彭劍秋，張 云，鄧孝應(yīng)，應(yīng)國(guó)偉

(國(guó)家測(cè)繪地理信息局地下管線勘測(cè)工程院，四川成都610500)

一、引 言

隨著我國(guó)城市現(xiàn)代化的高速發(fā)展，其涉及的地下管線數(shù)量龐大、種類繁多，建立合理而有效的管線數(shù)據(jù)庫(kù)是管線系統(tǒng)高效和穩(wěn)定運(yùn)行的保障［1］。近年來(lái)，許多城市都開展了管線普查工作，并建立了相應(yīng)的管線管理信息系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了管線的信息化管理。這些豐富的管線資料及先進(jìn)的管理方式在城市規(guī)劃、管理、建設(shè)及應(yīng)急等方面發(fā)揮著重要作用［2］。

二、管線數(shù)據(jù)管理

目前，國(guó)內(nèi)多數(shù)管網(wǎng)信息系統(tǒng)是2維或2.5維的。管線大多位于地下，分布縱橫交錯(cuò)，有些管線還會(huì)出現(xiàn)上下起伏的情況，此時(shí)采用二維圖形無(wú)法直觀表達(dá)管線間的空間關(guān)系。傳統(tǒng)的二維地形圖作為城市的基礎(chǔ)地理信息，在制作過(guò)程中都是按照規(guī)范進(jìn)行抽象表達(dá)的，具有非常強(qiáng)的專業(yè)性，非專業(yè)人員連看懂都不容易，更談不上使用。非專業(yè)人士要想了解管線及相關(guān)信息，往往都需要專業(yè)人士來(lái)進(jìn)行解釋，導(dǎo)致信息的傳遞受限于專業(yè)技術(shù)人員的水平及語(yǔ)言表達(dá)能力。

為使二維地圖表達(dá)清晰易懂，在編制地圖過(guò)程中，往往根據(jù)編圖的目的對(duì)編圖資料和制圖對(duì)象進(jìn)行綜合取舍，這就造成大量信息丟失。在二維地圖上，所有的地形地物都是以平面投影的符號(hào)來(lái)表達(dá)的，無(wú)法全面表示立面目標(biāo)之間準(zhǔn)確的相對(duì)關(guān)系，如建筑物上的標(biāo)志或廣告牌與建筑物之間的相對(duì)關(guān)系，道路與路牌之間的相對(duì)關(guān)系等。這樣就不能通過(guò)信息系統(tǒng)對(duì)立面設(shè)施進(jìn)行觀察和分析。

因此，為使基礎(chǔ)地理信息向大眾化發(fā)展，一些城市啟動(dòng)了地下管線三維表達(dá)的探索和研究工作。有的城市開始探索對(duì)地下及地上的管線設(shè)施、建(構(gòu))筑物等進(jìn)行三維建模，制作虛擬3D仿真圖，這也是管線及城市基礎(chǔ)地理信息表達(dá)的重要發(fā)展方向之一。但由于三維建模工作量大、速度慢、成本高、維護(hù)更新困難，同時(shí)還需要DEM、DOM等資料，目前僅有極少數(shù)城市在小范圍內(nèi)進(jìn)行試驗(yàn)?？傮w而言，與成熟的二維管線信息技術(shù)相比，管線的三維可視化技術(shù)還處于起步階段。

隨著測(cè)繪技術(shù)、計(jì)算機(jī)等科技的迅猛發(fā)展，一種新的測(cè)量技術(shù)——車載移動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)(mobile mapping system，MMS)的出現(xiàn)，為測(cè)繪帶來(lái)一種新的數(shù)據(jù)采集、管理方式，成為研究、探索的熱點(diǎn)。車載移動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)采集的實(shí)景影像，能讓人全面了解環(huán)境。本文結(jié)合實(shí)際工程項(xiàng)目對(duì)車載移動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)在地下管線中的應(yīng)用進(jìn)行討論。

三、車載移動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)

車載移動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)是20世紀(jì)90年代興起的一種快速、高效、無(wú)地面控制的測(cè)繪技術(shù)［3-4］。它通過(guò)GPS、慣性導(dǎo)航、攝影測(cè)量等諸多前沿科技，無(wú)需繁瑣的地面控制，運(yùn)用攝影方式就可完成對(duì)目標(biāo)的精確測(cè)量。

車載測(cè)量移動(dòng)系統(tǒng)由激光掃描儀、IMU、GPS、里程計(jì)、線陣相機(jī)、全景相機(jī)、供電和控制系統(tǒng)、車載平臺(tái)構(gòu)成［5］。各模塊通過(guò)機(jī)械結(jié)構(gòu)集成為一體，以GPS時(shí)間為主線保證時(shí)間的同步和協(xié)調(diào)，通過(guò)相互間結(jié)構(gòu)關(guān)系來(lái)求解所測(cè)目標(biāo)點(diǎn)的絕對(duì)坐標(biāo)。車載移動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)通過(guò)GPS使激光掃描儀、IMU、相機(jī)和里程計(jì)統(tǒng)一為同一時(shí)間系統(tǒng)——GPS時(shí)間系統(tǒng)，使得系統(tǒng)每個(gè)時(shí)間的數(shù)據(jù)協(xié)同一致。里程計(jì)、GPS和IMU采集的數(shù)據(jù)用來(lái)進(jìn)行組合導(dǎo)航，獲取系統(tǒng)每個(gè)時(shí)刻的姿態(tài)和位置數(shù)據(jù)。激光掃描儀和相機(jī)用來(lái)獲取目標(biāo)地物的特征點(diǎn)數(shù)據(jù)和影像數(shù)據(jù)，結(jié)合姿態(tài)數(shù)據(jù)融合生成帶有絕對(duì)坐標(biāo)的點(diǎn)云數(shù)據(jù)。

車載移動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)為實(shí)現(xiàn)測(cè)繪工作從“按規(guī)范測(cè)量”向“按需測(cè)量”的革命性轉(zhuǎn)變提供了新的技術(shù)支持［6］，逐步成為信息化測(cè)繪體系構(gòu)建中的一種有效技術(shù)力量，具有空間數(shù)據(jù)采集時(shí)效性強(qiáng)、信息量大、精度和自動(dòng)化程度高等突出特點(diǎn)［7］。特別是可量測(cè)實(shí)景影像的生產(chǎn)，可有效解決當(dāng)今社會(huì)對(duì)GIS數(shù)據(jù)的需求。

四、實(shí)景三維管線管理系統(tǒng)

實(shí)景三維管線管理系統(tǒng)是在傳統(tǒng)二維管線管理系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，增加了連續(xù)的實(shí)景三維影像，并通過(guò)實(shí)景影像管理平臺(tái)開發(fā)接口與二維管線管理系統(tǒng)進(jìn)行無(wú)縫集成，具有二維管線系統(tǒng)的優(yōu)秀專業(yè)功能(如統(tǒng)計(jì)、分析、打印輸出及高性能等)，并給用戶提供了具有豐富環(huán)境信息和立面信息的實(shí)景可視化環(huán)境，使管線的管理水平及輔助決策能力得到有效的提升。

實(shí)景影像的使用，使操作人員猶如身臨其境，大大降低了使用難度，無(wú)需特別的專業(yè)知識(shí)背景，能滿足非專業(yè)人士也能很好使用的需求，較好地體現(xiàn)了地理信息應(yīng)用簡(jiǎn)單易用、大眾化的思想，使得應(yīng)用更加廣泛和普及。

五、應(yīng)用案例

筆者所在單位采用移動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)(LDR2000)對(duì)咸陽(yáng)市地下管線試驗(yàn)區(qū)的道路進(jìn)行了實(shí)景影像數(shù)據(jù)采集、處理［8］，并將處理后的數(shù)據(jù)成果，集成在地下管線管理系統(tǒng)中，通過(guò)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)二維地圖與實(shí)景影像一一對(duì)應(yīng)。

1.實(shí)景影像數(shù)據(jù)采集與處理

在測(cè)區(qū)城市獨(dú)立坐標(biāo)系控制點(diǎn)上架設(shè)GPS參考站，移動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)根據(jù)地下管線的布局情況，采集車輛運(yùn)動(dòng)的空間位置姿態(tài)數(shù)據(jù)、道路及兩側(cè)實(shí)景影像數(shù)據(jù);內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理采用GPS后差分技術(shù)，結(jié)合IMU數(shù)據(jù)計(jì)算移動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)的軌跡，結(jié)合實(shí)景影像數(shù)據(jù)采集道路幾何數(shù)據(jù)、空間位置相對(duì)數(shù)據(jù)和管線屬性數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)。其采集與處理流程如圖1所示。

圖1 實(shí)景影像采集與處理流程圖

2.數(shù)據(jù)集成

實(shí)景影像成果坐標(biāo)系統(tǒng)為WGS-84系統(tǒng)，而地下管線系統(tǒng)使用的是1954北京坐標(biāo)系、1980西安坐標(biāo)系或2000國(guó)家大地坐標(biāo)系，因此要進(jìn)行坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換。坐標(biāo)轉(zhuǎn)換采用不同大地坐標(biāo)系統(tǒng)的換算公式——布爾莎公式，通過(guò)布爾莎公式將地下管線數(shù)據(jù)與街景影像相結(jié)合。街景影像與地下管線集成系統(tǒng)如圖2所示。

圖2 街景影像與地下管線集成系統(tǒng)

3.系統(tǒng)功能

系統(tǒng)除了具備傳統(tǒng)二維管線系統(tǒng)的功能外，還具有實(shí)景影像相關(guān)的功能。本文僅介紹與實(shí)景相關(guān)的功能。

(1)實(shí)時(shí)量測(cè)地物位置與幾何尺寸

實(shí)景影像系統(tǒng)可按需測(cè)量出道路沿線管線附屬物的準(zhǔn)確三維坐標(biāo)，并通過(guò)實(shí)景影像量測(cè)出目標(biāo)點(diǎn)的絕對(duì)位置坐標(biāo)，還可對(duì)目標(biāo)幾何尺寸進(jìn)行量測(cè)。如只要在井蓋影像上選取合適的點(diǎn)，就能直接得到井蓋的尺寸。

(2)管線屬性記錄

實(shí)景影像系統(tǒng)連續(xù)地記錄道路及道路兩旁地物的實(shí)景影像，在經(jīng)過(guò)內(nèi)業(yè)人工判讀和按需量測(cè)后，可以提取實(shí)景影像上的管線屬性，如井蓋材質(zhì)、設(shè)施類型等，同時(shí)可以從實(shí)景影像上了解到管線所處位置的周邊地理環(huán)境，便于管線的維護(hù)。

(3)影像與管線關(guān)聯(lián)操作

將實(shí)景影像位置與管線的屬性數(shù)據(jù)相關(guān)聯(lián)，并將管線要素以符號(hào)的方式在影像上標(biāo)注，可實(shí)現(xiàn)二維地圖管線符號(hào)與實(shí)景影像上標(biāo)注的符號(hào)一一對(duì)應(yīng)，實(shí)現(xiàn)二維地圖、實(shí)景影像及管線屬性的聯(lián)動(dòng)查詢。

(4)影像地圖數(shù)據(jù)

提供目標(biāo)街區(qū)專題影像圖，實(shí)現(xiàn)對(duì)道路兩側(cè)沿街影像卷軸式的瀏覽和交互?；谀繕?biāo)街區(qū)專題影像圖，用戶可對(duì)目標(biāo)街區(qū)的專題內(nèi)容進(jìn)行迅速定位、快速查找，達(dá)到視覺(jué)的連續(xù)移動(dòng)。通過(guò)使用目標(biāo)街區(qū)專題影像圖，可進(jìn)一步提高數(shù)字管線的精細(xì)化管理，實(shí)現(xiàn)以路段為單位的管線管理，基于一張整體的實(shí)景影像圖管理管線。

(5)卷軸式的瀏覽和交互

將實(shí)景影像連接成一條長(zhǎng)帶，在一張整圖上顯示整條街的真實(shí)環(huán)境，包括完整的管線附屬設(shè)施信息、管線走向及管線屬性信息，包括管線的權(quán)屬單位、管線埋深信息及其他有用的相關(guān)信息。管理者可以“沿著街道走”，就像坐在汽車上觀光一樣，達(dá)到無(wú)縫地瀏覽體驗(yàn)。

(6)全景影像與二維地圖雙向定位

在二維地圖上任意指定位置，系統(tǒng)可根據(jù)指定的位置定位全景影像，非常直觀地查看設(shè)施的真實(shí)形狀及位置，并能進(jìn)行360°全景查看周圍情況，如同身臨其境一般;同樣也可根據(jù)全景影像定位二維地圖、定位當(dāng)前位置，并可查看、查詢管線的分布情況及屬性信息。

(7)全景影像自動(dòng)巡游

可根據(jù)選定的方向，以指定的速度進(jìn)行自動(dòng)巡游，同時(shí)二維地圖上顯示用戶當(dāng)前位置及運(yùn)動(dòng)軌跡，如同自己在巡游一樣。

六、應(yīng)用前景

全景影像與二維地圖結(jié)合，使傳統(tǒng)地圖與管線信息更加豐富，增強(qiáng)了地圖的可讀性與識(shí)別性，使靜態(tài)的地圖語(yǔ)言更加生動(dòng)，給用戶提供更真實(shí)的體驗(yàn)，具有廣闊的應(yīng)用前景。

七、結(jié)束語(yǔ)

本文重點(diǎn)討論了車載移動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)的實(shí)景影像在地下管線信息管理系統(tǒng)中的應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了實(shí)景影像與地下管線管理系統(tǒng)的融合、空間相互定位，并能通過(guò)實(shí)景影像快速獲取井蓋的材質(zhì)、形狀等信息。實(shí)景影像能記錄比二維地圖及三維仿真更加豐富的信息，能提供更加真實(shí)的體驗(yàn)，這對(duì)地下管線的管理和維護(hù)是一個(gè)很大的提升。隨著車載移動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)的興起，實(shí)景影像在地下管線行業(yè)中將得到更深入的應(yīng)用，不僅實(shí)現(xiàn)了地下管線地上部分信息的全部保留，也是對(duì)地下管線數(shù)據(jù)獲取一個(gè)新的補(bǔ)充。

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