張晨輝,陳珂,周寧,周長(zhǎng)江,王澄,林清瑩

(1.濟(jì)南市勘察測(cè)繪研究院,山東 濟(jì)南 250101; 2.山東省城市空間信息工程技術(shù)研究中心,山東 濟(jì)南 250101)

0 引 言

隨著我國(guó)城市化水平的不斷提高,城市規(guī)模的擴(kuò)大,城市部件的數(shù)量越來(lái)越大,種類越來(lái)越多,服務(wù)范圍越來(lái)越廣,維護(hù)越來(lái)越困難,城市運(yùn)行對(duì)其依賴程度也越來(lái)越高,城市部件作為城市管理的基礎(chǔ)要素,城市部件普查工作是建設(shè)數(shù)字城管系統(tǒng)過(guò)程中的一項(xiàng)基礎(chǔ)性工作,是實(shí)現(xiàn)精細(xì)化、數(shù)字化、科學(xué)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(fù)雜的特征。部件普查范圍廣、種類多,權(quán)屬難確定等特點(diǎn),隨著科技的發(fā)展,車載三維激光移動(dòng)測(cè)量技術(shù)逐漸發(fā)展起來(lái),車載三維激光移動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)對(duì)比傳統(tǒng)測(cè)繪具有效率高、精度高、安全、信息量大等優(yōu)點(diǎn)[2],因此,本文圍繞車載三維激光移動(dòng)測(cè)量技術(shù),結(jié)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(shù)流程。

1 車載三維激光移動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)

車載三維激光移動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)是一種新型測(cè)繪裝備,它是一種集成了三維激光掃描設(shè)備(LS)、衛(wèi)星定位模塊(GNSS)、慣性導(dǎo)航裝置(IMU)、車輪編碼器、360°全景相機(jī)結(jié)合總成控制模塊和高性能板卡計(jì)算機(jī)并集成于車上,可實(shí)時(shí)采集點(diǎn)云數(shù)據(jù)及全景影像,該裝備安裝于汽車之上,在行駛過(guò)程快速獲取高精度定位定姿數(shù)據(jù)、高密度三維點(diǎn)云和高清連續(xù)全景影像數(shù)據(jù),通過(guò)統(tǒng)一的地理參考和攝影測(cè)量解析處理[3],實(shí)現(xiàn)高效率、高精度的空間地理信息數(shù)據(jù)采集。車載三維激光移動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 車載三維激光移動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)

2 城市部件一體化采集流程

借助車載三維激光移動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)這套先進(jìn)技術(shù),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(xiàn)場(chǎng)踏勘和路線規(guī)劃、標(biāo)準(zhǔn)制定、點(diǎn)云和全景數(shù)據(jù)采集與處理、三維城市部件提取、部件確權(quán)、數(shù)據(jù)規(guī)整、數(shù)據(jù)建庫(kù)七個(gè)步驟。具體流程如圖2所示。

圖2 技術(shù)流程圖

2.1 現(xiàn)場(chǎng)踏勘和路線規(guī)劃

2.1.1 現(xiàn)場(chǎng)踏勘

行車掃描前,對(duì)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行實(shí)地踏勘,對(duì)普查區(qū)域的地理位置情況、道路的基本情況和當(dāng)?shù)氐拿耧L(fēng)民俗情況進(jìn)行了解。對(duì)于道路限高、道路施工等信息,進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)踏勘,對(duì)于限高(移動(dòng)測(cè)量車限高 2.5 m)、道路施工等原因造成移動(dòng)測(cè)量車無(wú)法通過(guò)或無(wú)法正常采集的道路,采用背包SLAM進(jìn)行補(bǔ)充采集。實(shí)地踏勘確定采集范圍內(nèi)的道路交通狀況,獲取道路之間的關(guān)聯(lián)性,以便合理進(jìn)行外業(yè)線路規(guī)劃。

2.1.2 路線規(guī)劃

根據(jù)踏勘情況進(jìn)行基站位置和采集路線規(guī)劃,其中,采集路線規(guī)劃包括靜態(tài)區(qū)域和行車路線規(guī)劃。

(1)基站點(diǎn)規(guī)劃

為保證移動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)采集精度,數(shù)據(jù)采集時(shí),基站位置選擇遵循以下原則:

①架設(shè)基站的地方應(yīng)該四周空曠,GNSS信號(hào)良好,同時(shí)避免在水邊、高壓電線下面架設(shè)基站。

②架設(shè)基站的地面應(yīng)該是堅(jiān)硬路,避免在松軟地面上。

③基站架設(shè)點(diǎn)應(yīng)該遠(yuǎn)離道路,避免道路上重型貨車行駛時(shí)造成面振動(dòng)。

④移動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)與基站間的距離一般不超過(guò) 10 km,建議 5 km內(nèi),最大不超過(guò) 20 km。

(2)靜態(tài)區(qū)域規(guī)劃

規(guī)劃好做靜態(tài)對(duì)齊的區(qū)域,宜選取GNSS衛(wèi)星信號(hào)較好(不低于25顆衛(wèi)星)、臨近基站位置、便于停車的場(chǎng)地。

(3)行車路線規(guī)劃

路線規(guī)劃應(yīng)保證測(cè)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(wú)效路段的掃描。使用高德地圖進(jìn)行路線規(guī)劃。

2.2 標(biāo)準(zhǔn)制定

由于《GBT30428.1—2013數(shù)字化城市管理信息系統(tǒng)第1部分:單元網(wǎng)格》《GBT304282—2013數(shù)字化城市管理信息系統(tǒng)第2部分:管理部件和事件》等標(biāo)準(zhǔn)制定年代較久,部分近些年新出現(xiàn)的城市部件未能表示,以及對(duì)城市三維數(shù)據(jù)需求不斷增加,由此制定了城市部件分類、采集、符號(hào)庫(kù)制作和三維建庫(kù)標(biāo)準(zhǔn)表,如表1、表2所示。

表1 城市部件分類、采集、符號(hào)庫(kù)制作標(biāo)準(zhǔn)表

表2 城市部件三維建庫(kù)標(biāo)準(zhǔn)表

2.3 點(diǎn)云和全景數(shù)據(jù)采集與處理

2.3.1 點(diǎn)云和全景數(shù)據(jù)采集

采集內(nèi)容包括點(diǎn)云數(shù)據(jù)、全景影像數(shù)據(jù)、定位定姿數(shù)據(jù)等。移動(dòng)測(cè)量外業(yè)采集分為基站架設(shè)、靜態(tài)對(duì)齊(開始階段)、數(shù)據(jù)采集、靜態(tài)對(duì)齊(結(jié)束階段)、數(shù)據(jù)拷貝、設(shè)備關(guān)閉六個(gè)步驟。

2.3.2 點(diǎn)云和全景數(shù)據(jù)處理

通過(guò)移動(dòng)測(cè)量采集獲取的原始點(diǎn)云數(shù)據(jù)、全景影像數(shù)據(jù)、定位定姿數(shù)據(jù)等,點(diǎn)云和全景數(shù)據(jù)處理分為點(diǎn)云數(shù)據(jù)解算融合和全景數(shù)據(jù)處理。點(diǎn)云和全景數(shù)據(jù)處理主要是通過(guò)對(duì)移動(dòng)測(cè)量車采集的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行融合解算處理、輸出帶坐標(biāo)的點(diǎn)云以及和點(diǎn)云配準(zhǔn)了的全景影像(影像點(diǎn)云),為后期城市部件提取提供符合要求的內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)源[4]。

(1)點(diǎn)云數(shù)據(jù)解算融合

分為IE解算、點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理、點(diǎn)云精度檢查糾偏、點(diǎn)云成果輸出四個(gè)步驟。

針對(duì)點(diǎn)云著色過(guò)慢問(wèn)題,點(diǎn)云著色可方便辨別城市部件類型,但是點(diǎn)云著色占用時(shí)間過(guò)長(zhǎng),導(dǎo)致工期拖延,通過(guò)試驗(yàn),可先不著色,通過(guò)疊加可量測(cè)的全景影像來(lái)代替真彩色點(diǎn)云從而達(dá)到識(shí)別城市部件的目的。

(2)全景數(shù)據(jù)處理

分為全景照片輸出、圖像質(zhì)量檢查、縮略圖生產(chǎn)、入庫(kù)處理四個(gè)步驟。經(jīng)過(guò)點(diǎn)云和全景數(shù)據(jù)處理生成可量測(cè)的全景影像。

全景數(shù)據(jù)處理遇到的問(wèn)題主要是由于下午太陽(yáng)光線強(qiáng)烈導(dǎo)致照片過(guò)曝情況、進(jìn)出隧道導(dǎo)致照片丟失的情況兩種情況。針對(duì)由于下午太陽(yáng)光線強(qiáng)烈導(dǎo)致照片過(guò)曝情況,通過(guò)全景成像系統(tǒng)軟件中調(diào)節(jié)Exposure、ROI參數(shù)來(lái)減小曝光、通過(guò)調(diào)整White balance參數(shù)來(lái)調(diào)整白平衡;針對(duì)由于移動(dòng)測(cè)量車進(jìn)出隧道導(dǎo)致全景照片丟失的情況,使用數(shù)據(jù)修復(fù)工具進(jìn)行修復(fù),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(shù)據(jù)底座構(gòu)建、CIM平臺(tái)建模等大型的城市級(jí)應(yīng)用場(chǎng)景需求不斷升級(jí),基于傳統(tǒng)測(cè)繪手段采集的二維城市部件數(shù)據(jù)已無(wú)法滿足城市行業(yè)的日常工作需要,三維數(shù)據(jù)可視化已經(jīng)逐漸取代二維,成為現(xiàn)今城市基礎(chǔ)建設(shè)、規(guī)劃的重要環(huán)節(jié),是數(shù)字城市的重要表現(xiàn)手段。

點(diǎn)云數(shù)據(jù)具有三維坐標(biāo)、反射強(qiáng)度信息等特點(diǎn),能夠支撐三維部件要素的提取,因此通過(guò)定制開發(fā)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(diǎn)云數(shù)據(jù)和對(duì)應(yīng)的全景數(shù)據(jù),基于制定的城市部件分類、采集、符號(hào)庫(kù)制作和三維建庫(kù)標(biāo)準(zhǔn)表,進(jìn)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(diǎn)與燈頭位置的連線,燈頭位置表示路燈的方向(圖3)。同時(shí)借助點(diǎn)云和全景聯(lián)動(dòng)效果,采集城市部件對(duì)應(yīng)的照片和部件名稱、部件狀態(tài)、初始日期、數(shù)據(jù)來(lái)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(wèn)題主要是ArcGIS中已有的井蓋shp數(shù)據(jù)無(wú)法導(dǎo)入至LiStreet中、由于點(diǎn)云加載過(guò)慢導(dǎo)致接邊數(shù)據(jù)檢查效率慢以及部件照片截圖命名慢等三種情況。

針對(duì)已有的井蓋shp數(shù)據(jù)無(wú)法導(dǎo)入至LiStreet中情況,通過(guò)LiStreet軟件中導(dǎo)出的Shp數(shù)據(jù)進(jìn)行仔細(xì)比對(duì),將已有的井蓋shp數(shù)據(jù)通過(guò) 5 mDEM賦予相對(duì)準(zhǔn)確的高程值,然后將該數(shù)據(jù)復(fù)制到已有多點(diǎn)ZM數(shù)據(jù)中,再導(dǎo)入至LiStreet軟件中,通過(guò)貼地功能,將已有井蓋數(shù)據(jù)貼至道路表面;在城市部件采集過(guò)程中,針對(duì)由于點(diǎn)云加載過(guò)慢導(dǎo)致接邊數(shù)據(jù)檢查效率慢問(wèn)題,可加載一小塊點(diǎn)云,通過(guò)切換加載imglist全景文件來(lái)檢查接邊數(shù)據(jù);在城市部件采集過(guò)程中,針對(duì)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(xù)統(tǒng)一根據(jù)部件標(biāo)識(shí)碼進(jìn)行關(guān)聯(lián)匹配,保證部件照片名稱的唯一值。

2.5 部件確權(quán)

由于城市部件普查涉及的部件多達(dá)數(shù)十萬(wàn)個(gè),且權(quán)屬涉及多個(gè)部門,存在交叉、無(wú)人管理現(xiàn)象,故需要講究策略。

首先根據(jù)市和區(qū)縣兩級(jí)政府公開的各部門職能信息、市區(qū)兩級(jí)提供的城市部件權(quán)屬臺(tái)賬信息進(jìn)行比對(duì)確權(quán),初步確定每個(gè)部件的主管部門、權(quán)屬單位、養(yǎng)護(hù)單位信息,形成《數(shù)字化城市管理部件權(quán)屬確認(rèn)表》;然后由城市管理相關(guān)部門召開“城市部件信息權(quán)屬確認(rèn)會(huì)議”,市、區(qū)相關(guān)城市部件主管部門參加會(huì)議,與會(huì)人員對(duì)照《數(shù)字化城市管理部件權(quán)屬確認(rèn)表》逐項(xiàng)核對(duì)、認(rèn)領(lǐng),會(huì)同城市管理的相關(guān)部門,在整體上對(duì)城市管理工作進(jìn)行梳理,該會(huì)議作為部件確權(quán)工作的指導(dǎo)思想和工作依據(jù);再對(duì)部件在空間上進(jìn)行劃分,對(duì)部件的主管部門、權(quán)屬、養(yǎng)護(hù)單位進(jìn)行分門別類進(jìn)行細(xì)部確權(quán)工作[5];最后各相關(guān)主管部門針對(duì)前期認(rèn)領(lǐng)的部件進(jìn)行權(quán)屬確認(rèn)工作,明確各類部件的管轄范圍和屬性特征,填寫確認(rèn)表并簽字蓋章,項(xiàng)目組根據(jù)匯總的確權(quán)資料完善部件的權(quán)屬信息[6]。

針對(duì)某一類型部件對(duì)應(yīng)一種主管部門、權(quán)屬、養(yǎng)護(hù)單位的情況,可通過(guò)ArcGIS中的屬性表賦值工具,進(jìn)行屬性批量賦值;針對(duì)某一類型部件對(duì)應(yīng)多個(gè)主管部門、權(quán)屬、養(yǎng)護(hù)單位的情況,獲取每個(gè)主管部門、權(quán)屬、養(yǎng)護(hù)單位的面狀管理區(qū)域,在ArcGIS中使用按位置選擇工具,得出該面狀管理區(qū)域?qū)?yīng)的部件主管部門、權(quán)屬、養(yǎng)護(hù)單位,并進(jìn)行屬性批量賦值。

2.6 數(shù)據(jù)規(guī)整

將LiStreet軟件中采集的三維城市部件數(shù)據(jù)導(dǎo)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(hào)庫(kù)制作和三維建庫(kù)標(biāo)準(zhǔn)表,對(duì)城市部件數(shù)據(jù)的圖層名稱及內(nèi)容進(jìn)行整理,將將不在標(biāo)準(zhǔn)圖層上的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換到標(biāo)準(zhǔn)圖層上,同時(shí)對(duì)圖層進(jìn)行規(guī)范化命名。

依據(jù)城市部件分類、采集、符號(hào)庫(kù)制作標(biāo)準(zhǔn)表,對(duì)城市部件進(jìn)行符號(hào)化,地圖整飾等步驟,制作專題圖層。部件符號(hào)庫(kù)制作如圖4所示。

圖4 部件符號(hào)庫(kù)制作

2.7 數(shù)據(jù)建庫(kù)

(1)屬性整理

在Excel中整理部件的屬性,根據(jù)調(diào)查的信息和收集的資料,完善部件的屬性內(nèi)容[7],包括屬性結(jié)構(gòu)與屬性信息的整理。按照數(shù)據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)屬性結(jié)構(gòu),保證屬性字段名字、類型、長(zhǎng)度滿足要求;根據(jù)原始數(shù)據(jù)對(duì)屬性信息進(jìn)行整理完善,保證屬性信息的正確性、完整性。在Photoshop中對(duì)城市部件照片進(jìn)行裁剪、旋轉(zhuǎn)、調(diào)色、敏感度等處理、保證照片能清晰反映城市部件面貌。

(2)拓?fù)潢P(guān)系整理

對(duì)數(shù)據(jù)拓?fù)潢P(guān)系進(jìn)行檢查,修改拓?fù)潢P(guān)系錯(cuò)誤。具體包括線自相交、線打折、碎線、重疊線、重疊面、點(diǎn)重復(fù)、注記重復(fù)等的檢查和修改,拓?fù)潢P(guān)系檢查采用軟件自動(dòng)檢查和人工檢查相結(jié)合的方式,利用ArcGIS軟件的拓?fù)潢P(guān)系檢查功能,將存在拓?fù)潢P(guān)系問(wèn)題的數(shù)據(jù)定位,然后人工逐一核實(shí),修改問(wèn)題數(shù)據(jù)。

(3)數(shù)據(jù)建庫(kù)

按照前期制定的城市部件三維建庫(kù)標(biāo)準(zhǔn),建立城市部件數(shù)據(jù)庫(kù),首先將整理好的部件圖形數(shù)據(jù)導(dǎo)入數(shù)據(jù)庫(kù)中,部件標(biāo)識(shí)碼作為唯一標(biāo)識(shí),屬性表用Excel進(jìn)行錄入,通過(guò)部件標(biāo)識(shí)碼掛接至部件圖形數(shù)據(jù)中,然后部件照片通過(guò)插入柵格圖形的方式,將照片與城市部件圖形數(shù)據(jù)進(jìn)行綁定,形成最終的城市部件數(shù)據(jù)庫(kù)。

3 創(chuàng)新點(diǎn)

3.1 已有基礎(chǔ)數(shù)據(jù)復(fù)用

由于移動(dòng)測(cè)量車對(duì)井蓋類部件采集效果一般,存在丟漏、無(wú)法判斷井蓋類型現(xiàn)象,可通過(guò)已有的二維井蓋數(shù)據(jù),通過(guò)ArcGIS中的Model Builder模型構(gòu)建器,將點(diǎn)云中的高程數(shù)據(jù)賦值給對(duì)應(yīng)坐標(biāo)下的二維井蓋數(shù)據(jù),從而生成三維井蓋數(shù)據(jù),將其導(dǎo)入至LiStreet軟件中,對(duì)城市部件進(jìn)行提取,如圖5所示。

圖5 ModelBuilder高程賦值

3.2 背包SLAM補(bǔ)充采集

由于移動(dòng)測(cè)量車對(duì)限高(2.5 m以下)、步行街、小巷等道路無(wú)法進(jìn)行采集,故采用背包SLAM進(jìn)行補(bǔ)充采集(圖6)。移動(dòng)測(cè)量車和背包SLAM兩者結(jié)合確保獲取完整的道路城市部件數(shù)據(jù)。

圖6 背包SLAM采集

4 工程應(yīng)用

城市部件三維一體化采集方法成功應(yīng)用于濟(jì)南市中心城區(qū)主干道城市部件普查工作,通過(guò)該技術(shù)摸清了中心城區(qū)范圍內(nèi)5大類、60余小類共計(jì)約41萬(wàn)個(gè)城市部件現(xiàn)狀,建立了城市管理部件數(shù)據(jù)庫(kù),為城市運(yùn)行管理服務(wù)平臺(tái)提供了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支撐。

在本次城市部件普查項(xiàng)目中,移動(dòng)測(cè)量車平均車速可達(dá) 35 km/h。從數(shù)據(jù)成果分析,在中心城區(qū)每 1 km道路兩側(cè),部件個(gè)數(shù)將達(dá)到 1 500個(gè)以上,利用移動(dòng)測(cè)量車進(jìn)行采集可提升3倍以上的外業(yè)采集效率,特別是在城市GNSS信號(hào)失鎖嚴(yán)重區(qū)域,RTK采集手段難以實(shí)施,移動(dòng)測(cè)量技術(shù)采集效率優(yōu)勢(shì)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(diǎn)測(cè)量危險(xiǎn)系數(shù)較大,移動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)能夠有效解決作業(yè)安全性問(wèn)題,移動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)定位精度達(dá)到了 5 cm。

5 總 結(jié)

車載三維激光移動(dòng)測(cè)量技術(shù)是目前迅速發(fā)展并逐步流行的一個(gè)新型基礎(chǔ)測(cè)繪分支,本文采用車載三維激光移動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行道路點(diǎn)云和全景影像采集,結(jié)合LiStreet城市部件提取軟件,實(shí)現(xiàn)了城市部件快速、高效、高精度提取,同時(shí)獲取城市部件三維數(shù)據(jù),其豐富的數(shù)據(jù)可實(shí)現(xiàn)城市部件幾何尺寸量算、屬性識(shí)別等功能[8],該數(shù)據(jù)是城市運(yùn)行管理服務(wù)平臺(tái)、CIM基礎(chǔ)平臺(tái)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù),另外也可廣泛應(yīng)用于城管執(zhí)法、應(yīng)急反應(yīng)、規(guī)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(huán)境的重要手段和途徑,對(duì)于城市管理、市容環(huán)境和市民生活品質(zhì)的提升具有重要意義。