CN107272037A - 一种道路设施位置、图像信息采集装置及采集信息的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种道路设施位置、图像信息采集装置，用于快速同步采集道路设施位置、图像信息。上述采集装置包括车辆主体，用于拍摄照片的照相机、用于记录拍摄照片时相机位置、姿态信息的传感器装置、用于控制设备工作状态及存储数据的工作站、用于给各个设备供电的电源装置。以车辆为载体，采集信息的子装置在车辆运动过程中，控制各个子系统连续采集道路设施照片，并记录照片拍摄时相机的位置、姿态信息。本发明还公开了一种道路设施位置信息采集装置采集道路位置、图像信息的方法。通过对采集得到的影像数据、坐标数据、相机姿态数据进行处理，运用经典测量学中的前方交汇法，提取出道路设施位置信息，并记录该设施的图像信息。

Description

一种道路设施位置、图像信息采集装置及采集信息的方法

技术领域

本发明涉及一种道路设施位置、图像信息采集装置，还涉及采用道路设施位置、图像信息采集装置采集道路设施位置、图像信息的方法。

背景技术

伴随我国各种类型道路的不断建设，道路总里程不断增长，提升道路设施的管理水平非常重要。快速而准确的获取道路设施位置、图像信息，是提高道路设施管理水平的重要保障。

对于道路设施位置、图像信息的获取，传统的方法有人工采集和车（机）载激光扫描雷达（LiDAR）自动采集两种。人工采集法需要大量现场调查人员在外业逐一采集每个道路设施的位置、图像信息，并在内业进行数据汇总，建立空间及属性数据库，劳动强度大，人员成本高，外业工作时有一定的危险，整体而言效率低下，无法满足高效、快速、准确采集道路设施位置、图像信息的要求。车（机）载激光扫描雷达采集法使用激光扫描雷达采集道路设施的激光反射云点数据，配合高性能照相机进行道路设施三维建模，进而获得道路设施位置、图像信息，这种方法采集过程自动化程度高，采集的道路设施坐标精度高，缺点是仪器设备价格高，采集得到的数据量庞大，对仪器操作及数据处理人员要求高。同时该方法采集得到的道路设施坐标，精度远远超过设施管理对设施坐标精度的要求，造成了一定的浪费。

在自动化快速提取道路道路设施位置、图像信息方面，国内做了大量研究，集中在以车辆、无人机为载体的道路信息自动提取技术，然而大部分技术的仪器设备依靠国外进口，成本较高，且采集精度超过道路设施管理对坐标精度的要求。因此，迫切需要开发方便、快捷、高效、低成本提取道路设施位置及图像信息的技术，实现道路设施位置、图像信息的快速提取，完成道路设施的数字化、可视化管理，更好的服务于道路养护单位、政府部门和相关企业。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术存在的不足，提供一种能够快速采集道路设施位置、图像信息的采集装置，可以快速采集道路上、道路两侧一定范围内各种设施的位置、图像信息。

为实现上述目的，本发明道路设施位置、图像信息采集装置采用的技术方案是：

一种道路位置、图像信息采集装置，包括车辆主体，车辆主体安装有用于拍摄车体一侧或多侧照片的一个或多个照相机或摄像头、用于记录照片拍摄时GPS位置的装置、用于记录拍摄照片时相机位置及姿态信息的传感器装置（如GPS传感器、电子罗盘、电子陀螺仪等）、有安装于车内用于控制设备工作状态及进行数据存储的工作站、有安装于车内用于给各个设备供电的电源装置；用于采集信息的子装置与安装在车辆主体内部的工作站通过有线或无线方法连接；工作站内置同步控制子系统，用于对照相机、摄像头、GPS、电子罗盘、电子陀螺仪等设备进行参数设置、动作控制及状态监视；采集所得的影像等数据，可以保存在照相机及各个传感器中，也可以保存在车辆内部的数据存储工作站中；工作站内置数据处理和分析子系统，对影像数据、坐标数据、相机或摄像头姿态数据进行处理，通过半自动或全自动方法提取出道路设施位置、图像信息，并实现道路设施位置、图像信息的存储及管理。

本发明道路设施位置、图像信息采集装置采用的技术原理是：

以车辆为载体，采集信息的子装置在车辆运动过程中，控制各个子系统采集车辆一侧或多侧道路设施照片，并记录照片拍摄时相机的GPS位置、照片拍摄时相机的姿态信息。采集所得的数据，可以保存在照相机及各个传感器中，也可以通过有线或无线方法传输到车辆内部的工作站的数据存储器中。工作站内置数据处理和分析子系统，对影像数据、坐标数据、相机或摄像头姿态数据进行处理。运用经典测量学中的前方交汇法，通过半自动或全自动方法提取出道路设施位置信息，并记录该设施的图像信息。

本发明道路设施位置、图像信息采集装置采用的照相机或摄像头，具有连续高速拍摄高清晰度图像的能力，所拍摄的图像可以通过畸变校正处理，消除镜头畸变对坐标计算产生的影响。

本发明道路设施位置、图像信息采集装置采用的相机姿态信息传感器装置，用于记录拍摄照片时相机的姿态信息，如俯仰角、横滚角、方位角。这些姿态信息参数可以通过电子罗盘、电子陀螺仪等设备获取。

本发明道路设施位置、图像信息采集装置具有安装于车内用于控制各个子系统设备工作状态及进行数据存储的工作站，工作站内置数据处理和分析子系统，对影像数据、坐标数据、相机或摄像头姿态数据进行处理，通过半自动或全自动方法提取出道路设施位置、图像信息，并实现道路设施位置、图像信息的存储及管理。

本发明道路设施位置、图像信息采集装置采用的给各个设备供电的电源装置，具备在车辆行驶中自动充电的功能，以保证长时间续航能力。

所述的摄像头或照相机安装在车辆主体的顶部；所述的GPS定位装置、相机姿态信息传感器装置，安装在车辆主体的顶部或内部。

本发明还提供了一种道路设施位置信息采集装置采集道路位置、图像信息的方法。

为实现上述目的，本发明道路设施位置、图像信息采集装置采集道路位置、图像信息的方法包括以下步骤：

（1）作业准备：搜集测区资料，编写实施方案；

（2）数据采集：首先，进行测前检查；其次，由工作站控制各个采集信息子装置进行数据采集，同步拍摄车体一侧或多侧的照片，记录照片拍摄时相机或摄像头的GPS位置、相机姿态信息，并在采集过程中进行状态监视及数据存储；

（3）数据预处理：对采集得到的照片数据、GPS位置信息、相机姿态信息进行处理和分析，包括图像增强、坐标系的转化（如WGS坐标系转化为高斯直角坐标系）；

（4）道路设施位置信息提取：根据数据预处理得到的结果，对照片拍摄地点进行地图显示；根据照片拍摄地点，选择反映某一道路设施的照片对；依据同一道路设施在不同地点拍摄的照片上位置的不同，根据视差原理，运用经典测量学中的前方交汇法，通过半自动或全自动方法提取出道路设施位置信息，并记录该设施的图像信息；

（5）数据管理：对提取的道路设施位置、图像信息进行编辑、管理和结果输出，最终实现将道路设施位置、图像信息按照系统设置的数据结构建库存放，并可供后续其他系统检索和调用。

本发明与现有技术相比，具有以下优点：

道路设施采集效率高，外业操作全部自动化完成，只需采集车（道路设施位置、图像信息采集装置）在待测段道路上行驶即可完成对该段道路信息的快速获取，同步采集道路设施位置、图像数据，有效降低成本。同时该方法过程简单，操作方便，便于推广普及，因此可定期对道路沿线设施进行巡查。

附图说明

图1是道路设施位置、图像信息采集装置示意图。

图2是道路设施位置、图像信息采集装置采集道路信息的工作原理。

图3是计算道路设施坐标使用的前方交会法定位原理示意图。

图4是采集道路设施位置、图像信息数据处理流程图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式，进一步阐明本发明，应理解这些实施方式仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。

如图1所示为道路设施位置、图像信息采集装置的示意图。道路设施位置、图像信息采集装置，包括以下组成部分：1，车辆主体，安装有以下装置：用于拍摄车体一侧或多侧照片的一个或多个照相机或摄像头、用于记录拍摄照片时相机位置及姿态信息的传感器装置（如GPS传感器、电子罗盘、电子陀螺仪等）、用于控制设备工作状态及进行数据存储的工作站、用于给各个设备供电的电源装置；2、用于拍摄车体一侧或多侧照片的一个或多个照相机或摄像头3、用于记录拍摄照片时相机姿态信息的传感器装置（如电子罗盘、电子陀螺仪等）4、用于控制设备工作状态及进行数据存储的工作站5、用于给各个设备供电的电源装置6、各个采集信息的子装置与安装在车辆主体内部的工作站、电源装置连接7、道路设施位置、图像信息采集装置以车辆为载体，集成多种采集信息子装置，自动获取道路设施位置、图像信息，对车辆行驶位置进行精确测量，实现道路设施位置、图像信息的自动采集及管理，可广泛应用于道路设施位置、图像信息的采集和更新，也可广泛应用于路侧建筑三维建模、街景地图和三维道路导航数据的生产。。

在车辆行进过程中，完成车辆一侧道路图像数据和附属信息数据的采集、处理等工作。电源在车辆行驶中自动充电，以保证长时间续航能力。工作站内置数据处理和分析子系统，对照片数据、坐标数据进行处理和分析，提取出道路设施位置、图像信息，并进行信息的管理。

如图2所示为道路设施位置、图像信息采集装置采集道路信息的工作原理。车辆行进过程中，使用道路设施位置、图像信息采集装置对道路两侧进行连续拍照，同一地物（图中为道路一侧的指示标牌）在不同地点拍摄的照片上的位置不同。根据该视差角度，结合拍照时相机姿态信息，可以计算出道路设施相对照片拍摄地点的方位角，进而根据前方交会法原理计算道路设施的坐标。

如图3所示为是计算道路设施坐标使用的前方交会法定位原理示意图。前方交会法定位是在已知A、B点坐标（x1、y1，x2，y2）的情况下，通过观测角α1和角α2，求出点C坐标（x3，y3）的定位方法，针对图2所示例子采集得到的数据，可以构建如图3所示的几何模型，并得到方程式如公式1、2所示。注意本研究中使用测量坐标系，纵轴向上为x轴正方向，横轴向右为y轴正方向，方位角计算以正北为起点，顺时针方向增加。本研究中直接观测到的是导线的方位角，与传统前方交会定位法测量中观测三角形内角的方法略有不同，但使用的几何原理一致。

（公式1）

（公式2）

整理得到C点的坐标如公式3、4所示：

（公式3）

（公式4）

点C坐标的误差可以根据公式5、6计算：

公式（5）

公式（6）

上式中，为误差估算值，为角度观测误差。

图4是采集道路设施位置、图像信息数据处理流程图。使用道路设施位置、图像信息采集装置对道路两侧进行连续拍照，同步采集GPS信息、相机姿态信息。将采集得到的数据通过有线、无线的方法传输到车辆内部的工作站中。对照片数据进行预处理，删除个别的无效照片。从照片中读取拍照位置的GPS信息，根据用户要求将经纬度格式的地理坐标转换为投影坐标（如高斯克吕格投影），此时即可在地图上显示拍照点的位置。选择拍摄某一道路设施的一对照片，根据记录的相机姿态参数，结合当地磁偏角，计算得到该道路设施相对于照片拍摄点的方位角。根据一对照片的拍照点位置及方位角，运用前方交会法，完成道路设施坐标的计算。将道路设施位置坐标、图像信息存储到数据库中，完成道路设施位置、图像信息的采集。

本发明自主研发了道路设施位置、图像信息采集装置和采集信息的方法，能够自动、高效准确提取道道路设施位置、图像信息，最终完成道路设施的数字化、可视化管理，更好的服务于道路养护单位、政府部门和相关企业。

Claims (5)

1.一种道路设施位置、图像信息采集装置以及采集信息的方法，其特征在于：包括车辆主体，车辆主体安装有用于拍摄车体一侧或多侧照片的一个或多个照相机或摄像头、用于记录照片拍摄时GPS位置的装置、用于记录拍摄照片时相机姿态信息的传感器装置（如电子罗盘、电子陀螺仪等）、有安装于车内用于控制设备工作状态及进行数据存储的工作站、有安装于车内用于给各个设备供电的电源装置；用于采集信息的子装置与安装在车辆主体内部的工作站通过有线或无线方法连接；工作站内置同步控制子系统，用于对照相机、摄像头、GPS、电子罗盘、电子陀螺仪等设备进行参数设置、动作控制及状态监视；采集所得的影像等数据，可以保存在照相机及各个传感器中，也可以保存在车辆内部的数据存储工作站中；工作站内置数据处理和分析子系统，对图像数据、图像坐标数据、相机或摄像头姿态数据进行处理和分析，根据后方交会法原理，通过半自动或全自动方法提取出道路设施位置、图像信息，并实现道路设施位置、图像信息的获取、存储及管理。

2.根据权利要求1所述的道路设施位置、图像信息采集装置以及采集信息的方法，其特征在于：该方法可以快速提取到道路上及道路两侧一定范围内道路设施的坐标及图像信息，且采集作业自动化程度高、成本低廉。

3.根据权利要求1所述的道路设施位置、图像信息采集装置以及采集信息的方法，其特征在于：所述的摄像头安装在车辆主体的顶部。

4.根据权利要求1所述的道路设施位置、图像信息采集装置以及采集信息的方法，其特征在于：所述的记录拍摄影像时相机姿态信息的传感器安装在车辆主体的顶部或车辆主体的内部。

5.根据权利要求1所述的道路设施位置、图像信息采集装置以及采集信息的方法，其采集道路设施位置、图像信息的方法，特征在于包括以下步骤：

（1）作业准备：搜集测区资料，编写实施方案；

（2）数据采集：首先，由工作站控制各个采集信息子装置进行参数设置；其次，由工作站控制各个采集信息子装置进行数据采集，同步拍摄车体一侧或多侧的照片，记录照片拍摄时相机或摄像头的GPS位置、相机姿态信息，并在采集过程中进行状态监视及数据存储；

（3）道路设施位置信息提取：将采集得到的数据通过有线、无线的方法传输到车辆内部的工作站中；对照片数据进行预处理，删除个别的无效照片；从照片中读取拍照位置的GPS信息，根据用户要求将经纬度格式的地理坐标转换为投影坐标（如高斯克吕格投影），此时即可在地图上显示拍照点的位置；选择拍摄某一道路设施的一对照片，根据记录的相机姿态参数，结合当地磁偏角，计算得到该道路设施相对于照片拍摄点的方位角；根据一对照片的拍照点位置及方位角，运用前方交会法，完成道路设施坐标的计算；

（5）数据管理：对提取的道路设施位置、图像信息进行编辑、管理，将结果保存在数据库中；编辑操作包括空间数据编辑以及属性数据编辑；最终实现将道路设施位置、图像信息按照系统设置的数据结构建库存放，并可供后续其他系统检索和调用。