车载全景影像在地下管线信息管理系统中的应用

彭剑秋，张 云，邓孝应，应国伟

(国家测绘地理信息局地下管线勘测工程院，四川成都610500)

一、引 言

随着我国城市现代化的高速发展，其涉及的地下管线数量庞大、种类繁多，建立合理而有效的管线数据库是管线系统高效和稳定运行的保障［1］。近年来，许多城市都开展了管线普查工作，并建立了相应的管线管理信息系统，实现了管线的信息化管理。这些丰富的管线资料及先进的管理方式在城市规划、管理、建设及应急等方面发挥着重要作用［2］。

二、管线数据管理

目前，国内多数管网信息系统是2维或2.5维的。管线大多位于地下，分布纵横交错，有些管线还会出现上下起伏的情况，此时采用二维图形无法直观表达管线间的空间关系。传统的二维地形图作为城市的基础地理信息，在制作过程中都是按照规范进行抽象表达的，具有非常强的专业性，非专业人员连看懂都不容易，更谈不上使用。非专业人士要想了解管线及相关信息，往往都需要专业人士来进行解释，导致信息的传递受限于专业技术人员的水平及语言表达能力。

为使二维地图表达清晰易懂，在编制地图过程中，往往根据编图的目的对编图资料和制图对象进行综合取舍，这就造成大量信息丢失。在二维地图上，所有的地形地物都是以平面投影的符号来表达的，无法全面表示立面目标之间准确的相对关系，如建筑物上的标志或广告牌与建筑物之间的相对关系，道路与路牌之间的相对关系等。这样就不能通过信息系统对立面设施进行观察和分析。

因此，为使基础地理信息向大众化发展，一些城市启动了地下管线三维表达的探索和研究工作。有的城市开始探索对地下及地上的管线设施、建(构)筑物等进行三维建模，制作虚拟3D仿真图，这也是管线及城市基础地理信息表达的重要发展方向之一。但由于三维建模工作量大、速度慢、成本高、维护更新困难，同时还需要DEM、DOM等资料，目前仅有极少数城市在小范围内进行试验。总体而言，与成熟的二维管线信息技术相比，管线的三维可视化技术还处于起步阶段。

随着测绘技术、计算机等科技的迅猛发展，一种新的测量技术——车载移动测量系统(mobile mapping system，MMS)的出现，为测绘带来一种新的数据采集、管理方式，成为研究、探索的热点。车载移动测量系统采集的实景影像，能让人全面了解环境。本文结合实际工程项目对车载移动测量系统在地下管线中的应用进行讨论。

三、车载移动测量系统

车载移动测量系统是20世纪90年代兴起的一种快速、高效、无地面控制的测绘技术［3-4］。它通过GPS、惯性导航、摄影测量等诸多前沿科技，无需繁琐的地面控制，运用摄影方式就可完成对目标的精确测量。

车载测量移动系统由激光扫描仪、IMU、GPS、里程计、线阵相机、全景相机、供电和控制系统、车载平台构成［5］。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来求解所测目标点的绝对坐标。车载移动测量系统通过GPS使激光扫描仪、IMU、相机和里程计统一为同一时间系统——GPS时间系统，使得系统每个时间的数据协同一致。里程计、GPS和IMU采集的数据用来进行组合导航，获取系统每个时刻的姿态和位置数据。激光扫描仪和相机用来获取目标地物的特征点数据和影像数据，结合姿态数据融合生成带有绝对坐标的点云数据。

车载移动测量系统为实现测绘工作从“按规范测量”向“按需测量”的革命性转变提供了新的技术支持［6］，逐步成为信息化测绘体系构建中的一种有效技术力量，具有空间数据采集时效性强、信息量大、精度和自动化程度高等突出特点［7］。特别是可量测实景影像的生产，可有效解决当今社会对GIS数据的需求。

四、实景三维管线管理系统

实景三维管线管理系统是在传统二维管线管理系统的基础上，增加了连续的实景三维影像，并通过实景影像管理平台开发接口与二维管线管理系统进行无缝集成，具有二维管线系统的优秀专业功能(如统计、分析、打印输出及高性能等)，并给用户提供了具有丰富环境信息和立面信息的实景可视化环境，使管线的管理水平及辅助决策能力得到有效的提升。

实景影像的使用，使操作人员犹如身临其境，大大降低了使用难度，无需特别的专业知识背景，能满足非专业人士也能很好使用的需求，较好地体现了地理信息应用简单易用、大众化的思想，使得应用更加广泛和普及。

五、应用案例

笔者所在单位采用移动测量系统(LDR2000)对咸阳市地下管线试验区的道路进行了实景影像数据采集、处理［8］，并将处理后的数据成果，集成在地下管线管理系统中，通过坐标转换实现二维地图与实景影像一一对应。

1.实景影像数据采集与处理

在测区城市独立坐标系控制点上架设GPS参考站，移动测量系统根据地下管线的布局情况，采集车辆运动的空间位置姿态数据、道路及两侧实景影像数据;内业数据处理采用GPS后差分技术，结合IMU数据计算移动测量系统采集数据的轨迹，结合实景影像数据采集道路几何数据、空间位置相对数据和管线属性数据数据。其采集与处理流程如图1所示。

图1 实景影像采集与处理流程图

2.数据集成

实景影像成果坐标系统为WGS-84系统，而地下管线系统使用的是1954北京坐标系、1980西安坐标系或2000国家大地坐标系，因此要进行坐标系的转换。坐标转换采用不同大地坐标系统的换算公式——布尔莎公式，通过布尔莎公式将地下管线数据与街景影像相结合。街景影像与地下管线集成系统如图2所示。

图2 街景影像与地下管线集成系统

3.系统功能

系统除了具备传统二维管线系统的功能外，还具有实景影像相关的功能。本文仅介绍与实景相关的功能。

(1)实时量测地物位置与几何尺寸

实景影像系统可按需测量出道路沿线管线附属物的准确三维坐标，并通过实景影像量测出目标点的绝对位置坐标，还可对目标几何尺寸进行量测。如只要在井盖影像上选取合适的点，就能直接得到井盖的尺寸。

(2)管线属性记录

实景影像系统连续地记录道路及道路两旁地物的实景影像，在经过内业人工判读和按需量测后，可以提取实景影像上的管线属性，如井盖材质、设施类型等，同时可以从实景影像上了解到管线所处位置的周边地理环境，便于管线的维护。

(3)影像与管线关联操作

将实景影像位置与管线的属性数据相关联，并将管线要素以符号的方式在影像上标注，可实现二维地图管线符号与实景影像上标注的符号一一对应，实现二维地图、实景影像及管线属性的联动查询。

(4)影像地图数据

提供目标街区专题影像图，实现对道路两侧沿街影像卷轴式的浏览和交互。基于目标街区专题影像图，用户可对目标街区的专题内容进行迅速定位、快速查找，达到视觉的连续移动。通过使用目标街区专题影像图，可进一步提高数字管线的精细化管理，实现以路段为单位的管线管理，基于一张整体的实景影像图管理管线。

(5)卷轴式的浏览和交互

将实景影像连接成一条长带，在一张整图上显示整条街的真实环境，包括完整的管线附属设施信息、管线走向及管线属性信息，包括管线的权属单位、管线埋深信息及其他有用的相关信息。管理者可以“沿着街道走”，就像坐在汽车上观光一样，达到无缝地浏览体验。

(6)全景影像与二维地图双向定位

在二维地图上任意指定位置，系统可根据指定的位置定位全景影像，非常直观地查看设施的真实形状及位置，并能进行360°全景查看周围情况，如同身临其境一般;同样也可根据全景影像定位二维地图、定位当前位置，并可查看、查询管线的分布情况及属性信息。

(7)全景影像自动巡游

可根据选定的方向，以指定的速度进行自动巡游，同时二维地图上显示用户当前位置及运动轨迹，如同自己在巡游一样。

六、应用前景

全景影像与二维地图结合，使传统地图与管线信息更加丰富，增强了地图的可读性与识别性，使静态的地图语言更加生动，给用户提供更真实的体验，具有广阔的应用前景。

七、结束语

本文重点讨论了车载移动测量系统的实景影像在地下管线信息管理系统中的应用，实现了实景影像与地下管线管理系统的融合、空间相互定位，并能通过实景影像快速获取井盖的材质、形状等信息。实景影像能记录比二维地图及三维仿真更加丰富的信息，能提供更加真实的体验，这对地下管线的管理和维护是一个很大的提升。随着车载移动测量系统的兴起，实景影像在地下管线行业中将得到更深入的应用，不仅实现了地下管线地上部分信息的全部保留，也是对地下管线数据获取一个新的补充。

［1］李清泉，严勇，杨必胜，等.地下管线的三维可视化研究［J］.武汉大学学报:信息科学版，2003，28(3):27-32.

［2］韦斌.基于ArcGIS城市地下管线信息系统的研究与设计［J］.测绘与空间地理信息，2011，34(2):130-132.

［3］刘梅余，王卫安，鲍峰.移动测量系统的精度分析及检测［J］.测绘通报，2009(12):40-42.

［4］李德仁，胡庆武.基于可量测实景影像的空间信息服务［J］.武汉大学学报:信息科学版，2007，32(5):377-380.

［5］欧建良，鲍峰，王卫安，等.地面移动测量近景影像的建筑物道路特征线段自动分类研究［J］.武汉大学学报:信息科学版，2011，36(1):60-65.

［6］李德仁.论可量测实景影像的概念与应用——从4D产品到5D 产品［J］.测绘科学，2007，32(4):5-7.

［7］李德仁，苗前军，邵振峰.信息化测绘体系的定位与框架［J］.武汉大学学报:信息科学版，2007，32(3)189-192.

［8］李德仁，郭晟，胡庆武.基于3S集成技术的LD2000系列移动道路测量系统及其应用［J］.测绘学报，2008，37(3):272-276.