隨著經(jīng)濟的發(fā)展，GIS技術和環(huán)境重構技術已廣泛地應用于城市規(guī)劃、土地管理、電力水利等各行業(yè)中，在交通行業(yè)中的應用更是異軍突起。在早先的應急指揮車中，僅采用了二維GIS，傳統(tǒng)的二維GIS將一維、二維對象垂直投影到二維平面上，存儲它們投影結果的幾何形態(tài)與相互間的位置關系，單純的二維地理信息系統(tǒng)不能真實地描述三維客觀世界。GIS所表達的地理信息是三維連續(xù)分布的，三維GIS能夠很好地表達三維的客觀世界，應急指揮車在車載集成設備的研究中，考慮了三維GIS技術與環(huán)境重構技術集成到應急指揮車中，為高速公路應急救援事件提供有力的技術支撐。環(huán)境重構能提供一種真實環(huán)境世界，再結合三維GIS技術，為高速公路應急救援提供技術支撐，實現(xiàn)對事故快速、有效、真實的做出判斷和處理。三維GIS系統(tǒng)的整體實現(xiàn)采用主題數(shù)據(jù)庫軟件存儲后臺數(shù)據(jù)，同時應用DSP軟件對系統(tǒng)進行二次開發(fā)。三維可視技術使車內(nèi)工作人員能夠構建三維信息空間，實現(xiàn)完備的三維GIS可視化。
一、高速公路三維GIS地圖構建技術研究
1、應急指揮車的采集方式
在應急指揮車安裝采集攝像系統(tǒng)，對現(xiàn)場實景影像和數(shù)據(jù)進行采集。采集到的數(shù)據(jù)通過專用軟件加工，可生成能滿足不同需要的三維空間數(shù)據(jù)庫、專題圖及電子地圖。
2、高速公路實景影像采集和影像庫建立
采集對象包括：高速公路路邊設施、路邊構造物、事故現(xiàn)場等實景影像和空間數(shù)據(jù)。
3、建立高速公路設施和空間數(shù)據(jù)庫
提取的數(shù)據(jù)內(nèi)容包括高速公路現(xiàn)場的空間數(shù)據(jù)和基本屬性信息。通過數(shù)據(jù)提取軟件自動提取，系統(tǒng)對提取的數(shù)據(jù)進行處理，直接生成交通設施的影像和空間數(shù)據(jù)庫。提取到的設施信息可直接和二維地圖數(shù)據(jù)庫連接。
4、建立高速公路設施屬性數(shù)據(jù)庫
通過實景影像提取設施的基本屬性信息。充分利用已有的設施屬性數(shù)據(jù)資源。對缺少的屬性信息進行收集、補充。建立完成的設施屬性數(shù)據(jù)庫，并實現(xiàn)與空間庫和影像庫的銜接。
5、道路精細實景矢量三維電子地圖建立
(1)利用衛(wèi)星影像進行現(xiàn)場模型采集;
(2)利用衛(wèi)星影像對現(xiàn)場貼圖;
(3)利用采集的三維實景影像建立高速公路精細實景矢量三維電子地圖，以支持應用需求。
6、三維電子地圖的更新方式
三維矢量電子地圖系統(tǒng)，可以對已有模型庫進行新增和修改。當現(xiàn)場改變時，可通過對已變化的現(xiàn)場進行實景影像采集和處理，建立三維實景模型，進行三維電子地圖的更新。
二、現(xiàn)場環(huán)境重構技術研究
應急指揮車的現(xiàn)場環(huán)境重構后，直接把這些信息傳遞到應急指揮車內(nèi)，當車輛行駛到新的地點就自動更新地圖，然后將更新的所有信息顯示在導航屏幕上。
研究實時應急場景的真實再現(xiàn)技術，為應急處置現(xiàn)場狀況展現(xiàn)、應急預案效果評估提供支持。課題采用三維掃描儀進行圖像信息的采集，并啟用相關的軟件進行現(xiàn)場環(huán)境的重構。整個環(huán)境重構過程包含了數(shù)據(jù)采集、點云去噪與補洞、點云匹配和表面重建共4個步驟。
1、數(shù)據(jù)采集
數(shù)據(jù)采集可以分為4個步驟：在高速公路現(xiàn)場對周邊環(huán)境、氣候狀況、人員傷亡情況等進行掃描、拍攝等數(shù)據(jù)的提取。
(1)在事故現(xiàn)場，根據(jù)現(xiàn)場實際的情況估計掃描測站應設的站數(shù)和位置，一定要確保掃描區(qū)域有公共部分，并且減少周邊環(huán)境的遮擋，同時也應保證掃描距離在掃描儀的有效范圍之內(nèi)?？刂泣c的布設在掃描檢測站附近。粗設完畢后，按照掃描測站的情況來進行，要保證每一檢測點和至少2個其他檢測點通視，且檢測點通視區(qū)域要盡可能包含所有欲掃描區(qū)域。
(2)保證布設的檢測點精度高，需將控制測量分為平面控制測量及高程控制測量，分別進行測量與平差計算，以獲得高精度的檢測點，并為后續(xù)點的配準提供保證。
(3)根據(jù)掃描的順序，按照一定的方式進行編號，可以從左向右還可以從右向左。
(4)掃描的分辨率要做到1/10，同時為了能夠的掃描。
2、點云去噪及補洞
事故現(xiàn)場采集到的數(shù)據(jù)質(zhì)量較差，含有較大的噪聲，針對現(xiàn)有的散亂點云或者網(wǎng)格模型數(shù)據(jù)運用雙邊濾波或者小波等方法對其進行濾波去噪。點云的補洞利用DSP軟件進行。生成網(wǎng)格模型后，DSP軟件能夠自動識別模型的孔洞，運用手工的方法對其進行補充。
3、點云匹配
點云去噪和補洞之后，即可開始匹配。點云匹配就是將不同時間、不同傳感器或不同條件下獲取的兩點或多點進行匹配、疊加的過程，它已經(jīng)被廣泛地應用于公路、遙控、化工等領域。匹配技術的流程如下：第一，選取特征點，獲取特征值;第二，獲取空間坐標變換參數(shù);第三，根據(jù)坐標轉(zhuǎn)換參數(shù)進行全圖點云匹配。尋求具有良好不變性和準確性的特征提取方法，對于匹配精度至關重要。
4、表面重建
點云的表面重建可以根據(jù)點云數(shù)據(jù)生成準確的三維模型。由于點云本身的離散性.會導致模型有一定的缺陷，需要在三維模型生成之前。根據(jù)不同空間維度的二維模型進行修正，之后合并生成應急處置區(qū)域的數(shù)字三維模型。
公路模型質(zhì)量除了受到點云匹配精度的整體影響外，還受到點云密度的細節(jié)影響。而且由于激光掃描設備動態(tài)中無法保持與地面的法向關系，為了提高測量的準確性，將掃描面網(wǎng)格化，掃描每個網(wǎng)格化后的空間片的中心到設備的距離以及到采樣點的間隔進行分塊，從而集成獲取點云數(shù)據(jù)。
三、應急指揮車基于新技術的仿真應急演練模塊設計
仿真演練系統(tǒng)模塊分為4部分功能，包括：場景設計、驗證、模擬、后評估。場景設計主要是應急流程的圖形化設計公路的各種突發(fā)事件如災害、交通事故及人為破壞的應急救援、應急指揮、應急調(diào)度等進行事件場景的設計及圖形化實現(xiàn)。主要設計要素包括：(1)事件現(xiàn)場交通運行情況;(2)應急救援系統(tǒng);(3)現(xiàn)場發(fā)布系統(tǒng);(4)應急資源等供應系統(tǒng)。編輯完后通過解析方法將規(guī)定的格式實例化。
驗證主要是驗證應急預案流程的可行性，驗證所建立的預案流程是否按照規(guī)定的建模要求建立，通過驗證后滿足應急預案的要求，則進行下一步的模擬工作。如果存在錯誤則需要進一步修改，直到符合應急預案要求后方可進行模擬工作。
模擬模塊是系統(tǒng)的核心部分，其目標是不斷改善面向問題、面向用戶的模塊描述能力和對模型實驗的功能。在不同程度的仿真表達不同問題的習慣語言，方便地與計算機對話，完成建?；蚍抡嬖囼灐７抡娴倪^程包括建立仿真模型和進行仿真試驗2個主要步驟。
后評估模塊是對仿真結束后的進一步分析，應急指揮車內(nèi)技術人員可以基于三維GIS和環(huán)境重構技術，形象直觀地進行操作對預案進行修改完善，最終生成事件的應急處置方案。
四、三維GIS與環(huán)境重構技術在應急指揮車中的應用
基于環(huán)境重構技術快速數(shù)字化事件現(xiàn)場;結合三維GIS系統(tǒng)和應急處置預案系統(tǒng)，實現(xiàn)緊急事件應急處置方案的快速建模、仿真分析，為現(xiàn)場決策提供重要支撐。事件現(xiàn)場數(shù)字化重構系統(tǒng)通過多臺視頻攝像機采集應急指揮現(xiàn)場環(huán)境圖像，應用3層結構的動態(tài)數(shù)字地圖模型作為環(huán)境感知和重構的基礎，將應急場景的真實再現(xiàn)，為應急處置現(xiàn)場狀況展現(xiàn)、應急預案效果評估提供支持。
結合三維CIS技術和環(huán)境重構技術進行仿真分析，同時進行緊急事件應急處置預案的快速建模，基于三維GIS對擬定的方案進行仿真分析，檢驗方案效果，進行預案的完善，運用計算機仿真和虛擬現(xiàn)實技術，將特定事件處置現(xiàn)場在數(shù)字平臺上進行虛擬顯示，從而達到檢驗處置效果、優(yōu)化處置方案的目的，最終生成事件的應急處置決策。
應急預案流程仿真系統(tǒng)側重于流程的流轉(zhuǎn)和展示，意在讓操作者能看到預案流程的整個過程以及每一個細節(jié)，重在對已經(jīng)建立的應急預案流程進行展示和評估?；谏鲜黾夹g的應急指揮車的功能
基于環(huán)境重構與三維GIS的應急指揮車在二維GIS的基礎上，增加了實景三維影像以及環(huán)境重構模擬功能。在高速公路應急事件現(xiàn)場中，通過采集系統(tǒng)將現(xiàn)場圖像進行采集，并通過車內(nèi)系統(tǒng)平臺對圖像進行處理、仿真構建成一個接近于真實現(xiàn)場的模型，在車內(nèi)顯示系統(tǒng)中顯示出來，在應急事件現(xiàn)場，應急指揮車車內(nèi)工作人員可以通過視頻通信終端設備，將事故現(xiàn)場的最新圖像及時傳遞到指揮中心，提供給高層專家、領導，使之迅速做出決策方案，有效地支持了管理和決策等高級應用。
一、高速公路三維GIS地圖構建技術研究
1、應急指揮車的采集方式
在應急指揮車安裝采集攝像系統(tǒng)，對現(xiàn)場實景影像和數(shù)據(jù)進行采集。采集到的數(shù)據(jù)通過專用軟件加工，可生成能滿足不同需要的三維空間數(shù)據(jù)庫、專題圖及電子地圖。
2、高速公路實景影像采集和影像庫建立
采集對象包括：高速公路路邊設施、路邊構造物、事故現(xiàn)場等實景影像和空間數(shù)據(jù)。
3、建立高速公路設施和空間數(shù)據(jù)庫
提取的數(shù)據(jù)內(nèi)容包括高速公路現(xiàn)場的空間數(shù)據(jù)和基本屬性信息。通過數(shù)據(jù)提取軟件自動提取，系統(tǒng)對提取的數(shù)據(jù)進行處理，直接生成交通設施的影像和空間數(shù)據(jù)庫。提取到的設施信息可直接和二維地圖數(shù)據(jù)庫連接。
4、建立高速公路設施屬性數(shù)據(jù)庫
通過實景影像提取設施的基本屬性信息。充分利用已有的設施屬性數(shù)據(jù)資源。對缺少的屬性信息進行收集、補充。建立完成的設施屬性數(shù)據(jù)庫，并實現(xiàn)與空間庫和影像庫的銜接。
5、道路精細實景矢量三維電子地圖建立
(1)利用衛(wèi)星影像進行現(xiàn)場模型采集;
(2)利用衛(wèi)星影像對現(xiàn)場貼圖;
(3)利用采集的三維實景影像建立高速公路精細實景矢量三維電子地圖，以支持應用需求。
6、三維電子地圖的更新方式
三維矢量電子地圖系統(tǒng)，可以對已有模型庫進行新增和修改。當現(xiàn)場改變時，可通過對已變化的現(xiàn)場進行實景影像采集和處理，建立三維實景模型，進行三維電子地圖的更新。
二、現(xiàn)場環(huán)境重構技術研究
應急指揮車的現(xiàn)場環(huán)境重構后，直接把這些信息傳遞到應急指揮車內(nèi)，當車輛行駛到新的地點就自動更新地圖，然后將更新的所有信息顯示在導航屏幕上。
研究實時應急場景的真實再現(xiàn)技術，為應急處置現(xiàn)場狀況展現(xiàn)、應急預案效果評估提供支持。課題采用三維掃描儀進行圖像信息的采集，并啟用相關的軟件進行現(xiàn)場環(huán)境的重構。整個環(huán)境重構過程包含了數(shù)據(jù)采集、點云去噪與補洞、點云匹配和表面重建共4個步驟。
1、數(shù)據(jù)采集
數(shù)據(jù)采集可以分為4個步驟：在高速公路現(xiàn)場對周邊環(huán)境、氣候狀況、人員傷亡情況等進行掃描、拍攝等數(shù)據(jù)的提取。
(1)在事故現(xiàn)場，根據(jù)現(xiàn)場實際的情況估計掃描測站應設的站數(shù)和位置，一定要確保掃描區(qū)域有公共部分，并且減少周邊環(huán)境的遮擋，同時也應保證掃描距離在掃描儀的有效范圍之內(nèi)?？刂泣c的布設在掃描檢測站附近。粗設完畢后，按照掃描測站的情況來進行，要保證每一檢測點和至少2個其他檢測點通視，且檢測點通視區(qū)域要盡可能包含所有欲掃描區(qū)域。
(2)保證布設的檢測點精度高，需將控制測量分為平面控制測量及高程控制測量，分別進行測量與平差計算，以獲得高精度的檢測點，并為后續(xù)點的配準提供保證。
(3)根據(jù)掃描的順序，按照一定的方式進行編號，可以從左向右還可以從右向左。
(4)掃描的分辨率要做到1/10，同時為了能夠的掃描。
2、點云去噪及補洞
事故現(xiàn)場采集到的數(shù)據(jù)質(zhì)量較差，含有較大的噪聲，針對現(xiàn)有的散亂點云或者網(wǎng)格模型數(shù)據(jù)運用雙邊濾波或者小波等方法對其進行濾波去噪。點云的補洞利用DSP軟件進行。生成網(wǎng)格模型后，DSP軟件能夠自動識別模型的孔洞，運用手工的方法對其進行補充。
3、點云匹配
點云去噪和補洞之后，即可開始匹配。點云匹配就是將不同時間、不同傳感器或不同條件下獲取的兩點或多點進行匹配、疊加的過程，它已經(jīng)被廣泛地應用于公路、遙控、化工等領域。匹配技術的流程如下：第一，選取特征點，獲取特征值;第二，獲取空間坐標變換參數(shù);第三，根據(jù)坐標轉(zhuǎn)換參數(shù)進行全圖點云匹配。尋求具有良好不變性和準確性的特征提取方法，對于匹配精度至關重要。
4、表面重建
點云的表面重建可以根據(jù)點云數(shù)據(jù)生成準確的三維模型。由于點云本身的離散性.會導致模型有一定的缺陷，需要在三維模型生成之前。根據(jù)不同空間維度的二維模型進行修正，之后合并生成應急處置區(qū)域的數(shù)字三維模型。
公路模型質(zhì)量除了受到點云匹配精度的整體影響外，還受到點云密度的細節(jié)影響。而且由于激光掃描設備動態(tài)中無法保持與地面的法向關系，為了提高測量的準確性，將掃描面網(wǎng)格化，掃描每個網(wǎng)格化后的空間片的中心到設備的距離以及到采樣點的間隔進行分塊，從而集成獲取點云數(shù)據(jù)。
三、應急指揮車基于新技術的仿真應急演練模塊設計
仿真演練系統(tǒng)模塊分為4部分功能，包括：場景設計、驗證、模擬、后評估。場景設計主要是應急流程的圖形化設計公路的各種突發(fā)事件如災害、交通事故及人為破壞的應急救援、應急指揮、應急調(diào)度等進行事件場景的設計及圖形化實現(xiàn)。主要設計要素包括：(1)事件現(xiàn)場交通運行情況;(2)應急救援系統(tǒng);(3)現(xiàn)場發(fā)布系統(tǒng);(4)應急資源等供應系統(tǒng)。編輯完后通過解析方法將規(guī)定的格式實例化。
驗證主要是驗證應急預案流程的可行性，驗證所建立的預案流程是否按照規(guī)定的建模要求建立，通過驗證后滿足應急預案的要求，則進行下一步的模擬工作。如果存在錯誤則需要進一步修改，直到符合應急預案要求后方可進行模擬工作。
模擬模塊是系統(tǒng)的核心部分，其目標是不斷改善面向問題、面向用戶的模塊描述能力和對模型實驗的功能。在不同程度的仿真表達不同問題的習慣語言，方便地與計算機對話，完成建?；蚍抡嬖囼灐７抡娴倪^程包括建立仿真模型和進行仿真試驗2個主要步驟。
后評估模塊是對仿真結束后的進一步分析，應急指揮車內(nèi)技術人員可以基于三維GIS和環(huán)境重構技術，形象直觀地進行操作對預案進行修改完善，最終生成事件的應急處置方案。
四、三維GIS與環(huán)境重構技術在應急指揮車中的應用
基于環(huán)境重構技術快速數(shù)字化事件現(xiàn)場;結合三維GIS系統(tǒng)和應急處置預案系統(tǒng)，實現(xiàn)緊急事件應急處置方案的快速建模、仿真分析，為現(xiàn)場決策提供重要支撐。事件現(xiàn)場數(shù)字化重構系統(tǒng)通過多臺視頻攝像機采集應急指揮現(xiàn)場環(huán)境圖像，應用3層結構的動態(tài)數(shù)字地圖模型作為環(huán)境感知和重構的基礎，將應急場景的真實再現(xiàn)，為應急處置現(xiàn)場狀況展現(xiàn)、應急預案效果評估提供支持。
結合三維CIS技術和環(huán)境重構技術進行仿真分析，同時進行緊急事件應急處置預案的快速建模，基于三維GIS對擬定的方案進行仿真分析，檢驗方案效果，進行預案的完善，運用計算機仿真和虛擬現(xiàn)實技術，將特定事件處置現(xiàn)場在數(shù)字平臺上進行虛擬顯示，從而達到檢驗處置效果、優(yōu)化處置方案的目的，最終生成事件的應急處置決策。
應急預案流程仿真系統(tǒng)側重于流程的流轉(zhuǎn)和展示，意在讓操作者能看到預案流程的整個過程以及每一個細節(jié)，重在對已經(jīng)建立的應急預案流程進行展示和評估?；谏鲜黾夹g的應急指揮車的功能
基于環(huán)境重構與三維GIS的應急指揮車在二維GIS的基礎上，增加了實景三維影像以及環(huán)境重構模擬功能。在高速公路應急事件現(xiàn)場中，通過采集系統(tǒng)將現(xiàn)場圖像進行采集，并通過車內(nèi)系統(tǒng)平臺對圖像進行處理、仿真構建成一個接近于真實現(xiàn)場的模型，在車內(nèi)顯示系統(tǒng)中顯示出來，在應急事件現(xiàn)場，應急指揮車車內(nèi)工作人員可以通過視頻通信終端設備，將事故現(xiàn)場的最新圖像及時傳遞到指揮中心，提供給高層專家、領導，使之迅速做出決策方案，有效地支持了管理和決策等高級應用。
