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(xiàn)狀

2017年3月5日，習(xí)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(yīng)該像繡花一樣精細(xì)?！?而地下管線是城市基礎(chǔ)設(shè)施的重要組成部分，在城市規(guī)劃、建設(shè)、管理的基礎(chǔ)地理信息中扮演著重要的角色[1]。

2014年國務(wù)院辦公廳在《關(guān)于加強城市地下管線建設(shè)管理的指導(dǎo)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(tǒng)。隨后幾年，大型城市地下管線基礎(chǔ)信息普查工作紛紛開展，積累了一批城市建成區(qū)域的管線普查數(shù)據(jù)。普查數(shù)據(jù)主要采用地球物理勘探的方式獲取，其數(shù)據(jù)位置精度、屬性精度，數(shù)據(jù)覆蓋范圍、整體關(guān)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(shù)據(jù)庫更新的主要手段，實現(xiàn)管線的動態(tài)更新維護，形成常態(tài)化的更新機制。跟測數(shù)據(jù)的位置精度最好，數(shù)據(jù)的覆蓋范圍、整體關(guān)系一般。

但由于地下管線規(guī)劃管理的各個環(huán)節(jié)分散在不同的部門，且管線竣工相較建(構(gòu))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(shù)據(jù)庫的現(xiàn)勢性和準(zhǔn)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(shù)的管線變化發(fā)現(xiàn)及更新機制，以及基于全息數(shù)據(jù)的地下管線三維可視化應(yīng)用。

2 全息測繪技術(shù)

2015年6月，國務(wù)院批復(fù)同意的《全國基礎(chǔ)測繪中長期規(guī)劃綱要(2015～2030年)》中，首次提出了“加快發(fā)展基礎(chǔ)測繪，形成新型基礎(chǔ)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(tǒng)謀劃的基礎(chǔ)上為推進新型基礎(chǔ)測繪落地，批復(fù)同意“上海新型基礎(chǔ)測繪試點項目立項并納入我國新型基礎(chǔ)測繪體系建設(shè)試點”。試點圍繞規(guī)劃和自然資源管理、城市治理能力現(xiàn)代化、新型基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)等應(yīng)用需求，開展基于地理實體的全息地理時空數(shù)據(jù)獲取、處理、建庫、管理和服務(wù)等研究，創(chuàng)新性地建立了基于地理實體的“智能化全息測繪”技術(shù)體系。

全息數(shù)據(jù)是指包括(但不限于)地理實體(點、線、面、體)及其與之相關(guān)聯(lián)的時間時序(靜態(tài)、動態(tài))、空間位置、地名、地址、屬性特征(歸屬、歸類、表象、色彩、材質(zhì))、社會價值與用途及其人文活動的時空數(shù)據(jù)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(wù)精細(xì)化、精確化、真實化、智能化為目標(biāo)，利用空地一體的傾斜攝影、激光掃描等多源傳感技術(shù)獲取全息地理實體要素，通過深度學(xué)習(xí)等AI技術(shù)自動、半自動化提取建立地理實體的矢量、三維模型等數(shù)據(jù)，并結(jié)合大數(shù)據(jù)和調(diào)查充實各地理實體的自然、社會、經(jīng)濟屬性，形成涵蓋地上地下、室內(nèi)室外的一體化的全息高清、高精的、結(jié)構(gòu)化實體城市信息模型，為智慧社會提供全空間、動靜態(tài)的地理信息服務(wù)。全息測繪技術(shù)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(shù)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(shù)據(jù)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(dá)掃描測量(機載、車載、架站式、便攜式)及其他數(shù)據(jù)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(cè)，如何利用全息測繪數(shù)據(jù)的空間位置及屬性關(guān)系是亟須探討的內(nèi)容。

車載激光掃描技術(shù)是智能化全息測繪的重要技術(shù)手段，車載激光掃描系統(tǒng)集激光掃描、近景攝像、慣導(dǎo)技術(shù)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(shù)據(jù)同步存儲在車載計算機系統(tǒng)中，經(jīng)事后集成、融合及編輯處理，形成各種有用的專題數(shù)據(jù)成果。其在道路設(shè)施和管網(wǎng)設(shè)施空間數(shù)據(jù)的采集獲取、動態(tài)更新方面具備作業(yè)高效、位置精準(zhǔn)、成本低廉等方面的先天優(yōu)勢。尤其是管線規(guī)劃管理和普查的主要區(qū)域就位于市政道路地面下方，也就是車載激光掃描應(yīng)用的主要區(qū)域。因此利用車載激光掃描技術(shù)為主要手段，將全息測繪技術(shù)應(yīng)用于地下管線數(shù)據(jù)的采集和更新工作，以此探索地下管線數(shù)據(jù)更新機制及技術(shù)的優(yōu)化。

3.1 技術(shù)路線

其技術(shù)路線包括資料準(zhǔn)備及踏勘、掃描數(shù)據(jù)采集、糾正點檢查點測設(shè)、數(shù)據(jù)處理、質(zhì)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(tǒng)的地下管線數(shù)據(jù)采集和更新技術(shù)流程圖

3.2 資料準(zhǔn)備及踏勘

在外業(yè)前收集施測區(qū)域的正射影像、基礎(chǔ)測繪數(shù)據(jù)、大地測量資料及其他相關(guān)資料，了解測區(qū)道路、交通、天氣和控制點情況，需要時可組織人員進行現(xiàn)場踏勘。

根據(jù)收集資料和踏勘情況進行基站位置和采集路線規(guī)劃，其中采集路線規(guī)劃包括停車區(qū)域和行車路線規(guī)劃?；疚恢靡诉x取場地開闊、衛(wèi)星定位觀測條件好、架站安全的位置。行車路線規(guī)劃應(yīng)保證測區(qū)內(nèi)待掃描道路的全覆蓋，盡可能減少重復(fù)路段和無效路段的掃描。

3.3 數(shù)據(jù)采集

基站宜與附近的已知點聯(lián)測，基站觀測時段應(yīng)覆蓋車載掃描時間段，采用三維約束網(wǎng)平差進行數(shù)據(jù)解算。觀測前應(yīng)在停車區(qū)域進行初始化，掃描儀慣性測量裝置的初始化采用靜態(tài)觀測方式進行，GNSS衛(wèi)星數(shù)量不宜小于10顆，PDOP值宜小于4，時長超過 5 min。在進入測區(qū)前進行動態(tài)初始化，至少包括一段直線和兩次拐彎。初始化后進入目標(biāo)區(qū)域開始采集點云。完成數(shù)據(jù)采集后，先關(guān)閉激光雷達(dá)和全景相機，駛?cè)胪＼噮^(qū)域靜止 5 min后，再關(guān)閉慣導(dǎo)和設(shè)備系統(tǒng)。

外業(yè)糾正點沿道路進行布設(shè)，綜合GNSS信號、點云精度要求、軌跡解算質(zhì)量和地形情況進行設(shè)置，困難地區(qū)和交叉路口宜進行加密。當(dāng)高架、郊區(qū)等空曠地區(qū)GNSS信號良好時，可不布設(shè)糾正點，但應(yīng)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(biāo)線，如停車線、標(biāo)識、分隔線外角等。沒有道路標(biāo)線的區(qū)域，應(yīng)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(shù)據(jù)經(jīng)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(nèi)外方位元素、時間參數(shù)。利用軟件進行糾正點的點云數(shù)據(jù)對應(yīng)，然后重新解算得到糾正后的軌跡數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)制作

全要素地形數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)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(chǔ)測繪等數(shù)據(jù)。通過操作軟件與其他輔助數(shù)據(jù)，在點云數(shù)據(jù)上提取測繪范圍內(nèi)的三維全息地理要素，最后編輯成圖。

在數(shù)據(jù)源上提取的矢量應(yīng)保證其數(shù)學(xué)精度，各類地形要素應(yīng)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(gòu)面。各類地物要素提取時應(yīng)根據(jù)數(shù)據(jù)源仔細(xì)辨認(rèn)，不得錯漏、移位和變形，點狀要素應(yīng)準(zhǔn)確描繪其定位點，線狀要素應(yīng)跟跡描繪，走向明確，銜接合理。根據(jù)數(shù)據(jù)源提取地物要素時，應(yīng)以多視角、不同渲染方式的點云和影像數(shù)據(jù)來提取地物要素，保證提取數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。對于點云密度不夠、數(shù)據(jù)空洞、影像缺失的區(qū)域，應(yīng)根據(jù)實際情況進行補測。

實地調(diào)繪主要包括三個內(nèi)容，一是野外補測，二是照片補拍，三是屬性調(diào)查。因掃描點云黑洞等因素影響內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)提取時，可采用架站式掃描、全野外數(shù)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(guān)的牌類、桿類、箱類以及監(jiān)控探頭、紅綠燈等。

全要素實景模型的數(shù)據(jù)源包括全要素地形數(shù)據(jù)、點云數(shù)據(jù)、現(xiàn)場照片、DOM數(shù)據(jù)、三維模型及紋理庫等數(shù)據(jù)，基于以上數(shù)據(jù)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(yīng)構(gòu)建模板庫。道路模型應(yīng)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(biāo)志標(biāo)線等各類交通道路要素應(yīng)進行單體化制作；交通部件要素的尺寸、樣式、類型、朝向應(yīng)與實地保持一致，模型紋理應(yīng)準(zhǔn)確反映要素的材質(zhì)、顏色情況。

4 全息測繪試點應(yīng)用情況

以上海中心城區(qū)某地塊作為試點區(qū)域，進行車載激光掃描數(shù)據(jù)采集工作，在完成地形數(shù)據(jù)更新與實景模型制作后，進一步開展以下工作：

(1)將該區(qū)域更新完成的全息測繪數(shù)據(jù)中管線附屬物數(shù)據(jù)與上海市地下管線綜合數(shù)據(jù)庫中的成果比對，發(fā)現(xiàn)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(qū)域地下管線的現(xiàn)勢數(shù)據(jù)。

(2)對地面上管線相關(guān)附屬物進行測量獲得準(zhǔn)確的位置和高程，并通過部件與管線的連接關(guān)系確定附屬物的種類和權(quán)屬，嘗試將成果應(yīng)用于城市網(wǎng)格化管理數(shù)據(jù)的更新。

(3)數(shù)據(jù)采集完成后進行地上地下一體的三維可視化發(fā)布，應(yīng)用于城市運維中心的城市管理。

(4)研究管線數(shù)據(jù)庫與地形數(shù)據(jù)庫中關(guān)于管線附屬物的聯(lián)動更新機制以及兩個數(shù)據(jù)庫中管線附屬物數(shù)據(jù)的統(tǒng)一問題。

4.1 區(qū)域概況

試驗區(qū)位于上海市徐匯區(qū)，該地塊為歷史風(fēng)貌保護區(qū)域內(nèi)古舊建筑較多。管線作業(yè)試點區(qū)域主要在地塊右下角，原為直線道路，在西側(cè)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(cè)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(shè)管線兩端與老管線接通。在半年前該路段完成建設(shè)，新建道路長度約 450 m。試驗區(qū)位置概略圖如圖3所示。

圖3 試驗區(qū)位置概略圖

4.2 全息掃描

使用車載激光掃描系統(tǒng)對該區(qū)域進行全息測繪工作，更新道路地形并完成地面設(shè)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(tǒng)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(qū)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(shù)實現(xiàn)點云數(shù)據(jù)糾正。采用編輯軟件繪制道路全息矢量圖，并經(jīng)過檢查后入庫。該地塊作業(yè)用時約一個月，作業(yè)流程見表1，最終形成全自掃描成果(圖4)。

全息掃描作業(yè)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(cè)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(shù)據(jù)、新建管線的竣工跟測數(shù)據(jù)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(fù)雜的原則進行。首先對排水管道進行調(diào)查，再對電力、通訊類管線進行探查，最后對給水、燃?xì)夤芫€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(dǎo)向儀進行探測，將各種管線屬性數(shù)據(jù)記錄在外業(yè)探測底圖上，收工后將外業(yè)數(shù)據(jù)錄入電子表格；非金屬管線利用權(quán)屬單位的調(diào)繪資料、竣工資料結(jié)合明顯點進行探查，對條件允許地段輔以釬探、導(dǎo)向儀探測、雷達(dá)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(shù)據(jù)實地探測比對，保障地塊周邊道路管線數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確完整。

本次管線探測用時約3周，作業(yè)流程如圖5所示：

圖5 地下管線探測技術(shù)流程圖

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

4.4 現(xiàn)勢性分析

上海管線建設(shè)施行跟蹤測量制度，管線建設(shè)單位需與測繪單位簽訂跟蹤測量合同后方能能申請規(guī)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(qū)域內(nèi)，道路全息測繪成果發(fā)現(xiàn)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(xiàn)場管線探測獲取該路段新建管線數(shù)據(jù)，與收到跟測數(shù)據(jù)對比情況如表2所示：

現(xiàn)狀管線與跟測管線數(shù)據(jù)對比表 表2

表2中跟測數(shù)據(jù)的完整率僅為25%，借助道路全息測繪及時發(fā)現(xiàn)了管線地面附屬物的變化，后續(xù)應(yīng)及時向管線建設(shè)單位收集管線跟測成果，通過建立機制保證管線數(shù)據(jù)庫的現(xiàn)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(shù)據(jù)：地形中數(shù)據(jù)和管線成果數(shù)據(jù)。兩套成果比對結(jié)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(nèi)的31個，其余的在 27 cm以內(nèi)。

(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(nèi)的22個，在 23 cm以內(nèi)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(qū)域的數(shù)據(jù)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(zhǔn)；

(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(qū)分難度較大。井蓋應(yīng)自動與管線圖中數(shù)據(jù)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(zhǔn)，大于 30 cm的由管線測繪人員現(xiàn)場核實確定。

4.6 網(wǎng)格化管理應(yīng)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(wǎng)格化管理單位作用重大。該路段及周邊區(qū)域測繪數(shù)據(jù)與區(qū)網(wǎng)格化管理單位對接，網(wǎng)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(quán)屬單位維修，保障城市正常運行。網(wǎng)格化管理中涉及的管線部件，與管線測繪規(guī)范中管線類別及附屬物進行對比，具體如表3所示：

網(wǎng)格化管理管線附屬物與管線測繪規(guī)范要求對比表 表3

通過對比得出如下結(jié)論：

(1)管線成果圖的部件類別涵蓋網(wǎng)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(jiān)控。

(3)其他井蓋通過綜合管線圖比對或開井調(diào)查，可以判斷種類。

格網(wǎng)化管理單位定期更新城市部件數(shù)據(jù)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(wǎng)化管理單位該區(qū)域額管線附屬物數(shù)據(jù)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(nèi)，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(wǎng)化管理單位數(shù)據(jù)可以提高城市部件數(shù)據(jù)精度[2]。

實地探測確定各附屬物權(quán)屬單位的過程中發(fā)現(xiàn)，井蓋通過相連管線能夠確定權(quán)屬單位，但電箱與光交箱確定權(quán)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(wǎng)化管理單位確定管線部件權(quán)屬單位主要依靠井蓋的不同區(qū)分，可能存在錯誤。管線探測數(shù)據(jù)完成后與管線權(quán)屬單位進行核對，可以明確附屬物的權(quán)屬，提供給格網(wǎng)化管理單位可以提高網(wǎng)格部件屬性的準(zhǔn)確性。

將管線數(shù)據(jù)與網(wǎng)格化數(shù)據(jù)同步更新可以極大地提高數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，有管線權(quán)屬單位參與將明顯提高效率[3]。

4.7 三維可視化應(yīng)用

試點區(qū)域作為城市智慧云腦的三維試點區(qū)域進行了三維模型制作(圖6)。而要實現(xiàn)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(shù)據(jù)，在覆土前實測管線標(biāo)高，但沒有管線埋深；電力及通信排管記錄了孔數(shù)、直埋電纜記錄了根數(shù)，但均沒有截面尺寸；井室只有外框坐標(biāo)沒有深度。另外，由于城市地下管線密集、交錯緊貼，探測技術(shù)的局限性造成三維管線撞管現(xiàn)象較多。

圖6 試點區(qū)域管線三維可視化應(yīng)用效果

因此將原有二維管線圖的數(shù)據(jù)進行三維建模，需要進行大量的內(nèi)業(yè)調(diào)整和外業(yè)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(shù)據(jù)和管線數(shù)據(jù)中的統(tǒng)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(shù)據(jù)和全息測繪數(shù)據(jù)的一致性，就能引用作為管線數(shù)據(jù)的三維模型進行關(guān)聯(lián)和發(fā)布，將大量提高管線三維可視化的工作效率。

5 結(jié) 論

在道路地形圖完成后，通過管線設(shè)施與原有管線圖數(shù)據(jù)進行比對，及時發(fā)現(xiàn)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(fā)現(xiàn)的有效途徑。有了這個發(fā)現(xiàn)機制可以督促各管線建設(shè)單位及時上交，保障管線成果的齊全。

在地形數(shù)據(jù)庫和管線數(shù)據(jù)庫中，管線的地面附屬物應(yīng)使用同一套數(shù)據(jù)。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(shù)據(jù)齊全、位置正確、種類準(zhǔn)確。

本文通過利用車載激光掃描技術(shù)為主要手段的全息測繪方法，以具體試點區(qū)域的實踐，為地下管線、基礎(chǔ)地形及城市網(wǎng)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(shù)據(jù)準(zhǔn)確、現(xiàn)勢的目標(biāo)提供了一種新的思路。