基于全息测绘的大型城市管线更新探索实践
陈功亮时煜姝张黔松
上海市测绘院
摘要：地下管线是保障现代城市可持续发展的“生命线”地下管线的准确性对大型城市的发展起到重要作用。然而常规的普查方法在精度和时效性上难以满足现有管战更新的要求,经过以车载激光扫描技术为主要测绘手段的全息测绘测试,可提高地下管线更新速度,及时捕捉管线变化,最后结合三维管线管理平台实现了地下管线的一体化更新
关键词:地下管线，全息测绘，数据更新，三维可视化?
1城市管线更新现状
年3月5日,习近平总书记在参加全国上海代表团审议时提出:“城市管理应该像绣花一样精细。”而地下管线是城市基础设施的重要组成部分,在城市规划、建设、管理的基础地理信息中扮演着重要的角色。
年国务院办公厅在《关于加强城市地下管线建设管理的指导意见》中明确要求开展城市地下管线普查工作,建立和完善综合管理信息系统。随后几年,大型城市地下管线基础信息普查工作纷纷开展,积累了一批城市建成区域的管线普查数据。普查数据主要采用地球物理勘探的方式获取,其数据位置精度、属性精度,数据覆盖范围、整体关系、逻辑一致性均较好。另外,大型城市一般都将管线跟测、验收等见管实测的方式作为管线数据库更新的主要手段,实现管线的动态更新维护,形成常态化的更新机制。跟测数据的位置精度最好,数据的覆盖范围、整体关系一般。
但由于地下管线规划管理的各个环节分散在不同的部门,且管线竣工相较建(构)筑物竣工验收而言缺少管理抓手,再加上市政工程施工造成的管线临时搬迁和回迁等因素,使得每年有部分新建管线未纳入管线跟测验收更新机制,从而影响了地下管线数据库的现势性和准确性。
本文以超大城市上海为例,探讨基于全息测绘车载激光扫描技术的管线变化发现及更新机制,以及基于全息数据的地下管线三维可视化应用。
2全息测绘技术
年6月,国务院批复同意的《全国基础测绘中长期规划纲要(~年)》中,首次提出了“加快发展基础测绘,形成新型基础测绘体系”的要求。年11月原国家测绘地理信息局在前期系统谋划的基础上为推进新型基础测绘落地,批复同意“上海新型基础测绘试点项目立项并纳入我国新型基础测绘体系建设试点”。试点围绕规划和自然资源管理、城市治理能力现代化、新型基础设施建设等应用需求,开展基于地理实体的全息地理时空数据获取、处理、建库、管理和服务等研究,创新性地建立了基于地理实体的“智能化全息测绘”技术体系。
全息数据是指包括(但不限于)地理实体(点线、面、体)及其与之相关联的时间时序(静态、动态)、空间位置、地名、地址、属性特征(归属、归类、表象、色彩、材质)社会价值与用途及其人文活动的时空数据集合。通俗地说,就是包括地上、地下、可见、不可见所有实体,以及实体的自然属性、社会属性。智能化全息测绘以地理信息服务精细化、精确化、真实化、智能化为目标,利用空地一体的倾斜摄影、激光扫描等多源传感技术获取全息地理实体要素，通过深度学习等AI技术自动、半自动化提取建立地理实体的矢量、三维模型等数据，并结合大数据和调查充实各地理实体的自然、社会、经济属性，形成涵盖地上地下、室内室外的一体化的全息高清、高精的、结构化实体城市信息模型，为智慧社会提供全空间、动静态的地理信息服务。
3基于全息测绘的地下管线数据采集与更新方法
全息测绘主要包括倾斜摄影测量、多源激光雷达扫描测量(机载、车载、架站式、便携式)及其它数据采集方法等采集方式，地下管线在地面有大量附属物，如井盖、消防检、路灯、摄像头、上杆、电箱、变电室、光交箱等，这些附属物主要集中在市政道路两侧，如何利用全息测绘数据的空间位置及属性关系是亟需探讨的内容。
车载激光扫描技术是智能化全息测绘的重要技术手段，车载激光扫描系统集激光扫描、近景摄像、惯导技术等多种处理手段为一体，可在车辆的高速行进之中，快速采集道路及道路两旁地物的地理空间位置、建筑物、植被、道路地物表面的三维数据同步存储在车载计算机系统中经事后集成融合及编辑处理形成各种有用的专题数据成果。其在道路设施和管网设施空间数据的采集获取、动态更新方面具备作业高效、位置精确、成本低廉等方面的先天优势。尤其是管线规划管理和普查的主要区域就位于市政道路地面下方，也就是车载激光扫描应用的主要区域。因此利用车载激光扫描技术为主要手段，将全息测绘技术应用于地下管线数据的采集和更新工作，以此探索地下管线数据更新机制及技术的优化。
3.1技术路线
其技术路线包括资料准备及踏勘、扫描数据采、纠正点检查点测设、数据处理、质量验收，入库成果一致性检查等主要工序。流程见图2
3.2资料准备及踏勘
在外业前收集施测区域的正射影像、基础测绘数据、大地测量资料及其他相关资料，了解测区道路交通天气和控制点情况，需要时可组织人员进行现场踏勘。
根据收集资料和踏勘情况进行基站位置和采集路线规划,其中采集路线规划包括停车区域和行车路线规划。基站位置宜选取场地开阔、卫星定位观测条件好、架站安全的位置。行车路线规划应保证测区内待扫描道路的全覆盖,尽可能减少重复路段和无效路段的扫描。
3.3数据采集
基站宜与附近的已知点联测,基站观测时段应覆盖车载扫描时间段,采用三维约束网平差进行数据解算。观测前应在停车区域进行初始化,扫描仪惯性测量装置的初始化采用静态观测方式进行,GNSS卫星数量不宜小于10颗,PDOP值宜小于4,时长超过5min。在进入测区前进行动态初始化,至少包括一段直线和两次拐弯。初始化后进入目标区域开始采集点云。完成数据采集后,先关闭激光雷达和全景相机驶入停车区域静止5min后,再关闭惯导和设备系统。外业纠正点沿道路进行布设,综合GNSS信号、点云精度要求、轨迹解算质量和地形情况进行设置困难地区和交叉路口宜进行加密。当高架、郊区等空旷地区GNSS信号良好时,可不布设纠正点,但应进行精度检查。纠正点和检查点宜选取具有一定厚度和大小的道路标线,如停车线、标识、分隔线外角等。没有道路标线的区域,应选择点云中容易辨识的地物特征点。
3.4点云和可量测实景影像制作
车载激光扫描测量时同步采集实景影像,纠正后的轨迹数据经检查合格后,方可生成可量测实景影像成果,具体包括实景影像、内外方位元素、时间参数。利用软件进行纠正点的点云数据对应,然后重新解算得到纠正后的轨迹数据文件。然后重新解算点云、点云着色,并进行全景照片解算。
3.5全要素地形数据制作
全要素地形数据的数据源包括检查合格的点云成果、可量测实景影像成果以及基础测绘等数据。通过操作软件与其他辅助数据,在点云数据上提取测绘范围内的三维全息地理要素,最后编辑图。
在数据源上提取的矢量应保证其数学精度,各类地形要素应使用正确的分类编码。点状要素提取要素定位点,线状要素提取定位线,面状要素提取外围轮廓线进行构面。各类地物要素提取时应根据数据源仔细辨认,不得错漏、移位和变形,点状要素应准确描绘其定位点，线状要素应跟迹描绘，走向明确，衔接合理。根据数据源提取地物要素时,应以多视角、不同渲染方式的点云和影像数据来提取地物要素,保证提取数据的准确性。对于点云密度不够、数据空洞、影像缺失的区域,应根据实际情况进行补测。
实地调绘主要包括三个内容,一是野外补测,二是照片补拍,三是属性调查。因扫描点云黑洞等因素影响内业数据提取时,可采用架站式扫描、全野外数字化等手段进行野外补测。
3.6全要素实景模型制作
全要素实景模型主要分为交通道路要素和交通部件要素，其中交通道路要素包括道路、隧道和桥梁等，交通部件要素包括与交通相关的牌类、杆类、箱类以及监控探头、红绿灯等。全要素实景模型的数据源包括全要素地形数据、点云数据、现场照片、DOM数据、三维模型及纹理库等数据,基于以上数据源,通过建模软件进行全要素实景模型制作,对于具有通用性的部件及纹理应构建模板库。道路模型应真实反映道路面的起伏情况,机动车道、非机动车道、人行道、标志标线等各类交通道路要素应进行单体化制作;交通部件要素的尺寸、样式、类型、朝向应与实地保持一致,模型纹理应准确反映要素的材质、颜色情况。
4全息测绘试点应用情况
以上海中心城区某地块作为试点区域,进行车载激光扫描数据采集工作,在完成地形数据更新与实景模型制作后,进一步开展以下工作:
1)将该区域更新完成的全息测绘数据中管线附属物数据与上海市地下管线综合数据库中的成果比对,发现有新建及改建附属物时,说明管线有变动,进行补充探测，获取该区域地下管线的现势数据。
2)对地面上管线相关附属物进行测量获得准确的位置和高程，并通过部件与管线的连接关系确定附属物的种类和权属，尝试将成果应用于城市网格化管理数据的更新。
3)数据采集完成后进行地上地下一体的三维可视化发布，应用于城市运维中心的城市管理。
4)研究管线数据库与地形数据库中关于管线附属物的联动更新机制以及两个数据库中管线附属物数据的统一问题。
4.1区域概况
试验区位于上海市徐汇区，该地块为历史风貌保护区域内古旧建筑较多。管线作业试点区域主要在地块右下角，原为直线道路，在西侧地块中有古塔。为了扩展古塔所在地块，此路段改建向东改造为圆弧形西侧地块面积扩大，原有道路废除。道路下的市政管线小部分保留、大部分废除，新建道路新排设管线两端与老管线接通。在半年前该路段完成建设，新建道路长度约m。
4.2全息扫描
使用车载激光扫描系统对该区域进行全息测绘工作，更新道路地形并完成地面设施及周边建筑的三维建模。采用华测ASHL型号车载多平台系统进行道路车载激光扫描，一次扫描即获取了道路全要素的空间位置信息和属性信息。使用RTK和全站仪对测区全域开展纠正点测量工作，记录正点成果表和点位照片。采用华测自带软件在点云上选取正点同名点，基于纠正点改正数实现点云数据纠正。采用编辑软件绘制道路全息矢量图，并经过检查后入库。该地块作业用时约一个月，作业流程见下表，最终形成全自扫描成果（图4）
4.3管线探测
从全息测绘成果上可见，地块西南侧新建道路上有大量新建的管线附属物。在收集道路改建前的管线数据、新建管线的竣工跟测数据等资料后,对该路段地下管线进行了探测。本次地下管线探测工程遵循从已知到未知、从简单到复杂的原则进行。首先对排水管道进行调查,再对电力、通讯类管线进行探查,最后对给水、燃气管线进行探查。对明显管线点打开井盖进行量测,隐蔽管线点采用地下管线探测仪和导向仪进行探测,将各种管线属性数据记录在外业探测底图上,收工后将外业数据录入电子表格;非金属管线利用权属单位的调绘资料、竣工资料结合明显点进行探查,对条件允许地段辅以钎探、导向仪探测、雷达探测等手段,保证探测的精度。对地块四周的其他未边动道路进行了管线数据实地探测比对,保障地块周边道路管线数据的准确完整。
本次管线探测用时约3周，作业流程见图5
本次管线探测的难点在于部分管线废弃无法区分、新老管线接口处探测信号混乱,收集到的跟测竣工数据和管线公司运维数据对于探测成果的准确性起到了极大作用。
4.4现势性分析
上海管线建设施行跟踪测量制度,管线建设单位需与测绘单位签订跟踪测量合同后方能申请规划许可证,测绘单位在施工过程中实测管线,并在完工后上交跟踪测绘成果。在本探测区域内,道路全息测绘成果发现了大量新增管线附属物,而上交的管线跟测成果明显少于实地新建管线。通过现场管线探测获取该路段新建管线数据,与收到跟测数据对比情况如表2所示。
表2中跟测数据的完整率为仅为25%,借助道路全息测绘及时发现了管线地面附属物的变化,后续应及时向管线建设单位收集管线跟测成果,通过建立机制保证管线数据库的现势性和齐全性。
4.5附属物精度分析
探测完成后管线附属物的平面位置有了两套数据:地形中数据和管线成果数据。两套成果比对结果如下:
1)路灯、消防栓、电箱、光交箱、摄像头76个,平面位置偏差在14cm以内的31个,其余的在27cm以内。
2)直径大于60cm的井盖(人孔)65个,地形图中缺漏2个,平面位置偏差在14cm以内的22个,在23cm以内40个,偏差在85cm1个。由于各类管线井盖上不全有文字,有污水井上盖了电信的井盖,地形测量井盖类型错误有9个。
3)直径或边长小于60cm的井盖(手孔)96个,地形图不做测量。
通过试点区域的数据分析,提出建议如下：
1)管线附属物中突出地面的位置以全息测绘为准
2)井盖一般与地面平齐、扫描的偏差较大,同时非管线的测绘人员对于井盖的类别区分难度较大。井盖应自动与管线图中数据自动匹配,平面位置误差小于30cm的以管线成果中的种类和平面位置为准,大于30cm的由管线测绘人员现场核实确定。
4.6网格化管理应用
管线附属物是城市部件的重要组成部分,管线成果对于城市安全、抢险等有重要作用,对于网格化管理单位作用重大。该路段及周边区域测绘数据与区网格化管理单位对接,网格化管理单位重视每个城市部件的位置、所属单位、状况,一旦城市部件有损坏及时通知权属单位维修,保障城市正常运行。网格化管理中涉及的管线部件,与管线测绘规范中管线类别及附属物进行对比，具体见表3
通过对比得出如下结果：
1)管线成果图的部件类别涵盖网格化部件。
2)对于公安井盖可按照连接管线确定属于交通信号或监控。
3)其它井盖通过综合管线图比对或开井调查,可以判断种类。
格网化管理单位定期更新城市部件数据并编号部件位置主要使用地形图上的位置,如有缺少的进行修测补充。将格网化管理单位该区域额管线附属物数据与探测成果核对,大部分与综合管线图平面位置偏差30cm以内,少量偏差在1m左右。因此使用综合管线成果及时更新格网化管理单位数据可以提高城市部件数据精度。
实地探测确定各附属物权属单位的过程中发现,井盖通过相连管线能够确定权属单位,但电箱与光交箱确定权属单位较难。个别电箱由于周边管线密集,无法确定与周边管线的连接情况。格网化管理单位确定管线部件权属单位主要依靠井盖的不同区分,可能存在错误。管线探测数据完成后与管线权属单位进行核对,可以明确附属物的权属,提供给格网化管理单位可以提高网格部件属性的准确性。将管线数据与网格化数据同步更新可以极大的提高数据的准确性,有管线权属单位参与将明显提高效率。
4.7三维可视化应用
试点区域作为城市智慧云脑的三维试点区域进行了三维模型制作。而要实现地上、地下一体的三维可视化,就对管线测绘提出了较高要求。目前的管线竣工数据,在覆土前实测管线标高,但没有管线埋深;电力及通信排管记录了孔数、直埋电缆记录了根数,但均没有截面尺寸;井室只有外框坐标没有深度。另外,由于城市地下管线密集、交错紧贴,探测技术的局限性造成三维管线撞管现象较多。
因此将原有二维管线图的数据进行三维建模,需要进行大量的内业调整和外业核实工作。同时地上地下三维一体化的显示,需要地面管线附属物在地形数据和管线数据中的统一。全息测绘的成果包括地面管线附属物的三维模型,如能确保管线数据和全息测绘数据的一致性,就能引用作为管线数据的三维模型进行关联和发布,将大量提高管线三维可视化的工作效率。
5结论
在道路地形图完成后,通过管线设施与原有管线图数据进行比对,及时发现新增、废除的管线附属物以确定是否有管线新建或废除是变化发现的有效途径。有了这个发现机制可以督促各管线建设单位及时上交,保障管线成果的齐全。
在地形数据库和管线数据库中,管线的地面附属物应使用同一套数据。这需要地形测绘人员与管线测绘人员的合作,形成一套合理的流程,确保数据齐全、位置正确、种类准确。
本文通过利用车载激光扫描技术为主要手段的全息测绘方法,以具体试点区域的实践,为地下管线、基础地形及城市网格化部件的同步采集、更新做出了有益的尝试,为地下管线数据准确、现势的目标提供了一种新的思路。
参考文献
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[2]顾建祥,杨必胜,董震,杨常红,面向数字孪生城市的智能化全息测绘
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[5]任晓磊，城市地下管线信息系统开发与研究
—END—
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