基于视频影像的公路地理信息系统的设计与实现

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1、精品论文大集合基于视频影像的公路地理信息系统的设计与实现徐丽霞，杨晓敏，郭晓娴，陈欣欢 长安大学信息工程学院，陕西西安（710064） E-mail: 摘要：针对我国公路基础设施建设与公路管理的现代化程度和技术水平存在严重滞后现象的问题，开发了一种新的基于视频影像的公路地理信息系统，该系统利用公路数字视频影像 的实时采集和处理，实现公路路况监测管理、公路路产编目管理、路面缺陷辅助评估、公路电子地图的建立以及与公路 GIS 系统的集成。该系统将公路的地理位置与路面和周围环境的连续视频影像及描述参数有机地关联起来，从而大大提高公路管理效率和技术水平。初步 实验表明，该检测系统可以满足采集数据实时要

2、求，可靠性高，使用方便，而且能够通过计算机软件对所采视频信息等进行回放分析。因此，可以有效地应用于公路路面的安全监测和 路产管理。关键词：交通工程；地理信息系统；电子地图；公路视频检测系统；视频采集；视频回放0. 引言道路管理中最基本的内容是定期地对道路的路面、沿线设施、地形和周围环境等的形态 及参数信息进行记录和分析，并建立完整而方便查询的档案资料。在目前国内的公路路况管 理系统和公路数据库管理系统中，公路沿线设施和附属物的位置、尺寸和状况都是通过文字 描述或文字描述辅以静态图片来实现的，数据采集和维护工作量大、工作程序非常烦琐，而 且都是分散地由各个管理部门独立地构建和管理，因此，信息的整

3、理、综合分析处理和查询 非常困难，而且相互间信息不能有效地共享，管理效率非常低下。针对上述问题，本项目研制了一种基于视频影像的公路地理信息系统，该系统通过实时 采集公路的地理位置与路面和周围环境的连续视频影像数据，实现了视频影像按时间和里程 推进的播放功能，即基于里程、路产设施、路面特性等内容的多种搜索和定位功能，以及单 帧步进(步退)、快进(快退)、慢进(慢退)等多种视频播放方式，同时在电子地图上实时显示运 动轨迹。1. 总体设计该系统由硬件和软件两部分组成，硬件由线阵 CCD 摄像机、面阵摄像机、高速视频采 集卡、GPS 接收器、汽车速度表、汽车里程表、补光设备、高性能工控机等八部份组成，

4、 利用线阵 CCD 摄像机和面阵摄像机对公路数字视频影像的采集和处理，实现公路路况监测 管理、公路路产编目管理、路面缺陷辅助评估、公路电子地图的建立以及与公路 GIS 系统 的集成。软件是整个系统的核心组成部分。软件主要实现相机及辅助光源控制、图像数据采集、 视频录制及回放、分析、数据库的管理、GIS 控制、GPS 控制、系统容错等功能。该系统基 于视频影像的公路地理信息系统结构如图 1 所示。- 1 -CCD 摄像机补光设备高速视频高采集卡性 能GPS 接收器工汽车里程表控 机汽车速度表视频影像库数据库图 1 基于视频影像的公路地理信息系统结构图2. 系统硬件功能描述2.1 CCD 摄像机及

5、补光设备CCD 摄像机包括一台线阵像机和一台面阵像机，线阵像机用于采集路面图像，而面阵 像机用于采集车行方向的全景图像。在检测车行进的过程中，两台摄像机均以高速采集视频 图像并通过高速视频采集卡压缩成 MPEG 文件。同时为了方便视频图像的管理和查询检索， 将在压缩视频数据流中嵌入标识里程数据、实际里程数据和 GPS 数据。在环境照度比较低 的情况下（例如夜晚），系统自动开启智能补光灯进行补光，以增强图片亮度，保证图片足 够清晰。在强光照射下（例如晴天正午），系统会自动调整相机的成像模式，使用软硬结合 的方法控制图像的曝光，抑制强光影响，保证图片曝光正常，成像清晰。2.2 GPS 接收器、汽车

6、里程表和汽车速度表直接与工控机相连，利用程序设置接收数据时的波特率，该波特率需与发送数据的波特 率相同。软件将收到的 GPS 数据作经纬度提取，并送入数据库。利用汽车里程表和汽车速 度表获取汽车所在位置的里程数据，并存入数据库。视频、GPS 及里程数据采集流程如图 2 所示【1】。CCD 摄像机视频采集卡生成*.MPEG文件视频影像库GPS 接收器提取经纬度信息汽车里程表获取里程信息数据库汽车速度表获取速度信息图 2 视频、GPS 及里程信息采集流程2.3 高性能工控机工控机负责提供系统与外部设备的接口并能通过接口将多种外设的数据提取进来，然后 通过软件实现像机及补光控制、视频录制及回放、路面

7、图像分析、数据库管理、GIS 连接、 GPS 控制、系统容错等功能。3. 软件设计关键技术3.1 系统软件结构设计经过对系统的硬件结构、工作原理进行深入了解及软件需求分析，我们设计了如图 3所示的软件结构模型：图 3 系统软件结构模型操作系统运行在整个软件的最底层，是所有应用程序的运行平台。软件系统由硬件驱动 程序、动态链接库接口程序、基于 Windows 界面的应用程序三部分组成。其中驱动程序则 运行在操作系统的 Ring0 级,直接跟硬件板卡通信，负责对硬件板卡的 IO 控制和数据读写。 动态链接库接口程序是联系应用程序与驱动程序之间通信的桥梁，它封装了一系列板卡操作 函数，为应用程序对硬

8、件进行各种设置和操作提供接口。与用户直接打交道的是基于 Windows 界面的应用软件，应用软件采用 Visual C+开发，由信息采集软件、图像分析软件、 数据库管理软件、GIS 控制软件、信息录入软件、系统维护软件六部分组成。3.2 信息采集软件设计该软件模块主要有汽车速度表，汽车里程表，GPS 接收器以及线阵相机和面阵相机组 成。其功能主要实现 GPS 定位信息，车辆速度，车辆里程数，以及公路数字视频信息的实 时采集和存储。摄像机控制主要包括电子快门和模拟增益的控制，保证摄像机在自然光照条 件变化的情况下背景灰度保持在一个较理想的区域内，恒定的背景便于后期的图像处理和分 析。图像数据的采

9、集包括线阵相机的数据采集和面阵相机的数据采集。线阵相机的线数据采 集速率高达 65Khz，每线为 2048 个像素，每个像素 10 位精度，与计算机之间通过 Camera Line 线进行数据通信。计算机中高性能图像数据采集卡对数据进行连续采集，高性能图像采集卡 将数据采集到自带的缓存中，当缓存处于半满状态时，系统自动调用回调函数对采集到的数 据进行处理，压缩和存储，同时采集卡继续采集数据到另一半缓存中，然后再调用回调函数， 如此往复。面阵相机通过 PCI 图像采集卡进行图像数据的连续采集，压缩和存储。该模块还 可以实现图片的单帧存储功能。线阵相机对路面进行连续的采集，并用相应的算法对数 据进

10、行处理，当检测到路面有破损时，启动单帧存储功能（同时连续存储不停止），为以后 对路面破损信息的观查提供快捷方式。3.3 图像分析软件设计该模块由线阵图像处理和面阵图像处理两部分组成，面阵图像处理主要实现图像数据的 压缩。该项目中我们采用的是MPEG-2视频标准压缩，同时在压缩视频数据流中嵌入标识里 程数据、实际里程数据和GPS数据等信息。线阵图像处理主要是实现路面破损度的检测，利用相应的算法能够对1mm以上的裂缝清晰可辨，所以研究出合理快速的算法是该模块的关键。基于图像处理的道路病害检测方法一般都首先要经过图像获取，然后做一些底层的图像 预处理，再提取目标，最后进行识别归类。下图4是道路裂纹检

11、测的一般步骤【2】。图像获取图像预处理(灰度校正、边缘增强等)目标提取与分析(图像分割，特征提取，骨架分析)识别分类图 4 道路裂纹检测一般步骤在本试验中图像的获取通过车载 CCD 摄像机以正常车速拍摄路面获得。由于光线、摄 像机成像以及病害的强弱等问题，直接从原始图像进行目标提取显得相当困难，因此一般需 要先作适当的预处理，消除图像质量不好带来的不良影响，增强目标等信息，以有利于病害 日标的提取。裂缝目标的提取是检测的关键问题，其直接影响了整个方法的有效性和精确性。虚检和 漏检都会影响整个道路状况的评估。裂缝目标的连接，骨架分析以及病害参数的分析等也是 检测分析的重点。识别分类要识别出最终的

12、裂缝类别，如单条裂缝和网状复杂病害。单条裂缝还要分类出 横向纵向以及斜方向等等。一个完整的道路病害检测系统一般包括一个快速的路面图像采集系统和一个后台数据 处理系统。数据采集为多种传感器和处理系统一体的机动车辆，一般装有路面病害数字图像 采集、前视路况数字视频采集、基于地理信息和 GPS 的定位、路面平整度检测仪、路面车 辙检测仪、通讯协调、电源等系统:数据处理中心为基于海量数据库的智能处理中心。数据 采集车为不影响正常交通要行使在正常车速下，一般要在 70km/h 行驶状态下，自动完成路 面图像、GPS 等数据采集与处理;后台数据处理主要完成病害的检测识别与处理以及病害定 位等等，最后给出综

13、合路面评价报表。3.4 信息录入软件设计信息录入主要包括录入关键帧对应的里程数，路产设施，异常的路面状况等信息，并存 储到关系数据库中，为里程的矫正和图像的快速检索做准备。3.5 信息映射软件设计信息映射主要实现视频帧号与公路里程以及 GPS 定位信息的自动映射。主要利用 GPS 定位信息推算出关键帧之间的里程数，并将该值与自动录入的关键里程进行比较，找出两者 之间的对应关系，从而推算出各视频帧号所对应的里程。3.6 数据库管理软件设计数据库分为关系数据库和视频影像数据库。关系数据库中主要存储了视频图像索引号， 以帧号作为主键，记录了视频图像的基本信息，主要包括：帧号，路产设施，路面状况，经

14、度，纬度，里程数，采集时间等信息。同时可以对关系数据库进行操作如：纪录添加，记录 删除等。视频影像数据库中分别存储面阵相机采集的图像数据和线阵相机采集到的图像数 据，并且可以对图像数据的存储方式和压缩质量进行设定，保证采集的图像数据的大小和图 像视频的清晰度。本项目采用 SQL Server 数据库。数据库接口采用 ADO（ActiveX 数据对 象）的形式，ADO 提供了一个对任意数据源的访问模式,可以使开发者更方便地访问数据。3.7 GIS 控制软件设计GIS 主要实现电子地图与播放界面的交互，在播放端播放视频影像的同时，当前帧所处 的地理位置可以在电子地图上实时显示，同样用鼠标在电子地图上定位的同时，播放端也可 以迅速定位到相应的视频影像上【3】。在电子地图上显示的车辆应可以设置其显示符号、文 本和运行轨迹的式样及颜色，轨迹应根据需要可分成多种形式。该模块还能够实现电子地图 的任意放大、缩小、漫游、分层等基本功能【4】。3.8 视频回放软件设计该模块主要实现如下多种功能：按时间推进和按里程推进的播放功能；视频播放的 多种搜索和定位功能，包括按里程、路产编号、路面特性等；设置录像播放的速度、单帧 步进/步退、前进/后退的跨越帧速；具有放大、缩小、平移、打印等功能。测试界面如图5 所示。4. 结语图 5测试界面研究开发的系统将在我省高速公路的路产管理中应用，主要进行公路