三维实景建模技术在智慧交通领域的新发展与深入应用

佳都新太科技股份有限公司  徐建明

    本文已发表《中国安防》2019年9月刊

    三维实景建模技术是安防技术中由地理测绘技术、激光雷达遥感技术、大规模视频融合拼接技术、BIM技术、三维GIS技术等多种技术通过实景复刻三维重建手段相结合的一种新兴技术。三维实景建模技术脱胎于智慧城市安防建设中的常见应用场景。在视频监控方面，随着智能前端视频监控设备的不断发展，安防能力在星光级CMOS感光技术、超高清技术、枪球联动高低点联动、AI人工智能人脸识别车辆识别技术的加持下逐步解决了看得见、看得清、看得全、看得懂的问题。但其弊端也显而易见，画面独立看不全，视角分散不直观，画面位置不明确，视角信息难看懂。在地图GIS方面，传统二维地图无法满足交通领域的高架桥、涵洞、隧道、桥梁等立体化建设的标记标注目标。因此三维实景建模技术应运而生，通过将视频-数据-地图三者进行三合一从而达到融合地图场景、视频场景、数据场景，更高效的对现实世界进行“全息的刻画”,“深刻的洞察”,“智慧的赋能”，实现场景要素全面的可知、可测、可控。

    通过倾斜摄影建模、激光点云建模、BIM建模等可量测的实景三维数据，以高清晰度、高分辨率全景影像的方式来直接反映地物要素以及自然环境的原貌，它既包含了所要量测的目标地物信息，又包括了与之相关的各种自然和社会信息，而且作为一种新型地理信息数据源，可与天地图或各类地理信息共享服务平台无缝集成，为智慧城市建设各方面提供所需的实景化专题数据。

    对于智慧城市行业用户而言，可以实现对城市道路交通设施可视化管理、城管部件可视化定位管理、城市绿化信息全过程跟踪、城市公安应急指挥决策、城市地下管线可视化管理以及城市危房信息实时监控等提取所需的实景化的业务专题数据，更好满足管理与决策上的高层次应用；对于公众而言，实景三维影像是客观世界的最直观和最真实的写照，也是无需专业知识判读，市民可通过实景影像反映身边的城管问题和有效报案，开创“全民智慧城市”新模式。

1、道路平整度检测

基于高精度高密度点云数据，取断面点云高程值，计算路面横向凹凸偏差值，达到快速便捷地检测道路平整度。

2、交通道路障碍物监测应用

利用三维激光实景移动测量技术获取的道路两边三维点云数据，可以快速的测量道路两边的障碍物，例如树木树冠树枝是否对道路行车造成安全隐患、高压线是否超过了规定最低高度值等。

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3、交通道路养护巡检应用

公路养护其中重要工作之一就是公路病害监测，通过历史点云实景数据的对比，可以快速的识别公路坑道等病害，避免大量人工外业巡检，提高了公路病害监测的实时性、准确性、安全性。

    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技术在交通领域的应用。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。事实上，基于传统二维地图的GIS空间分析是不完整的，因为它只能实现宏观的、浓缩的、概略的统计和分析，一旦我们要对细部环境信息和数据进行查询、观察和分析，则无法得到足够的数据支持。因此，我们需要一种新的数据源和数据管理手段来满足公路部门在路政、养护、应急和出行服务等方面对于详细环境信息和数据的需要。实景三维GIS技术和基于MMS技术的移动采集系统能够很好的解决这个问题。传统GIS的使用者常常感到困惑，分辨率越来越高的航片和卫片可以让人越来越清晰地鸟瞰地球，然而一旦到了地面，能够看到的只有抽象的二维地图或是为模拟空间绘制的虚拟3D仿真图，无法让人全面了解环境。现有的行业GIS主要基于符号化的二维地图构造，只能实现数据的平面图形显示。随着近年来测绘技术、计算机与网络技术的飞速发展，实景三维的地理信息系统已突破原有技术瓶颈，现已成为国际GIS应用的热点，也代表着未来GIS的一个重要发展方向。

　　实景三维GIS是在二维GIS的基础之上，增加了连续的实景三维影像，并通过开放的软件与基于GIS的行业应用进行无缝集成，从而给用户提供了具有丰富环境信息和立面信息的实景可视化环境，有效的支持了管理和决策等高级应用，真可谓“千里路网，尽收眼底”!

　　由于交通部门的管理对象90%与地理位置有关，地理数据对于公路管理具有十分重要的地位。在常规的公路管理信息系统中，使用的地理数据主要是简单的二维矢量图，所有的公路设施都是以平面投影的符号来表达的，某些情况下会导致判读的困难，例如：当一个立杆上有几个标志牌时，就只能变通方式表示，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空间关系，跨线电缆与路牌之间的相对空间关系等等。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。实景三维GIS作为一种新兴的技术，能够为交通管理提供丰富的基础地理空间的实景视频信息。

    三维实景建模技术的瓶颈和疑难是如何将地图，视频，数据三者以一种统一的形式在一个应用界面中进行全息刻画，深刻洞察，智慧赋能。为什么要选择地图、视频、数据这三个场景，着力三景合一？这是当前的安防市场决定的，这是历史沉淀的智能交通的各种建设项目积累的技术经验决定的，安防系统中积累的各种视频前端设备联网实战运维平台，乃至视频云解决方案等积累了较为深厚的GIS地理信息系统技术解决方案，并围绕着GIS进行了流程类导入数据类接入的大量开发工作，譬如一标三实、智能交通，立体化安全防控等。这些 GIS的数据积累匹配各类项目中的前端设备接入成为了持续开发集成形成各类公共安全领域凝聚的核心竞争力，包括对视频接入能力、解析能力、结构化能力、算法能力，而这些能力能够帮助我们具备更广泛的前端设备兼容性，更快速准确的图像解析能力。

    地图：地图场景包括了多种地图融合应用的基础能力，并能够扩展为行业图层，多种地图包括视频 AR 地图、室内3D 地