浅谈可量测实景影像的引入与数字城市建设的关系.doc

1、浅谈可量测实景影像的引入与数字城市建设的关系摘要：数字城市建设需要测绘地理信息技术提供城市空间信息数据和服务，而目前数字化测绘体系下的 4D 产品由于自身限制其作用越发显得有限，而信息化测绘能更好的为数字城市建设做辅助工作。本文介绍了可量测实景影像相对 4D 产品的优势，论述了其在数字城市建设中必将有所作为，将开辟测绘地理信息应用的新领域。 关键词：可量测实景影像；数字城市；测绘地理信息；数字化测绘；信息化测绘 中图分类号：P208 文献标识码：A 1 测绘地理信息技术与数字城市的关系 1998 年美国副总统戈尔在美国加利福尼亚科学中心发表了题为“数字地球: 二十一世纪认识地球的方式”的讲演,

2、 提出了数字地球概念，而数字城市是数字地球的重要组成部分。从技术角度讲, 数字城市是以计算机技术、多媒体技术和大规模存储技术为基础，以宽带网络为纽带，综合运用 GIS、遥感、GNSS、虚拟仿真等测绘地理信息技术，通过数字化虚拟以实现对城市基础设施、功能机制进行自动采集、动态监测管理和辅助决策服务的技术系统。从应用角度出发, 数字城市可被视为一个服务于政府、企业和公众的城市信息化平台，数字城市为城市规划、智能化交通、网格化管理和服务、基于位置的服务、城市安全应急响应等创造了条件，是信息时代城市和谐发展的重要手段。 建设数字城市的基础是描述真实城市的各种数据，包括空间地理数据和非空间数据, 因此其

3、实现过程中需要空间数据获取技术、可视化与互操作技术、虚拟现实技术的支持,而这些关键技术均依赖于测绘地理信息技术的发展。 另一方面，城市 GIS 在众多 GIS 领域中应用最为广泛, 主要应用在城市规划、交通、物流、土地管理、通信、电力、环境监测、地下管网、城市应急指挥系统等数字城市的各子系统中。 虽然测绘地理信息技术在我国数字城市建设中已取得了很多成就, 但目前我国所处在的数字化测绘水平仍十分有限，制约了其在数字城市乃至智慧城市建设中的应用。 2 数字化测绘的局限及信息化测绘的特点 2.1 数字化测绘的局限 当前, 城市空间信息服务平台的地理数据源大多仍只能是传统的数字化测绘 4D 产品。4D

4、 产品是有限的基础信息数据，难以满足不同行业和用户对空间信息的需求，在迅猛发展的空间信息时代 4D 产品存在如下局限： 4D 产品典型的是三维现实世界在二维平面上的投影，且其不是实景数据，在此过程中存在大量的信息损失，因而其无法满足人们对可视化、三维仿真、实景空间信息的需求。 4D 产品通常是按测绘专业规范得到的产物，而不是按需求制作的，因而无法满足社会多个行业、多种应用对空间信息的需求。如公安 GIS只能从 4D 产品中获取其 20%左右的信息，这就造成了 4D 产品与用户需求之间的信息鸿沟。 绝大多数 4D 产品的更新效率低、现势性较差，而往往社会需求对城市空间地理数据的现势性要求很高。

5、4D 产品社会化属性不足，仅仅对测绘规范中要求的地理要素进行了测绘，没有包含详细的环境、社会、经济等信息，不能直接满足大多数行业用户的需要。如武汉市城市网格化服务系统在 1:500 数字地形图基础上, 补充调查、采集了 185 万个城市部件。 数字城市环境下，测绘地理信息服务的对象越发广泛，且众多的服务对象大多具有其特定的空间信息需求。这些空间信息或与行业应用或和个人生活相关，如电力部门的电力设施、市政城管的市政设施、公安部门重点布防设施(消防栓、门牌号码)、交通部门的交通信息、个人位置要求的快餐厅等细小的信息。可以说，这些繁多的与城市空间有关的信息尚未涵盖在传统的 4D 产品中，即使部分 4

6、D 产品中包含了这些信息，信息的完整性、准确性及现势性，都存在着问题。而当数字城市建设对三维空间数据获取、地理信息实时更新的需求日益增长，技术上实现对空间信息的自动化、智能化处理便成为了进一步发展的必然。 另一方面，由于测绘行业、测绘产品本身的历史局限性，导致城市测绘院所拥有的测地理信息数据虽然种类繁多、数量巨大，但其数据的明显缺点是缺少城市空间维度中立面向（即垂直于地面方向）的空间信息数据，因而其数据至今最多只能算是 2.5 维的，因而存在城市空间信息上的空缺，这种空间信息上的缺失必然会阻碍数字城市的建设。同时，对地观测领域近年来取得了长足的发展，城市遥感发展迅猛，这种发展态势的一个方向是同

7、时包含了时间维度上的“天、空、地一体化遥感”方向，这也必然要求地面遥感的发展和应用须深入和拓展，在城市范围上也应如此。 2.2 信息化测绘的特点 当空间信息的增长需求与数字化测绘的现状已不相适应，发展信息化测绘便是大势所趋。2006 年 9 月, 国务院批准了我国首个基础测绘中长期规划纲要, 纲要首次提出了建设信息化测绘体系的口号。信息化测绘体系是以数字化测绘技术体系为基础而形成的多学科交叉融合的业务体系, 它的基本特点是以多源化和实时化的数据采集技术为支持, 以自动化、智能化的数据处理与数据融合为手段, 开发丰富多样的地理空间信息产品, 借助快速安全的网络设施,实现为国民经济和社会可持续发展

8、提供多元化和人性化地理空间信息服务的目标。 信息化测绘体系的主要特征包括以下 4 个方面： 数据获取实时化: 以卫星遥感、GNSS、LIDAR 技术为支撑的对地观测体系可以动态、快速、实时地获取空间导航定位数据，多分辨率、多时相、多光谱的遥感影像数据及三维点云数据。 数据处理自动化: 广泛采用自动化、智能化技术, 可直接高效生产处理面向数字城市的信息化空间数据, 不需二次加工即可满足各类用户共享要求。 信息服务网络化: 网络成为地理信息传输和交换的主要媒介, 地理信息服务等正在实现网络化。 信息应用社会化: 地理信息服务领域更加广泛, 地理信息应用无处不在社，会要求的产品更加多样化、实用化。

9、由此可见，信息化测绘的 2 个落脚点是测绘地理信息服务的网络化和测绘地理信息应用的社会化；而其相比于数字化测绘的差异在于数据生产上有了 2 点提升：实时化获取，自动化处理，可以预见这 2 点提升对于提高测绘产品的生产效率、丰富产品种类以更好的提供社会应用的效应将是十分显著的。 伴随着信息化测绘口号的提出，近几年我国测绘地理信息技术得到迅猛发展，突出体现在如下方面：北斗导航卫星系统进入实质化建设期，我国发射了立体测绘卫星，天地图系统通过互联网推向社会，无人机航测投入应用，应急测绘体系正逐步建立，LIDAR 技术发展迅猛，地理信息公共服务平台应用不断深入，可量测实景影像技术得以推广应用，等等。其中

10、，可量测实景影像以其实时采集、自动化处理、以丰富的信息供数据挖掘等先进的技术特点，以及社会应用广泛、易于网络实现的实用价值的应用特点逐渐成为发展的热点。 3 可量测实景影像及其应用 3.1 可量测实景影像介绍 可量测实景影像是指在一体化集成融合管理的时空序列上, 具有像片绝对方位元素的航空、航天、地面立体影像(Digital Measurable Image，简称 DMI)的统称。它不仅直观, 而且通过相应的应用软件、插件和 API, 让用户按需在其专业应用系统上进行直接浏览、相对测量(高度、坡度等)、绝对定向解析测量和属性信息挖掘。 时间序列上的航空、航天立体影像可来源于对地观测体系中的 D

11、OM产品库，但是其垂直摄影导致摄区地物立面信息丢失和较长的数据更新周期影响了其产品可视、可量测、可挖掘效应的发挥。而海量的、具有地理参考、高分辨率地面实景立体像对则具有数据采集实时化、数据处理自动化的特点，由于实景采集方式使其包含大量空间信息和社会、人文信息，因而其成为可视、可量测、可挖掘实景影像体系的首选产品。不仅如此，DMI 中的地面实景立体像对符合近地面人类活动的视觉习惯。 相比于传统平面投影的 4D 产品，可量测实景影像是一种地面近景可量测影像，主要按照人的视角提供详细的城市立面信息，包括：城市部件信息、建筑物外立面信息、道路及附属设施信息、POI 信息、城市详细的环境信息、地形信息、

12、自然景观信息以及反映城市现状的社会、经济乃至人文信息等。对于行业用户而言，既可从 DMI 中提取所需要的业务要素，又可进行数据的挖掘，更好满足管理与决策上的高级应用。对于公众而言，影像是客观世界的最直观和最真实的写照，也是无需专业知识判读，可直接回答公众有关城市空间信息方面的问题。 可量测实景影像目前较成熟的方式是采用移动道路测量技术制作。移动道路测量技术(MobileMappingSystem，简称 MMS)是一种全新的测绘技术，它是在机动车上装配 GPS、CCD 成像系统、INS 惯性导航系统等传感器和设备,在车辆高速行进之中,快速采集道路及两旁地物的可量测立体影像序列 DMI,这些 DM

13、I 均具有摄影测量解析所需要的外方位位置元素和姿态元素,配合精准的时刻参数,在严密的摄影测量检校参数支撑下,实现任意空间、时间序列上的 DMI 构成立体像对,实现多层次的测量和根据应用需要进行各种要素(特别是城市道路两旁要素)的按需测量，其过程可看做是动态的基于时间序列的地面近景摄影测量。移动道路测量系统示意图如图 1 所示。 图 1 移动道路测量系统 可量测实景影像，是一种“可视、可量测、可挖掘”的地面近景影像数据，弥补了产品的不足，且与产品集成应用，可满足国防、公安、市政、交通、通讯、导航、LBS、市容管理等行业需求，更可应用于数字城市地理空间框架平台。 3.2 可量测实景影像的应用领域

14、在作业过程中拍摄的均为连续可量测的三维影像,对于重点关注的线路、地区和部位,均可将其实景图像拍摄下来存放在数据库中。这样公安GIS 系统可容许公安内部各级用户通过连接到服务器的计算机沿着道路,点击任何位置就可以浏览所需要查看目标的实景图像，从而使得公安系统达到“可视化的目标管理”水平。此外,可量测实景影像采集的数据可以实现可视化的警备路线管理,为重点警用路线提供的任意方向的实景影像和视频的浏览,查看,测量等功能,并和实际地图数据相匹配,可以为决策人员提供辅助决策。 城市部件是最基本的城市要素,按照城市管理功能分为公用设施类、道路交通类、市容环境类、园林绿化类、房屋土地类和其它等六大类,如井盖、

15、路灯、交通标志牌等。应用实测法、行为观察法等传统的城市部件调查手段,主要是人工外业作业,使用的工具、技术相对落后,自动化程度比较低,调查、管理效率低下。利用可量测实景影像可以快速、高效、精确的采集满足数字化城管系统所需的综合市政设施、道路及其附属地物的电子地图数据、连续的街景影像数据和属性数据(铺装材料、分类信息) ,为道路、市政、环卫等部门的道路管理、新修道路验收,各种市政设施的管理维护,提供了有力的支撑和一种符合人眼视觉习惯的全新展现模式,也为数字化城市管理部件数据采集更新提供了一种快速高效的手段。在传统的三维城市和虚拟现实结合方式中，多是直接使用三维建模软件，通过三维建模和纹理粘贴，制造

16、出视觉上逼真的三维模型，但所建模型多不具有量测性。而可量测实景影像可直接进入三维城市模型, 使得各种数字三维的应用既可视又可量测，实现数字城市的真三维管理。针对企事业单位和社会公众，可提供旅游品牌形象推广及个性化线路导航，房地产投资环境及选址，娱乐场所和商场等特色信息发布，交通线路、商店、医院和饭店等专题信息查询、定位和搜索等功能。采用MMS 技术，可快速编制与更新导航电子地图, 为基于位置服务(LBS)、智能交通系统(ITS)等建设项目提供数据增值服务。 3.3.可量测实景影像的改进和发展 可量测实景影像的硬件、软件系统现已开发研制较为成熟，但可量测实景影像的应用仍需拓宽，技术上仍有待提高，

17、分析认为其改进和发展须考虑如下几点： (1) 目前可量测实景影像主要应用于道路沿线要素采集，如何将这种范围有限的带状采集方式发展为覆盖面更广的面状采集方式，及重点地区的点状采集，是有待发展的方向，只有这样可量测实景影像的应用才能更广泛和深入，更具有应用价值和技术优势。 (2) 在城市建筑密集区进行信息采集时，由于互相遮挡等原因，会导致拍摄影像信息的不全，如何应用数字影像处理、计算机视觉技术避免遮挡问题，是有待解决的问题。 (3) 移动采集时的移动路线规划问题，这关系到项目成本、进度及产品质量。目前可量测影像应用方面未见系统的移动路线设计的规范、技术流程、标准等，建议有关人员尽快建立相关成文规定。 (4) 可量测实景影像数据库提够了海量的实时、立体、实景影像，这些实景影像包含了大量丰富的环境、经济、人文信息，如何充分、有效的挖掘出影像包含的信息，是一个具有意义和难度的课题，否则，大量的影像数据就成了冗余数据，其用于数字城市建设的信息提供用途就成了空话。 (5) 由于采用地面采集的方式，其采集的信息仍受垂直地面方向高度的限制，这方面，低空、近地采集的影像可作为现有可量测实景影像的有益补充，如何与低空可量测实景影像系统相结合必将是未来的发展方向。而低空影像采集由于种种限制，目前仍未有实质进展。