基于UVA與RTK技術的市政設施信息化管理與應用

李 微，張 琪，李振宇，丁 立

(西安市南郊市政設施養護管理有限公司，陜西 西安 710061)

1 概述

隨著我國城鎮化建設的不斷進行，在城市市政設施體量不斷加大的同時，城市發展逐步轉向提質增效的高質量發展階段，“以人為本”“人民城市”成為規劃建設和管理的指導理念，對市政設施的科學管理和維護提出了新要求；同時，數據科學的發展和應用為市政設施信息化管理提供了技術支持，大數據應用背景下的“智慧城市”建設成為輔助城市高質量提升的新方向[1-2]。在此背景下，市政設施信息化管理的探索與實踐具有重要的現實意義。

隨著城市范圍的不斷擴展，西安市城市道路總里程達4 277 km，總面積達9 830萬m2；排水管網總里程達5 653 km。面對如此龐大的市政設施管理量，傳統管理模式在數據檔案管理、設施實體管理等方面已不能滿足要求，亟需運用信息化手段進行提升，實現各項數據的智能錄入、儲存、分類、查詢，并進行系統化管理。

因此，本研究以西安市南郊地區市政設施為例，通過剖析傳統市政設施管理方法的問題，結合國內外先進技術，提出了一套市政設施管理系統構建方法，基于UVA+RTK測量及航攝正投影糾偏采集數據技術，建立GIS數據庫，結合大數據、云計算等應用進行分析預測，提出具有針對性的養護建議與規劃，形成管理閉環。

2 傳統市政設施管理模式存在的問題

2.1 存在問題

1)數據檔案管理方面。

截至目前接管的市政設施竣工資料均為紙質資料，存在老舊資料丟失、遺漏的情況，資料更新速度慢、時效性差，不確定性逐年增加；數據資料之間缺乏關聯性，資料以工程為單位相對獨立存在，未進行有效的整合。在進行數據分析統計時需要查閱大量圖紙、表格等資料，過程復雜、耗費人力、效率低下。

資料精度不足，現有市政設施幾何尺寸的測量一直沿用過去老舊的方法，依靠人工用各種測量設備作業，受外界條件、通視條件等的影響較大，遇有障礙物時測量范圍比較有限，儀器誤差和主觀誤差比較大。

2)設施巡查養護管理方面。

傳統的道路巡查是通過巡查人員現場采集道路病害信息，將病害信息填寫到巡查工單后，統一交給養護部門。因為工單信息不夠直觀，閉合流程過于煩瑣，工作效率不高。巡查部門與養護部門資料未進行整合，工單完整信息須多方查找，可追溯性不強。

3)統計分析方面。

信息統計靠人工完成，大量數據需要手動錄入、統計，耗費大量的時間、人力和物力，準確度無法保證。不能做到零時差、多維度的統計分析，更難以保證整體的統計、分析和決策功能。

2.2 研究意義

面對如此巨大且逐年遞增的數據量，如何充分發揮大數據的特性，建立一個豐富的、動態的“設施信息數據庫”，記錄城市中每一個市政設施各個時期的動態數據信息，為將來的數據分析提供全面、真實有效的數據源；如何對數據進行充分的整理，從海量的數據中發現規律，進而科學地應用到日常養護管理工作中，使整個設施管理系統更具有科學性。

建立市政設施管理大數據系統平臺，將設施信息數據庫、日常管理系統、巡查管理系統、養護管理系統、應急響應功能、檢測評價功能、輔助決策功能統一集成在一起，運用大數據、云計算等信息化技術及理念，進行分析預測，提出具有針對性的養護建議與規劃，以此作為統籌養護科學決策的重要依據，從而極大地提升管理服務水平與科技含量，尤其對于市政設施復雜的大中型城市，意義更加深遠[3]。

2.3 研究目標

本次對市政設施管理系統的研發，依托市政設施養護管理行業規范CJJ 36—2016城鎮道路養護技術規范、CJJ 68—2016城鎮排水管渠與泵站運行、維護及安全技術規程和CJJ 181—2012城鎮排水管道檢測與評估技術規程以及市政設施運行管理單位的管理模式，通過系統的建立以及管理模塊的運行，將會實現市政設施“一路一檔”及排水設施管網的信息化管理，利用市政設施管理大數據庫，實現分類查詢、統計、動態管理、數據可視化及輔助決策的功能。

2.4 先進性

市政設施管理大數據研發技術路線如圖1所示。

市政設施管理系統的研發，將會使得市政設施管理數字化、信息化，管理過程由靜態變為動態，實現基礎數據、檢測評價、養護過程、巡查管理、輔助決策、應急聯動等工作的數據數字化、可視化，大大增加市政設施管理過程中各類數據的時效性和直觀性。

2.4.1 形成市政設施智能數據庫

利用精確的設施靜態數據和日常維護數據，以及對老舊技術資料進行整合、錄入，構建出市政設施管理數據庫，實現市政設施管理“一路一檔”及排水管網系統的動態管理；對數據庫的動態管理進行研究，實時更新養護記錄，使得數據庫與現狀設施相關數據保持同步，為道路及排水設施養護管理進行決策提供依據。

2.4.2 設施單元位置信息采集標準化

制定一套信息采集與錄入標準制度，利用無人機(UAV)，RTK等設備，對市政設施進行測繪，取得精確的設施靜態數據，為智能數據庫提供準確的基礎數據。

2.4.3 管理流程自動化

將日常維護運行、市政設施管理的業務流程納入管理系統中，實現真正意義上的市政設施管理電子化、信息化。

2.4.4 信息圖形化

將靜態數據信息與地圖結合顯示；對數據庫中的信息采用圖表結合的形式展示；道路的巡查過程、巡查結果、作業信息通過地圖實時動態顯示；從不同維度對各種信息進行可視化圖表統計分析，為市政設施養護維修提供統計數據并進行分類、統計、輔助決策等操作，使養護維修方案更具科學性。

3 地理信息數據測量與采集

分別從地理信息數據要素的采集、拼接、校核開展相關研究，確認涉及航拍、RTK測量、影像拼接糾偏、影像識別錄入等內容。

3.1 外業采集

使用無人機拍攝道路正射圖像，采用飛行控制軟件DJI Terra對飛行參數進行設置(見圖2)，5 m/s 的速度勻速飛行，飛行高度在70.0 m。通過移動和新建邊界點，確定多邊形任務區域，覆蓋道路及道路兩側 10 m～20 m范圍內的區域。“主航線上重疊率”設置為80%、“主航線間重復率”設置為66%。采用RTK系統設備連接CORS基準站進行坐標測量，每千米道路選取4個～6個控制點，經過測量后，用來對帶狀航拍地圖進行校正。高程測量采用CORS系統測量的大地高程進行轉換得到水準高程點，與相鄰的控制點進行聯測、平差。控制點布設間隔為1.0 km左右，呈網狀布設。

3.2 內業糾偏

使用PhotoScan將無人機拍攝的正射影像數據進行整合后導入。使用ArcGIS軟件對正射影像圖進行編輯，并結合現場采集的坐標位置，對圖像進行糾偏，采用ArcGIS，通過外業調繪點對影像進行地理配準外業調繪，采集標識點，進行同名點匹配，核查精度，符合項目精度要求，提交影像成果，保證定位精度在30 cm以內。糾偏以后得到合格的正射影像圖導入系統數據庫，并對沿線管道、雨污水井、收水井、路緣石、出口道口的位置用相應的圖標進行標記。

4 系統架構設計

市政設施管理系統綜合考慮數據處理和空間分析能力、適用性、可維護性、功能擴展性以及與當地情況的適用性等原則，滿足各項業務需求。基于B/S架構，實現Web端和移動端的系統瀏覽與功能使用(見圖3)。

4.1 數據庫層

通過SQL server數據庫，Mongo DB,Redis數據庫建立基礎信息數據庫，將各種道路、管道、附屬設施的屬性信息及管理信息進行分類儲存。

4.2 接口服務層

接口服務層負責各類請求的處理及響應。服務層采用Java語言作為框架底層技術，服務的請求及響應采用JSON數據格式進行數據交換，最終實現跨平臺、通用化目的。服務層分為業務服務和地圖兩種。業務服務采用Springboot+Spring+Hibernate+Shiro集成框架進行構建，為應用層提供一路一檔、巡查養護、防汛融雪等服務。地圖服務層采用PushGIS server進行構建，負責地圖服務的管理、發布及服務提供，為業務層提供道路、地下管網、井等地圖服務。

4.3 應用層

通過HTML5,JavaScript,CSS,Bootstrap,PushGIS API等應用接口，將基礎信息數據按照各自的平臺功能進行展示，對于相關的數據形成各項展示功能。

4.4 終端

通過計算機、平板電腦，以及智能手機等終端設備，對數據庫的內容進行錄入、顯示。

5 系統應用與反饋

市政設施管理系統按照相關規范要求結合公司管理模式，建立巡查管理、養護管理、檢測評價、輔助決策、應急聯動等應用功能。

5.1 巡查管理

開發Android版病害APP采集終端軟件，完成道路及排水設施病害、事件等信息的采集。并記錄巡查人員上報的事件以及事件處理的整個情況，自動生成巡查病害工單。在管理員外出時，提供面向移動終端的病害信息分發管理。

提供巡查人員位置實時定位功能，顯示實時位置、值班人名等信息；按照巡查隊伍、巡查人員分配巡查任務。

5.2 養護管理

開啟巡查管理終端，接收病害信息數據，定位病害發生的位置，并進行地理環境的查看；開啟養護地點導航，計算養護人員當前所在位置與待養護地點之間的最短路徑，逐路段引導維修養護車輛到達養護地點；維修過程形成“病害-維修單-維修工程-工程資料”的聯系，可以方便地創建、簽發和存檔維修單，方便查看和維修單相關聯的所有病害信息及工程信息等；病害修復完畢，將病害處置信息上報并提交病害修復成果資料。

管理人員根據不同的權限，查看工單養護情況，分區域、類型統計養護情況，查看各病害的現場照片信息，查看病害發展歷程，查看與之相關的結構物、病害屬性更新，復查病害信息的自動轉化等；提供對維修養護記錄的添加、刪除、修改等編輯功能，使養護工作入庫保存。

5.3 檢測評價

支持將檢測報告錄入數據庫，基于GIS位置信息的數據庫及帶狀航攝影像疊加的圖形化展示系統，支持逐樁號錄入檢測信息，逐樁號展示檢測信息，各項指標的分布情況[4]。

針對周期檢測和特殊檢測，支持自定義時間和空間的信息查詢及疊加，生成分析數據，直觀展示一段時間或一個片區的檢測情況，為管理行為提供決策依據。

5.4 輔助決策

輔助決策系統基于道路及管道的監測報告，結合交通條件、氣候條件、施工因素、材料因素、設計因素、排水條件、管理水平等內容，形成評價結果，并制定維修對策。

采用檢測結果空間熱度分析、道路病害頻率分析、不同季節道路頻次分析，達到病害復報監督、病害復發率統計、巡查計劃制定、養護重點區域制定要求。

5.5 應急聯動

市政設施管理應急聯動系統，在市政設施突發狀況及防汛融雪等需要啟動應急預案時，基于移動網絡和APP客戶端，按照預案要求實時推送應急聯動信息至管理人員、搶險施工人員、施工車輛駕駛員，動態調配應急力量，并及時反饋至控制中心，控制中心可實時查看應急力量配置并靈活調配。

6 系統應用效果

本系統是依托于西安市南郊地區市政設施管理項目，根據無人機(UAV),RTK等設備進行測繪，取得準確的設施靜態數據，實現市政設施“一路一檔”管理；通過實時的工單上報流程、定期的養護計劃和維護記錄、突發事件的應急聯動處置，實現市政設施的動態管理；從不同維度對各種信息進行可視化圖表統計分析，為市政設施養護維修提供統計數據并進行分類、統計、輔助決策等操作，實現養護決策科學化[5]。

本系統構建了一套較為完善的市政設施管理系統，實現了市政設施一路一檔信息化的管理，市政設施管理大數據統計，達到了預期的分類查詢、動態管理、數據可視化要求。通過管理平臺的運行，能夠進一步規范作業流程，使各項工作流程標準化、規范化，又通過長期積累的運維數據對市政設施改造維修提供經驗支持，進而為管理決策提供依據。