基于近景攝影測量的交通信息采集系統(tǒng)

1、基于近景攝影測量的交通信息采集系統(tǒng)摘要：針對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量方法的交通信息采集系統(tǒng)，詳細闡述了系統(tǒng)的重要組成單元，功能和特點。系統(tǒng)經(jīng)過標定、攝影、分析處理等過程，能夠準確地連續(xù)采集大空間范圍內(nèi)的多個交通物體的行駛軌跡、速度、加速度、車頭間距等參數(shù)。實地應(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，是未來交通信息采集的趨勢。關(guān)鍵詞：近景攝影測量；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攝影測量就是對研究對象進行攝影，根據(jù)所獲得的構(gòu)像信息，從幾何和物理方面進行分析研究，從而對所攝對象的本質(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)。其實質(zhì)是要根據(jù)像點的位置推求出物點的位置1。近景攝影測量作為攝影測量的一個分支，是指在近距離中對被研究的對象進行攝影，量測其像片坐標，用直接線性變

5、換關(guān)系式，在已知一定數(shù)量控制點的條件下，按最小二乘法平差原理，由像片坐標直接解算得到目標的三維空間坐標。由于近景攝影測量精度較高，測量速度快，而且整個量測系統(tǒng)裝備簡易，價格低廉，輕便靈巧，具有較好的通用性，因而不失為一種先進的量測手段。1 近景攝影測量方法及在交通中的應(yīng)用按照應(yīng)用方法，近景攝影測量方法可以分為模擬法近景攝影測量、解析法近景攝影測量以及數(shù)字近景攝影測量（又稱實時攝影測量）三種1。模擬法和解析法近景攝影測量技術(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）之間還有一個時間滯差。而實時攝影測量卻能提供一種兼顧了速度與

6、精度的手段，它對于那些難以接觸的物體（包括動態(tài)物體）是特別適用的，這也是此種量測手段近年來得到一定程度發(fā)展的主要原因。它是一種響應(yīng)時間為一個視頻周期（如1/30秒）的非接觸式的三維量測技術(shù)。實時攝影測量系統(tǒng)一般包括：一個或兩個動態(tài)攝像機（獲取影像的電信號）、頻數(shù)轉(zhuǎn)換裝置（將電信號數(shù)字化）、數(shù)字圖像處理設(shè)備（某種影像處理器，從而在高速下實現(xiàn)影像的改善，其中包括影像增強、邊緣探測、特征提取、同名點識別、以及有關(guān)的攝影測量計算）、控制裝置和各種輸出設(shè)備（包括監(jiān)視器、打印機、顯示屏幕、繪圖機等）。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、車頭時距、單個車輛的速度和車隊的速

7、度、排隊長度、進口流量達到特征、進口停車數(shù)、連線旅行時間、車輛od對等。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)需要按某種原理進行推算方可得到：如連線旅行時間需要通過離散模型和平均車速進行估計，車輛od對的信息目前則主要通過車輛牌照匹配方法來獲得。當然也不是所有類型的檢測設(shè)備都能提供上述所有參數(shù)。交通信息采集手段經(jīng)歷了從機械式-光學(xué)式-雷達-gps近半個世紀的不斷探索，但是存在的一個問題是：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。主要因為：調(diào)查城市道路上的車輛在一定連續(xù)時間和空間范圍內(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闊的檢測空

8、間，同時也能夠連續(xù)紀錄多個交通個體運動特征參數(shù)的采集方法，這個要求在目前已有的檢測器和交通流數(shù)據(jù)采集方法中均不能達到。近景攝影測量技術(shù)的出現(xiàn)為解決這個問題提供了可能。它在交通工程中最為常見的運用是進行交通事故的現(xiàn)場測量，其次是利用近景攝影測量來捕捉交通個體的運動軌跡。許多研究人員26對通過攝影測量技術(shù)進行道路交通事故現(xiàn)場快速測量技術(shù)進行了研究。對于交通事故相關(guān)的攝影測量技術(shù)運用都是對靜態(tài)場所進行攝影測量，只需要采集一幅或有限的幾幅照片就可以滿足檢測的需要了。因此，一般處理的對象是照片而不是視頻文件。當考慮利用近景攝影測量來捕捉交通個體的運動軌跡時，就需要考慮連續(xù)地處理多幅圖像上的交通個體，并將

9、各幅照片對應(yīng)的屬性進行關(guān)聯(lián)，才能獲得物體的運動軌跡。利用近景攝影測量來捕捉交通個體的運動軌跡的研究在國內(nèi)還沒有見到相關(guān)文獻報道?？八_斯州立大學(xué)的魏恒7在其博士論文研究中，采用了攝影測量的方法來建立基于攝像機圖像視頻的換車道行為采集模型，并開發(fā)了相應(yīng)的采集軟件vevid，該軟件在通過道路上的一系列已知距離點進行標定后，可以通過鼠標來確認車輛沿某一街道前進的位置。vevid軟件的開發(fā)為采集交通流時空連續(xù)數(shù)據(jù)提供了新的解決思路。vevid將采集空間簡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的交通個體時，這種簡化是可以接受的。但是，對于交叉口這樣明顯屬于一個平面范疇的對象，該軟件就無法使用

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

11、。根據(jù)在攝影測量中的運用，攝像機也可以分為測量用攝像機和非測量用攝像機。測量用攝像機是為攝影測量目的而設(shè)計制造并嚴格校驗的攝影設(shè)備，帶有框標，攝影機內(nèi)方位元素穩(wěn)定，加工精度高、圖像變形小。而非測量用攝像機內(nèi)方位元素未知，不帶框標，但是價格低廉，比較普及，攜帶方便靈活。介于量測用攝像機和非量測用攝像機之間，還分出一種稱為半量測攝像機。這種攝像機設(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，但是機內(nèi)沒有內(nèi)方位元素記錄，因此稱為半量測攝像機。數(shù)碼相機隨著其分辨率的提高而在攝影測量中得到了大量的運用，而高品質(zhì)的數(shù)碼攝像機的出現(xiàn)使得測量運動物體成為可能。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)碼攝像機已經(jīng)成為攝像機的主流與發(fā)展方向。先進的電子技術(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、無需框標以標定內(nèi)方位元素坐標系、無需標準格網(wǎng)以改正底片變形等優(yōu)點9。特別是生成的視頻信號可以數(shù)字方式存儲或直接與計算機相聯(lián)實現(xiàn)在線作業(yè)，實現(xiàn)數(shù)字(而不是數(shù)字化)攝影測量乃至實時攝影測量。但是，與測量相機相比又有芯片像幅小和分辨力有限的明顯缺陷。因此在進行攝影測量時應(yīng)考慮選擇分辨率高、圖像變形小的攝像機。本研究中采用的索尼vx2000e型攝像機屬于3cc

13、d的數(shù)碼攝像機。該攝像機采用3個38萬高像素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的攝錄放一體機是通過特有的三棱鏡把光線分解為3種顏色(紅、綠、藍)，然后經(jīng)過三塊獨立的ccd影像感應(yīng)器處理。確保達到高解像度及精確的色彩重現(xiàn)效果。3ccd影像感應(yīng)器可以原封不動地顯示影像的原色，不會因經(jīng)過攝像機演繹而出現(xiàn)色彩誤差的情況。因此3ccd相機的色彩飽和度及解析度比一般單ccd攝影機高很多。同時，該攝像機還能提供數(shù)碼攝錄系統(tǒng)530線水平解像度，配備超級光學(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量時獲得穩(wěn)定、高清晰度的圖像。(2) 皮尺（激光測距儀）皮尺主要用于測量標定點的距離，從而為標定整個檢測區(qū)域的坐標服務(wù)。本研究中使用的是長城牌30m長的皮尺，測量精度1cm。還可以使用激光測距儀來標定已知點坐標。常用的是一種體積小、易操作的手持激光測距儀，通過簡單的鍵盤操作即可精確測量出距離、面積及體積。它的測量精度為3mm（標準，最大為5mm），測量距離為0.2m至200m。(3) 計算機系統(tǒng)采用普通微機，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^測到的交通信息輸入到數(shù)據(jù)庫，同時可以進行分類和屬性描述。分析處理軟件能夠分辨出交通個體運動的路線，事件和位置。本研究采用德國的一款處理軟件。圖1是交通信息采集系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖。圖1 基于近景攝影測量的交通信息采集系統(tǒng)figure 1 traffic information collection system based on close-range photogrammetry3 實地應(yīng)用運用該信息采集系統(tǒng)，我們進行了實地的交通信息采集。信息采集地點為北京市東城區(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。其南北方向為主干道，東西方向為次干道。主要調(diào)查方向選取主干道的東西方向。參見圖2。圖 2 蔣宅口交叉口的平面圖figure 2 layout of jiang zhaikou intersection 采集時間是2006年4月16日，星期日，天氣晴，攝像時間為16：00-17：00，共一個小時。采集圖像的攝像機架設(shè)在11樓，使用皮尺和激光測距儀測定坐標點的距離。定義坐標系如圖所示。以北進口的停車線為x軸，與其垂直的方向為y軸，坐標原點選定為機動車道與非機動車道之間的隔離帶上的一個停車標注的立柱基座

17、。攝像機所攝取到的交叉口范圍為53*40m2。對測量精度進行了分析實驗。共測量了28個特征點的物方坐標。其中12個作為標定點，用來標定相應(yīng)的測量模型，另外16個作為測試點檢測測量結(jié)果的精度。實驗結(jié)果表明，測量點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x軸的誤差的在-0.140.09m之間，沿y軸（垂直方向）的坐標誤差在-0.030.26m之間。因此，可以直接采用不考慮畸變的標定模型來進行信息的采集。在該交叉口處，我們對每條車道統(tǒng)計車輛100輛，共統(tǒng)計了機動車的運行軌跡800條。采集情況見表1表1 交叉口機動車軌跡采集情況table 1 sum of vehicula

18、r tracks collection in the intersection前進方向樣本量北進口-左轉(zhuǎn)100北進口-直行第1車道100北進口-直行第2車道100北進口-直行第3車道100南進口-左轉(zhuǎn)100南進口-直行第1車道100南進口-直行第2車道100南進口-直行第3車道100小計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)果能夠為科研提供很好的幫助。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展交通工程研究，認知交通規(guī)律的必要環(huán)節(jié)。功能合理、數(shù)據(jù)準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)正常運行的基本條件。基于近景攝影測量方法對交通信息進行采集，能夠在不接觸被測試交通個體的情況下，實現(xiàn)連續(xù)多個物體的數(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：1. 馮文灝. 近景攝影測量 m. 武漢:武漢大學(xué)出版社, 20022. 毛明遠, 陳憶九, 劉寧國, 鄒冬華. 應(yīng)用數(shù)字攝影測量技術(shù)進行道路交通事故現(xiàn)場重建j, 中國司法鑒定. 2007.3:44-473. 詹總謙, 張劍清. 數(shù)字攝影測量在交通事故現(xiàn)場勘查中的應(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