移動道路測量技術在城市部件采集中的應用研究

隨著“數(shù)字城管”建設的不斷深入進行，如何高效、準確獲取城管部件數(shù)據已經成為目前研究的重點。依托我院引進的先進的數(shù)據獲取設備——車載激光移動測量及建模系統(tǒng)進行了相關的數(shù)據獲取方法研究及與傳統(tǒng)數(shù)據獲取方式的效果對比。結果顯示該項新的技術在城管部件數(shù)據應用方面具有絕對的優(yōu)勢性，減少了外業(yè)測量及調繪的工作量，通過內業(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、減少了生產成本。
一、激光點云數(shù)據獲取
本研究采用了SSW車載激光建模測量系統(tǒng)，該系統(tǒng)由激光掃描儀、IMU、GPS、里程計、線陣相機、面陣相機、電動轉臺、供電和控制系統(tǒng)（筆記本電腦）、車載升降平臺構成。各模塊通過機械結構集成為一體，以GPS時間為主線保證時間的同步和協(xié)調，通過相互間結構關系解求所測目標點絕對坐標。
三維激光點云數(shù)據獲取是本文研究的基礎，車載激光移動測量系統(tǒng)借助GPS、IMU、里程計、相機、激光等設備，獲取目標地物的坐標系統(tǒng)，通過數(shù)據的組合后處理還原真實的目標地物三維場景。下圖是該系統(tǒng)獲取、處理生產三維點云數(shù)據的主要流程，如圖2所示：

圖2 數(shù)據采集、預處理及三維點云生產流程

本次研究的測區(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，掃描全程約為300多公里，部分處理完畢的彩色點云數(shù)據，如圖3所示：

圖3測區(qū)部分彩色點云

二、城管部件數(shù)據采集與更新
城市部件是城市最微小的細胞單元，是城市基礎結構系統(tǒng)的基本組成部分。城市部件主要包括公用設施、道路交通、市容環(huán)境、園林綠化、房屋土地、其他設施等。城市部件是城市經濟、社會活動的基本載體，是真正屬于城市的不可移動的要素[6]。
目前城市部件采集常用的方法有兩種：一種是調繪法，即外業(yè)調繪加內業(yè)數(shù)字化，另一種是測量法，即數(shù)字化測圖法。
調繪法是指在外業(yè)將部件的空間位置標繪到地形圖上，將其屬性信息填寫到調查表中，兩者通過標識碼相互對應，在內業(yè)進行圖形、屬性數(shù)據錄入和屬性數(shù)據掛接處理。調繪法要求將所有的部件都反映到調查底圖上，當部件較密集時，就很難甚至無法將全部的部件反映到底圖上，而當參照物不明顯時，就會出現(xiàn)部件定位不準確的情況。另外，這種方法既要在外業(yè)把部件繪到底圖上，又要在內業(yè)把紙圖上的部件轉繪到電子地圖上，精度低、效率低，容易出錯。
數(shù)字化測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，提高了調查的精度和效率[8]。
城市部件測量對目標地物數(shù)據要求非常全、非常細，無論采用調繪法還是數(shù)字化測量法，都必須投入大量人力物力。移動測量系統(tǒng)能夠快速采集到沿途各種地物地貌大量的真彩色坐標點云數(shù)據。
利用移動測量系統(tǒng)進行城市部件采集，首先需將獲取到的激光點云數(shù)據預處理得到彩色點云數(shù)據，采集過程在SWDY工作站中進行，采集窨井蓋時，為使路面和井蓋邊緣看的更清晰，本研究將點云數(shù)據進行了快速三維建模，生成了面片式三維模型，井蓋在彩色點云數(shù)據和快速三維建模后的數(shù)據上的顯示，如圖4和圖5所示。

圖4 井蓋在彩色點云數(shù)據上顯示

圖5 井蓋在三維模型數(shù)據上顯示

其他部件利用彩色點云數(shù)據采集獲得。采集之前應先對照城管部件采集設計書，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。采集中有時部件點與其他點云數(shù)據之間容易造成干擾，正確的點位不容易捕捉，可以對高程z值進行過濾掉，只顯示需要的點云。采集流程如圖6所示，

圖6基于彩色點云/面片式三維模型城管部件采集流程

根據城市管理部件采集標準，點狀部件幾乎都要求采集到部件底部的中心點。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，點云數(shù)據中井蓋基本可以采集到中心點。而對立桿類的地物部件而言，激光有時只能掃描其表面，因此采集到的點有時只能是表面的點。所以在采集交通信號燈、交通指示牌、路燈等立桿類的部件，在沒有遮擋的情況下應該盡量采集其地面根部的點。

三、城市部件采集精度檢核
精度分析數(shù)據來源于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，四次掃描數(shù)據中無論是測區(qū)道路狀況還是掃描時間均不同，具有典型性，測區(qū)有的地方道路兩邊樹木生長旺盛，會影響GPS信號，導致GPS精度較差；除此之外測量時間也有差異性，有的測區(qū)為上午掃描，有的測區(qū)則為下午，不同的光照條件會導致相機拍攝的照片色彩有差異，從而影響點云數(shù)據的色彩。
部件采集精度驗證上，本文用了2種驗證方法。18日和20日的兩次掃描結果采用的是將傳統(tǒng)外業(yè)測量的點與從點云/模型上采的點進行比較，而19日和21日的數(shù)據則是將點云/模型上采集的點與南通市1:500高精度地形圖上的相應點進行比較。外業(yè)測量的點以及地形圖數(shù)據上的點稱為控制點，則單點的點云誤差計算公式為：
                           （1）
平面誤差為：
　                            （2）
中誤差為：
                               （3）
其中，為點數(shù)；為真值與量測值的差值。
本研究選取了216個點進行精度檢驗，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（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

根據城市部件采集的標準，一般點狀部件要求為平面誤差在±0.5m以內，從表1可以看出，實驗結果完全符合要求的限差，車載激光移動測量技術完全可以對城管部件進行采集。

圖7 燈與行道樹的部件采集結果

圖7為在本次研究采集的所有城市部件的結果在AUTOCAD2013中的顯示結果，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同步拍攝的CCD影像與采集點進行基于位置的配準，在采集的同時顯示出影像，從而判讀出其權屬、歸屬信息。

四、結論
移動測量系統(tǒng)作為一種新的道路測量技術能快速、準確地完成城市部件數(shù)據采集工作，達到城市管理部件測量規(guī)定的技術要求。其獲取的可視化可量測立體影像數(shù)據，真實地記錄了某一時間城市的實際面貌，是帶有時間維度的城市全息圖?？蓮V泛應用于城市部件數(shù)據采集、城管執(zhí)法、應急反應、城市數(shù)字化管理以及規(guī)劃決策等諸多方面。