移动道路测量技术在城市部件采集中的应用研究

随着“数字城管”建设的不断深入进行，如何高效、准确获取城管部件数据已经成为目前研究的重点。依托我院引进的先进的数据获取设备——车载激光移动测量及建模系统进行了相关的数据获取方法研究及与传统数据获取方式的效果对比。结果显示该项新的技术在城管部件数据应用方面具有绝对的优势性，减少了外业测量及调绘的工作量，通过内业工作能够直接同步获取部件的平面位置信息和属性信息，较传统方法极大地提高了工作的效率、减少了生产成本。
一、激光点云数据获取
本研究采用了SSW车载激光建模测量系统，该系统由激光扫描仪、IMU、GPS、里程计、线阵相机、面阵相机、电动转台、供电和控制系统（笔记本电脑）、车载升降平台构成。各模块通过机械结构集成为一体，以GPS时间为主线保证时间的同步和协调，通过相互间结构关系解求所测目标点绝对坐标。
三维激光点云数据获取是本文研究的基础，车载激光移动测量系统借助GPS、IMU、里程计、相机、激光等设备，获取目标地物的坐标系统，通过数据的组合后处理还原真实的目标地物三维场景。下图是该系统获取、处理生产三维点云数据的主要流程，如图2所示：

图2 数据采集、预处理及三维点云生产流程

本次研究的测区为南通市港闸区西北部，获得2013年1月18日至2013年1月21日共四次有效扫描数据，扫描全程约为300多公里，部分处理完毕的彩色点云数据，如图3所示：

图3测区部分彩色点云

二、城管部件数据采集与更新
城市部件是城市最微小的细胞单元，是城市基础结构系统的基本组成部分。城市部件主要包括公用设施、道路交通、市容环境、园林绿化、房屋土地、其他设施等。城市部件是城市经济、社会活动的基本载体，是真正属于城市的不可移动的要素[6]。
目前城市部件采集常用的方法有两种：一种是调绘法，即外业调绘加内业数字化，另一种是测量法，即数字化测图法。
调绘法是指在外业将部件的空间位置标绘到地形图上，将其属性信息填写到调查表中，两者通过标识码相互对应，在内业进行图形、属性数据录入和属性数据挂接处理。调绘法要求将所有的部件都反映到调查底图上，当部件较密集时，就很难甚至无法将全部的部件反映到底图上，而当参照物不明显时，就会出现部件定位不准确的情况。另外，这种方法既要在外业把部件绘到底图上，又要在内业把纸图上的部件转绘到电子地图上，精度低、效率低，容易出错。
数字化测量法是指将部件的空间位置和属性信息通过地理编码和属性编码存入全站仪中，避免了外业绘图和填表工作，提高了调查的精度和效率[8]。
城市部件测量对目标地物数据要求非常全、非常细，无论采用调绘法还是数字化测量法，都必须投入大量人力物力。移动测量系统能够快速采集到沿途各种地物地貌大量的真彩色坐标点云数据。
利用移动测量系统进行城市部件采集，首先需将获取到的激光点云数据预处理得到彩色点云数据，采集过程在SWDY工作站中进行，采集窨井盖时，为使路面和井盖边缘看的更清晰，本研究将点云数据进行了快速三维建模，生成了面片式三维模型，井盖在彩色点云数据和快速三维建模后的数据上的显示，如图4和图5所示。

图4 井盖在彩色点云数据上显示

图5 井盖在三维模型数据上显示

其他部件利用彩色点云数据采集获得。采集之前应先对照城管部件采集设计书，确定好类别与属性，按照部件的种类新建各类矢量图层，并赋予其属性和平面位置信息。采集中有时部件点与其他点云数据之间容易造成干扰，正确的点位不容易捕捉，可以对高程z值进行过滤掉，只显示需要的点云。采集流程如图6所示，

图6基于彩色点云/面片式三维模型城管部件采集流程

根据城市管理部件采集标准，点状部件几乎都要求采集到部件底部的中心点。地面的部件在没有其他物件遮挡的情况下，激光可以完整地扫描到，因此，点云数据中井盖基本可以采集到中心点。而对立杆类的地物部件而言，激光有时只能扫描其表面，因此采集到的点有时只能是表面的点。所以在采集交通信号灯、交通指示牌、路灯等立杆类的部件，在没有遮挡的情况下应该尽量采集其地面根部的点。

三、城市部件采集精度检核
精度分析数据来源于2013年1月18日至2013年1月21日南通市港闸区西北部共四次有效扫描数据，四次扫描数据中无论是测区道路状况还是扫描时间均不同，具有典型性，测区有的地方道路两边树木生长旺盛，会影响GPS信号，导致GPS精度较差；除此之外测量时间也有差异性，有的测区为上午扫描，有的测区则为下午，不同的光照条件会导致相机拍摄的照片色彩有差异，从而影响点云数据的色彩。
部件采集精度验证上，本文用了2种验证方法。18日和20日的两次扫描结果采用的是将传统外业测量的点与从点云/模型上采的点进行比较，而19日和21日的数据则是将点云/模型上采集的点与南通市1:500高精度地形图上的相应点进行比较。外业测量的点以及地形图数据上的点称为控制点，则单点的点云误差计算公式为：
                           （1）
平面误差为：
　                            （2）
中误差为：
                               （3）
其中，为点数；为真值与量测值的差值。
本研究选取了216个点进行精度检验，平面误差以及高程误差如表1所示。

表1 平面误差与高程误差统计（单位：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

根据城市部件采集的标准，一般点状部件要求为平面误差在±0.5m以内，从表1可以看出，实验结果完全符合要求的限差，车载激光移动测量技术完全可以对城管部件进行采集。

图7 灯与行道树的部件采集结果

图7为在本次研究采集的所有城市部件的结果在AUTOCAD2013中的显示结果，不同的部件要素用不同的颜色表示，共采集了行道树、路灯和井盖等十种城市管理部件。其属性信息可以通过软件将行车时同步拍摄的CCD影像与采集点进行基于位置的配准，在采集的同时显示出影像，从而判读出其权属、归属信息。

四、结论
移动测量系统作为一种新的道路测量技术能快速、准确地完成城市部件数据采集工作，达到城市管理部件测量规定的技术要求。其获取的可视化可量测立体影像数据，真实地记录了某一时间城市的实际面貌，是带有时间维度的城市全息图。可广泛应用于城市部件数据采集、城管执法、应急反应、城市数字化管理以及规划决策等诸多方面。