基于全息測繪的大型城市管線更新探索實踐

陳功亮，時煜姝，張黔松

(上海市測繪院，上海 200063)

1 城市管線更新現狀

2017年3月5日，習近平總書記在參加全國人大上海代表團審議時提出：“城市管理應該像繡花一樣精細。” 而地下管線是城市基礎設施的重要組成部分，在城市規劃、建設、管理的基礎地理信息中扮演著重要的角色[1]。

2014年國務院辦公廳在《關于加強城市地下管線建設管理的指導意見》中明確要求開展城市地下管線普查工作，建立和完善綜合管理信息系統。隨后幾年，大型城市地下管線基礎信息普查工作紛紛開展，積累了一批城市建成區域的管線普查數據。普查數據主要采用地球物理勘探的方式獲取，其數據位置精度、屬性精度，數據覆蓋范圍、整體關系、邏輯一致性均較好。另外，大型城市一般都將管線跟測、驗收等見管實測的方式作為管線數據庫更新的主要手段，實現管線的動態更新維護，形成常態化的更新機制。跟測數據的位置精度最好，數據的覆蓋范圍、整體關系一般。

但由于地下管線規劃管理的各個環節分散在不同的部門，且管線竣工相較建(構)筑物竣工驗收而言缺少管理抓手，再加上市政工程施工造成的管線臨時搬遷和回遷等因素，使得每年有部分新建管線未納入管線跟測驗收更新機制，從而影響了地下管線數據庫的現勢性和準確性。

本文以超大城市上海為例，探討基于全息測繪車載激光掃描技術的管線變化發現及更新機制，以及基于全息數據的地下管線三維可視化應用。

2 全息測繪技術

2015年6月，國務院批復同意的《全國基礎測繪中長期規劃綱要(2015～2030年)》中，首次提出了“加快發展基礎測繪，形成新型基礎測繪體系”的要求。2017年11月原國家測繪地理信息局在前期系統謀劃的基礎上為推進新型基礎測繪落地，批復同意“上海新型基礎測繪試點項目立項并納入我國新型基礎測繪體系建設試點”。試點圍繞規劃和自然資源管理、城市治理能力現代化、新型基礎設施建設等應用需求，開展基于地理實體的全息地理時空數據獲取、處理、建庫、管理和服務等研究，創新性地建立了基于地理實體的“智能化全息測繪”技術體系。

全息數據是指包括(但不限于)地理實體(點、線、面、體)及其與之相關聯的時間時序(靜態、動態)、空間位置、地名、地址、屬性特征(歸屬、歸類、表象、色彩、材質)、社會價值與用途及其人文活動的時空數據集合。通俗地說，就是包括地上、地下、可見、不可見所有實體，以及實體的自然屬性、社會屬性[2]。智能化全息測繪以地理信息服務精細化、精確化、真實化、智能化為目標，利用空地一體的傾斜攝影、激光掃描等多源傳感技術獲取全息地理實體要素，通過深度學習等AI技術自動、半自動化提取建立地理實體的矢量、三維模型等數據，并結合大數據和調查充實各地理實體的自然、社會、經濟屬性，形成涵蓋地上地下、室內室外的一體化的全息高清、高精的、結構化實體城市信息模型，為智慧社會提供全空間、動靜態的地理信息服務。全息測繪技術下的全要素地形矢量圖和全景三維模型如圖1所示。

圖1 全息測繪技術下的全要素地形矢量圖和全景三維模型

3 基于全息測繪的地下管線數據采集與更新方法

全息測繪主要包括傾斜攝影測量、多源激光雷達掃描測量(機載、車載、架站式、便攜式)及其他數據采集方法等采集方式。地下管線在地面有大量附屬物，如井蓋、消防栓、路燈、攝像頭、上桿、電箱、變電室、光交箱等，這些附屬物主要集中在市政道路兩側，如何利用全息測繪數據的空間位置及屬性關系是亟須探討的內容。

車載激光掃描技術是智能化全息測繪的重要技術手段，車載激光掃描系統集激光掃描、近景攝像、慣導技術等多種處理手段為一體，可在車輛的高速行進之中，快速采集道路及道路兩旁地物的地理空間位置、建筑物、植被、道路地物表面的三維數據同步存儲在車載計算機系統中，經事后集成、融合及編輯處理，形成各種有用的專題數據成果。其在道路設施和管網設施空間數據的采集獲取、動態更新方面具備作業高效、位置精準、成本低廉等方面的先天優勢。尤其是管線規劃管理和普查的主要區域就位于市政道路地面下方，也就是車載激光掃描應用的主要區域。因此利用車載激光掃描技術為主要手段，將全息測繪技術應用于地下管線數據的采集和更新工作，以此探索地下管線數據更新機制及技術的優化。

3.1 技術路線

其技術路線包括資料準備及踏勘、掃描數據采集、糾正點檢查點測設、數據處理、質量驗收、入庫成果一致性檢查等主要工序。流程如圖2所示：

圖2 基于車載激光掃描系統的地下管線數據采集和更新技術流程圖

3.2 資料準備及踏勘

在外業前收集施測區域的正射影像、基礎測繪數據、大地測量資料及其他相關資料，了解測區道路、交通、天氣和控制點情況，需要時可組織人員進行現場踏勘。

根據收集資料和踏勘情況進行基站位置和采集路線規劃，其中采集路線規劃包括停車區域和行車路線規劃。基站位置宜選取場地開闊、衛星定位觀測條件好、架站安全的位置。行車路線規劃應保證測區內待掃描道路的全覆蓋，盡可能減少重復路段和無效路段的掃描。

3.3 數據采集

基站宜與附近的已知點聯測，基站觀測時段應覆蓋車載掃描時間段，采用三維約束網平差進行數據解算。觀測前應在停車區域進行初始化，掃描儀慣性測量裝置的初始化采用靜態觀測方式進行，GNSS衛星數量不宜小于10顆，PDOP值宜小于4，時長超過 5 min。在進入測區前進行動態初始化，至少包括一段直線和兩次拐彎。初始化后進入目標區域開始采集點云。完成數據采集后，先關閉激光雷達和全景相機，駛入停車區域靜止 5 min后，再關閉慣導和設備系統。

外業糾正點沿道路進行布設，綜合GNSS信號、點云精度要求、軌跡解算質量和地形情況進行設置，困難地區和交叉路口宜進行加密。當高架、郊區等空曠地區GNSS信號良好時，可不布設糾正點，但應進行精度檢查。糾正點和檢查點宜選取具有一定厚度和大小的道路標線，如停車線、標識、分隔線外角等。沒有道路標線的區域，應選擇點云中容易辨識的地物特征點。

3.4 點云和可量測實景影像制作

車載激光掃描測量時同步采集實景影像，糾正后的軌跡數據經檢查合格后，方可生成可量測實景影像成果，具體包括實景影像、內外方位元素、時間參數。利用軟件進行糾正點的點云數據對應，然后重新解算得到糾正后的軌跡數據文件。然后重新解算點云、點云著色，并進行全景照片解算。

3.5 全要素地形數據制作

全要素地形數據的數據源包括檢查合格的點云成果、可量測實景影像成果以及基礎測繪等數據。通過操作軟件與其他輔助數據，在點云數據上提取測繪范圍內的三維全息地理要素，最后編輯成圖。

在數據源上提取的矢量應保證其數學精度，各類地形要素應使用正確的分類編碼。點狀要素提取要素定位點，線狀要素提取定位線，面狀要素提取外圍輪廓線進行構面。各類地物要素提取時應根據數據源仔細辨認，不得錯漏、移位和變形，點狀要素應準確描繪其定位點，線狀要素應跟跡描繪，走向明確，銜接合理。根據數據源提取地物要素時，應以多視角、不同渲染方式的點云和影像數據來提取地物要素，保證提取數據的準確性。對于點云密度不夠、數據空洞、影像缺失的區域，應根據實際情況進行補測。

實地調繪主要包括三個內容，一是野外補測，二是照片補拍，三是屬性調查。因掃描點云黑洞等因素影響內業數據提取時，可采用架站式掃描、全野外數字化等手段進行野外補測。

3.6 全要素實景模型制作

全要素實景模型主要分為交通道路要素和交通部件要素，其中交通道路要素包括道路、隧道和橋梁等，交通部件要素包括與交通相關的牌類、桿類、箱類以及監控探頭、紅綠燈等。

全要素實景模型的數據源包括全要素地形數據、點云數據、現場照片、DOM數據、三維模型及紋理庫等數據，基于以上數據源，通過建模軟件進行全要素實景模型制作，對于具有通用性的部件及紋理應構建模板庫。道路模型應真實反映道路面的起伏情況，機動車道、非機動車道、人行道、標志標線等各類交通道路要素應進行單體化制作；交通部件要素的尺寸、樣式、類型、朝向應與實地保持一致，模型紋理應準確反映要素的材質、顏色情況。

4 全息測繪試點應用情況

以上海中心城區某地塊作為試點區域，進行車載激光掃描數據采集工作，在完成地形數據更新與實景模型制作后，進一步開展以下工作：

(1)將該區域更新完成的全息測繪數據中管線附屬物數據與上海市地下管線綜合數據庫中的成果比對，發現有新建及改建附屬物時，說明管線有變動，進行補充探測，獲取該區域地下管線的現勢數據。

(2)對地面上管線相關附屬物進行測量獲得準確的位置和高程，并通過部件與管線的連接關系確定附屬物的種類和權屬，嘗試將成果應用于城市網格化管理數據的更新。

(3)數據采集完成后進行地上地下一體的三維可視化發布，應用于城市運維中心的城市管理。

(4)研究管線數據庫與地形數據庫中關于管線附屬物的聯動更新機制以及兩個數據庫中管線附屬物數據的統一問題。

4.1 區域概況

試驗區位于上海市徐匯區，該地塊為歷史風貌保護區域內古舊建筑較多。管線作業試點區域主要在地塊右下角，原為直線道路，在西側地塊中有古塔。為了擴展古塔所在地塊，此路段改建向東改造為圓弧形，西側地塊面積擴大，原有道路廢除。道路下的市政管線小部分保留、大部分廢除，新建道路新排設管線兩端與老管線接通。在半年前該路段完成建設，新建道路長度約 450 m。試驗區位置概略圖如圖3所示。

圖3 試驗區位置概略圖

4.2 全息掃描

使用車載激光掃描系統對該區域進行全息測繪工作，更新道路地形并完成地面設施及周邊建筑的三維建模。采用華測AS900HL型號車載多平臺系統進行道路車載激光掃描，一次掃描即獲取了道路全要素的空間位置信息和屬性信息。使用RTK和全站儀對測區全域開展糾正點測量工作，記錄糾正點成果表和點位照片。采用華測自帶軟件在點云上選取糾正點同名點，基于糾正點改正數實現點云數據糾正。采用編輯軟件繪制道路全息矢量圖，并經過檢查后入庫。該地塊作業用時約一個月，作業流程見表1，最終形成全自掃描成果(圖4)。

全息掃描作業周期表 表1

圖4 全息掃描成果圖

4.3 管線探測

從全息測繪成果上可見，地塊西南側新建道路上有大量新建的管線附屬物。在收集道路改建前的管線數據、新建管線的竣工跟測數據等資料后，對該路段地下管線進行了探測。本次地下管線探測工程遵循從已知到未知、從簡單到復雜的原則進行。首先對排水管道進行調查，再對電力、通訊類管線進行探查，最后對給水、燃氣管線進行探查。對明顯管線點打開井蓋進行量測，隱蔽管線點采用地下管線探測儀和導向儀進行探測，將各種管線屬性數據記錄在外業探測底圖上，收工后將外業數據錄入電子表格；非金屬管線利用權屬單位的調繪資料、竣工資料結合明顯點進行探查，對條件允許地段輔以釬探、導向儀探測、雷達探測等手段，保證探測的精度。對地塊四周的其他未邊動道路進行了管線數據實地探測比對，保障地塊周邊道路管線數據的準確完整。

本次管線探測用時約3周，作業流程如圖5所示：

圖5 地下管線探測技術流程圖

本次管線探測的難點在于部分管線廢棄無法區分、新老管線接口處探測信號混亂，收集到的跟測竣工數據和管線公司運維數據對于探測成果的準確性起到了極大作用。

4.4 現勢性分析

上海管線建設施行跟蹤測量制度，管線建設單位需與測繪單位簽訂跟蹤測量合同后方能能申請規劃許可證，測繪單位在施工過程中實測管線，并在完工后上交跟蹤測繪成果。在本探測區域內，道路全息測繪成果發現了大量新增管線附屬物，而上交的管線跟測成果明顯少于實地新建管線。通過現場管線探測獲取該路段新建管線數據，與收到跟測數據對比情況如表2所示：

現狀管線與跟測管線數據對比表 表2

表2中跟測數據的完整率僅為25%，借助道路全息測繪及時發現了管線地面附屬物的變化，后續應及時向管線建設單位收集管線跟測成果，通過建立機制保證管線數據庫的現勢性和齊全性。

4.5 附屬物精度分析

探測完成后管線附屬物的平面位置有了兩套數據：地形中數據和管線成果數據。兩套成果比對結果如下：

(1)路燈、消防栓、電箱、光交箱、攝像頭76個，平面位置偏差在 14 cm以內的31個，其余的在 27 cm以內。

(2)直徑大于60 cm的井蓋(人孔)65個，地形圖中缺漏2個，平面位置偏差在 14 cm以內的22個，在 23 cm以內40個，偏差在 85 cm1個。由于各類管線井蓋上不全有文字，有污水井上蓋了電信的井蓋，地形測量井蓋類型錯誤有9個。

(3)直徑或邊長小于60 cm的井蓋(手孔)96個，地形圖不做測量。

通過試點區域的數據分析，提出建議如下：

(1)管線附屬物中突出地面的位置以全息測繪為準；

(2)井蓋一般與地面平齊、掃描的偏差較大，同時非管線的測繪人員對于井蓋的類別區分難度較大。井蓋應自動與管線圖中數據自動匹配，平面位置誤差小于 30 cm的以管線成果中的種類和平面位置為準，大于 30 cm的由管線測繪人員現場核實確定。

4.6 網格化管理應用

管線附屬物是城市部件的重要組成部分，管線成果對于城市安全、搶險等有重要作用，對于網格化管理單位作用重大。該路段及周邊區域測繪數據與區網格化管理單位對接，網格化管理單位重視每個城市部件的位置、所屬單位、狀況，一旦城市部件有損壞及時通知權屬單位維修，保障城市正常運行。網格化管理中涉及的管線部件，與管線測繪規范中管線類別及附屬物進行對比，具體如表3所示：

網格化管理管線附屬物與管線測繪規范要求對比表 表3

通過對比得出如下結論：

(1)管線成果圖的部件類別涵蓋網格化部件。

(2)對于公安井蓋可按照連接管線確定屬于交通信號或監控。

(3)其他井蓋通過綜合管線圖比對或開井調查，可以判斷種類。

格網化管理單位定期更新城市部件數據并編號，部件位置主要使用地形圖上的位置，如有缺少的進行修測補充。將格網化管理單位該區域額管線附屬物數據與探測成果核對，大部分與綜合管線圖平面位置偏差 30 cm以內，少量偏差在 1 m左右。因此使用綜合管線成果及時更新格網化管理單位數據可以提高城市部件數據精度[2]。

實地探測確定各附屬物權屬單位的過程中發現，井蓋通過相連管線能夠確定權屬單位，但電箱與光交箱確定權屬單位較難。個別電箱由于周邊管線密集，無法確定與周邊管線的連接情況。格網化管理單位確定管線部件權屬單位主要依靠井蓋的不同區分，可能存在錯誤。管線探測數據完成后與管線權屬單位進行核對，可以明確附屬物的權屬，提供給格網化管理單位可以提高網格部件屬性的準確性。

將管線數據與網格化數據同步更新可以極大地提高數據的準確性，有管線權屬單位參與將明顯提高效率[3]。

4.7 三維可視化應用

試點區域作為城市智慧云腦的三維試點區域進行了三維模型制作(圖6)。而要實現地上、地下一體的三維可視化，就對管線測繪提出了較高要求。目前的管線竣工數據，在覆土前實測管線標高，但沒有管線埋深；電力及通信排管記錄了孔數、直埋電纜記錄了根數，但均沒有截面尺寸；井室只有外框坐標沒有深度。另外，由于城市地下管線密集、交錯緊貼，探測技術的局限性造成三維管線撞管現象較多。

圖6 試點區域管線三維可視化應用效果

因此將原有二維管線圖的數據進行三維建模，需要進行大量的內業調整和外業核實工作。同時地上地下三維一體化的顯示，需要地面管線附屬物在地形數據和管線數據中的統一[4]。全息測繪的成果包括地面管線附屬物的三維模型，如能確保管線數據和全息測繪數據的一致性，就能引用作為管線數據的三維模型進行關聯和發布，將大量提高管線三維可視化的工作效率。

5 結 論

在道路地形圖完成后，通過管線設施與原有管線圖數據進行比對，及時發現新增、廢除的管線附屬物，以確定是否有管線新建或廢除是變化發現的有效途徑。有了這個發現機制可以督促各管線建設單位及時上交，保障管線成果的齊全。

在地形數據庫和管線數據庫中，管線的地面附屬物應使用同一套數據。這需要地形測繪人員與管線測繪人員的合作，形成一套合理的流程，確保數據齊全、位置正確、種類準確。

本文通過利用車載激光掃描技術為主要手段的全息測繪方法，以具體試點區域的實踐，為地下管線、基礎地形及城市網格化部件的同步采集、更新做出了有益的嘗試，為地下管線數據準確、現勢的目標提供了一種新的思路。