城市部件三維一體化采集方法研究及工程應用

張晨輝,陳珂,周寧,周長江,王澄,林清瑩

(1.濟南市勘察測繪研究院,山東 濟南 250101; 2.山東省城市空間信息工程技術研究中心,山東 濟南 250101)

0 引 言

隨著我國城市化水平的不斷提高,城市規模的擴大,城市部件的數量越來越大,種類越來越多,服務范圍越來越廣,維護越來越困難,城市運行對其依賴程度也越來越高,城市部件作為城市管理的基礎要素,城市部件普查工作是建設數字城管系統過程中的一項基礎性工作,是實現精細化、數字化、科學化、智慧化管理城市的重要組成部分[1],城市部件普查具有部件量大且復雜的特征。部件普查范圍廣、種類多,權屬難確定等特點,隨著科技的發展,車載三維激光移動測量技術逐漸發展起來,車載三維激光移動測量系統對比傳統測繪具有效率高、精度高、安全、信息量大等優點[2],因此,本文圍繞車載三維激光移動測量技術,結合定制的城市部件提取軟件,形成了城市部件從采集到處理的全套技術流程。

1 車載三維激光移動測量系統

車載三維激光移動測量系統是一種新型測繪裝備,它是一種集成了三維激光掃描設備(LS)、衛星定位模塊(GNSS)、慣性導航裝置(IMU)、車輪編碼器、360°全景相機結合總成控制模塊和高性能板卡計算機并集成于車上,可實時采集點云數據及全景影像,該裝備安裝于汽車之上,在行駛過程快速獲取高精度定位定姿數據、高密度三維點云和高清連續全景影像數據,通過統一的地理參考和攝影測量解析處理[3],實現高效率、高精度的空間地理信息數據采集。車載三維激光移動測量系統如圖1所示。

圖1 車載三維激光移動測量系統

2 城市部件一體化采集流程

借助車載三維激光移動測量系統這套先進技術,研究并制定了城市部件三維一體化采集流程。城市部件三維一體化采集流程主要分為現場踏勘和路線規劃、標準制定、點云和全景數據采集與處理、三維城市部件提取、部件確權、數據規整、數據建庫七個步驟。具體流程如圖2所示。

圖2 技術流程圖

2.1 現場踏勘和路線規劃

2.1.1 現場踏勘

行車掃描前,對現場進行實地踏勘,對普查區域的地理位置情況、道路的基本情況和當地的民風民俗情況進行了解。對于道路限高、道路施工等信息,進行現場踏勘,對于限高(移動測量車限高 2.5 m)、道路施工等原因造成移動測量車無法通過或無法正常采集的道路,采用背包SLAM進行補充采集。實地踏勘確定采集范圍內的道路交通狀況,獲取道路之間的關聯性,以便合理進行外業線路規劃。

2.1.2 路線規劃

根據踏勘情況進行基站位置和采集路線規劃,其中,采集路線規劃包括靜態區域和行車路線規劃。

(1)基站點規劃

為保證移動測量系統采集精度,數據采集時,基站位置選擇遵循以下原則:

①架設基站的地方應該四周空曠,GNSS信號良好,同時避免在水邊、高壓電線下面架設基站。

②架設基站的地面應該是堅硬路,避免在松軟地面上。

③基站架設點應該遠離道路,避免道路上重型貨車行駛時造成面振動。

④移動測量系統與基站間的距離一般不超過 10 km,建議 5 km內,最大不超過 20 km。

(2)靜態區域規劃

規劃好做靜態對齊的區域,宜選取GNSS衛星信號較好(不低于25顆衛星)、臨近基站位置、便于停車的場地。

(3)行車路線規劃

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。使用高德地圖進行路線規劃。

2.2 標準制定

由于《GBT30428.1—2013數字化城市管理信息系統第1部分:單元網格》《GBT304282—2013數字化城市管理信息系統第2部分:管理部件和事件》等標準制定年代較久,部分近些年新出現的城市部件未能表示,以及對城市三維數據需求不斷增加,由此制定了城市部件分類、采集、符號庫制作和三維建庫標準表,如表1、表2所示。

表1 城市部件分類、采集、符號庫制作標準表

表2 城市部件三維建庫標準表

2.3 點云和全景數據采集與處理

2.3.1 點云和全景數據采集

采集內容包括點云數據、全景影像數據、定位定姿數據等。移動測量外業采集分為基站架設、靜態對齊(開始階段)、數據采集、靜態對齊(結束階段)、數據拷貝、設備關閉六個步驟。

2.3.2 點云和全景數據處理

通過移動測量采集獲取的原始點云數據、全景影像數據、定位定姿數據等,點云和全景數據處理分為點云數據解算融合和全景數據處理。點云和全景數據處理主要是通過對移動測量車采集的原始數據進行融合解算處理、輸出帶坐標的點云以及和點云配準了的全景影像(影像點云),為后期城市部件提取提供符合要求的內業數據源[4]。

(1)點云數據解算融合

分為IE解算、點云數據處理、點云精度檢查糾偏、點云成果輸出四個步驟。

針對點云著色過慢問題,點云著色可方便辨別城市部件類型,但是點云著色占用時間過長,導致工期拖延,通過試驗,可先不著色,通過疊加可量測的全景影像來代替真彩色點云從而達到識別城市部件的目的。

(2)全景數據處理

分為全景照片輸出、圖像質量檢查、縮略圖生產、入庫處理四個步驟。經過點云和全景數據處理生成可量測的全景影像。

全景數據處理遇到的問題主要是由于下午太陽光線強烈導致照片過曝情況、進出隧道導致照片丟失的情況兩種情況。針對由于下午太陽光線強烈導致照片過曝情況,通過全景成像系統軟件中調節Exposure、ROI參數來減小曝光、通過調整White balance參數來調整白平衡;針對由于移動測量車進出隧道導致全景照片丟失的情況,使用數據修復工具進行修復,找回了丟失的照片。

2.4 三維城市部件提取

隨著智慧城市三維數據底座構建、CIM平臺建模等大型的城市級應用場景需求不斷升級,基于傳統測繪手段采集的二維城市部件數據已無法滿足城市行業的日常工作需要,三維數據可視化已經逐漸取代二維,成為現今城市基礎建設、規劃的重要環節,是數字城市的重要表現手段。

點云數據具有三維坐標、反射強度信息等特點,能夠支撐三維部件要素的提取,因此通過定制開發的城市部件提取軟件LiStreet,在LiStreet軟件中加載解算融合處理后的點云數據和對應的全景數據,基于制定的城市部件分類、采集、符號庫制作和三維建庫標準表,進行城市部件輪廓和位置采集,比如路燈部件,提取方法為自桿的底部中心點與燈頭位置的連線,燈頭位置表示路燈的方向(圖3)。同時借助點云和全景聯動效果,采集城市部件對應的照片和部件名稱、部件狀態、初始日期、數據來源、備注等屬性信息。

圖3 城市部件提取

部件提取與信息加工處理遇到的問題主要是ArcGIS中已有的井蓋shp數據無法導入至LiStreet中、由于點云加載過慢導致接邊數據檢查效率慢以及部件照片截圖命名慢等三種情況。

針對已有的井蓋shp數據無法導入至LiStreet中情況,通過LiStreet軟件中導出的Shp數據進行仔細比對,將已有的井蓋shp數據通過 5 mDEM賦予相對準確的高程值,然后將該數據復制到已有多點ZM數據中,再導入至LiStreet軟件中,通過貼地功能,將已有井蓋數據貼至道路表面;在城市部件采集過程中,針對由于點云加載過慢導致接邊數據檢查效率慢問題,可加載一小塊點云,通過切換加載imglist全景文件來檢查接邊數據;在城市部件采集過程中,針對由于部件照片截圖命名慢的情況,截圖后可按照1、2、3等順序快速命名照片名稱,后續統一根據部件標識碼進行關聯匹配,保證部件照片名稱的唯一值。

2.5 部件確權

由于城市部件普查涉及的部件多達數十萬個,且權屬涉及多個部門,存在交叉、無人管理現象,故需要講究策略。

首先根據市和區縣兩級政府公開的各部門職能信息、市區兩級提供的城市部件權屬臺賬信息進行比對確權,初步確定每個部件的主管部門、權屬單位、養護單位信息,形成《數字化城市管理部件權屬確認表》;然后由城市管理相關部門召開“城市部件信息權屬確認會議”,市、區相關城市部件主管部門參加會議,與會人員對照《數字化城市管理部件權屬確認表》逐項核對、認領,會同城市管理的相關部門,在整體上對城市管理工作進行梳理,該會議作為部件確權工作的指導思想和工作依據;再對部件在空間上進行劃分,對部件的主管部門、權屬、養護單位進行分門別類進行細部確權工作[5];最后各相關主管部門針對前期認領的部件進行權屬確認工作,明確各類部件的管轄范圍和屬性特征,填寫確認表并簽字蓋章,項目組根據匯總的確權資料完善部件的權屬信息[6]。

針對某一類型部件對應一種主管部門、權屬、養護單位的情況,可通過ArcGIS中的屬性表賦值工具,進行屬性批量賦值;針對某一類型部件對應多個主管部門、權屬、養護單位的情況,獲取每個主管部門、權屬、養護單位的面狀管理區域,在ArcGIS中使用按位置選擇工具,得出該面狀管理區域對應的部件主管部門、權屬、養護單位,并進行屬性批量賦值。

2.6 數據規整

將LiStreet軟件中采集的三維城市部件數據導出成SHP格式,ArcGIS軟件中按照前期制定的城市部件分類、采集、符號庫制作和三維建庫標準表,對城市部件數據的圖層名稱及內容進行整理,將將不在標準圖層上的數據轉換到標準圖層上,同時對圖層進行規范化命名。

依據城市部件分類、采集、符號庫制作標準表,對城市部件進行符號化,地圖整飾等步驟,制作專題圖層。部件符號庫制作如圖4所示。

圖4 部件符號庫制作

2.7 數據建庫

(1)屬性整理

在Excel中整理部件的屬性,根據調查的信息和收集的資料,完善部件的屬性內容[7],包括屬性結構與屬性信息的整理。按照數據相關標準設計屬性結構,保證屬性字段名字、類型、長度滿足要求;根據原始數據對屬性信息進行整理完善,保證屬性信息的正確性、完整性。在Photoshop中對城市部件照片進行裁剪、旋轉、調色、敏感度等處理、保證照片能清晰反映城市部件面貌。

(2)拓撲關系整理

對數據拓撲關系進行檢查,修改拓撲關系錯誤。具體包括線自相交、線打折、碎線、重疊線、重疊面、點重復、注記重復等的檢查和修改,拓撲關系檢查采用軟件自動檢查和人工檢查相結合的方式,利用ArcGIS軟件的拓撲關系檢查功能,將存在拓撲關系問題的數據定位,然后人工逐一核實,修改問題數據。

(3)數據建庫

按照前期制定的城市部件三維建庫標準,建立城市部件數據庫,首先將整理好的部件圖形數據導入數據庫中,部件標識碼作為唯一標識,屬性表用Excel進行錄入,通過部件標識碼掛接至部件圖形數據中,然后部件照片通過插入柵格圖形的方式,將照片與城市部件圖形數據進行綁定,形成最終的城市部件數據庫。

3 創新點

3.1 已有基礎數據復用

由于移動測量車對井蓋類部件采集效果一般,存在丟漏、無法判斷井蓋類型現象,可通過已有的二維井蓋數據,通過ArcGIS中的Model Builder模型構建器,將點云中的高程數據賦值給對應坐標下的二維井蓋數據,從而生成三維井蓋數據,將其導入至LiStreet軟件中,對城市部件進行提取,如圖5所示。

圖5 ModelBuilder高程賦值

3.2 背包SLAM補充采集

由于移動測量車對限高(2.5 m以下)、步行街、小巷等道路無法進行采集,故采用背包SLAM進行補充采集(圖6)。移動測量車和背包SLAM兩者結合確保獲取完整的道路城市部件數據。

圖6 背包SLAM采集

4 工程應用

城市部件三維一體化采集方法成功應用于濟南市中心城區主干道城市部件普查工作,通過該技術摸清了中心城區范圍內5大類、60余小類共計約41萬個城市部件現狀,建立了城市管理部件數據庫,為城市運行管理服務平臺提供了基礎數據支撐。

在本次城市部件普查項目中,移動測量車平均車速可達 35 km/h。從數據成果分析,在中心城區每 1 km道路兩側,部件個數將達到 1 500個以上,利用移動測量車進行采集可提升3倍以上的外業采集效率,特別是在城市GNSS信號失鎖嚴重區域,RTK采集手段難以實施,移動測量技術采集效率優勢尤為突出。此外,在城市部件中有大量的井蓋(包括熱力、電力、雨水等)位于道路中央,人工打點測量危險系數較大,移動測量系統能夠有效解決作業安全性問題,移動測量系統定位精度達到了 5 cm。

5 總 結

車載三維激光移動測量技術是目前迅速發展并逐步流行的一個新型基礎測繪分支,本文采用車載三維激光移動測量系統進行道路點云和全景影像采集,結合LiStreet城市部件提取軟件,實現了城市部件快速、高效、高精度提取,同時獲取城市部件三維數據,其豐富的數據可實現城市部件幾何尺寸量算、屬性識別等功能[8],該數據是城市運行管理服務平臺、CIM基礎平臺的基礎數據,另外也可廣泛應用于城管執法、應急反應、規劃決策等諸多方面[9]。城市部件普查是提高城市管理水平,改善市民生活環境的重要手段和途徑,對于城市管理、市容環境和市民生活品質的提升具有重要意義。