車載全景影像在地下管線信息管理系統中的應用

彭劍秋，張 云，鄧孝應，應國偉

(國家測繪地理信息局地下管線勘測工程院，四川成都610500)

一、引 言

隨著我國城市現代化的高速發展，其涉及的地下管線數量龐大、種類繁多，建立合理而有效的管線數據庫是管線系統高效和穩定運行的保障［1］。近年來，許多城市都開展了管線普查工作，并建立了相應的管線管理信息系統，實現了管線的信息化管理。這些豐富的管線資料及先進的管理方式在城市規劃、管理、建設及應急等方面發揮著重要作用［2］。

二、管線數據管理

目前，國內多數管網信息系統是2維或2.5維的。管線大多位于地下，分布縱橫交錯，有些管線還會出現上下起伏的情況，此時采用二維圖形無法直觀表達管線間的空間關系。傳統的二維地形圖作為城市的基礎地理信息，在制作過程中都是按照規范進行抽象表達的，具有非常強的專業性，非專業人員連看懂都不容易，更談不上使用。非專業人士要想了解管線及相關信息，往往都需要專業人士來進行解釋，導致信息的傳遞受限于專業技術人員的水平及語言表達能力。

為使二維地圖表達清晰易懂，在編制地圖過程中，往往根據編圖的目的對編圖資料和制圖對象進行綜合取舍，這就造成大量信息丟失。在二維地圖上，所有的地形地物都是以平面投影的符號來表達的，無法全面表示立面目標之間準確的相對關系，如建筑物上的標志或廣告牌與建筑物之間的相對關系，道路與路牌之間的相對關系等。這樣就不能通過信息系統對立面設施進行觀察和分析。

因此，為使基礎地理信息向大眾化發展，一些城市啟動了地下管線三維表達的探索和研究工作。有的城市開始探索對地下及地上的管線設施、建(構)筑物等進行三維建模，制作虛擬3D仿真圖，這也是管線及城市基礎地理信息表達的重要發展方向之一。但由于三維建模工作量大、速度慢、成本高、維護更新困難，同時還需要DEM、DOM等資料，目前僅有極少數城市在小范圍內進行試驗。總體而言，與成熟的二維管線信息技術相比，管線的三維可視化技術還處于起步階段。

隨著測繪技術、計算機等科技的迅猛發展，一種新的測量技術——車載移動測量系統(mobile mapping system，MMS)的出現，為測繪帶來一種新的數據采集、管理方式，成為研究、探索的熱點。車載移動測量系統采集的實景影像，能讓人全面了解環境。本文結合實際工程項目對車載移動測量系統在地下管線中的應用進行討論。

三、車載移動測量系統

車載移動測量系統是20世紀90年代興起的一種快速、高效、無地面控制的測繪技術［3-4］。它通過GPS、慣性導航、攝影測量等諸多前沿科技，無需繁瑣的地面控制，運用攝影方式就可完成對目標的精確測量。

車載測量移動系統由激光掃描儀、IMU、GPS、里程計、線陣相機、全景相機、供電和控制系統、車載平臺構成［5］。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調，通過相互間結構關系來求解所測目標點的絕對坐標。車載移動測量系統通過GPS使激光掃描儀、IMU、相機和里程計統一為同一時間系統——GPS時間系統，使得系統每個時間的數據協同一致。里程計、GPS和IMU采集的數據用來進行組合導航，獲取系統每個時刻的姿態和位置數據。激光掃描儀和相機用來獲取目標地物的特征點數據和影像數據，結合姿態數據融合生成帶有絕對坐標的點云數據。

車載移動測量系統為實現測繪工作從“按規范測量”向“按需測量”的革命性轉變提供了新的技術支持［6］，逐步成為信息化測繪體系構建中的一種有效技術力量，具有空間數據采集時效性強、信息量大、精度和自動化程度高等突出特點［7］。特別是可量測實景影像的生產，可有效解決當今社會對GIS數據的需求。

四、實景三維管線管理系統

實景三維管線管理系統是在傳統二維管線管理系統的基礎上，增加了連續的實景三維影像，并通過實景影像管理平臺開發接口與二維管線管理系統進行無縫集成，具有二維管線系統的優秀專業功能(如統計、分析、打印輸出及高性能等)，并給用戶提供了具有豐富環境信息和立面信息的實景可視化環境，使管線的管理水平及輔助決策能力得到有效的提升。

實景影像的使用，使操作人員猶如身臨其境，大大降低了使用難度，無需特別的專業知識背景，能滿足非專業人士也能很好使用的需求，較好地體現了地理信息應用簡單易用、大眾化的思想，使得應用更加廣泛和普及。

五、應用案例

筆者所在單位采用移動測量系統(LDR2000)對咸陽市地下管線試驗區的道路進行了實景影像數據采集、處理［8］，并將處理后的數據成果，集成在地下管線管理系統中，通過坐標轉換實現二維地圖與實景影像一一對應。

1.實景影像數據采集與處理

在測區城市獨立坐標系控制點上架設GPS參考站，移動測量系統根據地下管線的布局情況，采集車輛運動的空間位置姿態數據、道路及兩側實景影像數據;內業數據處理采用GPS后差分技術，結合IMU數據計算移動測量系統采集數據的軌跡，結合實景影像數據采集道路幾何數據、空間位置相對數據和管線屬性數據數據。其采集與處理流程如圖1所示。

圖1 實景影像采集與處理流程圖

2.數據集成

實景影像成果坐標系統為WGS-84系統，而地下管線系統使用的是1954北京坐標系、1980西安坐標系或2000國家大地坐標系，因此要進行坐標系的轉換。坐標轉換采用不同大地坐標系統的換算公式——布爾莎公式，通過布爾莎公式將地下管線數據與街景影像相結合。街景影像與地下管線集成系統如圖2所示。

圖2 街景影像與地下管線集成系統

3.系統功能

系統除了具備傳統二維管線系統的功能外，還具有實景影像相關的功能。本文僅介紹與實景相關的功能。

(1)實時量測地物位置與幾何尺寸

實景影像系統可按需測量出道路沿線管線附屬物的準確三維坐標，并通過實景影像量測出目標點的絕對位置坐標，還可對目標幾何尺寸進行量測。如只要在井蓋影像上選取合適的點，就能直接得到井蓋的尺寸。

(2)管線屬性記錄

實景影像系統連續地記錄道路及道路兩旁地物的實景影像，在經過內業人工判讀和按需量測后，可以提取實景影像上的管線屬性，如井蓋材質、設施類型等，同時可以從實景影像上了解到管線所處位置的周邊地理環境，便于管線的維護。

(3)影像與管線關聯操作

將實景影像位置與管線的屬性數據相關聯，并將管線要素以符號的方式在影像上標注，可實現二維地圖管線符號與實景影像上標注的符號一一對應，實現二維地圖、實景影像及管線屬性的聯動查詢。

(4)影像地圖數據

提供目標街區專題影像圖，實現對道路兩側沿街影像卷軸式的瀏覽和交互。基于目標街區專題影像圖，用戶可對目標街區的專題內容進行迅速定位、快速查找，達到視覺的連續移動。通過使用目標街區專題影像圖，可進一步提高數字管線的精細化管理，實現以路段為單位的管線管理，基于一張整體的實景影像圖管理管線。

(5)卷軸式的瀏覽和交互

將實景影像連接成一條長帶，在一張整圖上顯示整條街的真實環境，包括完整的管線附屬設施信息、管線走向及管線屬性信息，包括管線的權屬單位、管線埋深信息及其他有用的相關信息。管理者可以“沿著街道走”，就像坐在汽車上觀光一樣，達到無縫地瀏覽體驗。

(6)全景影像與二維地圖雙向定位

在二維地圖上任意指定位置，系統可根據指定的位置定位全景影像，非常直觀地查看設施的真實形狀及位置，并能進行360°全景查看周圍情況，如同身臨其境一般;同樣也可根據全景影像定位二維地圖、定位當前位置，并可查看、查詢管線的分布情況及屬性信息。

(7)全景影像自動巡游

可根據選定的方向，以指定的速度進行自動巡游，同時二維地圖上顯示用戶當前位置及運動軌跡，如同自己在巡游一樣。

六、應用前景

全景影像與二維地圖結合，使傳統地圖與管線信息更加豐富，增強了地圖的可讀性與識別性，使靜態的地圖語言更加生動，給用戶提供更真實的體驗，具有廣闊的應用前景。

七、結束語

本文重點討論了車載移動測量系統的實景影像在地下管線信息管理系統中的應用，實現了實景影像與地下管線管理系統的融合、空間相互定位，并能通過實景影像快速獲取井蓋的材質、形狀等信息。實景影像能記錄比二維地圖及三維仿真更加豐富的信息，能提供更加真實的體驗，這對地下管線的管理和維護是一個很大的提升。隨著車載移動測量系統的興起，實景影像在地下管線行業中將得到更深入的應用，不僅實現了地下管線地上部分信息的全部保留，也是對地下管線數據獲取一個新的補充。

［1］李清泉，嚴勇，楊必勝，等.地下管線的三維可視化研究［J］.武漢大學學報:信息科學版，2003，28(3):27-32.

［2］韋斌.基于ArcGIS城市地下管線信息系統的研究與設計［J］.測繪與空間地理信息，2011，34(2):130-132.

［3］劉梅余，王衛安，鮑峰.移動測量系統的精度分析及檢測［J］.測繪通報，2009(12):40-42.

［4］李德仁，胡慶武.基于可量測實景影像的空間信息服務［J］.武漢大學學報:信息科學版，2007，32(5):377-380.

［5］歐建良，鮑峰，王衛安，等.地面移動測量近景影像的建筑物道路特征線段自動分類研究［J］.武漢大學學報:信息科學版，2011，36(1):60-65.

［6］李德仁.論可量測實景影像的概念與應用——從4D產品到5D 產品［J］.測繪科學，2007，32(4):5-7.

［7］李德仁，苗前軍，邵振峰.信息化測繪體系的定位與框架［J］.武漢大學學報:信息科學版，2007，32(3)189-192.

［8］李德仁，郭晟，胡慶武.基于3S集成技術的LD2000系列移動道路測量系統及其應用［J］.測繪學報，2008，37(3):272-276.