lidar在車輛檢測與智能交通信號控制中的應用探討

1、2 0 11年 2月第 9卷 第 1 期 地 理 空 間 信 息 GEOS P A TI AII NF OR MA r “)Fe b． ． 2 01 1Vo 1 ． 9 ． N0 ． 1L i D A R在車輛檢測與智能交通信號 控制 中的應用探討 胡朝暉， 林 丹 ( 1 ． 武漢大學 遙感信息工程學院 ，湖北 武漢 4 3 0 0 7 9 ；2 ． 江西省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局 贛西地質(zhì)調(diào)查大隊測繪院 ，江西 南昌 3 3 0 2

2、 0 1 )● 摘 要：城 市的交通路 r ． 2 往往是 交通管理的重點難點，傳 統(tǒng)的基 于圖像處理和模 式識別技術(shù) 的交通 流信 息檢測 系統(tǒng)，由于 其安 裝簡單 、獲取 的信 息豐 富、 便 于維護等優(yōu)點 ，已經(jīng)成 為交通檢測的主要發(fā)展方向 ， 但在 實際應用 中還存在許多不足之 處。提 出了一種新 的車輛檢測技術(shù) ，利用地 面三維激光掃描 系統(tǒng)獲取道路車流量點云數(shù)據(jù) ，從而對車流量進行檢 測，實現(xiàn) 全天候 交通信 號控制 系統(tǒng)適

3、應不 同的交通 流，優(yōu)化交通路 口管理，提 高道路通行 能力。關(guān)鍵 詞 ： 智 能 交通 ； L i D A R；車 流量 檢 測 ； 交通 信 號 控 制 中 圖 分 類 號 ：P 2 0 8文獻 標 志 碼 ：B隨著汽車化社會的到來，人們 已經(jīng)意識到單純地 進行 道路基 礎設 施建設 已不可 能從根 本上解 決 目前 交 通 所面 臨的 問題 ，并 開始將 注意 力從 完善 交通設施 和 擴 大路 網(wǎng)規(guī) 模逐 步轉(zhuǎn) 移到運 用 高新

4、技 術(shù)來優(yōu)化 和 管理 現(xiàn)有的交通系統(tǒng)，通過建立高效 、便捷的路 網(wǎng)管理體 系來滿足 日益增長的交通需求 ， 智能交通 系統(tǒng)( I n t e l l i g e n tT r a n s p o r t a t i o nS y s t e m，I T S )正是 在這種 條件 下應運 而 生并得 以迅速發(fā)展 ? 。智 能交通監(jiān)控 系統(tǒng) 的主要 目的是檢 測 交通路 口的車 流量信 息，獲取 實時 、動 態(tài)的 交通模 型 ，并對 道路

5、 車 輛的運 動情 況進行 監(jiān)控 。我 國城 市智能 交通研 究和 交通 路 網(wǎng)的智 能化 水平較 低 ，從 城 市交通信 號 的控 制 方式來看 ，主要 以程序 優(yōu)化 以及 人 工調(diào) 配為主 ，大部 分城 市 的上下 班 高峰 期都要 派 出大量 警 力對 交通路 口進行 疏 導 ，幾乎 所有 重要路 口的 交通信 號控 制 系統(tǒng)都 要人 工 進行調(diào) 配 。由于缺 乏對 動 態(tài)交通 流的 實時感知 能力 、 學 習能力和應 變能力，

6、使得無 法滿足 更 高的智 能 交通控 制 以及城 市 交通 發(fā)展 的需要 。國家未來 的發(fā)展 規(guī) 劃將 繼續(xù)加 大城 市 I T S建設 的投 入：推 廣交通信 息 服務平 臺建設 ，提供 交通信 息 查詢 、交通誘 導等服 務；發(fā)展城 市 智能控 制信 號 系統(tǒng) ，形 成智 能化 的交通指揮 系統(tǒng) ；推 進 大城 市公 共 交通 區(qū)域調(diào)度 和相 應 系統(tǒng)的 建 設 ，加大電子化票務 ( 如不停車收費系統(tǒng) E T C)的建 設與應 用

7、 。交通控 制 的智 能化 將是 解 決城 市道路 交 通擁擠 、提 高行 車安 全和運 輸效 率 的最佳途 徑 ，可 以 說 “ 智 能交通”是 交通運輸進入 信 息時代 的重要 標志 。文 章 編 號 ：l 6 7 2 — 4 6 2 3 ( 2 0 11 )0 l 一 0 1t 4 ． 0 41智能交通信號控 制系統(tǒng) 交通 問題作 為全球 所共 同面對 的 問題 ，引起 了世 界 各 國的高度重視 ， 城 市交通環(huán)境 的 改善 已

8、迫在眉 睫。而改善城 市 交通 不外乎 兩個 方面 ：一 是在控 制車輛 的 數(shù) 量 同時拓 寬現(xiàn)有 的道路和修 建 高等級公路或 多修路 ；二 是 充分利 用現(xiàn)有 的 交通 資源 ，通 過信 息技 術(shù) 、通信 技 術(shù) 、 自動控 制技 術(shù)等使 其發(fā)揮 更 高 的運 轉(zhuǎn)效 率。顯 然 ，采用 傳統(tǒng) 的依 靠擴 大路 網(wǎng)和控 制車輛 增加方 式來 解 決這 些問題都十 分 困難 ，只有借鑒發(fā) 達 國家的經(jīng)驗 ，盡 快開發(fā)應 用能夠改善道路

9、 通行 性 能的系統(tǒng)和產(chǎn)品 ， 才 有 可 能盡快 解決這 一 日益嚴 重 的問題 ?，F(xiàn)代 城 市交通 的智 能控 制 與管理 ( UT C S )是智 能 交通 系統(tǒng) 的重要 組 成 部 分 ，而 交 叉 路 口 的通 行 能 力 又是 決 定 道 路 通 行 的 關(guān)鍵 所在 ，若對城 市 交通 網(wǎng)絡 的 交叉 口信 號控 制 系統(tǒng) 進行 協(xié)調(diào)優(yōu) 化控 制 ，可 緩解 擁堵 區(qū)域 的交通壓 力 ，使 交通 流量在 整 個城 市范 圍

10、內(nèi)的分 配趨 于合理 ，降低或 消 除對道路 的瓶 頸影 響 ，提 高道路 的通 行 能力和服 務 水 平。所 以 ，城 市交通控 制 的核 心在 于如何根據(jù) 交通 需 求來合 理分 配 交通 資源 ， 提 高通行 效率 。 I T S的研 究 目標為 ：以提 高現(xiàn)有 交通設 備 利用效 率為主要 目標 的 先進交通管理 系統(tǒng)、信 息服務 系統(tǒng)、自動收費系統(tǒng)和 實現(xiàn) 合理 交通 結(jié)構(gòu) 為 中心的先 進 的公 交 交通 系統(tǒng) ；以 實現(xiàn)先

11、 進的 車輛控 制 系統(tǒng) 和先 進 的公 路 系統(tǒng) 為 目標 的 著眼未來 的部分 。其 中，車輛檢 測和識 別是 I T S服 務領(lǐng)域 的應 用基礎 ，它是 I T S系統(tǒng) 重要 信 息的來源 。收 稿 日期 ：2 0 t 0 一 l 0 — 2 9項 目來 源 ：衙 工 、 I洲 鞋 ?客 洲 繪 局 幣 ^ 嶺 爺 玎放 助 壩 l _ ( 2 0 0 9 — 4 1 ) 。· l 1 6·地 理 空 間

12、信 息 第 9卷第 1 期 超 聲 波檢 測的性 能隨環(huán) 境 變化 和 氣候影 響 而降低 ， 當風速 6 級以上時， 超聲波產(chǎn)生漂移而無法正常檢測： 探 頭下 方通過 的人 或物也 會產(chǎn) 生反射 波，造 成誤檢 。微 波多普勒檢測雖在惡劣天氣下有較好的性 能，但不能檢 測靜止 或低 速行駛 的車輛 ；可見光檢 測會 面對 大型 車輛遮擋隨行的小型車輛 ，陰影和積水反射或晝夜轉(zhuǎn) 換 可造 成檢 測誤差 ；紅外檢 測 則在 大雨或 大雪

13、 天氣條 件 下性 能差 ，受 大氣 中的粉 塵或 懸浮 顆粒 的影 響； 波 頻車輛檢測器已成為 目前使用量僅次于感應線圈車輛 檢 測器 的一種檢 測 器。3 )視頻 車輛檢 測器。視頻檢 測 器是基 于視頻 圖像 的檢測技術(shù)， 也被稱為計算機圖像處理或人工視 覺， 是 一 種 基 于視頻 圖像 和模 式識 別的技 術(shù)。利 用視頻 攝像 機 實時獲取道 路車 流 圖像 信 息 ，通 過光 流法 、背景法 和 幀 間差法對 車輛進 行提

14、取 ，視 頻檢 測技 術(shù)為無 數(shù) 的實際應用提 供 了工作 平 臺。視 頻檢 測技 術(shù)應 用 于交通 領(lǐng)域 已經(jīng)越來 越廣 泛 ，這種 檢 測方 法省去 了埋設 和維 護感 應 線 圈所需要 的 高額 費用，并且仍 可 以獲得 大 區(qū)域范圍內(nèi)的車輛檢測數(shù)據(jù)和交通參數(shù) ，從而引起 了國內(nèi)外 的廣泛研 究 與傳 統(tǒng)接觸 式檢 測方 法 比較 ，這類 非接 觸 式檢 測方 法的安 裝 工程 量 小 、檢 測 范圍大 、系統(tǒng) 可靠 性 高，是一

15、種 很有 前途 的車輛 檢 測方 式。但視 頻檢 測還 存在 很 多不足有 待 改進 ，如視 頻監(jiān) 控在 惡劣 天氣條 件 ( 暴 雨 、大霧 、雪和 雷 電 )下難 以對 背景進 行 建模 ；在 道路積 水 ，夜晚 的檢測精度 和可 靠性很低 ；而且在 交通 場景 中，還存 在 著車輛之 間相 互遮擋 的 問題嚴重影響 目 標的分割；以及車燈產(chǎn)生的眩光導致圖像灰度分布不均勻等。2L i D A R在 車輛檢測 與智 能交通信號控制 中

16、的應 用 2 ． 1 地面 三維激 光掃描 系統(tǒng) 激 光 雷 達 ( L i D AR — L i g h tD e t e c t i o na n dR a n g i n g )是 一 種 高精 度 的激光 測量技 術(shù) ，其 基本 原理是 利用 激光 器發(fā)射 激光脈 沖信 號 ，探 測 器接 收 前方物 體反射 的 光 脈沖信 號 ，通 過測 定光脈 沖發(fā)射 和接 收 的時 間差來確 定前方 物體 的距 離 ( 或運 行速度)

17、， L i DA R是繼 G P S以 來在 測繪領(lǐng) 域 的叉 一次技 術(shù)革 命 。地 面三 維激光掃 描 系統(tǒng)類似 于傳 統(tǒng)測 量 中的全站儀 測量 ，系統(tǒng) 由一 個 激光掃 描儀 集成 一個 內(nèi)置 或外 置的數(shù)碼相 機 和配套 的 軟件控 制 系統(tǒng)及 電源組 成 ，并聯(lián)合 G P S進行 作業(yè) ，它 與全站 儀 的不 同之處在 于 固定 式掃描 系統(tǒng)采 集 的數(shù) 據(jù) 不是 離散的單點三維坐標， 而是實體表面一 系列的 “ 點 云”數(shù)

18、據(jù) 。這 些點云數(shù)據(jù) 可 以直接 用 來進行 三 維建模 ，數(shù)碼 相機 的功 能是提供 對應 掃描 點云數(shù) 據(jù) 的紋理信 息 和 實體 的邊緣 信 息 [ 7 1 。2 ． 2L i D A R在智能交通信號控制系統(tǒng)中的應用 目前 汽車 系統(tǒng)設 計師 已經(jīng)開發(fā)成熟 的L i D A R系統(tǒng) ，可 以根據(jù) 道路 交通 情 況 自動 地控制 汽車速度 和 剎車 系統(tǒng) ，這 樣的 系統(tǒng)還 能動 態(tài)地 控制 與其他 汽車和 障礙物 的距 離，甚

19、 至 能管理像 氣 囊這樣 的安全 功 能，該技 術(shù) 的發(fā)展 大大提 高 了駕駛 員的舒適性 和安全 性 。在城 市重要交通路 口的信號控制系統(tǒng) 中集成一個 地 面三維激 光掃描 系統(tǒng) ，通 過地 面三 維激光掃描 儀對 道 路一定距 離 ( 如 3 0 0 m道路 長度 ) 進行連續(xù)掃描 ， 可 以獲得 道路 上 的 實時、動 態(tài)的車 流量 點云數(shù)據(jù) ，通過 對 原 始車 流量 點云數(shù) 據(jù)進行 去 噪 、平 滑 、分割 及濾 波 等操

20、作 ，接 著進行 高程 的重 建和數(shù) 據(jù) 內(nèi)插 ，從 而可 以 等到 高精 度 的車 流 D E M 數(shù)據(jù) ，利用 這些車流 D E M 數(shù) 據(jù) 可 以獲取 道路 車輛到 達信 息 ( 車流量 、道路 占有率 、排 隊長度 等參數(shù) ) ， 并與 其他 檢 測設 備聯(lián)機 處理形成控 制 方案 ，從 而連 續(xù) 實時調(diào)整 周期 、綠信 比和相位 差 以 適應 不同的 交通 流 。 城 市道路 一般都 比較 寬敞平坦 ， 信 號控 制 系統(tǒng) 也

21、 安置在 重要 的道路 交叉 口，這樣 可 以預 先獲取 路 面 高程 并在 系統(tǒng) 中預設 初始 值 。而車輛都有 一 定的 大小和 高度 ，即使是 最矮 的私 家小汽 車至 少也 有 1 5c m 的 離地 高度 ，相 當于 車輛的 高程要 比路 面的 高程 高出 1 5c m 以上 ，根 據(jù)獲取 的道路 車流點 云數(shù)據(jù) 量 的 大小、 高程值 和 道路 占有 率可 以計算 出道路 上的 車 流量信 息 ，根據(jù) 對 東西向并 口 南北

22、 向車流量 大 小的比 較 以及短 暫車 流量預 測 ，從 而 自動調(diào) 節(jié) 東西向和 南北 向信 號燈周 期 ，其 工作方 式如 圖 1所示 。例如 ，在一 個 十字路 口，根 據(jù)獲 取 的道路 點云數(shù) 據(jù)發(fā)現(xiàn) 南北向車 道 的車流量較 大，并且在 未來 1 0s ． 3 0S 之 間會 出現(xiàn)車 流 小 高峰 ，而在此 時 間段 內(nèi)， 東西方向 的車 流量相對 要 少的多 ，在 未來 3 0S內(nèi)不會 出現(xiàn)車流 高峰 ，這 時 系統(tǒng)就 可

23、 以 自動調(diào) 節(jié)信 號等待 時 間 ， 自動 延長 南北方 向 的車輛通行 時間，而讓東西方向的車流進行等待。而其最 大亮點在可 以預測 未來 3 0s 時 間 內(nèi)的車流量 大小，通過對 南北 向和 東西向道路 一定距 離 ( 例 如 1 0 0 m一 3 0 0m 的道路 長度 )上車 流量的檢 測可 以預 測未來 的短 暫 車輛 排 隊長度 ，從 而 自動調(diào) 節(jié)紅綠 燈周 期，如果 某一 方向 的車流 量很 大 ，而另一 方向 的車