基于近景攝影測(cè)量的交通信息采集系統(tǒng)

1、基于近景攝影測(cè)量的交通信息采集系統(tǒng)摘要：針對(duì)已有交通信息采集方法的不足，系統(tǒng)地建立了基于近景攝影測(cè)量方法的交通信息采集系統(tǒng)，詳細(xì)闡述了系統(tǒng)的重要組成單元，功能和特點(diǎn)。系統(tǒng)經(jīng)過(guò)標(biāo)定、攝影、分析處理等過(guò)程，能夠準(zhǔn)確地連續(xù)采集大空間范圍內(nèi)的多個(gè)交通物體的行駛軌跡、速度、加速度、車頭間距等參數(shù)。實(shí)地應(yīng)用的效果表明，該系統(tǒng)能夠滿足交通工程研究工作的需要，是未來(lái)交通信息采集的趨勢(shì)。關(guān)鍵詞：近景攝影測(cè)量；交通信息；信息采集系統(tǒng)traffic information collection system based on close-rang photogrammetry methodabstract: to

2、the deficiencies of the existing traffic information collection methods, the paper systemically builds up the traffic information collection system based on close-range photogrammetry method. important components and functions and characters of the system are also cited. after the process of calibra

3、tion and photograph, analysis, the system can truly and continuously collect the parameters of several traffic objects such as trajectory, speed, acceleration and headway and so on in large space. the field test results show that the system is able to meet the need of traffic engineering research an

4、d will be the future of traffic information collection.keywords: close-range photogrammetry; traffic information; information collection system攝影測(cè)量就是對(duì)研究對(duì)象進(jìn)行攝影，根據(jù)所獲得的構(gòu)像信息，從幾何和物理方面進(jìn)行分析研究，從而對(duì)所攝對(duì)象的本質(zhì)提供各種資料，是一門以影像信息重建三維空間中物體幾何表面的科學(xué)。其實(shí)質(zhì)是要根據(jù)像點(diǎn)的位置推求出物點(diǎn)的位置1。近景攝影測(cè)量作為攝影測(cè)量的一個(gè)分支，是指在近距離中對(duì)被研究的對(duì)象進(jìn)行攝影，量測(cè)其像片坐標(biāo)，用直接線性變

5、換關(guān)系式，在已知一定數(shù)量控制點(diǎn)的條件下，按最小二乘法平差原理，由像片坐標(biāo)直接解算得到目標(biāo)的三維空間坐標(biāo)。由于近景攝影測(cè)量精度較高，測(cè)量速度快，而且整個(gè)量測(cè)系統(tǒng)裝備簡(jiǎn)易，價(jià)格低廉，輕便靈巧，具有較好的通用性，因而不失為一種先進(jìn)的量測(cè)手段。1 近景攝影測(cè)量方法及在交通中的應(yīng)用按照應(yīng)用方法，近景攝影測(cè)量方法可以分為模擬法近景攝影測(cè)量、解析法近景攝影測(cè)量以及數(shù)字近景攝影測(cè)量（又稱實(shí)時(shí)攝影測(cè)量）三種1。模擬法和解析法近景攝影測(cè)量技術(shù)本身需要昂貴的儀器和訓(xùn)練有索的技術(shù)人員。而且，在數(shù)據(jù)獲?。磾z影底片的拍攝與處理）與給出最終成果（模擬或解析處理）之間還有一個(gè)時(shí)間滯差。而實(shí)時(shí)攝影測(cè)量卻能提供一種兼顧了速度與

6、精度的手段，它對(duì)于那些難以接觸的物體（包括動(dòng)態(tài)物體）是特別適用的，這也是此種量測(cè)手段近年來(lái)得到一定程度發(fā)展的主要原因。它是一種響應(yīng)時(shí)間為一個(gè)視頻周期（如1/30秒）的非接觸式的三維量測(cè)技術(shù)。實(shí)時(shí)攝影測(cè)量系統(tǒng)一般包括：一個(gè)或兩個(gè)動(dòng)態(tài)攝像機(jī)（獲取影像的電信號(hào)）、頻數(shù)轉(zhuǎn)換裝置（將電信號(hào)數(shù)字化）、數(shù)字圖像處理設(shè)備（某種影像處理器，從而在高速下實(shí)現(xiàn)影像的改善，其中包括影像增強(qiáng)、邊緣探測(cè)、特征提取、同名點(diǎn)識(shí)別、以及有關(guān)的攝影測(cè)量計(jì)算）、控制裝置和各種輸出設(shè)備（包括監(jiān)視器、打印機(jī)、顯示屏幕、繪圖機(jī)等）。目前的交通信息采集設(shè)備能夠提供的參數(shù)主要有：流率（流量）、占有率、密度、車頭時(shí)距、單個(gè)車輛的速度和車隊(duì)的速

7、度、排隊(duì)長(zhǎng)度、進(jìn)口流量達(dá)到特征、進(jìn)口停車數(shù)、連線旅行時(shí)間、車輛od對(duì)等。上述參數(shù)的采集有的可以直接從采集設(shè)備中獲得，如流量、占有率等，而有的參數(shù)需要按某種原理進(jìn)行推算方可得到：如連線旅行時(shí)間需要通過(guò)離散模型和平均車速進(jìn)行估計(jì)，車輛od對(duì)的信息目前則主要通過(guò)車輛牌照匹配方法來(lái)獲得。當(dāng)然也不是所有類型的檢測(cè)設(shè)備都能提供上述所有參數(shù)。交通信息采集手段經(jīng)歷了從機(jī)械式-光學(xué)式-雷達(dá)-gps近半個(gè)世紀(jì)的不斷探索，但是存在的一個(gè)問(wèn)題是：由于設(shè)備限制往往只能獲得很有限的駕駛員-車輛單元樣本。主要因?yàn)椋赫{(diào)查城市道路上的車輛在一定連續(xù)時(shí)間和空間范圍內(nèi)的位移、速度、加速度等特性參數(shù)，必須要有一種具有較為開(kāi)闊的檢測(cè)空

8、間，同時(shí)也能夠連續(xù)紀(jì)錄多個(gè)交通個(gè)體運(yùn)動(dòng)特征參數(shù)的采集方法，這個(gè)要求在目前已有的檢測(cè)器和交通流數(shù)據(jù)采集方法中均不能達(dá)到。近景攝影測(cè)量技術(shù)的出現(xiàn)為解決這個(gè)問(wèn)題提供了可能。它在交通工程中最為常見(jiàn)的運(yùn)用是進(jìn)行交通事故的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量，其次是利用近景攝影測(cè)量來(lái)捕捉交通個(gè)體的運(yùn)動(dòng)軌跡。許多研究人員26對(duì)通過(guò)攝影測(cè)量技術(shù)進(jìn)行道路交通事故現(xiàn)場(chǎng)快速測(cè)量技術(shù)進(jìn)行了研究。對(duì)于交通事故相關(guān)的攝影測(cè)量技術(shù)運(yùn)用都是對(duì)靜態(tài)場(chǎng)所進(jìn)行攝影測(cè)量，只需要采集一幅或有限的幾幅照片就可以滿足檢測(cè)的需要了。因此，一般處理的對(duì)象是照片而不是視頻文件。當(dāng)考慮利用近景攝影測(cè)量來(lái)捕捉交通個(gè)體的運(yùn)動(dòng)軌跡時(shí)，就需要考慮連續(xù)地處理多幅圖像上的交通個(gè)體，并將

9、各幅照片對(duì)應(yīng)的屬性進(jìn)行關(guān)聯(lián)，才能獲得物體的運(yùn)動(dòng)軌跡。利用近景攝影測(cè)量來(lái)捕捉交通個(gè)體的運(yùn)動(dòng)軌跡的研究在國(guó)內(nèi)還沒(méi)有見(jiàn)到相關(guān)文獻(xiàn)報(bào)道。堪薩斯州立大學(xué)的魏恒7在其博士論文研究中，采用了攝影測(cè)量的方法來(lái)建立基于攝像機(jī)圖像視頻的換車道行為采集模型，并開(kāi)發(fā)了相應(yīng)的采集軟件vevid，該軟件在通過(guò)道路上的一系列已知距離點(diǎn)進(jìn)行標(biāo)定后，可以通過(guò)鼠標(biāo)來(lái)確認(rèn)車輛沿某一街道前進(jìn)的位置。vevid軟件的開(kāi)發(fā)為采集交通流時(shí)空連續(xù)數(shù)據(jù)提供了新的解決思路。vevid將采集空間簡(jiǎn)化為沿道路方向的一維直線，該軟件在處理沿直線道路前進(jìn)的交通個(gè)體時(shí)，這種簡(jiǎn)化是可以接受的。但是，對(duì)于交叉口這樣明顯屬于一個(gè)平面范疇的對(duì)象，該軟件就無(wú)法使用

10、了。作者簡(jiǎn)單應(yīng)用了攝影測(cè)量的方法對(duì)信號(hào)交叉口車頭時(shí)距的混沌現(xiàn)象作了研究8。本文在前面研究的基礎(chǔ)上，系統(tǒng)地建立了信號(hào)交叉口處信息采集系統(tǒng)。從標(biāo)定-攝影-處理-分析的過(guò)程從手，明確了作為交通信息采集手段的攝影方法應(yīng)當(dāng)具備的條件和遵循的過(guò)程。2 新的交通信息采集系統(tǒng)本研究采用近景攝影測(cè)量方法，利用攝像機(jī)采集的圖像，在對(duì)現(xiàn)場(chǎng)標(biāo)定的基礎(chǔ)上和允許的誤差范圍內(nèi)，對(duì)交通系統(tǒng)信息進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和坐標(biāo)位置的處理，建立了基于近景攝影測(cè)量的交通信息采集系統(tǒng)。該采集系統(tǒng)是由攝像機(jī)、皮尺（激光測(cè)距儀）、計(jì)算機(jī)、分析處理軟件組成。(1) 攝像機(jī)攝像機(jī)是用于記錄交通流現(xiàn)場(chǎng)的媒體，它獲得的視頻圖像質(zhì)量將對(duì)測(cè)量的精度產(chǎn)生重大的影響

11、。根據(jù)在攝影測(cè)量中的運(yùn)用，攝像機(jī)也可以分為測(cè)量用攝像機(jī)和非測(cè)量用攝像機(jī)。測(cè)量用攝像機(jī)是為攝影測(cè)量目的而設(shè)計(jì)制造并嚴(yán)格校驗(yàn)的攝影設(shè)備，帶有框標(biāo)，攝影機(jī)內(nèi)方位元素穩(wěn)定，加工精度高、圖像變形小。而非測(cè)量用攝像機(jī)內(nèi)方位元素未知，不帶框標(biāo)，但是價(jià)格低廉，比較普及，攜帶方便靈活。介于量測(cè)用攝像機(jī)和非量測(cè)用攝像機(jī)之間，還分出一種稱為半量測(cè)攝像機(jī)。這種攝像機(jī)設(shè)置有玻璃網(wǎng)格板，能夠校正因底片變形而引起的像素誤差，但是機(jī)內(nèi)沒(méi)有內(nèi)方位元素記錄，因此稱為半量測(cè)攝像機(jī)。數(shù)碼相機(jī)隨著其分辨率的提高而在攝影測(cè)量中得到了大量的運(yùn)用，而高品質(zhì)的數(shù)碼攝像機(jī)的出現(xiàn)使得測(cè)量運(yùn)動(dòng)物體成為可能。隨著電子技術(shù)的發(fā)展，特別是電荷耦合器件（c

12、cd）的加工技術(shù)的提高，數(shù)碼攝像機(jī)已經(jīng)成為攝像機(jī)的主流與發(fā)展方向。先進(jìn)的電子技術(shù)使得高質(zhì)量的圖像獲取已經(jīng)不再成為昂貴的專業(yè)攝影設(shè)備的專利。以電荷耦合器件ccd為代表的數(shù)碼固態(tài)攝像機(jī)具有全固化、體積小、重量輕、不受電磁現(xiàn)象干擾、像元幾何位置精度高、無(wú)需框標(biāo)以標(biāo)定內(nèi)方位元素坐標(biāo)系、無(wú)需標(biāo)準(zhǔn)格網(wǎng)以改正底片變形等優(yōu)點(diǎn)9。特別是生成的視頻信號(hào)可以數(shù)字方式存儲(chǔ)或直接與計(jì)算機(jī)相聯(lián)實(shí)現(xiàn)在線作業(yè)，實(shí)現(xiàn)數(shù)字(而不是數(shù)字化)攝影測(cè)量乃至實(shí)時(shí)攝影測(cè)量。但是，與測(cè)量相機(jī)相比又有芯片像幅小和分辨力有限的明顯缺陷。因此在進(jìn)行攝影測(cè)量時(shí)應(yīng)考慮選擇分辨率高、圖像變形小的攝像機(jī)。本研究中采用的索尼vx2000e型攝像機(jī)屬于3cc

13、d的數(shù)碼攝像機(jī)。該攝像機(jī)采用3個(gè)38萬(wàn)高像素ccd影像感應(yīng)器并應(yīng)用“had”（advanced hole accumulation diode）電子畫質(zhì)提升技術(shù)。3ccd的攝錄放一體機(jī)是通過(guò)特有的三棱鏡把光線分解為3種顏色(紅、綠、藍(lán))，然后經(jīng)過(guò)三塊獨(dú)立的ccd影像感應(yīng)器處理。確保達(dá)到高解像度及精確的色彩重現(xiàn)效果。3ccd影像感應(yīng)器可以原封不動(dòng)地顯示影像的原色，不會(huì)因經(jīng)過(guò)攝像機(jī)演繹而出現(xiàn)色彩誤差的情況。因此3ccd相機(jī)的色彩飽和度及解析度比一般單ccd攝影機(jī)高很多。同時(shí)，該攝像機(jī)還能提供數(shù)碼攝錄系統(tǒng)530線水平解像度，配備超級(jí)光學(xué)防抖系統(tǒng)和配備隔行(interlaced)及逐行（progres

14、sive）兩種影像掃描拍攝模式，這些特征都有助于在攝影測(cè)量時(shí)獲得穩(wěn)定、高清晰度的圖像。(2) 皮尺（激光測(cè)距儀）皮尺主要用于測(cè)量標(biāo)定點(diǎn)的距離，從而為標(biāo)定整個(gè)檢測(cè)區(qū)域的坐標(biāo)服務(wù)。本研究中使用的是長(zhǎng)城牌30m長(zhǎng)的皮尺，測(cè)量精度1cm。還可以使用激光測(cè)距儀來(lái)標(biāo)定已知點(diǎn)坐標(biāo)。常用的是一種體積小、易操作的手持激光測(cè)距儀，通過(guò)簡(jiǎn)單的鍵盤操作即可精確測(cè)量出距離、面積及體積。它的測(cè)量精度為3mm（標(biāo)準(zhǔn)，最大為5mm），測(cè)量距離為0.2m至200m。(3) 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)采用普通微機(jī)，基本配置：cpu主頻2.8g； intel 82865g集成顯示卡，512m內(nèi)存；ieee1494卡；硬盤200g；軟件平臺(tái)為win

15、dowsxp。(4) 分析處理軟件分析處理軟件主要用于分析和處理采集到的視頻數(shù)據(jù)，能夠?qū)⒂^測(cè)到的交通信息輸入到數(shù)據(jù)庫(kù)，同時(shí)可以進(jìn)行分類和屬性描述。分析處理軟件能夠分辨出交通個(gè)體運(yùn)動(dòng)的路線，事件和位置。本研究采用德國(guó)的一款處理軟件。圖1是交通信息采集系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖。圖1 基于近景攝影測(cè)量的交通信息采集系統(tǒng)figure 1 traffic information collection system based on close-range photogrammetry3 實(shí)地應(yīng)用運(yùn)用該信息采集系統(tǒng)，我們進(jìn)行了實(shí)地的交通信息采集。信息采集地點(diǎn)為北京市東城區(qū)蔣宅口交叉口。該交叉口是安定門外大街與和平里北

16、街相交而成。它是城市主干道與城市次干道的交叉口，安定門大街是城市主干道，和平里北街是城市次要道路。其南北方向?yàn)橹鞲傻?，東西方向?yàn)榇胃傻馈Ｖ饕{(diào)查方向選取主干道的東西方向。參見(jiàn)圖2。圖 2 蔣宅口交叉口的平面圖figure 2 layout of jiang zhaikou intersection 采集時(shí)間是2006年4月16日，星期日，天氣晴，攝像時(shí)間為16：00-17：00，共一個(gè)小時(shí)。采集圖像的攝像機(jī)架設(shè)在11樓，使用皮尺和激光測(cè)距儀測(cè)定坐標(biāo)點(diǎn)的距離。定義坐標(biāo)系如圖所示。以北進(jìn)口的停車線為x軸，與其垂直的方向?yàn)閥軸，坐標(biāo)原點(diǎn)選定為機(jī)動(dòng)車道與非機(jī)動(dòng)車道之間的隔離帶上的一個(gè)停車標(biāo)注的立柱基座

17、。攝像機(jī)所攝取到的交叉口范圍為53*40m2。對(duì)測(cè)量精度進(jìn)行了分析實(shí)驗(yàn)。共測(cè)量了28個(gè)特征點(diǎn)的物方坐標(biāo)。其中12個(gè)作為標(biāo)定點(diǎn)，用來(lái)標(biāo)定相應(yīng)的測(cè)量模型，另外16個(gè)作為測(cè)試點(diǎn)檢測(cè)測(cè)量結(jié)果的精度。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，測(cè)量點(diǎn)的距離誤差平均值不大于0.15米，最大距離誤差為0.26m，而沿坐標(biāo)x軸的誤差的在-0.140.09m之間，沿y軸（垂直方向）的坐標(biāo)誤差在-0.030.26m之間。因此，可以直接采用不考慮畸變的標(biāo)定模型來(lái)進(jìn)行信息的采集。在該交叉口處，我們對(duì)每條車道統(tǒng)計(jì)車輛100輛，共統(tǒng)計(jì)了機(jī)動(dòng)車的運(yùn)行軌跡800條。采集情況見(jiàn)表1表1 交叉口機(jī)動(dòng)車軌跡采集情況table 1 sum of vehicula

18、r tracks collection in the intersection前進(jìn)方向樣本量北進(jìn)口-左轉(zhuǎn)100北進(jìn)口-直行第1車道100北進(jìn)口-直行第2車道100北進(jìn)口-直行第3車道100南進(jìn)口-左轉(zhuǎn)100南進(jìn)口-直行第1車道100南進(jìn)口-直行第2車道100南進(jìn)口-直行第3車道100小計(jì)800該系統(tǒng)能夠采集到連續(xù)多輛車的速度、加速度以及行車軌跡等信息。所采集到的結(jié)果能夠?yàn)榭蒲刑峁┖芎玫膸椭?。圖3為根據(jù)采集的左轉(zhuǎn)車加速度數(shù)據(jù)所做的分析圖，體現(xiàn)了加速度的波動(dòng)情況。圖4是根據(jù)采集的直行車輛的車頭間距與速度的關(guān)系圖，體現(xiàn)了車頭間距的混沌現(xiàn)象。圖3 左轉(zhuǎn)車道左轉(zhuǎn)車輛的加速度情況圖4 直行車輛車頭間距與速

19、度的關(guān)系圖4 結(jié)論交通信息采集工作是開(kāi)展交通工程研究，認(rèn)知交通規(guī)律的必要環(huán)節(jié)。功能合理、數(shù)據(jù)準(zhǔn)確的交通信息采集設(shè)施和采集方法是確保信息采集系統(tǒng)正常運(yùn)行的基本條件?；诮皵z影測(cè)量方法對(duì)交通信息進(jìn)行采集，能夠在不接觸被測(cè)試交通個(gè)體的情況下，實(shí)現(xiàn)連續(xù)多個(gè)物體的數(shù)據(jù)記錄，為交通工程的科學(xué)研究工作提供了良好的手段。參考文獻(xiàn)：1. 馮文灝. 近景攝影測(cè)量 m. 武漢:武漢大學(xué)出版社, 20022. 毛明遠(yuǎn), 陳憶九, 劉寧國(guó), 鄒冬華. 應(yīng)用數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量技術(shù)進(jìn)行道路交通事故現(xiàn)場(chǎng)重建j, 中國(guó)司法鑒定. 2007.3:44-473. 詹總謙, 張劍清. 數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量在交通事故現(xiàn)場(chǎng)勘查中的應(yīng)用j. 公路交通科技, 2006, 23: 147-1504. fraser c s, hanley. developments in close- range photogrammetry for 3d modelling: the witness exampler. international workshop: processing and visualization using high- resolution imagery, pi