移動(dòng)道路測(cè)量技術(shù)在城市部件采集中的應(yīng)用研究

隨著“數(shù)字城管”建設(shè)的不斷深入進(jìn)行，如何高效、準(zhǔn)確獲取城管部件數(shù)據(jù)已經(jīng)成為目前研究的重點(diǎn)。依托我院引進(jìn)的先進(jìn)的數(shù)據(jù)獲取設(shè)備——車載激光移動(dòng)測(cè)量及建模系統(tǒng)進(jìn)行了相關(guān)的數(shù)據(jù)獲取方法研究及與傳統(tǒng)數(shù)據(jù)獲取方式的效果對(duì)比。結(jié)果顯示該項(xiàng)新的技術(shù)在城管部件數(shù)據(jù)應(yīng)用方面具有絕對(duì)的優(yōu)勢(shì)性，減少了外業(yè)測(cè)量及調(diào)繪的工作量，通過內(nèi)業(yè)工作能夠直接同步獲取部件的平面位置信息和屬性信息，較傳統(tǒng)方法極大地提高了工作的效率、減少了生產(chǎn)成本。
一、激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)獲取
本研究采用了SSW車載激光建模測(cè)量系統(tǒng)，該系統(tǒng)由激光掃描儀、IMU、GPS、里程計(jì)、線陣相機(jī)、面陣相機(jī)、電動(dòng)轉(zhuǎn)臺(tái)、供電和控制系統(tǒng)（筆記本電腦）、車載升降平臺(tái)構(gòu)成。各模塊通過機(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)，通過相互間結(jié)構(gòu)關(guān)系解求所測(cè)目標(biāo)點(diǎn)絕對(duì)坐標(biāo)。
三維激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)獲取是本文研究的基礎(chǔ)，車載激光移動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)借助GPS、IMU、里程計(jì)、相機(jī)、激光等設(shè)備，獲取目標(biāo)地物的坐標(biāo)系統(tǒng)，通過數(shù)據(jù)的組合后處理還原真實(shí)的目標(biāo)地物三維場(chǎng)景。下圖是該系統(tǒng)獲取、處理生產(chǎn)三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)的主要流程，如圖2所示：

圖2 數(shù)據(jù)采集、預(yù)處理及三維點(diǎn)云生產(chǎn)流程

本次研究的測(cè)區(qū)為南通市港閘區(qū)西北部，獲得2013年1月18日至2013年1月21日共四次有效掃描數(shù)據(jù)，掃描全程約為300多公里，部分處理完畢的彩色點(diǎn)云數(shù)據(jù)，如圖3所示：

圖3測(cè)區(qū)部分彩色點(diǎn)云

二、城管部件數(shù)據(jù)采集與更新
城市部件是城市最微小的細(xì)胞單元，是城市基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的基本組成部分。城市部件主要包括公用設(shè)施、道路交通、市容環(huán)境、園林綠化、房屋土地、其他設(shè)施等。城市部件是城市經(jīng)濟(jì)、社會(huì)活動(dòng)的基本載體，是真正屬于城市的不可移動(dòng)的要素[6]。
目前城市部件采集常用的方法有兩種：一種是調(diào)繪法，即外業(yè)調(diào)繪加內(nèi)業(yè)數(shù)字化，另一種是測(cè)量法，即數(shù)字化測(cè)圖法。
調(diào)繪法是指在外業(yè)將部件的空間位置標(biāo)繪到地形圖上，將其屬性信息填寫到調(diào)查表中，兩者通過標(biāo)識(shí)碼相互對(duì)應(yīng)，在內(nèi)業(yè)進(jìn)行圖形、屬性數(shù)據(jù)錄入和屬性數(shù)據(jù)掛接處理。調(diào)繪法要求將所有的部件都反映到調(diào)查底圖上，當(dāng)部件較密集時(shí)，就很難甚至無法將全部的部件反映到底圖上，而當(dāng)參照物不明顯時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)部件定位不準(zhǔn)確的情況。另外，這種方法既要在外業(yè)把部件繪到底圖上，又要在內(nèi)業(yè)把紙圖上的部件轉(zhuǎn)繪到電子地圖上，精度低、效率低，容易出錯(cuò)。
數(shù)字化測(cè)量法是指將部件的空間位置和屬性信息通過地理編碼和屬性編碼存入全站儀中，避免了外業(yè)繪圖和填表工作，提高了調(diào)查的精度和效率[8]。
城市部件測(cè)量對(duì)目標(biāo)地物數(shù)據(jù)要求非常全、非常細(xì)，無論采用調(diào)繪法還是數(shù)字化測(cè)量法，都必須投入大量人力物力。移動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)能夠快速采集到沿途各種地物地貌大量的真彩色坐標(biāo)點(diǎn)云數(shù)據(jù)。
利用移動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行城市部件采集，首先需將獲取到的激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)預(yù)處理得到彩色點(diǎn)云數(shù)據(jù)，采集過程在SWDY工作站中進(jìn)行，采集窨井蓋時(shí)，為使路面和井蓋邊緣看的更清晰，本研究將點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行了快速三維建模，生成了面片式三維模型，井蓋在彩色點(diǎn)云數(shù)據(jù)和快速三維建模后的數(shù)據(jù)上的顯示，如圖4和圖5所示。

圖4 井蓋在彩色點(diǎn)云數(shù)據(jù)上顯示

圖5 井蓋在三維模型數(shù)據(jù)上顯示

其他部件利用彩色點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集獲得。采集之前應(yīng)先對(duì)照城管部件采集設(shè)計(jì)書，確定好類別與屬性，按照部件的種類新建各類矢量圖層，并賦予其屬性和平面位置信息。采集中有時(shí)部件點(diǎn)與其他點(diǎn)云數(shù)據(jù)之間容易造成干擾，正確的點(diǎn)位不容易捕捉，可以對(duì)高程z值進(jìn)行過濾掉，只顯示需要的點(diǎn)云。采集流程如圖6所示，

圖6基于彩色點(diǎn)云/面片式三維模型城管部件采集流程

根據(jù)城市管理部件采集標(biāo)準(zhǔn)，點(diǎn)狀部件幾乎都要求采集到部件底部的中心點(diǎn)。地面的部件在沒有其他物件遮擋的情況下，激光可以完整地掃描到，因此，點(diǎn)云數(shù)據(jù)中井蓋基本可以采集到中心點(diǎn)。而對(duì)立桿類的地物部件而言，激光有時(shí)只能掃描其表面，因此采集到的點(diǎn)有時(shí)只能是表面的點(diǎn)。所以在采集交通信號(hào)燈、交通指示牌、路燈等立桿類的部件，在沒有遮擋的情況下應(yīng)該盡量采集其地面根部的點(diǎn)。

三、城市部件采集精度檢核
精度分析數(shù)據(jù)來源于2013年1月18日至2013年1月21日南通市港閘區(qū)西北部共四次有效掃描數(shù)據(jù)，四次掃描數(shù)據(jù)中無論是測(cè)區(qū)道路狀況還是掃描時(shí)間均不同，具有典型性，測(cè)區(qū)有的地方道路兩邊樹木生長(zhǎng)旺盛，會(huì)影響GPS信號(hào)，導(dǎo)致GPS精度較差；除此之外測(cè)量時(shí)間也有差異性，有的測(cè)區(qū)為上午掃描，有的測(cè)區(qū)則為下午，不同的光照條件會(huì)導(dǎo)致相機(jī)拍攝的照片色彩有差異，從而影響點(diǎn)云數(shù)據(jù)的色彩。
部件采集精度驗(yàn)證上，本文用了2種驗(yàn)證方法。18日和20日的兩次掃描結(jié)果采用的是將傳統(tǒng)外業(yè)測(cè)量的點(diǎn)與從點(diǎn)云/模型上采的點(diǎn)進(jìn)行比較，而19日和21日的數(shù)據(jù)則是將點(diǎn)云/模型上采集的點(diǎn)與南通市1:500高精度地形圖上的相應(yīng)點(diǎn)進(jìn)行比較。外業(yè)測(cè)量的點(diǎn)以及地形圖數(shù)據(jù)上的點(diǎn)稱為控制點(diǎn)，則單點(diǎn)的點(diǎn)云誤差計(jì)算公式為：
                           （1）
平面誤差為：
　                            （2）
中誤差為：
                               （3）
其中，為點(diǎn)數(shù)；為真值與量測(cè)值的差值。
本研究選取了216個(gè)點(diǎn)進(jìn)行精度檢驗(yàn)，平面誤差以及高程誤差如表1所示。

表1 平面誤差與高程誤差統(tǒng)計(jì)（單位：m）
日期      
18 0.090 0.086 0.037 0.124 0.192 0.054
19 0.066 0.034 0.051 0.074 0.104 0.032
20 0.062 0.058 0.043 0.085 0.113 0.055
21 0.050 0.041 0.033 0.065 0.093 0.072

根據(jù)城市部件采集的標(biāo)準(zhǔn)，一般點(diǎn)狀部件要求為平面誤差在±0.5m以內(nèi)，從表1可以看出，實(shí)驗(yàn)結(jié)果完全符合要求的限差，車載激光移動(dòng)測(cè)量技術(shù)完全可以對(duì)城管部件進(jìn)行采集。

圖7 燈與行道樹的部件采集結(jié)果

圖7為在本次研究采集的所有城市部件的結(jié)果在AUTOCAD2013中的顯示結(jié)果，不同的部件要素用不同的顏色表示，共采集了行道樹、路燈和井蓋等十種城市管理部件。其屬性信息可以通過軟件將行車時(shí)同步拍攝的CCD影像與采集點(diǎn)進(jìn)行基于位置的配準(zhǔn)，在采集的同時(shí)顯示出影像，從而判讀出其權(quán)屬、歸屬信息。

四、結(jié)論
移動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)作為一種新的道路測(cè)量技術(shù)能快速、準(zhǔn)確地完成城市部件數(shù)據(jù)采集工作，達(dá)到城市管理部件測(cè)量規(guī)定的技術(shù)要求。其獲取的可視化可量測(cè)立體影像數(shù)據(jù)，真實(shí)地記錄了某一時(shí)間城市的實(shí)際面貌，是帶有時(shí)間維度的城市全息圖?？蓮V泛應(yīng)用于城市部件數(shù)據(jù)采集、城管執(zhí)法、應(yīng)急反應(yīng)、城市數(shù)字化管理以及規(guī)劃決策等諸多方面。