基于UVA与RTK技术的市政设施信息化管理与应用

李 微，张 琪，李振宇，丁 立

(西安市南郊市政设施养护管理有限公司，陕西 西安 710061)

1 概述

随着我国城镇化建设的不断进行，在城市市政设施体量不断加大的同时，城市发展逐步转向提质增效的高质量发展阶段，“以人为本”“人民城市”成为规划建设和管理的指导理念，对市政设施的科学管理和维护提出了新要求；同时，数据科学的发展和应用为市政设施信息化管理提供了技术支持，大数据应用背景下的“智慧城市”建设成为辅助城市高质量提升的新方向[1-2]。在此背景下，市政设施信息化管理的探索与实践具有重要的现实意义。

随着城市范围的不断扩展，西安市城市道路总里程达4 277 km，总面积达9 830万m2；排水管网总里程达5 653 km。面对如此庞大的市政设施管理量，传统管理模式在数据档案管理、设施实体管理等方面已不能满足要求，亟需运用信息化手段进行提升，实现各项数据的智能录入、储存、分类、查询，并进行系统化管理。

因此，本研究以西安市南郊地区市政设施为例，通过剖析传统市政设施管理方法的问题，结合国内外先进技术，提出了一套市政设施管理系统构建方法，基于UVA+RTK测量及航摄正投影纠偏采集数据技术，建立GIS数据库，结合大数据、云计算等应用进行分析预测，提出具有针对性的养护建议与规划，形成管理闭环。

2 传统市政设施管理模式存在的问题

2.1 存在问题

1)数据档案管理方面。

截至目前接管的市政设施竣工资料均为纸质资料，存在老旧资料丢失、遗漏的情况，资料更新速度慢、时效性差，不确定性逐年增加；数据资料之间缺乏关联性，资料以工程为单位相对独立存在，未进行有效的整合。在进行数据分析统计时需要查阅大量图纸、表格等资料，过程复杂、耗费人力、效率低下。

资料精度不足，现有市政设施几何尺寸的测量一直沿用过去老旧的方法，依靠人工用各种测量设备作业，受外界条件、通视条件等的影响较大，遇有障碍物时测量范围比较有限，仪器误差和主观误差比较大。

2)设施巡查养护管理方面。

传统的道路巡查是通过巡查人员现场采集道路病害信息，将病害信息填写到巡查工单后，统一交给养护部门。因为工单信息不够直观，闭合流程过于烦琐，工作效率不高。巡查部门与养护部门资料未进行整合，工单完整信息须多方查找，可追溯性不强。

3)统计分析方面。

信息统计靠人工完成，大量数据需要手动录入、统计，耗费大量的时间、人力和物力，准确度无法保证。不能做到零时差、多维度的统计分析，更难以保证整体的统计、分析和决策功能。

2.2 研究意义

面对如此巨大且逐年递增的数据量，如何充分发挥大数据的特性，建立一个丰富的、动态的“设施信息数据库”，记录城市中每一个市政设施各个时期的动态数据信息，为将来的数据分析提供全面、真实有效的数据源；如何对数据进行充分的整理，从海量的数据中发现规律，进而科学地应用到日常养护管理工作中，使整个设施管理系统更具有科学性。

建立市政设施管理大数据系统平台，将设施信息数据库、日常管理系统、巡查管理系统、养护管理系统、应急响应功能、检测评价功能、辅助决策功能统一集成在一起，运用大数据、云计算等信息化技术及理念，进行分析预测，提出具有针对性的养护建议与规划，以此作为统筹养护科学决策的重要依据，从而极大地提升管理服务水平与科技含量，尤其对于市政设施复杂的大中型城市，意义更加深远[3]。

2.3 研究目标

本次对市政设施管理系统的研发，依托市政设施养护管理行业规范CJJ 36—2016城镇道路养护技术规范、CJJ 68—2016城镇排水管渠与泵站运行、维护及安全技术规程和CJJ 181—2012城镇排水管道检测与评估技术规程以及市政设施运行管理单位的管理模式，通过系统的建立以及管理模块的运行，将会实现市政设施“一路一档”及排水设施管网的信息化管理，利用市政设施管理大数据库，实现分类查询、统计、动态管理、数据可视化及辅助决策的功能。

2.4 先进性

市政设施管理大数据研发技术路线如图1所示。

市政设施管理系统的研发，将会使得市政设施管理数字化、信息化，管理过程由静态变为动态，实现基础数据、检测评价、养护过程、巡查管理、辅助决策、应急联动等工作的数据数字化、可视化，大大增加市政设施管理过程中各类数据的时效性和直观性。

2.4.1 形成市政设施智能数据库

利用精确的设施静态数据和日常维护数据，以及对老旧技术资料进行整合、录入，构建出市政设施管理数据库，实现市政设施管理“一路一档”及排水管网系统的动态管理；对数据库的动态管理进行研究，实时更新养护记录，使得数据库与现状设施相关数据保持同步，为道路及排水设施养护管理进行决策提供依据。

2.4.2 设施单元位置信息采集标准化

制定一套信息采集与录入标准制度，利用无人机(UAV)，RTK等设备，对市政设施进行测绘，取得精确的设施静态数据，为智能数据库提供准确的基础数据。

2.4.3 管理流程自动化

将日常维护运行、市政设施管理的业务流程纳入管理系统中，实现真正意义上的市政设施管理电子化、信息化。

2.4.4 信息图形化

将静态数据信息与地图结合显示；对数据库中的信息采用图表结合的形式展示；道路的巡查过程、巡查结果、作业信息通过地图实时动态显示；从不同维度对各种信息进行可视化图表统计分析，为市政设施养护维修提供统计数据并进行分类、统计、辅助决策等操作，使养护维修方案更具科学性。

3 地理信息数据测量与采集

分别从地理信息数据要素的采集、拼接、校核开展相关研究，确认涉及航拍、RTK测量、影像拼接纠偏、影像识别录入等内容。

3.1 外业采集

使用无人机拍摄道路正射图像，采用飞行控制软件DJI Terra对飞行参数进行设置(见图2)，5 m/s 的速度匀速飞行，飞行高度在70.0 m。通过移动和新建边界点，确定多边形任务区域，覆盖道路及道路两侧 10 m～20 m范围内的区域。“主航线上重叠率”设置为80%、“主航线间重复率”设置为66%。采用RTK系统设备连接CORS基准站进行坐标测量，每千米道路选取4个～6个控制点，经过测量后，用来对带状航拍地图进行校正。高程测量采用CORS系统测量的大地高程进行转换得到水准高程点，与相邻的控制点进行联测、平差。控制点布设间隔为1.0 km左右，呈网状布设。

3.2 内业纠偏

使用PhotoScan将无人机拍摄的正射影像数据进行整合后导入。使用ArcGIS软件对正射影像图进行编辑，并结合现场采集的坐标位置，对图像进行纠偏，采用ArcGIS，通过外业调绘点对影像进行地理配准外业调绘，采集标识点，进行同名点匹配，核查精度，符合项目精度要求，提交影像成果，保证定位精度在30 cm以内。纠偏以后得到合格的正射影像图导入系统数据库，并对沿线管道、雨污水井、收水井、路缘石、出口道口的位置用相应的图标进行标记。

4 系统架构设计

市政设施管理系统综合考虑数据处理和空间分析能力、适用性、可维护性、功能扩展性以及与当地情况的适用性等原则，满足各项业务需求。基于B/S架构，实现Web端和移动端的系统浏览与功能使用(见图3)。

4.1 数据库层

通过SQL server数据库，Mongo DB,Redis数据库建立基础信息数据库，将各种道路、管道、附属设施的属性信息及管理信息进行分类储存。

4.2 接口服务层

接口服务层负责各类请求的处理及响应。服务层采用Java语言作为框架底层技术，服务的请求及响应采用JSON数据格式进行数据交换，最终实现跨平台、通用化目的。服务层分为业务服务和地图两种。业务服务采用Springboot+Spring+Hibernate+Shiro集成框架进行构建，为应用层提供一路一档、巡查养护、防汛融雪等服务。地图服务层采用PushGIS server进行构建，负责地图服务的管理、发布及服务提供，为业务层提供道路、地下管网、井等地图服务。

4.3 应用层

通过HTML5,JavaScript,CSS,Bootstrap,PushGIS API等应用接口，将基础信息数据按照各自的平台功能进行展示，对于相关的数据形成各项展示功能。

4.4 终端

通过计算机、平板电脑，以及智能手机等终端设备，对数据库的内容进行录入、显示。

5 系统应用与反馈

市政设施管理系统按照相关规范要求结合公司管理模式，建立巡查管理、养护管理、检测评价、辅助决策、应急联动等应用功能。

5.1 巡查管理

开发Android版病害APP采集终端软件，完成道路及排水设施病害、事件等信息的采集。并记录巡查人员上报的事件以及事件处理的整个情况，自动生成巡查病害工单。在管理员外出时，提供面向移动终端的病害信息分发管理。

提供巡查人员位置实时定位功能，显示实时位置、值班人名等信息；按照巡查队伍、巡查人员分配巡查任务。

5.2 养护管理

开启巡查管理终端，接收病害信息数据，定位病害发生的位置，并进行地理环境的查看；开启养护地点导航，计算养护人员当前所在位置与待养护地点之间的最短路径，逐路段引导维修养护车辆到达养护地点；维修过程形成“病害-维修单-维修工程-工程资料”的联系，可以方便地创建、签发和存档维修单，方便查看和维修单相关联的所有病害信息及工程信息等；病害修复完毕，将病害处置信息上报并提交病害修复成果资料。

管理人员根据不同的权限，查看工单养护情况，分区域、类型统计养护情况，查看各病害的现场照片信息，查看病害发展历程，查看与之相关的结构物、病害属性更新，复查病害信息的自动转化等；提供对维修养护记录的添加、删除、修改等编辑功能，使养护工作入库保存。

5.3 检测评价

支持将检测报告录入数据库，基于GIS位置信息的数据库及带状航摄影像叠加的图形化展示系统，支持逐桩号录入检测信息，逐桩号展示检测信息，各项指标的分布情况[4]。

针对周期检测和特殊检测，支持自定义时间和空间的信息查询及叠加，生成分析数据，直观展示一段时间或一个片区的检测情况，为管理行为提供决策依据。

5.4 辅助决策

辅助决策系统基于道路及管道的监测报告，结合交通条件、气候条件、施工因素、材料因素、设计因素、排水条件、管理水平等内容，形成评价结果，并制定维修对策。

采用检测结果空间热度分析、道路病害频率分析、不同季节道路频次分析，达到病害复报监督、病害复发率统计、巡查计划制定、养护重点区域制定要求。

5.5 应急联动

市政设施管理应急联动系统，在市政设施突发状况及防汛融雪等需要启动应急预案时，基于移动网络和APP客户端，按照预案要求实时推送应急联动信息至管理人员、抢险施工人员、施工车辆驾驶员，动态调配应急力量，并及时反馈至控制中心，控制中心可实时查看应急力量配置并灵活调配。

6 系统应用效果

本系统是依托于西安市南郊地区市政设施管理项目，根据无人机(UAV),RTK等设备进行测绘，取得准确的设施静态数据，实现市政设施“一路一档”管理；通过实时的工单上报流程、定期的养护计划和维护记录、突发事件的应急联动处置，实现市政设施的动态管理；从不同维度对各种信息进行可视化图表统计分析，为市政设施养护维修提供统计数据并进行分类、统计、辅助决策等操作，实现养护决策科学化[5]。

本系统构建了一套较为完善的市政设施管理系统，实现了市政设施一路一档信息化的管理，市政设施管理大数据统计，达到了预期的分类查询、动态管理、数据可视化要求。通过管理平台的运行，能够进一步规范作业流程，使各项工作流程标准化、规范化，又通过长期积累的运维数据对市政设施改造维修提供经验支持，进而为管理决策提供依据。