黃舒慧 陳麗媛 馮晨璐 王月青 黃 凱 周 旦

基于無人機(jī)影像處理的高精度路網(wǎng)渠化信息系統(tǒng)設(shè)計(jì)

黃舒慧 陳麗媛 馮晨璐 王月青 黃 凱 周 旦

（桂林電子科技大學(xué)建筑與交通工程學(xué)院，廣西 桂林 541004）

得益于科學(xué)技術(shù)的迅猛發(fā)展，我國(guó)基建事業(yè)逐漸崛起，在道路建設(shè)方面表現(xiàn)得尤為明顯。舊的人工采集路網(wǎng)渠化信息方式成本高、效率低，相關(guān)行業(yè)人員難以直接獲取，已不能滿足現(xiàn)代化道路建設(shè)需求。文章基于這一問題，對(duì)無人機(jī)遙感影像使用圖像識(shí)別處理技術(shù)，結(jié)合計(jì)算機(jī)算法，搭建信息服務(wù)系統(tǒng)，為用戶提供共享平臺(tái)，從而實(shí)現(xiàn)路網(wǎng)渠化信息資源共享。

路網(wǎng)渠化；信息服務(wù)系統(tǒng)；資源共享；圖像識(shí)別

引言

隨著我國(guó)交通行業(yè)對(duì)道路建設(shè)力度加大，城市道路規(guī)劃及交通組織設(shè)計(jì)需要獲取比以往更復(fù)雜精確的實(shí)時(shí)路網(wǎng)渠化信息，各高校師生也需要依據(jù)這些信息進(jìn)行課程實(shí)踐與研究。目前獲取道路渠化信息多采用人工測(cè)量的方法，耗費(fèi)大量人力物力，且效率低下，同時(shí)出現(xiàn)了數(shù)據(jù)精確度低、數(shù)據(jù)提取不夠穩(wěn)定等問題。人工測(cè)量的方法已經(jīng)難以適用于現(xiàn)代化道路建設(shè)。目前結(jié)合計(jì)算機(jī)算法高效識(shí)別道路圖像信息，并運(yùn)用新的管理手段管理道路信息成為新趨勢(shì)。

道路網(wǎng)渠化信息的高精度自動(dòng)提取成為交通領(lǐng)域的熱點(diǎn)，根據(jù)原理不同，自動(dòng)提取道路方法大致分為基于道路邊緣特征的、基于區(qū)域的和基于多學(xué)科知識(shí)的提取方法[1]。為解決傳統(tǒng)匹配識(shí)別車道標(biāo)線信息精度不高的問題，曹晨潔等[2]提出基于Canny圖像識(shí)別算法的方法，通過該方法能降低車道邊緣冗余特征點(diǎn)，對(duì)車道線識(shí)別效果較好。Canny邊緣檢測(cè)對(duì)周圍環(huán)境依賴性高且時(shí)效性差，胡勝等[3]提出一種基于二次閾值分割的方法，再根據(jù)曲線擬合算法和車道寬度匹配算法，在復(fù)雜道路環(huán)境下，實(shí)現(xiàn)高準(zhǔn)確率的車道線識(shí)別。面對(duì)道路信息資源的管理與共享問題，李文海等[4]提出以地理信息為核心的數(shù)據(jù)共享系統(tǒng)，增強(qiáng)甘肅省交通行業(yè)地理信息數(shù)據(jù)的流通性。

綜上可知，目前我國(guó)道路信息共享系統(tǒng)還在不斷發(fā)展階段，大部分現(xiàn)有交通行業(yè)的信息服務(wù)平臺(tái)服務(wù)區(qū)域有待擴(kuò)展，面向路網(wǎng)渠化信息如車道寬度、坐標(biāo)等信息的服務(wù)系統(tǒng)有待研究。本文將對(duì)無人機(jī)遙感影像使用圖像識(shí)別處理技術(shù)，結(jié)合計(jì)算機(jī)算法搭建信息服務(wù)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)道路渠化信息資源共享。

1 系統(tǒng)分析

路網(wǎng)渠化信息的主要目標(biāo)就是建立一個(gè)方便、快捷、高效、易于管理、通用性好的管理系統(tǒng)。通過對(duì)用戶信息的管理和對(duì)路網(wǎng)數(shù)據(jù)有效地統(tǒng)計(jì)和分析，以保證系統(tǒng)的高效運(yùn)行。本系統(tǒng)組織結(jié)構(gòu)分析基于城市道路交通標(biāo)線采集及信息管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)，在此基礎(chǔ)上建設(shè)城市道路渠化信息管理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)道路交通標(biāo)線管理的科學(xué)化、規(guī)范化和精細(xì)化，建設(shè)更為經(jīng)濟(jì)、高效、安全的道路交通標(biāo)線管理體系。

1.1 組織結(jié)構(gòu)分析

該系統(tǒng)信息管理的組織機(jī)構(gòu)如圖1所示。組織的目標(biāo)責(zé)任如下：管理員主要負(fù)責(zé)產(chǎn)品的系統(tǒng)管理、用戶的密碼管理、路網(wǎng)信息的分區(qū)域管理。系統(tǒng)管理主要負(fù)責(zé)為網(wǎng)站前端顯示的內(nèi)容進(jìn)行后臺(tái)的數(shù)據(jù)支持，這些數(shù)據(jù)是通過后臺(tái)管理軟件錄入和修改的。密碼管理主要負(fù)責(zé)對(duì)用戶的賬號(hào)信息進(jìn)行審核、錄入等。本系統(tǒng)部分功能涉及用戶權(quán)限的管理，因此對(duì)使用本系統(tǒng)的用戶進(jìn)行身份驗(yàn)證是很有必要的。

圖1 路網(wǎng)渠化信息系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

1.2 業(yè)務(wù)流程分析

業(yè)務(wù)流程分析通常用業(yè)務(wù)流程圖（TFD）來表示，用一些系統(tǒng)業(yè)務(wù)流程可以幫助管理員掌握動(dòng)態(tài)信息，從用戶管理、道路渠化信息管理、管理員管理三個(gè)方面對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行全面管理。在用戶管理中，可以對(duì)用戶進(jìn)行優(yōu)先級(jí)管理、對(duì)用戶權(quán)限進(jìn)行管理。在道路渠化信息管理中，可以對(duì)路寬數(shù)據(jù)進(jìn)行查詢、特征點(diǎn)坐標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行查詢、在界面上下載平面圖像。在管理員管理中，可以將信息錄入數(shù)據(jù)庫(kù)、審核用戶上傳的信息、對(duì)公告信息進(jìn)行管理。業(yè)務(wù)流程可以有效地協(xié)助管理員及時(shí)調(diào)整系統(tǒng)各項(xiàng)信息發(fā)布和用戶信息修改等。

圖2 路網(wǎng)渠化系統(tǒng)業(yè)務(wù)流程

1.3 數(shù)據(jù)流程分析

數(shù)據(jù)流分析抽象了一個(gè)組織中的數(shù)據(jù)流，為了識(shí)別和解決數(shù)據(jù)處理中的問題，主要利用數(shù)據(jù)流圖（DFD）展示。數(shù)據(jù)流圖是用一些規(guī)定的符號(hào)和連線來表示，一般按照業(yè)務(wù)流圖中梳理的業(yè)務(wù)流程的順序繪制，數(shù)據(jù)處理過程應(yīng)映射到數(shù)據(jù)流圖中。對(duì)于分支下的每個(gè)業(yè)務(wù)，需要進(jìn)一步展開，通過更全面、細(xì)致的數(shù)據(jù)流圖來優(yōu)化、細(xì)化處理過程，使系統(tǒng)效率最大化。用戶通過用戶請(qǐng)求信息進(jìn)入系統(tǒng)，管理員通過系統(tǒng)管理系統(tǒng)查看注冊(cè)情況，審核用戶信息及上傳的渠化信息。同時(shí)，管理員負(fù)責(zé)將審核過后的渠化信息發(fā)布出來，提供給用戶下載和使用。

現(xiàn)行系統(tǒng)的頂層數(shù)據(jù)流程圖如圖3所示。對(duì)頂層圖中的數(shù)據(jù)流說明如下：

圖3 頂層 DFD

“1”：賬號(hào)名稱；“2”：賬號(hào)密碼；“3”：驗(yàn)證信息；“4”：用戶信息。

（1）第一層數(shù)據(jù)流程圖如圖4所示。圖3中的數(shù)據(jù)流與圖4中的數(shù)據(jù)流相同。

圖4 第一層 DF

（2）第二層數(shù)據(jù)流程圖如圖5所示。

圖5 第二層 DFD

現(xiàn)對(duì)圖5中的數(shù)據(jù)流說明如下：

“6”：審核用戶信息。

“7”：獲得的“6數(shù)據(jù)。

“8”：儲(chǔ)存用戶信息。

1.4 系統(tǒng)模型

本系統(tǒng)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模型如下：實(shí)地調(diào)查后，選定路網(wǎng)區(qū)域，根據(jù)所規(guī)劃的無人機(jī)飛行路徑，置好飛行參數(shù)，進(jìn)行無人機(jī)航拍。將系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模型無人機(jī)采集到的渠化信息，使用圖像識(shí)別提取技術(shù)，并結(jié)合多種算法，進(jìn)行像素點(diǎn)點(diǎn)集并擬合生成渠化線形圖，并通過代碼進(jìn)行坐標(biāo)與車道寬度的計(jì)算，得到精確車道寬度與圖像上各個(gè)點(diǎn)的坐標(biāo)。最后，構(gòu)建信息服務(wù)系統(tǒng)。將所得的道路渠化圖及渠化信息上傳至搭建的路網(wǎng)渠化信息服務(wù)系統(tǒng)，為用戶提供公開的渠化信息，同時(shí)允許用戶上傳符合要求的圖像及數(shù)據(jù)進(jìn)行補(bǔ)充，建立以渠化信息為核心的交通信息服務(wù)與共享體系，并通過一體化的數(shù)據(jù)管理與發(fā)布平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享和信息服務(wù)。

系統(tǒng)邊界分為輸入邊界和輸出邊界。輸入邊界為查詢條件，輸出邊界為各種數(shù)據(jù)表和查詢響應(yīng)輸出。處理方式采用實(shí)時(shí)處理方式。在系統(tǒng)分析中，輸入用戶名及密碼，點(diǎn)擊登錄按鈕完成用戶的身份驗(yàn)證功能。在查詢中，用戶可以利用查詢條件得到需要的信息。如圖6所示。

圖6 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模型

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)與結(jié)果

2.1 系統(tǒng)目標(biāo)設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)采用圖像識(shí)別技術(shù)對(duì)使用無人機(jī)拍攝的交叉口遙感影像進(jìn)行數(shù)據(jù)集的整體提取，再通過坐標(biāo)轉(zhuǎn)化得到該交叉口具體的渠化信息，提高了傳統(tǒng)的交叉口標(biāo)線、車道寬度等渠化信息采集的效率，使整個(gè)獲取渠化數(shù)據(jù)信息的過程更簡(jiǎn)易化。

系統(tǒng)主要功能特點(diǎn)如下：

（1）對(duì)交叉口的遙感影像使用圖像識(shí)別技術(shù)，經(jīng)處理后得到各坐標(biāo)點(diǎn)集，隨即得到具有較高精度的相關(guān)渠化信息數(shù)據(jù)。

（2）用戶可直接在系統(tǒng)中搜索相應(yīng)車道、進(jìn)口道/出口道名稱、交叉口名稱或區(qū)域名即可得到具體化的對(duì)應(yīng)渠化信息數(shù)據(jù)及平面圖。

（3）若系統(tǒng)提供的信息暫時(shí)沒有覆蓋用戶需求的區(qū)域，用戶可自行上傳符合系統(tǒng)要求的相關(guān)遙感影像，系統(tǒng)即可對(duì)其進(jìn)行數(shù)據(jù)處理等操作，為用戶提供對(duì)應(yīng)的渠化信息數(shù)據(jù)。

（4）用戶通過系統(tǒng)得到遙感影像包含的渠化信息數(shù)據(jù)，系統(tǒng)也通過用戶提供的新數(shù)據(jù)進(jìn)行信息的更新和擴(kuò)充。

（5）采用該系統(tǒng)，可使用戶僅通過遙感影像便可進(jìn)行渠化信息數(shù)據(jù)的提取。

2.2 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)

從邏輯層面分析，本系統(tǒng)應(yīng)根據(jù)信息采集、信息降噪預(yù)處理、信息整合處理及信息上傳公布等步驟得以實(shí)現(xiàn)，由此系統(tǒng)的整體框架主要分為圖像識(shí)別模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、前端編輯模塊、信息整合上傳模塊。

系統(tǒng)采用Canny、Harris及Hough等算法的圖像識(shí)別技術(shù)對(duì)處理后的原始遙感影像進(jìn)行車道標(biāo)志標(biāo)線的提取，得到由車道標(biāo)線數(shù)據(jù)集組成的道路渠化平面圖，提取所得數(shù)據(jù)集里的車道特征點(diǎn)并生成橢球坐標(biāo)，將該坐標(biāo)轉(zhuǎn)換成投影坐標(biāo)系后，使用Haver sin公式進(jìn)行車道寬處理與計(jì)算，并獲取道路紅線寬度等道路信息。同時(shí)通過Visual Studio Code前端開發(fā)進(jìn)行編輯，使車道寬度數(shù)據(jù)自動(dòng)生成某路段橫斷面，使渠化數(shù)據(jù)更具象化。

2.3 信息采集

系統(tǒng)信息采集目前分為兩個(gè)途徑：人工采集和用戶自行采集。人工采集主要是系統(tǒng)利用無人機(jī)在目標(biāo)區(qū)域內(nèi)各個(gè)路段選定的地理位置進(jìn)行原始影像的采集，并進(jìn)行下一步的信息整合處理。用戶自行采集主要是由系統(tǒng)用戶上傳自行使用無人機(jī)等拍攝器材得到的原始遙感影像，通過上傳到系統(tǒng)并由系統(tǒng)進(jìn)行后臺(tái)的信息整合與處理。

2.4 信息整合處理

由于道路渠化信息數(shù)據(jù)類型繁多，不同的信息整合程度并不相似，所以需要使用不同的整合處理方法。系統(tǒng)信息整合處理技術(shù)流程包括以下步驟：數(shù)據(jù)集采集、圖像處理、道路標(biāo)線檢測(cè)、道路標(biāo)線識(shí)別、道路信息轉(zhuǎn)換。

CANNY邊緣檢測(cè)技術(shù)用來設(shè)置不同的高低閾值對(duì)圖像信息進(jìn)行邊緣檢測(cè)，從而提取圖像的輪廓。將原本復(fù)制的灰度圖最大限度保留信息的情況下轉(zhuǎn)換為二值圖像，進(jìn)而進(jìn)行其它的操作。首先利用顏色空間轉(zhuǎn)換函數(shù)對(duì)彩色原始遙感影像進(jìn)行預(yù)處理，將RGB圖像轉(zhuǎn)換為灰度圖像，即從三通道圖像RGB轉(zhuǎn)為單通道圖像。系統(tǒng)將顏色影像弱化，既簡(jiǎn)化了圖像所帶信息，也提高了運(yùn)算速度。使用高斯濾波對(duì)灰度圖像的像素點(diǎn)進(jìn)行過濾，使圖像變得相對(duì)平滑。根據(jù)待濾波的像素點(diǎn)及其鄰域點(diǎn)的灰度值按照高斯公式生成的參數(shù)規(guī)則進(jìn)行加權(quán)平均，由此對(duì)整幅圖像本身和鄰域內(nèi)的其他像素值進(jìn)行加權(quán)平均，從而得到圖像內(nèi)得到每一個(gè)像素點(diǎn)的值。

使用Mask掩模技術(shù)對(duì)CANNY邊緣檢測(cè)后的數(shù)據(jù)按位與，保留原圖相中對(duì)應(yīng)感興趣區(qū)域內(nèi)的白色像素值，剔除黑色像素值。Mask掩模可生成一個(gè)與原圖大小維度一致的mask矩陣，并對(duì)照原圖在該mask上構(gòu)建感興趣區(qū)，即所要提取車道標(biāo)線的位置區(qū)域，并初始化為全0，即全黑。生成Mask掩模的作用是降低計(jì)算代價(jià)，即只在用戶感興趣部分進(jìn)行算法的計(jì)算，如后續(xù)的Hough變換檢測(cè)車道線。

對(duì)檢測(cè)到的直線點(diǎn)集（一般采用兩點(diǎn)表示一條直線）采用基于Hough變換的直線檢測(cè)。由于經(jīng)過Hough變換后出現(xiàn)多條線段相互相鄰的情況，所以需要對(duì)直線集合進(jìn)行比較篩選處理，直到得到全部所需要的直線集。即可得到所需要的單個(gè)路段的車道線直線集。

最后再采用最小二乘法將所有需要的直線集進(jìn)行擬合，得到最后的左右車道線。再利用測(cè)量、換算等工具即可得到一系列的渠化數(shù)據(jù)信息。

2.5 信息發(fā)布

系統(tǒng)基于網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)，將網(wǎng)站作為發(fā)布渠道，面向廣大有需求的用戶提供數(shù)據(jù)信息服務(wù)。系統(tǒng)可在商業(yè)模式下運(yùn)作，用戶可結(jié)合自身需求在系統(tǒng)中獲取相關(guān)渠化信息。信息發(fā)布的形式包括文字、表格、圖像等。

2.6 系統(tǒng)模塊描述

系統(tǒng)模塊是整個(gè)系統(tǒng)的主線，將支線上的各個(gè)模塊串聯(lián)起來，形成完整的路網(wǎng)渠化信息系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要對(duì)用戶信息、道路渠化信息、車道信息更新、特征點(diǎn)坐標(biāo)數(shù)據(jù)、渠化信息圖像等方面進(jìn)行管理。普通用戶主界面與管理員的主界面相同，為了限制普通用戶的操作權(quán)限，屏蔽了用戶管理及道路管理的菜單。界面由主窗口與數(shù)據(jù)輸入組件組成，主窗口主要展示城市道路交叉口路寬數(shù)據(jù)，“查看詳情”按鈕用戶可在界面中查找、搜索所需信息，下載使用。界面設(shè)計(jì)如圖7所示。

（1）用戶信息管理。

用戶信息管理包括普通用戶信息管理和管理員信息管理。普通用戶管理中包括用戶名和密碼。在登錄模塊中，輸入用戶名及密碼，點(diǎn)擊登錄按鈕完成用戶的身份驗(yàn)證功能。管理員對(duì)系統(tǒng)的操作用戶信息進(jìn)行管理，包括用戶信息的添加、刪減管理。

（2）道路渠化信息管理。

用戶可在系統(tǒng)主界面中的“查看詳情”按鈕，查看與下載所需的交叉口進(jìn)口道、出口道及各車道的路寬信息、道路交叉口特征點(diǎn)坐標(biāo)信息、包含交叉口渠化信息的平面圖。同時(shí)，管理員將交叉路口路寬數(shù)據(jù)、坐標(biāo)數(shù)據(jù)和交叉路口渠化信息平面圖像上傳生成詳細(xì)的城市道路渠化信息。

（3）車道信息更新管理。

車道信息管理包括路名、車道類型、進(jìn)出口車道方向、車道寬度等信息數(shù)據(jù)，管理員會(huì)根據(jù)實(shí)時(shí)地理信息進(jìn)行數(shù)據(jù)的更新，具體操作包括增加、刪除、修改、查詢等。

（4）特征點(diǎn)坐標(biāo)數(shù)據(jù)管理。

在特征點(diǎn)坐標(biāo)管理中的坐標(biāo)數(shù)據(jù)來源于道路交叉口中的特征點(diǎn)，用戶在系統(tǒng)中查詢城市道路交叉口各個(gè)特征點(diǎn)坐標(biāo)。

（5）渠化信息圖像管理。

渠化信息主要以道路交叉口標(biāo)線信息數(shù)據(jù)為主，是渠化優(yōu)化的關(guān)鍵信息。

圖7 系統(tǒng)用戶搜索界面圖

3 結(jié)束語

路網(wǎng)渠化信息采集與服務(wù)系統(tǒng)基于高性能的大數(shù)據(jù)分布式構(gòu)架，集圖像識(shí)別、數(shù)據(jù)處理及數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)為一體，匯集了道路寬度、車道類型、交叉口特征點(diǎn)坐標(biāo)等渠化信息，提供信息分類、數(shù)據(jù)集中存儲(chǔ)、信息資源共享的高效管理與服務(wù)。通過本系統(tǒng)的建設(shè)，一方面，用戶可直接在系統(tǒng)中查看所需的道路渠化信息，并對(duì)高精度的數(shù)據(jù)及圖像進(jìn)行下載；另一方面，部分實(shí)現(xiàn)了用戶上傳遙感影像及相關(guān)信息數(shù)據(jù)、同時(shí)對(duì)道路渠化數(shù)據(jù)進(jìn)行補(bǔ)充的功能。今后本系統(tǒng)將結(jié)合各個(gè)相關(guān)平臺(tái)或企業(yè)進(jìn)行聯(lián)通合作，將若干城市的渠化服務(wù)信息進(jìn)行整合，構(gòu)成統(tǒng)一完整的、包含更多高精度渠化信息數(shù)據(jù)的信息服務(wù)系統(tǒng)。

[1] 龔婷婷. 高分辨率遙感影像道路提取方法研究[J]. 信息系統(tǒng)工程，2019(11): 126-129.

[2] 曹晨潔，王夏黎，趙嘉興，等. 基于CANNY算法的道路交通標(biāo)線識(shí)別方法[J]. 信息技術(shù)與網(wǎng)絡(luò)安全，2019，38(10): 78-82，92.

[3] 胡勝，黃妙華，陳毅. 基于二次閾值分割和車道寬度匹配的車道線檢測(cè)算法[J]. 汽車技術(shù)，2019(4): 1-6.

[4] 李文海，張士輝. 甘肅省交通運(yùn)輸綜合地理信息平臺(tái)建設(shè)思考[J]. 甘肅科技縱橫，2018，47(11): 8-10，4.

Design of High-Precision Road Network Channelization Information System Based on UAV Image Processing

Thanks to the rapid development of science and technology, China's infrastructure construction is gradually rising, especially in road construction. The old manual method of collecting road network channelized information has high cost and low efficiency, which can no meet the needs of modern road construction, and it is difficult for relevant industry personnel to obtain it directly. Based on this problem, this article uses image recognition processing technology for UAV remote sensing images, combined with computer algorithms, to build an information service system to provide users with a sharing platform, so as to realize road network channelization information resource sharing.

road network channelization; information service system; resource sharing; image recognition

TP315; U491

A

1008-1151(2022)04-0014-04

2022-02-03

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（71861005）；大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練計(jì)劃立項(xiàng)項(xiàng)目（202010595095）。

黃舒慧，女，桂林電子科技大學(xué)建筑與交通工程學(xué)院學(xué)生，研究方向?yàn)榻煌刂频取?/p>