新型測繪技術在城市部件普查中的應用

周長江,張晨輝

(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)

城市部件是城市基礎設施的重要組成部分,是城市運行管理服務平臺的基礎設施數據,是智慧城市、智慧城管建設的基礎。為滿足國家對社會治理、城市管理的現代化及精細化要求,新時代的城市部件普查工作應重視新設備新手段的應用,探索大范圍、快速、高效的城市部件普查方法。

傳統的城市部件普查方法是依托傳統測繪方式采用“GPS-RTK+全站儀”技術,該方法采集效率低、生產成本高、難度大、部件遺漏率高;有些普查項目在傳統測量方式基礎上采用移動端采集APP進行補充采集[1],受限于移動端設備的定位精度,采集APP僅適應于橋梁、停車場等空間位置概略表達的部件。隨著移動測量技術的發展,車載移動測量系統被應用于部件普查,經多地部件普查項目案例驗證[2-4],車載移動測量系統相比于傳統的測量與普查方法,其普查成果精度更高、成果更豐富[5-6],能夠大幅提高外業普查工作效率。

綜上,本文分別在外業基礎數據采集、部件要素提取、現場核查及補調、成果展示及應用等方面應用多種新型測繪技術,以期實現城市部件的高效采集和成果的有效利用。

1 總體技術路線

國家新型基礎測繪體系為城市部件普查提供了新思路和新技術手段。按照新型基礎測繪的要求[7-8],一個地理實體只測一次,避免重復測繪,縮短生產周期,提高生產效率,提升基礎測繪有效供給能力;在成果應用時,實現一庫多能、按需組裝。因此,研究制定了以三維激光移動測量技術為主、APP補調為輔的外業普查技術路線,以及智能化自動提取為主、人工干預處理為輔的內業部件提取及處理的技術路線。三維激光移動測量的成果包括高精度點云及全景影像,能夠滿足大部分城市部件空間信息提取及部件照片截取的要求。

城市部件普查成果最終被應用于城市運行管理服務平臺,作為其最基礎的數據資源、最小的管理單元。目前,國內很多城市在開展城市運行管理服務平臺建設實踐[9-10],按照要求,平臺需要依托城市信息模型平臺進行建設。為滿足在CIM基礎平臺、城市運管服務平臺等實景三維或數字孿生平臺上應用的需求,在參考《數字化城市管理信息系統》(GB/T 30428-2020)等標準的基礎上,對部件的空間定位精度(見表1)、要素類型及采集原則制定了更明確、更精準的要求?？傮w技術路線如圖1所示。

2 外業基礎數據采集

外業基礎數據(基礎點云及全景影像)采集包括3個階段:第1階段,采用車載移動測量系統,采集測區內所有道路,獲取高精度點云及全景影像成果;第2階段,采用便攜式三維激光掃描系統,對移動測量車未覆蓋到的路段進行補測;第3階段,車載點云成果與便攜式激光掃描點云成果配準融合,形成完整的外業基礎數據。

2.1 車載移動測量系統采集

車載移動測量系統集成了高精度三維激光掃描儀、IMU慣性測量裝置、全景相機、高精度GNSS接收機等傳感器,同時配套外業操控、POS解算、點云融合生產、全景處理生產軟件等,最終成果主要為高精度點云和全景數據。車載移動測量系統采集包括準備工作、外業數據采集、采集成果質檢、車載數據處理等環節,其具體流程如圖2所示。

(1)準備工作。通過資料收集和現場踏勘,確定測區內道路的限高、道路施工狀況、通車情況、輔道可通行性等情況,獲取路線之間的關聯性,最終對車載采集路線、采集時間、基站架設位置、靜態停車區域進行合理規劃,避免冗余或遺漏,提高外業采集效率和質量。

(2)外業數據采集?；静杉瘯r間應覆蓋車載外業采集時間,經試驗,基站采用現有的GNSS基準站且采樣間隔在1 s之內能保證更高的成果質量。為保證車載成果能滿足城市部件采集的要求,在遵循車載移動測量系統常規采集規范的基礎上,需注意以下事項:①一般城市道路行駛速度不宜超過40 km/h;②全景相機采用距離觸發方式,距離不大于12 m,確保拍到盡量多的部件;③采集過程中不宜與大車并行,盡量避免出現點云空洞、全景被遮擋現象;④采集時間避開早晚上下班高峰期、避開日照過弱時間,保證部件照片質量。

(3)采集成果質檢。在車載數據處理前對車載原始數據成果進行質量檢查,確保沒問題后再進行數據處理。車載原始數據包括:車載GNSS定位數據、基站數據、激光掃描軌跡數據、全景照片、原始點云文件。主要對這些數據的完整性及邏輯一致性進行檢查:①檢查GNSS基站開始時間是否早于車載GNSS開始時間且基站結束時間晚于車載GNSS結束時間,若不滿足,后續POS解算將無法通過;②檢查基站數據的連續性、采樣頻率;③檢查全景照片、點云、IMU等原始文件大小、數量等。

(4)車載數據處理。將車載原始數據經POS解算、點云融合生產、全景拼接處理、點云輸出等處理過程,得到高精度點云及全景照片成果,后續城市部件提取將主要依托該成果。

2.2 便攜式激光掃描系統采集

車載移動測量系統能夠覆蓋測區內絕大部分的道路,其數據成果滿足大部分部件提取的要求,但受道路限高、通行狀況、遮擋等因素的影響,還需要采取更加便攜靈活、適應性強的便攜式三維激光掃描系統進行補測[11],本文采用的是背包式三維激光掃描系統。在部件普查外業采集中,它適用于以下場景:①車輛無法通行的、較寬的、存在較多部件、與主道之間存在防護設施或綠化設施導致點云遮擋嚴重的輔道;②限高導致車輛無法進入道路;③由于現場施工、堵車、路邊停車等狀況造成的較大范圍點云空洞或拍攝被遮擋。

便攜式激光掃描系統外業補充采集的生產流程包括確定測區、路線規劃、現場采集、數據處理等內容。檢查車載移動測量系統的點云及全景成果,確定需要用便攜式激光掃描系統進行補充采集的路段,進一步規劃采集路線和采集時間,進入現場進行掃描作業,對外業采集的點云及照片成果用配套的軟件進行自動化處理,得到點云及全景照片成果。

2.3 多源點云配準融合

便攜式激光掃描系統依靠SLAM+GNSS進行定位,本文未采用通過控制點或標靶進行點云配準的方法[12],而是在后處理階段采用多源點云數據融合算法將便攜式激光點云數據與車載點云數據進行配準融合。該技術路線有以下優勢:①可有效減少控制點測設及標靶放置的外業工作量;②得到的點云成果是融合了車載點云和便攜式掃描點云的完整點云,填補了車載點云的空洞和缺失;③避免在基于點云提取部件要素過程中分別加載兩種點云文件造成的重復提取現象;④點云精度同樣可滿足部件提取要求,且作業效率更高。

點云配準融合算法采用ICP(迭代最近點)算法,配準過程如圖3所示。根據同名特征點對背包原始點云和車載原始點云進行裁剪和預處理,得到背包點云數據作為源點云P,車載點云數據作為目標點云Q,點云P中的點pi從點云Q中查找距離pi歐式距離最短的點qi,通過pi和qi建立變換矩陣,并不斷迭代,最終得到最優變換矩陣,實現兩點云重合。公式為

圖3 多源點云配準流程

(1)

式中,R為旋轉變換矩陣;T為平移變換矩陣。

3 城市部件要素提取

車載移動測量系統及便攜式三維激光掃描系統通過外業掃描、內業處理及點云融合獲取了高精度點云及全景照片,隨后便基于該成果按照規范要求對城市部件進行提取。試驗和實踐證明[13],高效率的部件要素提取軟件對城市部件普查的成本控制、精度提高、效率提升起著關鍵性作用。本文采用的是適應部件采集需求的定制版LiDAR360 MLS三維要素提取軟件(如圖4所示)。該軟件具有以下優勢:①提供點云及全景雙屏聯動操作,較小的城市部件僅依靠點云難以分辨,依托全景照片可提高人工識別準確率;②提供多種自動化/半自動化部件要素提取方式,如基于AI的一鍵式全自動道路要素識別與矢量化功能,可初步提取標牌、井蓋等部件要素;③擁有完善的空間要素編輯及屬性編輯功能,方便提取過程中補充屬性信息;④具備針對部件要素快速截圖等便捷化功能。

圖4 要素提取軟件

受傳統技術條件限制,規范默認所有部件均以點符號表示。很多部件單純以點符號表示,無法表達部件要素的真實輪廓特征,難以滿足精細化管理的要求,也不適合在三維數字孿生平臺中展示。三維激光移動測量技術能夠提供更豐富、更精確的空間信息,可以支撐部件要素以更加精細化的方式進行表達。

本文將城市部件要素按空間數據類型分為點、線、面3種,并規定了各類部件的空間要素類型及采集原則。大部分部件如各類井蓋、垃圾箱、行樹等能夠以點要素表達其空間特征的,仍然采用點符號表達;桿狀地物、連續密集分布的地物如交通護欄等以線狀要素表達;綠地附屬設施、隧道口等成片分布或輪廓較為重要的部件以面狀要素表達。

4 現場核查及補調

便攜式激光掃描系統雖然對車載點云提供了一定的補充作用,但受樹木、其他車輛遮擋的影響,點云中還是會出現不連續、范圍較小、無規律的空洞;同時,部件普查需要采集部件的照片,受移動測量設備的相機分辨率、拍攝距離等限制,較小的部件及距離拍攝點較遠的部件,其照片清晰度不夠,部件易丟漏,部件類型易誤判。因此,本文開發了外業檢補調查APP(如圖5所示),用于補充遺漏的部件要素、完善部件屬性信息、采集更清晰的照片,還可對已采集的部件要素進行現場核查。

圖5 外業檢補調查APP界面

調查手機一般采取混合定位方式(GNSS定位+基站定位+Wi-Fi定位),其定位精度一般在10 m以上[14],不滿足部件空間定位精度要求。本文基于便攜式亞米級GNSS接收機(北斗探針)輔助手機定位,經調研[15]與驗證,其固定解定位精度在0.2～0.5 m之間,在城市主干道上GNSS信號遮擋不嚴重,一般都能達到固定解精度,在高樓密集區的道路上會出現浮點解,精度在0.5～1.5 m之間,滿足城市部件定位精度要求。

外業檢補調查APP功能包括底圖展示操作、部件要素數據導入導出及展示、新增部件、部件屬性查看編輯、現場拍照、空間定位、外業標記、工作量統計等。將有問題或缺失的城市部件數據進行整理,預置到研發的外業檢補調查APP中。外業調查人員手持外業檢補調查APP,實地檢查或驗證部件位置及分類的準確性并錄入部件屬性信息,對缺失的部件進行補充調查。

5 成果展示及應用

城市部件要素數據成果為GDB格式的空間數據及JPG格式的照片,通過在屬性表中記錄照片位置及名稱對兩者建立關聯。為更加直觀有效地展示并管理部件要素,研發了Web端城市部件展示系統(如圖6所示),可查看部件的空間位置、屬性信息、現場照片。該系統除了能夠進行部件成果展示和信息管理外,還為照片檢查提供了一種便捷的手段。

圖6 部件展示系統

為實現部件數據的進一步利用,采用二三維數據融合技術將部件數據在CIM基礎平臺中展示,如圖7所示,城市部件的矢量要素服務與實景三維可完美貼合,為實景三維數據提供了更加豐富的時空信息。

圖7 部件數據融入CIM基礎平臺

6 結 語

隨著測繪地理信息技術的發展,采用新型測繪技術的城市部件普查工作變得更加高效和智能。本文分別研究了外業基礎數據采集、部件要素提取、現場核查及補調、成果展示及應用等各個階段采用的新型測繪技術手段。外業基礎數據采集階段,應用了車載移動測量系統、便攜式激光掃描系統、多源點云配準融合等技術,彌補了車載LiDAR的局限性,大大縮短了外業調查時間;部件要素提取階段,應用了點云分類、基于點云要素提取、GIS數據建庫等技術,提高了要素提取的自動化程度;現場核查及補調階段,應用了移動GIS、混合定位、便攜式GNSS接收機輔助定位等技術,為激光測量方式提供了有效補充,提高了移動端采集的精度;成果展示及應用階段,采用了WebGIS、數字孿生、二三維數據融合展示等技術,實現了部件普查成果的有效展示和管理。城市部件普查成果如何在城市運管服務平臺中深入應用,還需要進一步研究。