中海达高精度移动测量系统在城市部件普查中的应用

来源:《测绘通报》 作者:余建伟1,2,3 , 林伟恩3 2016-09-02
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1. 中山大学 地理科学与规划学院,广东 广州 511400;2. 广州中海达卫星导航技术股份有限公司,广东 广州 511400;3. 武汉海达数云技术有限公司,湖北 武汉 430023


一、引言


       随着我国城镇化进程逐步推进,城市数量和城市规模都发生极大的变化,对城市建设者和管理者都提出了更高要求,急需信息化和智能化的城市管理系统来支撑和辅助决策。其中,数字城市管理系统数据采集和建库是数字城市管理新模式的重要基础,而城市部件是数字城市管理的基础要素之一,也是城市组成的最小单元。面对旧城改造、新城涌现的新格局,城市部件更新的滞后、遗漏、信息缺失等问题,导致管理部门的职责不清、维修滞后和管理被动,这些症结在于缺乏城市管理精细化和现势性的数据。因此,通过城市基础部件数据普查与建库、基础地理编码普查与建库、万米单元网格划分等工作,为城市数字化管理提供精确度高、可用性强的基础数据平台。


       根据建设部住建部《城市市政综合监管信息系统管理部件和事件分类、编码及数据要求CJT214-2007》,城市部件普查的对象为与城市管理相关的公共设施共设定为6大类、85小类,同时,每个城市还根据实际情况增加了扩展类,并通过调查部件的空间位置、实际位置描述、物理属性及管理属性,综合来建立部件数据库。部件普查的基本特点是普查种类多、数量大、属性调查内容复杂,采用传统测绘作业方式进行数据采集和调绘,需要成立多个测量小组,从外业测量、属性调查到内业成图入库,需要耗时多月。此外,实际测量过程中,由于部分普查部件所处位置区域较为危险(如道路面上的雨井盖),同时,部分区域GNSS信号失锁严重,这些因素都会加大普查工作量和成本,成为了目前承担城市部件普查实施单位所面临的困难,急需一种高效率、易操作的测绘设备和技术手段来改善目前部件普查的困境。


二、基于移动测量系统的部件采集流程


2.1 现状分析


       移动测量技术是近十年来兴起的一种快速、高效、非接触式的测绘技术,其发展经历了基于近景摄影测量、基于激光扫描测量和基于高清激光全景测量几个阶段。


       早期的移动测量技术主要采用近景摄影测量方式,获取道路及道路两旁地物的立体影像,建立城市部件的影像数据库,然后通过专业的软件选取同一时刻影像对上的同一地物(同名点)来获取该点的三维空间坐标,依此来生成包含道路边线,道路设施,交通标志,桥隧,广告牌等设施的坐标,可以视为借助间接地方式来获取空间数据,这种模式存在作业时间局限(白天车辆多,遮挡严重,晚上影像无法采集),近景摄影测量软件选点效率低、人为误差不可控,影像质量直接影响数据精度等问题。


       随着传感器的发展,将激光扫描仪集成到移动测量系统中,使获取部件空间坐标的方式由间接被动变成了直接主动,但由于早期集成激光设备的移动测量系统多采用工业相机,像素低,分辨率差难于配合激光进行配准和开展联合作业,作业效率也较低。


       近几年,基于高清激光全景的移动测量系统,采用单反相机集成的高清全景相机代替传统的CCD相机或工业一体化相机,提高了图像分辨率和图像质量,同时配合高精度的惯性导航系统,保证了系统精度,已成为目前主流移动测量系统的配置,促使基于高清激光全景的移动测量系统在城市部件普查的效率和精度方面得到提升。


2.2 HiScan-S系统


       HiScan-S高精度一体化移动三维测量系统是中海达自主研制的新型测绘装备,该系统集成了高密度三维激光扫描系统、360°全景相机、高精度定位定姿系统等多个传感器、总成控制系统和高性能计算机。将其搭载在汽车上,在车辆高速行进之中,快速采集道路及两旁地物的高清影像及激光点云,并根据各种应用需要进行各种要素特别是道路两旁要素的任意任时的按需测量,包括道路中心线或边线位置坐标、目标地物的位置坐标、路(车道)宽、桥(隧道)高、交通标志、道路设施等。



图1 HiScan-S 高精度移动测量系统


        中海达HiScan-S高精度移动测量系统及其配套的软件。


(1)系统指标
 测程:100-1000m(可根据扫描头扩展)
 扫描点频:>100万点/秒
 扫描频率:200Hz
 测量精度:5cm@100m
 高清影像:>7200万像素


(2)配套软件
 POS解算软件:Inertial Explorer/PosPac(根据惯导类型选配)
 数据融合软件:HDCombine
 全景拼接软件:HDPano
 测图建库软件:HDVector


2.3 HiScan-S部件普查技术流程


2.3.1 外业数据采集流程


(1)路线规划:以最短的行驶里程完成数据采集,避免漏采;
(2)参数设置:采集频率200Hz、影像采集间距10m;
(3)POS对准:开启POS数据采集,约5min;
(4)路线采集:开始按规划路线采集点云和影像数据;
(5)结束采集:完成规划路线采集,拷贝数据,关闭设备;
(6)控制点采集:在GNSS信号失锁区域,按200m采集一个控制点,精度要求在3cm内。


2.3.2 内业数据处理流程
(1)数据下载,根据外业数据采集时间,下载对应时间段的CORS基站静态数据(包含*.o文件)。
(2)POS数据解算,将POS数据和CORS静态数据导入Inertial Explorer软件中,经过软件解算得到移动测量系统在采集过程中的位置和姿态信息,输出*.pos数据文件。
(3)数据融合解算,将移动测量系统采集的激光数据和*.pos数据文件导入HDCombine软件中,经过软件解算后可以得到三维点云数据和轨迹数据。
在GNSS信号较差的区域,添加控制点进行融合解算,提高测量精度。



图2高密度的点云数据


(4)全景拼接,将移动测量系统在采集的影像数据导入HDPano软件中,自动化批量生成360度全景影像。



图3高分辨率全景影像


(5)将工程文件导入HDVector软件中,进行点、线、面等部件要素提取;同时,基于高清全景影像进行属性数据录入。



图4基于点云数据快速提取部件和属性录入


(6)图幅整饰、属性检查。


三、应用案例及优势分析


3.1 测区情况


       本项目测区位于西部某市,采集道路主要集中在城市中心,道路两侧多为高层建筑,并且有高架桥覆盖,卫星信号极差,采用RTK测量手段在该区域无法实施。



图 5 测区环境


3.2 作业标准


       本项目根据住建部《城市市政综合监管信息系统管理部件和事件分类、编码及数据要求 CJT214-2007》中的要求,要求获取30km城市道路内部和两侧的7大类城市部件,完成部件采集、属性调查和成图入库工作,成果精度要求如下:


       表1 成果精度要求



 

3.3 技术优势


       从本项目的实施过程和成果分析,中海达HiScan-S高精度移动测量系统在城市部件普查方面的主要优势有以下4点。


3.3.1 外业采集效率高


       在本次城市部件普查项目中,考虑城市交通流畅性,中海达移动测量系统平均车速可达30km/h。从数据成果分析,在城区每1千米道路两侧,地物个数将达到1500个以上,普查工作量巨大。特别在城市GNSS信号失锁严重区域,RTK采集手段难以实施,移动测量技术采集效率优势尤为突出。此外,在城市部件中有大量的井盖(包括通讯、电力、雨水等)位于道路中央,人工打点测量危险系数较大,移动测量系统能够有效解决作业安全性问题。


3.3.2 基于MDB数据库


       本系统配套的HDVector测图建库软件是基于ArcGIS平台进行开发,可以直接加载点云和全景影像数据,全面兼容ArcGIS工具包,提供行业标准模板,可以进行地物提取和属性录入,直接生成mdb部件普查数据库,无需进行数据格式转换。



图6基于点云数据快速提取部件和属性录入


3.3.3 半自动化提取工具


       在系统配套的软件中,提供了多种自动化、半自动化的部件提取工具,有效地提高内业成图效率。例如:基于行道树自动化提取,一键式地完成道路两侧行道树的快速提取;而基于道路边线、标示线的半自动提取。



图7道路边线的半自动提取


3.3.4 影像挂接


       移动测量系统采集点云数据,同时也可按设定距离获取高清全景影像。在软件中,利用高清全景影像,可以辅助判读部件属性信息;另一方面,可以基于高清全景截取部件影像,大大地降低了外业部件拍照的工作量和数据关联工作。



图 8 影像挂接


四、结束语


       随着地级市的数字城市地理空间框架建设的全面开展,城市部件普查成为其工作的重要部分,借助移动测量系统采集效率明显高于传统测量方法,降低了外业人员采集难度和危险性。同时,内业数据处理中,高密度的点云数据有利于地物的快速提取和识别,借助(半)自动化工具可以提供作业效率。从本项目实施成果分析,中海达高精度移动测量在城市部件普查中的技术路线已经成熟,在实际的工程项目中能够起到积极的推动效应。