面向路长制管理的道路三维实景巡检管理平台研发

张 翀 谢永强 刘如飞 崔立军

(1. 山东科技大学 测绘与空间信息学院, 山东 青岛 266590;2. 青岛数字世界信息科技有限公司, 山东 青岛 266590;3. 淄博市博山区交通运输局, 山东 淄博 255200)

0 引言

随着地理信息系统技术快速发展,空间数据挖掘技术和方法不断进步,对空间数据的处理与分析变得相对成熟,地理信息系统在智慧城市的各个方面也取得了越来越多的成果。未来地理信息系统(geographic information system,GIS)技术将向着五大技术体系发展,即大数据GIS技术、人工智能GIS技术、新一代三维GIS技术、分布式GIS技术、跨平台GIS技术[1]。道路交通作为最贴近大众生活的领域之一,其GIS的普及程度也越来越广,尤其是近年来网络GIS(WebGIS)技术的出现，推动了基于网络和GIS技术应用系统的开发,以网络为载体,GIS成为道路交通信息传播的重要媒介,各个细分领域的应用相继出现,服务于大众或者政府单位。蒋元义等人[2]依据WebGIS系统的业务和功能需求,提出了一种基于非关系型数据库和瓦片地图技术的WebGIS系统架构并构建了信息管理平台;马洪成等人[3]基于凯西乌姆(Cesium)框架研究了智慧街道三维可视化平台,在苏州城市建设中应用;耿晴等人[4]研究建设GIS云平台、大数据平台,实现海量时空信息数据的高效管理和服务。

可量测实景影像是近年迅速发展起来的高效测绘技术成果。随着社会信息化的快速发展和不同用户个性化需求的增加,传统4D产品已不能完全满足空间信息服务所要求的大信息量、高精度和可视化的需求。可量测实景影像数据作为5D产品,具有现势性、完整性、可判读、可测量、可挖掘等特征。向华等人[5]将可量测实景技术应用在交通巡逻中,提升了巡警指挥调度、交通设施管理、道路渠化优化水平;朱庆等人[6]提出了实景三维空间信息的总体架构与功能组成,探讨了多模态时空大数据高效组织管理、灾害风险信息自适应汇聚与智能服务等关键技术。将可量测实景技术应用到公路上尤其是道路巡检上,可以直观地看到道路破损情况,对病害进行直接量测。

随着技术的进步,数据量的增加,数据种类的增多,高并发访问,GIS平台不再只需要提供传统的二维矢量数据图层发布于管理,需要拿出更加高效可靠的数据管理方法。为了应对海量数据的存储和快速计算,很多分布式存储系统应运而生。蒋园等人[7]将分布式存储技术用于人脸识别,优化图片的存储和索引;郭建朋[8]分析了自动驾驶场景库数据系统的业务需求,整合法斯特(Fast)DFS、ElasticSearch和HBase组件实现数据分布式存储。因此专门针对海量文件存储而设计的FastDFS更加适合道路管理平台需要存储大量图片的需求。

农村公路“路长制”要求建立路长管理组织体系,构建起责任明确、协调有序、监管严格的路长管理机制;强化日常养护管理,实现“有路必养、养必良好”的要求,加强养护管理信息化建设。农村公路作为农村地区重要的基础设施,对农村经济社会发展和城乡一体化建设意义重大。目前农村公路路面破损较多,局部尤为严重,影响行驶质量与通行效率,急需进行精细化管理。

基于以上分析,依据“路长制”需求,本文结合WebGIS技术、可视化技术、可量测实景技术和分布式存储技术设计研发了道路三维实景巡检管理平台,实现道路专题地理信息地图服务应用与共享、巡检成果互联网化应用、三维实景可视化管理,真正实现了农村公路“路长制”全流程信息化管理。

1 系统设计

1.1 架构设计

本系统采用浏览器/服务器模式( Browser/Server,B/S)，主要分为基础数据层、数据管理层、后台逻辑层和浏览器端表现层4层结构。基础数据层包括基础地理信息数据、多源道路专题数据、道路动态巡检数据。数据管理层利用插件将shp图层发到 PostgreSQL数据库进行管理，并通过地图服务器发布图层，采用分布式存储技术管理图片信息。传统的道路管理系统大多在单机上部署或者使用简单的数据库存储，数据管理层解决了数据容易丢失，维护更新困难，查询检索烦琐等问题。后台逻辑采用Java语言开发并结合Mybatis技术实现数据库与前台程序的通信。浏览器端表现层采用HTML、CSS、JavaScript语言开发。系统架构如图1所示。浏览器端表现层通过丰富的可视化手段,解决了传统道路巡检中需要层层上报的困难。将道路信息直观地展示给用户,为巡检人员的巡检和养护作业提供了便利;让各级路长不用去实地,就能掌握道路情况,及时做出处理,发布巡检养护任务,提升了道路巡检养护的工作效率。

图1 系统架构

1.2 功能设计

根据道路三维实景巡检管理平台的建设目标和功能设计,将系统划分为地图展示模块、统计查询模块、道路巡检管理模块和全景展示模块。地图展示模块提供地图总览功能支持基础地图浏览、放大缩小,关键统计信息显示;图层管理功能支持图层显影;地图工具功能提供量测、地图输出、兴趣点搜索等常用功能。统计查询模块提供点击查询功能,单击道路要素显示详细信息;道路查询功能根据用户输入的查询条件在数据库中搜索并以图表展示;道路统计功能统计出指定条件下的道路要素数量、类型信息并以图表展示。道路巡检管理模块提供任务管理、巡检管理、人员管理功能,方便巡检人员查看任务、各级路长下发任务,查看任务完成情况,出勤情况。全景展示模块提供全景量测功能,直接在全景影像上量测道路要素的长度和面积;多期对比功能将不同时期的全景影像进行卷帘展示,方便不同时期的全景影像对比,对道路的养护情况有直观的对比;二、三维联动功能点击不同的全景影像或点击二维地图时,二维地图或全景影像都能切换到对应的位置。平台功能模块体系如图2所示。

图2 系统总体功能

1.3 数据库设计

数据库采用关系型数据库PostgreSQL,结合Geoserver空间数据库实现属性数据和空间数据的统一管理。结合道路情况,将病害按照路面材质分为水泥路面和沥青材质两大类,按病害类型分别建表存储。主要字段为：病害标拾、所属道路标识、病害类型、受损等级、空间坐标信息。具体信息如表1所示。

2 核心技术研发

2.1 分布式存储技术

道路三维实景巡检管理平台,需要存储大量的巡检照片以及全景影像：巡检人员每天巡检200多条道路需要上传的一百多组巡检照片;移动测量车定期采集全景影像,平局每5米拍摄一张,每期全景影像都是几万张。数据量大且更新频繁,使用传统的图片存储方式,无法满足项目的要求。本文采用Nginx+FastDFS分布式文件系统搭建图片服务器使图片和页面的数据分离,从而解决浏览器请求大量图片时给网站带来访问速度下降、性能压力增大等问题。

Nginx是一款开源的HTTP服务器和反向代理服务器,在道路巡检平台中,Nginx主要是作为图片服务器、反向代理服务器以及负载均衡服务器使用。FastDFS是一个开源的轻量级分布式文件系统,基于C语言实现,通过专有接口对文件进行存取访问,其功能包括文件存储、文件同步、文件访问(文件上传、文件下载)等,且充分考虑了沉余备份、负载均衡、线性扩容等机制,并注重高可用、高性能等指标,解决了大容量存储和负载均衡的问题[9]。FastDFS系统架构如图3所示。

图3 FastDFS系统架构

本系统部署四台Linux服务器,分两个集群(group),两台部署跟踪服务器(tracker)进行调度工作起均衡负载的作用,四台部署存储服务器(storage)进行文件存储如表2所示。上传文件按照配置策略优先选择剩余空间大的目录存放文件。每台存储器周期向跟踪器发送状态信息,当用户同时发起请求,服务器根据状态信息轮询分配合适的存储器完成相应的操作。相同group中存储的文件互为备份,空间不够时,增加新的group即可实现线性扩容。

经过实验对比,通过分布式存储方式上传下载图片的速度要明显快于从单台部署在阿里云服务器上上传下载图片的速度。

表2 服务器角色表

2.2 可量测全景技术

道路三维实景巡检管理平台聚焦于道路病害的情况,使用车载移动测量装备可沿着道路快速采集道路两侧的三维空间数据和属性数据,在道路路产部件采集、道路病害巡检分析以及道路地形测量等方面起着重要的作用。引入全景影像可以直观地查看病害信息,但单一的全景影像无法获取距离信息。本文采用一种基于深度图像的可量测全景影像技术,支撑全景平台的开发[10-11]。解决了因工作人员水平能力层次不一致导致的误判、漏判。病害可见、可量化,提升了准确率。

全景量测功能开发技术原始是在球面全景影像上测量时,首先在电脑屏幕上获取鼠标点击位置的像素点坐标(u,v)和球面角度(θ,φ),依据全景姿态参数(φ,ω,κ)把全景图像像素点坐标转换成深度图的像素点坐标(u′,ν′),结合深度图像素的光学三原色(red green blue，RGB)颜色值得到距离d。最后用距离d和球面角度(θ,φ)计算得到鼠标点击位置的全景影像像素位置的三维坐标(x,y,z)即可进行量测。

平台选择Krpano作为全景影像显示引擎。Krpano是一款基于Flash的三维全景播放器[12],它以轻量、灵活和性能高著称,并且具有良好的跨平台特性。实现的功能包括：可量测全景,即在全景影像中对病害进行量测,直接得到病害的长度、面积等损害情况信息。多期全景影像对比,即将不同时期拍摄的全景影像对比,道路病害的养护情况进行直观的展示;二、三维地图联动展示,即全景漫游时实,在左侧二、三维地图中实时显示当前全景影像的位置,了解病害的地图位置信息;系统基于三维全景视图可以对路产、交通标志等道路专题要素进行浏览及定位,实现对各道路专题要素的可视化管理。

2.3 大数据可视化技术

针对道路管理各环节的多样化数据,包括路网信息、路面病害、巡检信息、政策信息等,研发大数据一屏综合展示技术,实现道路综合信息快速调节与重要信息全面展示,建立“早预警、早发现、早报告、早处理”的快速反应机制。

2.3.1 大数据综合展示

大数据一屏综合展示,以Echarts数据可视化进行渲染,前端采用ajax异步技术获取后端动态数据,大数据界面采用弹性布局使页面自适应不同设备。针对巡检过程中发现的巡检问题,以饼状图的方式展示,对全部问题和当月的问题的完成情况有总体概览;针对路面损害数据,分为优良中差以柱状图显示,使用鼠标可上下滑动,了解各条道路情况,更加有针对性的发布巡检任务;道路里程以GIS地图在中间展示,点击年份按钮路网数据与道路里程会一起变化,方便用户了解路网每年的更新情况。由于数据的急速增长和数据的检索需要,需要实时传输数据。传统数据库在存储和检索方面有些许不足之处,大数据展示页面采用分布式搜索引擎ElasticSearch。ElasticSearch可以提供稳定、实时、可靠的检索服务,具有高可用、易扩展以及近实时的特点。

2.3.2 地图专题符号显示

直观准确的地图专题符号可以增加专题地图的表现力。GIS软件内置的地图符号难以对道路巡检平台中数量众多的病害进行准确的表达,同时考虑到地图有频繁缩放操作,图标选用可缩放矢量图形(scalable vector graphics,SVG)格式矢量图标,依照JTG 5421—2018《公路沥青路面养护设计规范》中病害样式及注记标准,制作专题病害符号。采集到的病害路产的属性数据、空间矢量数据利用PostgreSQL的空间插件PostGIS实现数据的存储与管理[13]。将图层信息发布到GeoServer服务器上发布成网络地图服务(web map service，WMS),实现数据的外部访问。通过Geoserver地图服务器的样式控制器编写SLD样式文件,使不同比例尺下的图标都能显示合适的大小。不同路段按照路面的损坏情况生成路面损坏状况指数(pavement condition index, PCI),依据PCI生成热力图,对损坏的情况从轻到重以渐变的颜色进行直观的展示。

3 系统实现

该系统已在淄博市博山区部署并交由淄博市博山区交通运输局使用。博山区位于山东省中部,总面积698 km2,公路里程973 km。总体地势为南高北低,南、东、西三面中低山环绕,森林覆盖率达51.63%。道路多以乡道、村道为主且山路较多,对道路病害信息、道路基础设施损坏情况尤为关注。

在系统功能上,实现了路产病害的数量、属性、位置等信息的统计查询,以图表的形式展现,并支持图表一键导出,为巡检养护提供决策支持。各类管理系统从任务管理、巡检管理、养护管理与人员管理多个层面出发,真正帮助各级路长与巡检人员提高巡检工作的效率,保证巡检工作的质量。最终,将关键信息汇总到大数据一屏展示界面,直观展示了博山区道路的总体情况。

4 结束语

本文依据移动测量车采集的道路数据,基于WebGIS技术,研发了道路三维实景管理平台。以淄博市博山区为例,利用Geoserver地图服务器发布道路相关地图数据,全景影像、巡检照片,点云等大文件通过分布式存储技术存储管理。使用大数据可视化技术将道路关键信息一屏展示,制作道路病害符号使道路专题图更具表现力。研发可量测实景技术,让用户不用去现场就能直接掌握道路情况。研发道路三维实景巡检管理平台,面向“路长制”管理的需求,破解农村道路管理的瓶颈和问题,提升道路管理信息化水平,助力“四好农村路”的建设。项目所需的数据多,对用户的电脑性能有一定的要求。可以采用redis缓存技术,减轻读取的消耗。此外点云采集成本高,采集周期长,无法快捷有效的更新道路数据。