，用户端所能连接的卫星数越多，解码出来的位置 就越精确。 g p s 系统拥有如下多种优点：测站之间无需通视、定位精度高、观测时间短、提供 三维坐标、操作简便、全天候作业等【2 3 】。 3 1 1g p s 的定位原理 g p s 的基本定位原理是：以高速运动的卫星瞬间位置作为已知的起算数据，卫星不问 断地发送自身的星历参数和时间信息，用户接受到这些信息后，采用空间距离后方交会 的方法，计算求出接收机的三维位置、三维方向、以及运动速度和时间信息2 4 j 。 图3 1g p s 工作原理 1 4 长安大学硕士学位论文 如图3 1 所示，假设在地面待测点上放置g p s 接收机r ，上空存在4 颗g p s 卫星，分别用 卫星发射信号至接收机，接收到信号的时间差t 乘以光速c ，便可分别求得测量接收机 与4 颗卫星之间的距离d ，即： d = c a t = c , ( t e t ) ( 3 1 ) 其中：t 。为接收机接收到信号的时刻，t 。为卫星发射信号的时刻。 g p s 统一采用原子时系统，由于接收机的时钟和卫星时钟与g p s 标准时钟之间不能 精确同步，都存在钟差，设其分别为at 。和at 。，实际测得的时间差a t 包含有这两 种钟差的影响，即： a t = 也+ a t e ) 一( + a t s )( 3 2 ) 在实际的测量过程中，由于卫星钟差由g p s 地面监控系统测定，并通过导航电文提 供给用户，所以已对卫星钟差at 。做了修正。故： d = c a t = c 宰( ( 乞+ 乞) 一l ) = c 霉( 乞一t , ) + c * a t e = d + c 奉乞 ( 3 3 ) 由于d 并非接收机至卫星的真正距离d ，其中还包含接收机钟差引起的误差c ，i cat 。， 故称d7 为伪距测量值2 5 1 。在实际测量中接收机的钟差t 。很难保证足够的精度，因此 本文将它作为一个待定参数与接收机的位置坐标一并解出。 结合空间两点距离公式可将式( 3 3 ) 改写，并建立方程组： 研= 厄i 矿面j 再而+ c 宰他 弘广( x 2 - x ) 2 + ( y 2 - y 下) 2 + ( z 2 一_ z ) 2 + c * a t e ( 3 4 ) = ( b - x ) 2 + ( 弘- y ) 2 - 1 - ( z 3 - z ) 2 + c 他 = 瓜i 矿面j 再丽+ c 幸觚 其中：x ；，y 。，z ；表示第i 颗卫星在地球协议坐标系( w g s 一8 4 ) 中的空间直角坐标，x ；， y 。，z ，可以利用卫星发播的卫星位置信息经计算得到，为已知量。故式( 3 4 ) 中只有待 测点坐标x 、y 、z 和at 。为未知参数。如