本發(fā)明涉及公路安全防護(hù)
技術(shù)領(lǐng)域：
，具體涉及一種基于gps運(yùn)動(dòng)攝像機(jī)數(shù)據(jù)確定道路圓曲線(xiàn)半徑及行車(chē)視距的方法。
背景技術(shù)：
：研究公路安全問(wèn)題時(shí)，需要測(cè)量實(shí)際道路的圓曲線(xiàn)半徑及行車(chē)視距。在中華人民共和國(guó)交通運(yùn)輸部發(fā)布的《公路安全生命防護(hù)工程實(shí)施技術(shù)指南》及《公路項(xiàng)目安全性評(píng)價(jià)規(guī)范》(jtgb05-2015)中，對(duì)不同設(shè)計(jì)速度情況下的道路圓曲線(xiàn)最小半徑以及視距均有明確要求。但在工程實(shí)踐中，缺乏快速有效的道路圓曲線(xiàn)半徑以及行車(chē)視距的測(cè)量方法。在現(xiàn)有的公路技術(shù)指標(biāo)簡(jiǎn)易測(cè)量方法中，測(cè)量彎道半徑的方法是人工通過(guò)皮尺在現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量進(jìn)行多次測(cè)量比對(duì)；視距則是使用輪式測(cè)距儀沿車(chē)道中心線(xiàn)進(jìn)行多次測(cè)量比對(duì)，兩種方式皆效率較低。技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：本發(fā)明要解決的技術(shù)問(wèn)題是提供一種基于gps運(yùn)動(dòng)攝像機(jī)數(shù)據(jù)確定道路圓曲線(xiàn)半徑及行車(chē)視距的方法，該方法在實(shí)施中不影響道路的正常交通，并可極大地縮短現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)時(shí)間，大幅度的提升測(cè)量效率以及減少所需要運(yùn)用的人力、物力。為解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：設(shè)計(jì)一種基于gps運(yùn)動(dòng)攝像機(jī)數(shù)據(jù)確定道路圓曲線(xiàn)半徑及行車(chē)視距的方法，包括如下步驟：(1)數(shù)據(jù)采集駕駛載有g(shù)ps運(yùn)動(dòng)攝像機(jī)的車(chē)輛沿待測(cè)道路圓曲線(xiàn)的車(chē)道中心線(xiàn)行駛，駕駛過(guò)程中盡量勻速平穩(wěn)慢行，以達(dá)到增加樣本容量的目的，以gps運(yùn)動(dòng)攝像機(jī)記錄行駛軌跡的gps坐標(biāo)點(diǎn)信息，坐標(biāo)點(diǎn)位置每1秒更新和記錄一次；(2)數(shù)據(jù)處理由于在經(jīng)緯度坐標(biāo)體系中，地球的子午線(xiàn)總長(zhǎng)度約為40008km，故經(jīng)度上每秒約為30.9m，緯度每秒約為30.9*cos(緯度)m，經(jīng)過(guò)換算，即可將上步所得經(jīng)緯度坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為x和y軸的二維正交坐標(biāo)系；(3)圓心坐標(biāo)確定以所記錄的三個(gè)坐標(biāo)點(diǎn)為一組，根據(jù)公式(a)、(b)分別擬合出相鄰兩個(gè)坐標(biāo)點(diǎn)之間線(xiàn)段所在直線(xiàn)的直線(xiàn)方程式，再依據(jù)相垂直的兩條線(xiàn)的斜率互負(fù)倒數(shù)的定理，分別擬合出過(guò)兩線(xiàn)段中點(diǎn)的中心垂直線(xiàn)方程式；b＝y(tǒng)m-kxm(b)式中，(x1,y1)、(x2,y2)為相鄰的兩個(gè)坐標(biāo)點(diǎn)，(xm,ym)為兩點(diǎn)所連線(xiàn)段的中點(diǎn)，k為線(xiàn)段的斜率，b為線(xiàn)段的截距，具體參數(shù)參考圖2。該兩條中心垂直線(xiàn)的交點(diǎn)即為圓心，由公式(c)、(d)得出圓心的坐標(biāo)點(diǎn)(x0,y0)：(4)軌線(xiàn)半徑確定由公式(e)求出圓心點(diǎn)(x0,y0)與所選坐標(biāo)組中任意一點(diǎn)之間的距離即為所選三個(gè)坐標(biāo)點(diǎn)所形成軌線(xiàn)的半徑：(5)車(chē)道圓曲線(xiàn)半徑確定對(duì)車(chē)道圓曲線(xiàn)上的n段軌線(xiàn)，重復(fù)(3)至(4)計(jì)算步驟，即得到n段軌線(xiàn)半徑；當(dāng)計(jì)算軌線(xiàn)的段數(shù)滿(mǎn)足(f)的要求時(shí)，進(jìn)行軌線(xiàn)半徑的統(tǒng)計(jì)，所得眾值即認(rèn)為是相應(yīng)車(chē)道的圓曲線(xiàn)半徑；式中，n為樣本數(shù)，為正態(tài)分布條件下與置信水平相聯(lián)系的系數(shù)，σ為0.5，δ為抽樣誤差。(6)道路圓曲線(xiàn)半徑確定將所記錄的車(chē)道中心線(xiàn)的軌跡點(diǎn)對(duì)應(yīng)的平移至道路中心線(xiàn)，并判斷出移動(dòng)距離的正負(fù)值，再通過(guò)平移距離與車(chē)道圓曲線(xiàn)半徑的代數(shù)和，求得道路圓曲線(xiàn)半徑；(7)行車(chē)視距確定①確認(rèn)已知道路寬度后，將移至道路中心線(xiàn)的軌跡線(xiàn)再分別向左、右兩側(cè)平移路基寬度二分之一的距離，基于道路圓曲線(xiàn)半徑中所得gps點(diǎn)的x、y軸的距離坐標(biāo)，由公式(g)、(h)計(jì)算出平移之后道路邊緣線(xiàn)上的對(duì)應(yīng)點(diǎn)的坐標(biāo)：式中，(x’,y’)為道路邊緣線(xiàn)上的對(duì)應(yīng)的坐標(biāo)；r為路基寬度的一半；當(dāng)?shù)缆穲A曲線(xiàn)是凸曲線(xiàn)時(shí)，k為正數(shù)時(shí)a＝1，k為負(fù)數(shù)時(shí)a＝-1，當(dāng)?shù)缆穲A曲線(xiàn)是凹曲線(xiàn)時(shí)情況相反；②對(duì)車(chē)道中心線(xiàn)軌跡點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行曲線(xiàn)擬合，得出相應(yīng)的道路中心線(xiàn)的三項(xiàng)式曲線(xiàn)公式；③沿道路行駛方向，將視距起始點(diǎn)與其后面的道路邊緣線(xiàn)上的點(diǎn)的連線(xiàn)延伸到圓曲線(xiàn)另一側(cè)的道路中心線(xiàn)上，解出該延伸線(xiàn)與所述多項(xiàng)式曲線(xiàn)的交點(diǎn)坐標(biāo)，再利用公式(e)計(jì)算出交點(diǎn)與原來(lái)的gps點(diǎn)坐標(biāo)距離，即為水平的視距；④考慮豎直距離差，最后運(yùn)用公式(i)計(jì)算得出最終的視距：式中，h為水平的視距，v為豎直距離差。本發(fā)明積極有益的技術(shù)效果在于：1.本發(fā)明方法僅需駕駛載有車(chē)載運(yùn)動(dòng)相機(jī)的車(chē)輛，一次性通過(guò)所需測(cè)量的路段，記錄行駛軌跡gps坐標(biāo)點(diǎn)，再由本發(fā)明方法對(duì)應(yīng)的步驟獲取道路圓曲線(xiàn)半徑和視距。2.本發(fā)明方法在實(shí)施中不影響道路的正常交通，并可極大地縮短現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)時(shí)間，大幅度的提升測(cè)量效率以及減少所需要運(yùn)用的人力、物力。3.本發(fā)明方法較《公路安全生命防護(hù)工程實(shí)施技術(shù)指南》等所提供的測(cè)量方法更具先進(jìn)性和可實(shí)施性。附圖說(shuō)明圖1為不同半徑區(qū)間的頻次分布圖；圖2為車(chē)道圓曲線(xiàn)半徑的求解示意圖；圖3為道路圓曲線(xiàn)及gps坐標(biāo)點(diǎn)軌跡圖，其是由garminvirb攝像機(jī)所記錄下來(lái)的坐標(biāo)點(diǎn)信息導(dǎo)入googleearth所得到的軌跡圖，曲線(xiàn)上所分布的圓點(diǎn)即為各坐標(biāo)點(diǎn)；圖4為擬合多項(xiàng)式曲線(xiàn)以及水平視距的求解示意圖。具體實(shí)施方式下面結(jié)合附圖和實(shí)施例來(lái)說(shuō)明本發(fā)明的具體實(shí)施方式，但以下實(shí)施例只是用來(lái)詳細(xì)說(shuō)明本發(fā)明，并不以任何方式限制本發(fā)明的范圍。在以下實(shí)施例中所涉及的gps運(yùn)動(dòng)攝像機(jī)為garminvirb系列的攝像，所涉及其它儀器或設(shè)備如無(wú)特別說(shuō)明，均為常規(guī)儀器設(shè)備；所涉及的步驟方法，如無(wú)特別說(shuō)明，均為常規(guī)方法。實(shí)施例一：基于gps運(yùn)動(dòng)攝像機(jī)數(shù)據(jù)確定道路圓曲線(xiàn)半徑的方法，包括如下步驟：1.數(shù)據(jù)采集駕駛載有g(shù)armin攝像機(jī)(型號(hào)為virb)的車(chē)輛，沿待測(cè)道路(羅山縣y060號(hào)鄉(xiāng)道)圓曲線(xiàn)的車(chē)道中心線(xiàn)行駛(行駛速度為30km/h)，以gps運(yùn)動(dòng)攝像機(jī)記錄行駛軌跡的gps坐標(biāo)點(diǎn)信息，坐標(biāo)點(diǎn)位置每1秒更新和記錄一次；2.數(shù)據(jù)處理本例中是從gps運(yùn)動(dòng)攝像機(jī)上直接導(dǎo)出格式為fit格式的坐標(biāo)記錄文件，用數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換軟件gpsbabel將fit格式的文件轉(zhuǎn)換成kml格式，并導(dǎo)入至googleearth查看相關(guān)信息；再運(yùn)用gpstrackmaker軟件將kml文件轉(zhuǎn)換成txt文件；最后將txt文件導(dǎo)入excel中。由于所形成的txt文件含有不必要的信息，在excel中運(yùn)用“mid和find”公式提取出經(jīng)緯度的坐標(biāo)(＝mid(目標(biāo)所在表格,find("longitude:",目標(biāo)所在表格)+11,find("</td></tr><tr><td>latitude",目標(biāo)所在表格)-find("longitude:",目標(biāo)所在表格)-10))。本次使用的garminvirb系列攝像機(jī)運(yùn)用的是wgs84系列的坐標(biāo)，由于“度”與“分”級(jí)的基數(shù)過(guò)大，所以使用“rounddown”公式提取出坐標(biāo)的“秒”級(jí)系數(shù)(＝((目標(biāo)所在表格-rounddown(目標(biāo)所在表格,0))*60-rounddown((目標(biāo)所在表格-rounddown(目標(biāo)所在表格,0))*60,0))*60)。由于在經(jīng)緯度中，經(jīng)度上每秒約為30.9m，緯度每秒約為30.9*cos(緯度)m，經(jīng)過(guò)換算即可將經(jīng)緯度坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為x和y軸的距離坐標(biāo)，如表1所示。表1本例計(jì)算所得到的具體坐標(biāo)集合數(shù)據(jù)3.圓心坐標(biāo)確定以所記錄的三個(gè)坐標(biāo)點(diǎn)為一組，根據(jù)公式(a)、(b)分別擬合出相鄰兩個(gè)坐標(biāo)點(diǎn)之間線(xiàn)段所在直線(xiàn)的直線(xiàn)方程式，再依據(jù)相垂直的兩條線(xiàn)的斜率互負(fù)倒數(shù)的定理，分別擬合出過(guò)兩線(xiàn)段中點(diǎn)的中心垂直線(xiàn)方程式；b＝y(tǒng)m-kxm(b)該兩條中心垂直線(xiàn)的交點(diǎn)即為圓心，由公式(c)、(d)得出圓心的坐標(biāo)點(diǎn)(x0,y0)，參見(jiàn)圖2所示：4.軌線(xiàn)半徑確定由公式(e)求出圓心點(diǎn)(x0,y0)與所選坐標(biāo)組中任意一點(diǎn)之間的距離即為所選三個(gè)坐標(biāo)點(diǎn)所形成軌線(xiàn)的半徑：5.車(chē)道圓曲線(xiàn)半徑確定對(duì)車(chē)道圓曲線(xiàn)上的22段軌線(xiàn)，重復(fù)(3)至(4)計(jì)算步驟，即得到22段軌線(xiàn)半徑；計(jì)算出所有軌線(xiàn)段的半徑，進(jìn)而統(tǒng)計(jì)各半徑區(qū)間內(nèi)的頻率次數(shù)，如圖1所示。由圖1可知，統(tǒng)計(jì)曲線(xiàn)具有顯著的聚集特征，且眾值為92.09m，故取車(chē)道半徑為92.09m。6.本例為單車(chē)道道路，故車(chē)道中心線(xiàn)即道路中心線(xiàn)；車(chē)道半徑即道路半徑。實(shí)施例二：基于gps運(yùn)動(dòng)攝像機(jī)數(shù)據(jù)確定道路行車(chē)視距的方法，包括如下步驟：(1)根據(jù)道路寬度，將移至道路中心線(xiàn)的軌跡線(xiàn)再分別向左、右兩側(cè)平移路基寬度二分之一的距離(即3m)，基于實(shí)施例一計(jì)算道路圓曲線(xiàn)半徑中所得gps點(diǎn)的x、y軸的距離坐標(biāo)，由公式(g)、(h)計(jì)算出平移之后道路邊緣線(xiàn)上的對(duì)應(yīng)點(diǎn)的坐標(biāo)：式中，(x’,y’)為道路邊緣線(xiàn)上的對(duì)應(yīng)的坐標(biāo)；r為路基寬度的一半；當(dāng)?shù)缆穲A曲線(xiàn)是凸曲線(xiàn)時(shí)，k為正數(shù)時(shí)a＝1，k為負(fù)數(shù)時(shí)a＝-1，當(dāng)?shù)缆穲A曲線(xiàn)是凹曲線(xiàn)時(shí)情況相反；(2)采用matlab擬合出擬合優(yōu)度足夠大的(r2>0.9)道路中心線(xiàn)的多項(xiàng)式公式(excel自帶的擬合公式所提供的系數(shù)的有效數(shù)字過(guò)少，會(huì)造成較大誤差，故而使用matlab進(jìn)行擬合)，具體方法如下：將根據(jù)gps坐標(biāo)所求得的x、y軸的距離坐標(biāo)，以矩陣形式導(dǎo)入matlab，并命名為矩陣a，寫(xiě)入命令：x＝a(1,:)；y＝a(2,:)；a＝polyfit(x,y,3)；x1＝linspace(min(x(:)),max(x(:)))；y1＝polyval(a,x1)；figure；holdon；plot(x,y,'r^',x1,y1,'k:')；tit＝char(vpa(poly2sym(a),5))；title(tit)；y0＝polyval(a,x)；err＝abs(y-y0)；stem(x,err)；按下回車(chē)鍵即可得到擬合gps點(diǎn)的三項(xiàng)式曲線(xiàn)及公式，參見(jiàn)圖4。(3)使gps點(diǎn)(視距起始點(diǎn))與道路邊緣線(xiàn)上的點(diǎn)的連線(xiàn)與擬合出的道路中心線(xiàn)的多項(xiàng)式曲線(xiàn)相交，通過(guò)matlab解出延伸線(xiàn)與三項(xiàng)式曲線(xiàn)的交點(diǎn)；將式子變?yōu)閍x3+bx2+cx+d＝0的形式，并在excel中排列好a、b、c、d等系數(shù)的順序，以矩陣的形式導(dǎo)入matlab，并命名為矩陣b。輸入命令：x＝solve('ax^3+b*x^2+c*x+d＝0','x')；x＝inline(x)；a＝b(1,:)；b＝b(2,:)；c＝b(3,:)；d＝b(4,:)；root＝feval(x,a,b,c,d)root＝按下回車(chē)鍵即可得到gps點(diǎn)與道路邊緣線(xiàn)上的點(diǎn)的延長(zhǎng)線(xiàn)與擬合出的道路中心線(xiàn)的多項(xiàng)式曲線(xiàn)交點(diǎn)的坐標(biāo)，根據(jù)實(shí)際情況判斷出哪種解是所需答案，代入gps點(diǎn)(視距起始點(diǎn))與道路邊緣線(xiàn)上的點(diǎn)的連線(xiàn)公式，求出視線(xiàn)與道路中心線(xiàn)交點(diǎn)的坐標(biāo)，再使用公式(e)計(jì)算出交點(diǎn)與原來(lái)的gps點(diǎn)坐標(biāo)距離，即為水平的視距。(4)開(kāi)車(chē)時(shí)人視線(xiàn)的垂直高度為1.2m，觀察時(shí)要看到對(duì)面距路面高度0.1米的目標(biāo)點(diǎn)，所以計(jì)算視距時(shí)還要考慮1.1m的豎直距離差，最后由公式(h)計(jì)算得出最終的視距：對(duì)gps記錄下來(lái)的點(diǎn)依次作為視距起始點(diǎn)，并按照上述方法進(jìn)行依次計(jì)算，得到表2的結(jié)果。表2圖3中所有g(shù)ps點(diǎn)的水平視距行車(chē)視距的起始點(diǎn)編號(hào)視距(m)78144.782962279132.916969280121.613320281108.97104378295.591930728383.935470328475.130437928569.815861348661.249588458755.672276038848.368925178942.596019559041.43982499140.882990569237.774975739348.740592919457.8864297295131.1225861962048.867289973692.789104983295.025039920899.18895由表2可知，轉(zhuǎn)彎時(shí)的行車(chē)視距由大到小再由小到大，最小值為37.77m，即認(rèn)為這條道路圓曲線(xiàn)的行車(chē)視距為37.77m。圖3中展示信息的gps例點(diǎn)即為表2中編號(hào)為96的坐標(biāo)點(diǎn)。本發(fā)明在已有的測(cè)量道路圓曲線(xiàn)以及行車(chē)視距方法的基礎(chǔ)上，提出了更加精確快捷的測(cè)量方法，具有重要的實(shí)際意義。上面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作了詳細(xì)的說(shuō)明，但是，所屬
技術(shù)領(lǐng)域：
的技術(shù)人員能夠理解，在不脫離本發(fā)明宗旨的前提下，還可以對(duì)上述實(shí)施例中的各個(gè)具體參數(shù)進(jìn)行變更，形成多個(gè)具體的實(shí)施例，均為本發(fā)明的常見(jiàn)變化范圍，在此不再一一詳述。當(dāng)前第1頁(yè)12