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采集水平曲线数据：移动资产车辆和其他技术
Daniel J. Findley, Ph.D., PE1;约瑟夫·e. 悍马, 博士, pe,
F.ASCE2;William Rasdorf，博士，PE3;和Brian T. Laton4
摘要：
移动资产数据采集车辆可以向运输机构提供各种道路和路旁要素的库存，其中包括位置信息、要素类型和状况数据。水平曲线是各机构感兴趣的，因为它们被证明是危险的道路部件，并有可能与其他道路要素同时进行移动数据收集。手工获取水平曲率数据以开发库存的成本对许多机构来说是可能的，因此了解移动资产数据收集工作对曲线的适用性是很重要的。本工作的目的是研究多个商业道路库存车辆的能力，并将它们与其他确定水平曲线几何特征的方法进行比较。这一比较是基于北卡罗来纳州中部一条-公里(-米)公路资产库存数据的三个商业供应商提供的数据。在所研究的16条曲线中，至少有一家供应商在手动方法找到的6条曲线的半径值10%以内，13条曲线在25%以内。只有三条曲线有较大的半径变化。对于这16条曲线的长度测量，至少有一家供应商在11条曲线的长度的10%以内，15条曲线的长度在25%以内。只有一条曲线有较大的长度变异。机动车辆供应商提供了比半径测量更精确和一致的曲线长度测量方法。考虑使用移动数据收集工具进行水平测量的机构应了解每种水平曲线估计技术的局限性以及曲线内半径可能发生的变化。与供应商合作，确定构成一条曲线的道路线形变化、曲线的相关开始和结束以及几何特征，可以为各机构提供最合适的数据，以满足它们的需要中，至少有一家供应商在手动方法找到的6条曲线的半径值10%以内，13条曲线在25%以内。只有三条曲线有较大的半径变化。对于这16条曲线的长度测量，至少有一家供应商在11条曲线的长度的10%以内，15条曲线的长度在25%以内。只有一条曲线有较大的长度变异。机动车辆供应商提供了比半径测量更精确和一致的曲线长度测量方法。考虑使用移动数据收集工具进行水平测量的机构应了解每种水平曲线估计技术的局限性以及曲线内半径可能发生的变化。与供应商合作，确定构成一条曲线的道路线形变化、曲线的相关开始和结束以及几何特征，可以为各机构提供最合适的数据，以满足它们的需要。
CE数据库主题词：
交通工程；道路；曲率；线形；基础设施；地理信息系统；数据收集；
作者关键词：
土木工程；交通工程；道路曲率；线形；基础设施；地理信息系统；清单；长度；水平曲线；半径；
引言：
移动资产数据采集车辆可以为运输机构提供多种道路和路边单元的数据清单（Findley等人。2011）。这些清单可以包括位置信息和元素类型和条件数据。本文扩展了Findley等人的工作。在基础设施资产数据采集中，重点关注水平曲线，在前一项研究中具有较低样本量的道路元素，出于安全原因而具有特殊的兴趣。
水平曲线已被证明是危险的道路元素，准确地理解它们的存在和特征，尤其是最危险的曲线，可以帮助减轻它们对安全的负面影响(Hummer等人)。2010年)。手工获取水平曲率数据以开发机构范围内的库存的成本对许多机构来说是可能的，因此了解移动资产数据汇总车辆的能力和能力是很重要的，因为它们是水平曲线数据的潜在来源。许多机构正在利用移动车辆收集各种各样的资产数据，在现有数据中添加水平曲线数据可能会以很少的额外成本为机构提供价值。通过移动车辆获得的数据，尤其是当水平曲线数据与其他元素一起收集时，也可以通过对现有数据的验证，为拥有既定曲线库存的机构增加价值。
本文提出的工作目标是评估多个商业道路车辆的能力，相比于其他技术，以确定的几何特征，更接近于曲线。本文提出的主要比较方法是基于该方法，该方法应用于研究中的每一条曲线，是一种直接的现场测量方法。这项工作包括五项测量技术，产生九套数据集，以审查基本测量和长度测量的准确性：(一个数据集)、调查(两个数据集)、设计(一个数据集)、地理信息系统(两个数据集)和供应商(三个数据集)技术。
地理信息系统和和弦测量在本文中被称为方法，因为这些技术被用作研究工作的一部分，而其他技术，供应商，调查和设计被称为数据，因为这些技术并未应用于研究小组但被收购为数据集。调查和GIS技术包含两个数据集，作为在微观和宏观层面检查数据的替代分析可能性。供应商数据包含三组数据，因为三个供应商为测试过程提交了数据。本文还将研究为曲线分配单个半径值的困难，并将讨论后处理水平对齐数据的概念。该比较基于三家商业供应商提交的关于北卡罗来纳州中部38.8公里（24.1英里）测试课程的道路资产清单数据的数据。
文献评论：
公路资产清单可以从高速行驶的车辆中快速获得（Findley等 人。2011）。根据所研究数据元素的类型和数量，运营车辆 的供应商利用各种技术收集和分析资产数据，包括高分辨率 静止和摄像机，激光扫描仪，惯性导航系统，全球定位系统， 距离测量仪器和逆向反射仪。移动数据收集优于传统技术的 优势 - 包括节省时间，节省资源和数据收集器安全 - 为数据收集提供了一个引人注目的案例，用于各种公路资产，包 括水平曲线数据。收集现场数据后需要付出巨大努力来对数 据进行后处理并生成库存。该文献综述总结了移动车辆在公 路资产数据采集和道路路线测量中的使用。
研究人员评估了2008年9月24日至26日在北卡罗来纳州达勒姆举行的全国公路资产清单和数据收集研讨会上公布的公路资产管理技术（Findley等人。 2011）。研讨会的目的和研讨会之前的研究是探索可用于收集和盘点公路资产的工具和技术。该车间包括四个公路资产类别：人行道，桥梁，路边附属物以及岩土工程和排水系统。路边附属物类别由十八个元素组成，包括水平曲线。该研究的目的是将通过手动方法收集的道路数据与随交通流量移动的数据采集车辆采集的数据进行比较。该研究团队于2008年在北卡罗来纳州中部的144.8公里（90英里）测试课程中采集了数据样本，并采用典型的手动方法与供应商提供的数据进行比较。六家供应商完成了测试课程并至少提交了一些元素的数据。总体而言，移动数据与手动数据相当，对于更靠近人行道的元素具有更高的准确性。三家供应商提交了四条水平曲线的测量值，可与手动调查进行比较。供应商报告的曲线半径从手动调查结果的平均差异为26％，差异为99％。供应商报告的曲线长度与调查结果具有相似的偏差，与手动调查的平均差异范围为60- 97％。然而，由于样本量有限，Findley等人。建议进一步研究移动车辆供应商准确可靠地报告水平曲线半径的能力。本文提出的新研究使用了38.8公里（24.1英里）的数据来自Findley等人的努力。并应用其他半径测量技术进行更多 比较，并讨论估算水平曲线半径的其他重要考虑因素。
许多机构都对库存开发，资产管理和基础设施资产监控感 兴趣（斯坦因等人。 1999; Saeki等人。2008年; Kim等人。2010; Anastasopoulos等。 2010）。车载全球定位系统（GPS） 单元是记录道路或铁路路线信息的有用工具（卡斯特罗等人。2006年; Gikas和Daskalakis 2008; 汉斯等人。2009年; 伊姆 兰等人。2006年; Toth和Grejner-Brzezinska 2004; 王等人。2008; Pratt等人。2011）。汉斯等人。(2009）使用GPS数据开发爱荷华州的全州水平曲线库存。其他方法，如使用视频 日志图像处理（吴和蔡2006）或卫星图像可以生成水平对齐 信息（Easa等。2007年）。已经开发出算法来分析中心线数 据以检测水平曲线（Stratakos 2009).
Drakopoulos和Ornek（2000）使用从威斯康星州4.6公里双车道公路上的移动车辆采集的几何信息，生成定义水平曲线和切线的水平段数据。将移动车辆生成的数据与测试过程中九条水平曲线的竣工计划进行比较。该比较发现移动车辆数据与竣工计划之间存在一系列差异，曲率范围为0-58％， 曲线长度为0-55％。作者得出结论，移动车辆是水平对准数据的潜在来源。
其他人(2004)在自动道路分析仪(VAN)上，研究了沿10个双车道段的29公里(18英里)曲率。研究的目的是评价交通部开发的一种处理水平线形数据和确定巷道曲率的算法。进行了两项分析，一项是评估数据的一致性，另一项是评估数据的准确性。车辆沿道路各方向行驶五次，用于一致性分析。CDOT在每条曲线上采集测量数据，作为现场比较，进行精度分析。在一致性分析中，研究发现，曲线在多次跑之间的位置是一致的，但在长度和测量方面仍有未解决的问题。准确性分析结果差，只有一半的运行被认为与调查数据很好地吻合。作者的结论是，研究结果没有提供使用移动车辆获取水平对准数据所需的可靠性。
方法：
这项研究采用了五种测量技术，用于检验每条水平曲线的半径和长度测量的准确性。下文将对此作详细说明。而其他三种测量技术涉及对巷道的间接测量或表示，包括来自道路设计的数据、图形信息系统(GIS)方法和来自供应商方法的三组数据。该研究小组通过使用RECT和GIS方法收集数据，而北卡罗莱纳州运输公司提供了调查方法和设计数据的数据，三家公司提供供应商。
北卡罗莱纳州东北部1=2小时为比较各种技术的主要路线，由两条路线组成：NC-98向东行驶，NC-39向南行驶。航向在NC-98与US-1交汇处开始，是一个四车道分隔设施，全长5公里(3.1英里)。四车道划分横断面，然后转变成一条双车道的道路，在一个主要的农村设置21.9公里(13.6英里)到邦恩镇。需要右转才能保持航向，并向NC-39过渡，NC-39也主要是农村地区，该路线继续向公里(7.4英里)延伸至与美国-64号公路的交汇处。
与所有类型的数据收集一样，每种技术都有其局限性。这些技术和测量技术都是道路的直接手段，它们会因路面的修复和时间的推移而产生误差；因此，它们可能无法准确地表示道路的原始设计参数。设计数据代表了道路的规划几何特征，但没有捕捉到施工过程中可能出现的偏差；无法获得能够代表实际施工结果的在建计划。地理信息系统的方法是基于线的工作，这意味着代表道路，但会受到误差或缺乏足够的点涉及到的线工作，从车载gps系统或航空摄影。供应商数据代表由数据收集车辆驱动的道路。它们可能会受到驾驶员或车辆和司机的限制所造成的错误的影响，以精确地跟踪道路的路线。
表1和图1显示了在Hickerson(1964)的基础上，在水平曲线上不准确地定位切点(PT)对半径的影响。半径的变化来源于PT位置的垂直移动，可以是内向的，也可以是外向的(向内减小半径和向外增加半径值)。曲率点(PC)和曲率点(PT)分别表示曲线的开始和结束。该表显示了当PT垂直于其真实位置时，从零到最大的典型半径3.7m(12英尺)的范围以及从10-60°的偏转角对PT半径的影响。偏转角是一个切线(包含PT)与另一个切线(包含PC)的偏转量。如图1所示，缺陷角是在切线相交的位置测量的，称为交点(PI)。例如，如果一条曲线有一个20°的偏转角，而PT在实际位置的1.5米(5英尺)内的正确位置，则该误差将导致所报告的半径比该曲线的实际半径小25.3米(83英尺)(例如，实际半径为1，000米的曲线在实际PT位置内不正确地定位为1.5米，则报告为半径为975米的曲线)。表1显示，即使五种测量技术中的任何一种都存在相对较小的误差，估计半径也可能造成较大的误
差。
表1.因水平误差而产生的半径
垂直PT偏移 通过偏转角度改变半径（ft）
（英尺） Delta;frac14; 10° Delta;frac14; 20° Delta;frac14; 30° Delta;frac14; 40° Delta;frac14; 50° Delta;frac14; 60°
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0 |
— |
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— |
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— |
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1 |
66 |
17 |
7 |
4 |
3 |
2 |
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2 |
132 |
33 |
15 |
9 |
6 |
4 |
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3 |
197 |
50 |
22 |
13 |
8 |
6 |
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4 |
263 |
66 |
30 |
17 |
11 |
8 |
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5 |
329 |
83 |
37 |
21 |
14 |
10 |
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6 |
395 |
99 |
45 |
26 |
17 |
lt;
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