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(shù)研究中心,山東 濟南 250101)

城市部件是城市基礎(chǔ)設(shè)施的重要組成部分,是城市運行管理服務(wù)平臺的基礎(chǔ)設(shè)施數(shù)據(jù),是智慧城市、智慧城管建設(shè)的基礎(chǔ)。為滿足國家對社會治理、城市管理的現(xiàn)代化及精細化要求,新時代的城市部件普查工作應(yīng)重視新設(shè)備新手段的應(yīng)用,探索大范圍、快速、高效的城市部件普查方法。

傳統(tǒng)的城市部件普查方法是依托傳統(tǒng)測繪方式采用“GPS-RTK+全站儀”技術(shù),該方法采集效率低、生產(chǎn)成本高、難度大、部件遺漏率高;有些普查項目在傳統(tǒng)測量方式基礎(chǔ)上采用移動端采集APP進行補充采集[1],受限于移動端設(shè)備的定位精度,采集APP僅適應(yīng)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(shù)的發(fā)展,車載移動測量系統(tǒng)被應(yīng)用于部件普查,經(jīng)多地部件普查項目案例驗證[2-4],車載移動測量系統(tǒng)相比于傳統(tǒng)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(yè)普查工作效率。

綜上,本文分別在外業(yè)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)采集、部件要素提取、現(xiàn)場核查及補調(diào)、成果展示及應(yīng)用等方面應(yīng)用多種新型測繪技術(shù),以期實現(xiàn)城市部件的高效采集和成果的有效利用。

1 總體技術(shù)路線

國家新型基礎(chǔ)測繪體系為城市部件普查提供了新思路和新技術(shù)手段。按照新型基礎(chǔ)測繪的要求[7-8],一個地理實體只測一次,避免重復(fù)測繪,縮短生產(chǎn)周期,提高生產(chǎn)效率,提升基礎(chǔ)測繪有效供給能力;在成果應(yīng)用時,實現(xiàn)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(shù)為主、APP補調(diào)為輔的外業(yè)普查技術(shù)路線,以及智能化自動提取為主、人工干預(yù)處理為輔的內(nèi)業(yè)部件提取及處理的技術(shù)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(yīng)用于城市運行管理服務(wù)平臺,作為其最基礎(chǔ)的數(shù)據(jù)資源、最小的管理單元。目前,國內(nèi)很多城市在開展城市運行管理服務(wù)平臺建設(shè)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(shè)。為滿足在CIM基礎(chǔ)平臺、城市運管服務(wù)平臺等實景三維或數(shù)字孿生平臺上應(yīng)用的需求,在參考《數(shù)字化城市管理信息系統(tǒng)》(GB/T 30428-2020)等標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)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(zhǔn)的要求?？傮w技術(shù)路線如圖1所示。

2 外業(yè)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)采集

外業(yè)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)(基礎(chǔ)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(tǒng),采集測區(qū)內(nèi)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(tǒng),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(zhǔn)融合,形成完整的外業(yè)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

2.1 車載移動測量系統(tǒng)采集

車載移動測量系統(tǒng)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(yè)操控、POS解算、點云融合生產(chǎn)、全景處理生產(chǎn)軟件等,最終成果主要為高精度點云和全景數(shù)據(jù)。車載移動測量系統(tǒng)采集包括準(zhǔn)備工作、外業(yè)數(shù)據(jù)采集、采集成果質(zhì)檢、車載數(shù)據(jù)處理等環(huán)節(jié),其具體流程如圖2所示。

(1)準(zhǔn)備工作。通過資料收集和現(xiàn)場踏勘,確定測區(qū)內(nèi)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(guān)聯(lián)性,最終對車載采集路線、采集時間、基站架設(shè)位置、靜態(tài)停車區(qū)域進行合理規(guī)劃,避免冗余或遺漏,提高外業(yè)采集效率和質(zhì)量。

(2)外業(yè)數(shù)據(jù)采集。基站采集時間應(yīng)覆蓋車載外業(yè)采集時間,經(jīng)試驗,基站采用現(xiàn)有的GNSS基準(zhǔn)站且采樣間隔在1 s之內(nèi)能保證更高的成果質(zhì)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(tǒng)常規(guī)采集規(guī)范的基礎(chǔ)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(fā)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(xiàn)點云空洞、全景被遮擋現(xiàn)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(zhì)量。

(3)采集成果質(zhì)檢。在車載數(shù)據(jù)處理前對車載原始數(shù)據(jù)成果進行質(zhì)量檢查,確保沒問題后再進行數(shù)據(jù)處理。車載原始數(shù)據(jù)包括:車載GNSS定位數(shù)據(jù)、基站數(shù)據(jù)、激光掃描軌跡數(shù)據(jù)、全景照片、原始點云文件。主要對這些數(shù)據(jù)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(jié)束時間晚于車載GNSS結(jié)束時間,若不滿足,后續(xù)POS解算將無法通過;②檢查基站數(shù)據(jù)的連續(xù)性、采樣頻率;③檢查全景照片、點云、IMU等原始文件大小、數(shù)量等。

(4)車載數(shù)據(jù)處理。將車載原始數(shù)據(jù)經(jīng)POS解算、點云融合生產(chǎn)、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(xù)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(tǒng)采集

車載移動測量系統(tǒng)能夠覆蓋測區(qū)內(nèi)絕大部分的道路,其數(shù)據(jù)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(yīng)性強的便攜式三維激光掃描系統(tǒng)進行補測[11],本文采用的是背包式三維激光掃描系統(tǒng)。在部件普查外業(yè)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(shè)施或綠化設(shè)施導(dǎo)致點云遮擋嚴(yán)重的輔道;②限高導(dǎo)致車輛無法進入道路;③由于現(xiàn)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(tǒng)外業(yè)補充采集的生產(chǎn)流程包括確定測區(qū)、路線規(guī)劃、現(xiàn)場采集、數(shù)據(jù)處理等內(nèi)容。檢查車載移動測量系統(tǒng)的點云及全景成果,確定需要用便攜式激光掃描系統(tǒng)進行補充采集的路段,進一步規(guī)劃采集路線和采集時間,進入現(xiàn)場進行掃描作業(yè),對外業(yè)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(zhǔn)融合

便攜式激光掃描系統(tǒng)依靠SLAM+GNSS進行定位,本文未采用通過控制點或標(biāo)靶進行點云配準(zhǔn)的方法[12],而是在后處理階段采用多源點云數(shù)據(jù)融合算法將便攜式激光點云數(shù)據(jù)與車載點云數(shù)據(jù)進行配準(zhǔn)融合。該技術(shù)路線有以下優(yōu)勢:①可有效減少控制點測設(shè)及標(biāo)靶放置的外業(yè)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(fù)提取現(xiàn)象;④點云精度同樣可滿足部件提取要求,且作業(yè)效率更高。

點云配準(zhǔn)融合算法采用ICP(迭代最近點)算法,配準(zhǔn)過程如圖3所示。根據(jù)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(yù)處理,得到背包點云數(shù)據(jù)作為源點云P,車載點云數(shù)據(jù)作為目標(biāo)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(yōu)變換矩陣,實現(xiàn)兩點云重合。公式為

圖3 多源點云配準(zhǔn)流程

(1)

式中,R為旋轉(zhuǎn)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(tǒng)及便攜式三維激光掃描系統(tǒng)通過外業(yè)掃描、內(nèi)業(yè)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(guī)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(guān)鍵性作用。本文采用的是適應(yīng)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(yōu)勢:①提供點云及全景雙屏聯(lián)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(zhǔn)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(biāo)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(tǒng)技術(shù)條件限制,規(guī)范默認(rèn)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(shù)字孿生平臺中展示。三維激光移動測量技術(shù)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(shù)據(jù)類型分為點、線、面3種,并規(guī)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(xù)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(shè)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(xiàn)場核查及補調(diào)

便攜式激光掃描系統(tǒng)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(xiàn)不連續(xù)、范圍較小、無規(guī)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(shè)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(fā)了外業(yè)檢補調(diào)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(xiàn)場核查。

圖5 外業(yè)檢補調(diào)查APP界面

調(diào)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(jīng)調(diào)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(yán)重,一般都能達到固定解精度,在高樓密集區(qū)的道路上會出現(xiàn)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(yè)檢補調(diào)查APP功能包括底圖展示操作、部件要素數(shù)據(jù)導(dǎo)入導(dǎo)出及展示、新增部件、部件屬性查看編輯、現(xiàn)場拍照、空間定位、外業(yè)標(biāo)記、工作量統(tǒng)計等。將有問題或缺失的城市部件數(shù)據(jù)進行整理,預(yù)置到研發(fā)的外業(yè)檢補調(diào)查APP中。外業(yè)調(diào)查人員手持外業(yè)檢補調(diào)查APP,實地檢查或驗證部件位置及分類的準(zhǔn)確性并錄入部件屬性信息,對缺失的部件進行補充調(diào)查。

5 成果展示及應(yīng)用

城市部件要素數(shù)據(jù)成果為GDB格式的空間數(shù)據(jù)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(guān)聯(lián)。為更加直觀有效地展示并管理部件要素,研發(fā)了Web端城市部件展示系統(tǒng)(如圖6所示),可查看部件的空間位置、屬性信息、現(xiàn)場照片。該系統(tǒng)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(tǒng)

為實現(xiàn)部件數(shù)據(jù)的進一步利用,采用二三維數(shù)據(jù)融合技術(shù)將部件數(shù)據(jù)在CIM基礎(chǔ)平臺中展示,如圖7所示,城市部件的矢量要素服務(wù)與實景三維可完美貼合,為實景三維數(shù)據(jù)提供了更加豐富的時空信息。

圖7 部件數(shù)據(jù)融入CIM基礎(chǔ)平臺

6 結(jié) 語

隨著測繪地理信息技術(shù)的發(fā)展,采用新型測繪技術(shù)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(yè)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)采集、部件要素提取、現(xiàn)場核查及補調(diào)、成果展示及應(yīng)用等各個階段采用的新型測繪技術(shù)手段。外業(yè)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)采集階段,應(yīng)用了車載移動測量系統(tǒng)、便攜式激光掃描系統(tǒng)、多源點云配準(zhǔn)融合等技術(shù),彌補了車載LiDAR的局限性,大大縮短了外業(yè)調(diào)查時間;部件要素提取階段,應(yīng)用了點云分類、基于點云要素提取、GIS數(shù)據(jù)建庫等技術(shù),提高了要素提取的自動化程度;現(xiàn)場核查及補調(diào)階段,應(yīng)用了移動GIS、混合定位、便攜式GNSS接收機輔助定位等技術(shù),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(yīng)用階段,采用了WebGIS、數(shù)字孿生、二三維數(shù)據(jù)融合展示等技術(shù),實現(xiàn)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(wù)平臺中深入應(yīng)用,還需要進一步研究。