车载3S集成系统与ITS

1、车载3S集成系统与ITS李德仁（武汉大学测绘遥感信息工程国家重点实验室，武汉市珞喻路129号，430079）一、 3S集成与ITS的关系3S集成是指将全球定位系统（GPS）、地理信息系统（GIS）、遥感（RS）进行有机的结合，实现实时、快速地提供目标空间位置，包括各类传感器和运载平台的空间位置；实时或准实时地提供目标及其环境的语义或非语义信息，发现地球表面上的各种变化，及时地对GIS进行数据更新；完成对多种来源的时空数据进行综合处理、集成管理、动态存取，为智能化数据采集提供地学知识。三者互为支撑溶于一体，将它们集成在车、船等交通工具上，可以实现定位、导航、立时测量。智能交通系统(ITS)是将先

2、进的信息技术、数据通信传输技术、电子控制技术以及计算机处理技术等有效地运用于整个运输管理体系，使人、车、路密切配合，和谐地统一，从而建立大范围全方位发挥作用的实时、准确、高效的运输综合管理系统。随着城市化的进展和汽车的普及，交通运输问题日益严重，主要表现在：道路车辆拥挤、交通运输效率低（空载率高）、驾驶员缺少有关的交通信息、交通事故率升高、交通造成的环境恶化等。传统解决交通问题的办法是增大道路建设量，提高路网容量。但由于资源、环境等条件的限制，单纯依靠新建道路的方式已经无法满足现代城市交通的需要。在这种情况下，人们把注意力转向依靠交通系统的科学管理，从系统的观点出发，把车辆和道路设施综合起来考

3、虑，运用各种现代技术手段系统地解决道路交通问题，并提出了智能交通系统（ITS）的概念。80年代中叶以来，ITS在全世界范围内得到开发与研究。计算机和通讯技术的迅猛发展，为ITS技术的进一步发展创造了条件。ITS技术涵盖比较广泛，但一般都以现代信息技术和通信技术为手段。发展ITS技术的目的，在于减少交通拥挤和提高整个交通运输系统的效率，和为驾驶员提供良好的信息服务和安全舒适的驾驶环境等。显然，车载3S集成系统在智能化交通中有着十分重要的意义。从整体上看，3S集成技术为ITS提供了基础地理信息以及诸多地理信息实时或准实时的快速更新手段。如3S集成道路自动测量系统便是其中之一，该系统通过GPS等高精

4、度定位导航系统测量道路的空间数据并可同时记录相应的属性信息。车载3S集成系统更是ITS中智能定位导航、远程指挥、交通安全、事故处理中主要技术手段。二、 3S集成道路自动测量系统及其主要功能1道路测量在道路测量过程中，有两套定位系统提供双备份的系统定位信息GPS电子罗盘与车轮计数装置。全球定位系统（GPS）的特点是用户能够在全球范围内、高精度、全天候、方便灵活地获得空间定位数据。GPS的引入，给车辆的定位和导航提供了简便快捷的方法。为提高GPS导航定位的精度和满足道路测量的特殊要求，需要采用差分GPS技术。在GPS导航定位中存在大量的误差源，包括卫星钟差、接收机钟差、对流层延迟、电离层延迟、卫星

5、轨道误差等。通过对观测量进行差分（线性组合），即对观测量在卫星、测站、历元之间求差，可以大大地消除或消弱各种系统误差从而提高导航定位的精度。常用的差分方式有单差和双差。但是，在城市、山区等车辆导航的环境下，由于GPS信号可能被高层建筑、树木和山脉等遮挡，造成GPS信号的丢失或导航星数不足；复杂环境的反射造成的GPS信号的多路径效应的影响，使GPS的导航定位功能受到一定的制约。电子罗盘+车轮记速器组成航位推算系统可以弥补GPS导航定位方法的不足。航位推算系统通过其观测到的载体的速度和方向数据累积推算车辆的位置。航位推算系统是一种自主式导航系统。它完全依靠车载的设备自主地完成导航任务，因此很少受到

6、周围环境的干扰和影响。但由于航位推算系统是累积推算位置的，方向和距离传感器的漂移偏差会给计算位置带来随时间增加而增加的累积误差，如果长时间单独使用，航位推算的定位精度将有可能下降。因此航位推算法需要和GPS系统结合使用。在GPS电子罗盘与车轮计数装置组成的综合系统中，GPS系统可以弥补航位推算系统的累积误差随时间增加的不足，在长时间导航的过程中不断计算和纠正航位推算系统的仪器参数。而航位推算系统可以在GPS信号暂时失效的情况下发挥补充作用。如果能有效的结合两种导航系统就可以保证道路量测系统的高精度和可靠的导航定位数据。GPS和航位推算两种导航系统的数据综合可以利用联合Kalman滤波技术来实现

7、。联合Kalman滤波方程组由共同的状态方程和对GPS系统、航位推算系统分别建立的局部观测方程组成。局部观测方程通过对各自的观测量滤波分别计算出车辆行驶的状态参量（车辆的位置、速度等）。然后按照局部导航系统的精度状况对局部状态参量进行信息融合，从而得出整体系统状态参量。当系统判断出某个局部传感器精度下降时（例如GPS信号不良时），就减小该局部状态参数在信息分配过程中的权重。这样就可以综合使用两种导航系统的数据，并根据环境调节数据处理过程，保证整体道路量测系统的精度和可靠性。2地物测绘地物测绘是道路测量系统中一个重要的组成部分。车载道路测量系统利用摄影测量的原理，通过立体像对同名像点自动或半自动

8、匹配，构建立体量测模型，完成道路两旁的各种地物三维空间坐标和地物间相对位置关系的测量。系统中具体实现立体量测的方案是：系统安装两种相对定位传感器，即双CCD摄像机激光测距仪组成双目立体视觉系统和单目视觉系统，可完成目标的点、线、面的三维测绘。通过对CCD相机的室内标定，可以确定像片的内方位元素，电子罗盘给出摄影姿态，即像片的外方位元素，摄站点的坐标由GPS差分获取，利用激光测距仪组成的单目视觉系统量测摄站与目标的距离，由双CCD摄像机组成双目立体视觉系统，分别获取具有一定重叠的地物左、右像片。利用这些参数，可以进行像片相对定向并自动生成核线影像，而同名点的匹配在核线影像上进行。通过自动或半自动

9、匹配确定的同名点，可以实现立体像对的量测，从而提取地物的三维信息。整个立体量测流程如图：CCD相机 电子 双目视觉系统 GPS 单目视觉系统室内标定 罗盘 （双CCD相机） 差分 （激光测距仪）内方位 摄影姿态 左右 摄站 摄站与目标元素 外方位元素 像对 坐标 的距离 相对定向 (立体像对) 核线影像 同名点匹配 立体量测地物测绘中立体像对量测的核心是同名像点匹配，本系统采取核线影像自动或半自动的特征匹配方法，具有较高的精度和稳定性。此外，摄站点的坐标影响到量测精度，GPS信号差分后的摄站点坐标精度可以满足立体量测的要求。3属性采集、记录为了记录道路两旁必要的属性信息，同时考虑到道路测量时的

10、工作环境，以及对道路属性信息获取的实时性和准确性。系统中提供了视频录像和数字录音两种记录方式，使属性信息录入车载计算机更为方便、快捷、完整，并且易于原始记录的再现。对动态的分段属性采用了分段属性记录表的形式处理。视频录像的记录是贯穿于整个系统的测量过程的。在道路测量过程中，作业员可以实时的操纵摄像机的方向，对道路两旁诸如：道路名称、加油站名、特征建筑物名等需记录的属性信息进行录像。同时为了确定道路属性信息的空间位置，在系统中统一定义了时刻标签，时刻标签用于记录属性测量时的时刻，在对道路属性信息进行录像记录时，同时记录一个时刻标签到系统数据库中，在内业的数据处理中，可以根据时刻标签和道路数据得出

11、道路属性信息的空间位置。同时对视频录像的记录的回放可以产生一个“道路测量实景”再现的环境，便于内业时作业员进行道路属性数据录入数据库的处理。数字录音的记录是伴随着视频录像的记录进行的。由于道路测量工作环境的影响，有时视频录像不能完整、准确的记录道路的属性及其附属信息，这时可以考虑以数字录音的方式进行记录。考虑到测量环境噪音的影响，系统提供了声音滤噪的记录处理。声音是以文件的形式记录，每一个声音记录对应有一个ID，声音的ID在进行数字录音时存入数据库中，在数据的内业处理时根据数据库中的声音ID找到对应声音文件，回放出声音，就可将声音记录的属性存入数据库中。道路分段现象是指同一道路上可能存在连续的

12、但不同性质的属性分段。如在同一条国道上可能出现不同地段有不同行车道数的情况。为了实现这种道路分段属性的记录，系统把动态分段属性数据单独记录,每个分段属性对应一个属性表，同时分段属性的起止时刻各对应一个时刻标签，时刻标签用于确定动态分段属性变化的空间位置。属性名可以用数字录音的形式记录。下表是个公路行车道的分段属性记录表。表：公路行车道分段记录表：分段名ID起始时刻标签ID终止时刻标签ID属性名4环境数据采集除专用测绘传感器外，系统还可加装温度、湿度、压力、空气浮尘颗粒度、各种气体在大气中的含量等反映环境参数的传感器。三、 基于3S车载定位导航系统及其应用领域由于车载测量系统是一个基于GPS、G

13、IS、CCD及多种传感器与技术集成的移动测绘系统，在它的基础上可以衍生多种适用于国防、公安、交通、城市规划、环保等领域的系统或产品。典型的应用如下：1车辆导航该系统向用户提供道路交通状况等有关交通信息，通过GPS等导航系统以及车载电子地图，提供车辆的定位服务、帮助出行者优选路线、安排行程等。下图是立得公司在武汉测绘科技大学支持下开发的车载导航系统的界面图：2公路及铁路等道路网的测绘该系统通过采用差分GPS等高精度定位技术和车载的路网测量系统，在车辆行驶的过程中记录道路或铁路等的准确空间位置，从而对基础地理信息进行实时或准实时的快速更新。 下图是立得公司在武汉大学支持下开发的道路测量系统的界面图：3建筑物的测绘3S车载定位导航系统除了可以用来进行路网的测量，也可以对道路旁的建筑物等地物进行测绘。通过立体量测系统，可以对道路旁的地物进行立体测量，获得它们的空间位置信息。与此同时也可以通过键盘、语音输入等方式进行相应的属性录入工作。4交通事故的现场勘测5机动交通监测6机动环境监测其发展趋势是：测量过程全自动化；测绘作业内外一体化；数据通讯网络化以及3S集成智能化。四、 基于3S车载立体图像获取系统及其应用立体图像获取的目的是为