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先进测绘技术服务数字城市建设
2014年4月18日    评论:    分享:

    来要:第三维度
    作者:曹天景、万幼川、陈军、关鸿亮、曹一辛

    摘要:在各界的大力推动下,数字城市近年来的发展如火如荼。本文介绍了先进测绘技术在数字城市建设领域的应用,重点介绍了空天地一体化城市空间信息获取技术、海量地理信息自动化处理技术以及数字城市地理信息公共平台等。

    一 引言

    数字城市是城市自然、社会、经济、人文、环境等各类信息集成、整合和共享而形成的城市信息化的发展趋势,也是推动整个国家信息化的重要组成部分,自20世纪90年代美国提出数字地球后,世界上一些国家如美国、英国、荷兰、澳大利亚等相继提出本国数字城市建设的构想,并通过行政、法律、经济的手段加以实施。数字城市很快就在城市规划、市政建设、交通设施、公共服务、动态监测、政府决策等方面得到广泛应用。

    我国数字城市建设已走过10余年的历程。早在1998年下半年,国家测绘地理信息局就开始组织有关专家学者对数字中国建设进行研究。2003年,胡锦涛总书记在中央人口资源环境工作座谈会上对测绘工作作出的重要批示中,第一次明确提出推进“数字中国地理空间框架建设”,国家测绘地理信息局和国务院信息化办公室于2006年联合印发了《关于加强数字中国地理空间框架建设与应用服务的指导意见》。近几年国家测绘地理信息局已分批在全国29个省、自治 区、直辖市中遴选出150余个城市,开展数字城市地理空间框架建设,超过了我国地级市数量的1/3。为了加快数字城市建设步伐,并力争在2011年再启动100个以上的数字城市建设,使数字城市覆盖全国2/3以上的地级城市。

    测绘先进技术在数字城市建设中的应用,使城市地理空间资料和社会经济资料信息化,加快了城市地理信息资料的获取速度,改进了资料的存储方式并提高了资料使用效率,大大加快了数字城市的建设进程;使城市管理和服务空间化、精细化、动态化、可视化、真实化,为政府构建高效的城市管理新模式提供了有效的技术手段;为广大市民和企业服务提供了城市地图网或地理信息服务网,以便捷查询与日常生活密切相关的衣、食、住、行等信息,服务民生。

    二 空天地一体化城市空间信息获取体系已初步形成

    数字城市地理空间数据获取进入高分辨率时代,系列遥感卫星及其组网、卫星星座综合观测成为现代卫星遥感系统的核心,天、空、地一体化的综合对地观测和大、小卫星相辅相成的全球性、立体、多维空间的观测体系将是对地观测系统发展的必然。航空遥感具有实时性强、机动灵活、空间分辨率高等特点,在数字城市空间信息获取方面仍然起着主导作用,形成多平台、多传感器、多比例尺和高光谱、高空间、高时间分辨率天地一体化摄影测量与遥感的数据获取方法成为时代的明显特征,在数字城市建设中主要表现为以下几方面。

    (一)航空数码摄影成为中流砥柱

    随着CCD传感器技术的发展,数字航空摄影已呈现明显的优势,航空数码相机面临着前所未有的发展机遇。在2000年国际摄影测量与遥感学会(ISPRS)阿姆斯特丹大会上,航空数码相机开始出现。在2004年的ISPRS伊斯坦布尔大会上,航空数码相机成为一个热点。航空数码相机主要以两种方式发展:一种是基于线阵(Linear Array)的传感器方式,代表产品有ADS40;另一种是基于面阵(Plane Array)的传感器方式,代表产品有DMC、UCD等。我国也开展和研发了具有自主知识产权的航空数码相机TOPDC、SWDC等,并进行了多次生产性科研试验。这些航空数码传感器已成为我国高分辨率影像获取的主要设备,同时也是数字城市建设中制作大比例尺数字表面模型(DSM)、数字高程模型(DEM)数字正射影像(DOM)和数字线划图(DLG)的主要数据来源。此外,中低空高分辨率主被动宽幅与三维探测遥感设备、宽幅高精度的航空数码测量型多光谱相机、成像光谱仪、LiDAR等载荷发展也非常迅速,对地获取高分辨率空间数据的能力明显增强。

    (二)高分辨卫星遥感数据广泛应用

    自2000年以来,高空间分辨率的遥感卫星成为商业遥感卫星的主流,美国Geo-Eye公司发射的GeoEye-1卫星,可拍摄0.41m/1.64m地面像元分辨率的全色与多光谱图像;目前在轨的美国军用成像侦察卫星系统的最高分辨率达到0.1m(KH12)。在高空间分辨率光学卫星发展的同时,高空间分辨率的SAR卫星已进入实用化阶段,2009年美国已宣布放开1m分辨率SAR商业卫星限制,目前广泛使用的还有SPOT5、IKONOS、QuickBird和OrbView等卫星。

    我国测绘卫星即资源三号卫星将于2011年下半年采用长征四号乙运载火箭于太原卫星发射中心发射升空。卫星升空后,将在轨道高度为506千米的太阳同步圆轨道上飞行,可对地球南北纬84度以内的地区实现无缝影像覆盖,每59天实现对中国领土和全球范围的一次影像覆盖。卫星具有侧摆功能,在应急等特殊情况下,能够在5天之内对同一地点进行重访拍摄。卫星数据将通过地面系统由分布在北京、喀什、三亚的三个地面站接收并传输给应用系统。资源三号卫星集测绘和资源调查功能于一体,主要用于生产中国1:5万基础地理信息产品,以及 1:2.5万等更大比例尺地图的修测和更新,开展国土资源调查与监测,为防灾减灾、农林水利、生态环境、城市规划与建设、交通和国防建设等领域提供有效的服务,同时也为数字城市建设提供了数据基础。

    (三)LiDAR三维重建成为现实

    机载激光雷达(Light Detection And Ranging, LiDAR)是一种新型传感器设备。该设备将激光用于回波测距,直接获取高精度的数字表面模型。通过数据后处理的方式可以获得城市建模、植被参数反演、电力巡线等面向不同行业的数据产品。同时,LiDAR系统可以携带航空多光谱CCD相机,并且能够通过硬件或者后处理软件的方式与LiDAR点云直接配准,因此具备了同时获得多光谱CCD影像的能力,为后续应用提供了丰富的数据资源。LiDAR系统集GPS技术、IMU技术、激光测距技术和高分辨率CCD相机于一体,是当代对地观测领域的一门新兴技术,不仅为对地观测技术的应用提供新型数据获取的手段,同时为数字城市中的三维重建提供了重要数据源。

    对于机载激光雷达数据的采集,近年来国内引进了多套国外商用机载激光雷达系统,包括Optech的ALTM系列、Leica的ALS系列、IGI的RIEGL以及TopoSys的FACOLN等,这些系统均在实际生产中发挥了重要作用。国家“十一五”863计划支持对机载激光雷达数据存取与可视化、检校与航带平差、滤波分类、数据配准、波形数据处理、DEM与DSM生产、建筑物重建以及行业应用技术等方面进行较系统的研究,获取了较好的激光雷达数据处理技术经验,研发了涵盖预处理、共性处理以及应用处理三个层次功能的机载激光雷达数据处理软件,并在实际工程当中进行了一定应用。在数字城市建设中提供了高精度数字表面模型、数字高程模型和数字正射影像,为城市三维重建提供了新的技术手段。

    (四)低空摄影测量系统全面推广

    以卫星遥感和普通航摄技术为主的测图手段由于数据获取能力不足和现势性差的技术局限,已经无法满足中国经济建设的基本需要。而低空无人飞行器航测遥感系统可进行低空飞行作业,从而一方面降低了对天气的依赖,另一方面可以形成高分辨率和高清晰度的影像信息。

    低空空间技术是一门新兴的综合性的科学技术,它作为高科技和新兴技术的代表,自我国推广和应用以来,在军用和民用技术领域获得了相当的发展,如今已经成为科学可靠、应用性强、效益明显且发展前景远大的新一代技术手段。

    低空无人机是当代低空空间技术应用的主要载体之一,其中低空无人直升机(也称旋翼式低空无人机)已经成为国民经济多个领域所采用的作业手段和提升产业规模水平发展的工具。低空无人机主要应用航空摄影摄像技术为城乡经济建设、国防建设和科学研究提供极为重要的信息资料,直接推动经济建设与社会发展。

    目前,我国低空无人机应用方兴未艾,市场需求十分广阔,急需培养大批人才。无人机航空摄像技术是低空空间技术领域必不可缺的一门应用性极其广泛的新兴技术,无论在军事,还是在人类社会、经济建设发展中都有着非常巨大的应用前景。目前国家测绘地理信息局已颁布了《无人机航摄安全作业基本要求》、《无人机航摄系统技术要求》、《低空数字航空摄影测量内业规范》、《低空数字航空摄影测量外业规范》和《低空数字航空摄影规范》5项测绘行业标准。

    在数字城市建设中。无人机通过地面遥控可以实现大倾角(40°- 60°)摄影,能够按布设航线获取各建筑物各侧面和顶部影像,遥感影像中心位置的空间分辨率可以达到0.1米甚至更高。因此,可利用所拍摄的高分辨率低空影像作为城市三维模型的影像源,从而充分发挥影像数据的多重作用。低空多角度高分辨率遥感影像是城市景观中三维对象各种纹理信息最可靠的来源。建筑物是城市三维景观的主体,在现有二维数据的辅助下,能够方便、准确地获取建筑物的高度及几何构成信息;其三维模型可以通过低空遥感影像三维重建并映射纹理获得,建筑物屋顶和墙面在三维可视化时分为可见面和不可见面,首先判断屋顶和墙面的“可见性”,然后根据多航带影像进行最佳纹理的映射,结合消隐分析、纹理纠正等技术措施,保证三维模型的最佳可视效果,从而生成与真实建筑物一致的三维模型。

    (五)倾斜摄影已崭露头角

    倾斜摄影技术是国际地理信息领域近年来发展起来的、融合传统航空摄影技术和数字地面采集技术的一项高新技术。它克服了传统航摄技术只能从垂直角度拍摄的局限,通过在同一飞行平台上搭载多台传感器,同时从1个垂直角度和4个倾斜角度采集影像,更加真实地反映地物的实际情况,弥补了正射影像的不足。

    倾斜摄影技术的应用,尤其适合我国这种多山国家。我国西部尤其是西南地区垂直起伏大,有的地域甚至垂直落差超过1000米,面向重大工程应用的坡面测绘是传统地形测绘无法做到的。例如航空摄影中,坡面和侧面信息往往被严重压缩。国家级的水电工程建设主战场已经从黄河长江等转移到西南地区,除了对传统地形图的需求外,需要更精准的坡面崖壁的测量数据。为此,有必要研制专用的航空倾斜摄影测量相机及其相关成图技术,以满足国家重大工程建设对测量仪器和坡面崖壁地形信息的需要。

    倾斜航空摄影测量技术是国际测绘领域近些年发展起来的一项高新技术,针对传统航空摄影垂直拍摄角度的局限,通过在同一传感器上集成不同拍摄角度的采集影像单元,结合高精度定位和姿态测量系统,获取立面坡面信息,构建地面三维模型以符合地面人眼立体视觉的观察习惯。倾斜摄影技术的研发和应用将开辟遥感影像应用的新领域,提高我国数字城市建设中建筑物侧面纹理的基础数据获取效率。

    (六)车载移动摄影测量系统已投入实际应用

    可量测实景影像(Digital Measurable Image, 简称DMI)包含了传统地图所不能表现的空间语义,是代表地球实际的物理状况,带有和人们生活环境相关的社会、经济和人文知识的“地球全息图”。因此,可量测实景影像地图所包含的丰富地理、经济和人文信息是聚合用户数据、创造价值、实现空 间信息社会化服务的数据源。它是在机动车上装配GPS(全球定位系统)、CCD(成像系统)、INS/DR(惯性导航系统或航位推算系统)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实景影像序列(DMI),这些DMI具有地理参考,并根据各种应用需要进行各种 要素特别是城市道路两旁要素的任意任时的按需测量。

    车载移动摄影测量系统在多传感器同步集成、海量CCD图像的高速采集、压缩和存储、不间断数据采集、属性记录自动化、有效融合其他数据、高效的数据处理流程等方面具有自主创新,建立了较完整的空间信息网络服务技术体系。在交通、铁路、公安、数字城市建设等领域得到广泛的应用,可应用于基础测绘、电子地图测制、电子地图修测、公路GIS与公路路产管理、铁路可视化GIS建库、公安GIS、空间信息服务等领域。

    车载移动摄影测量系统另一个应用领域是车载道路诊断,针对运营中的高等级公路、城市道路和机场跑道等路面的破损、车辙变形、平整度等损害进行快速、无损、自动化的采集与智能分析的多传感器集成与处理系统。该系统以机动车为平台,装备高分辨率线阵图像采集系统、激光线结构光三维测量系统、惯性补偿的激光测距系统、GPS/DMI/GYRO组合定位系统等先进的传感器以及车载计算机、嵌入式集成多传感器同步控制单元等设备,在车辆正常行驶状态下,自动完成道路路面图像、路面形状、平整度及道路几何参数等数据的采集与分析。

    三 海量自动化地理信息处理技术取得突破

    国际上,2006年由法国地理院开发的数字摄影测量处理系统像素工厂(Pixel Factory)开始在中国应用,该系统利用分布式并行计算技术,进行包括利用初始方位元素的空中三角测量,DSM匹配与正射影像制作等一系列自动化的处理。美国的Intergraph公司也准备推出类似的系统像素管道(Pixel Pipe),以致力于提高正射影像图的生产效率。德国的Inpho公司推出的产品Ortho Vista,由于正射镶嵌影像的色彩处理效果较为理想,正射影像制作的自动化程度较高,在国内外得到了较为广泛的应用。ERDAS公司的ERDAS IMAGING软件产品和PCI 公司的PCI GEOMATICA软件产品等侧重于利用遥感影像来制作正射影像图。

    在国内,武汉大学1978年就开始研究“全数字自动化测图系统”,并于1994年在澳大利亚黄金海岸首次推出“100%具有中国自主版权的数字摄影测量系统VirtuoZo”。该系统由计算机视觉代替了人眼的立体量测与识别,不再需要传统的光机仪器。从原始数据、中间成果到最后产品都是以数字形式存在,有效克服了传统摄影测量只能生产单一线划图的缺点,并且可以生产出多种数字产品。中国测绘科学研究院设计开发了数字摄影测量工作站JX-4。该系统继承了传统解析测图仪的作业习惯,将立体观测环境搬上了屏幕,并且实现了自动内定向,相对定向和自动相关,代替了人眼的立体观察。武汉大学于2002年开始致力于数字摄影测量网格的理论和算法研究,将计算机网络技术、并行处理技术、高性能计算技术引入到数字摄影测量。通过多年的悉心专研和刻苦攻关,2007年研制了新一代数字摄影测量处理平台-DPGrid(Digital Photogrammetry Grid)。DPGrid将各种高性能计算的新技术与数字摄影测量处理技术进行结合,在高性能航空航天遥感影像数据处理系统设计与开发领域进行了积极的探索。

    目前航空遥感影像的数据处理和正射产品的生产技术已较为成熟,但随着计算机硬件的日新月异发展和计算机软件科学的进步,航空遥感数据的处理能力和航空遥感数据正射产品生产效率并未提高到相应的水平。因此,海量航空遥感数据处理技术的研究还有极大的发展空间,特别是致力发展我国自主知识产权的海量航空遥感数据正射产品自动化生产系统,将有助于推动我国航空遥感数据智能处理的产业化进程。

    四 数字城市地理信息公共平台快速发展

    地理信息公共平台是其他专业信息空间定位、集成交换和互联互通的基础,是地理空间框架的重要组成部分。依托基础地理信息标准数据,通过空间分析满足政府部门、企事业单位和社会公众的基本需求,具备实现个性化应用的二次开发接口和可扩展空间。公共平台管理服务软件用以实现在单机、局域网、政务内外网和社会公网等多种环境下的地理信息分布式服务。软件应能够支持海量数据管理以及分布式、多类型、多尺度地理空间数据的一体化管理,具备支持其他专业信息空间定位、集成交换和互联互通的功能,能够通过空间分析满足城市政府部门、企事业单位和社会公众的基本需求,并具备实现个性化应用的二次开发接口和可扩展空间。在网络条件下运行时,系统的服务器端位于公共平台的维护管理机构,客户端位于应用公共平台的政府及其各部门。

    2010年,国家测绘地理信息局联合科技部开展数字城市地理信息公共平台国产软件测评。测评涉及软件的数据管理、信息服务、辅助应用和运行维护管理等方面。结果显示,大部分软件具有良好的可扩展性和兼容性;软件性能稳定,网络地图服务、网络要素服务、缓存服务、查询服务速度快,准确性良好;软件成熟度高,容错能力强,易于使用,支持多节点协同服务,支持多种操作系统平台和数据库平台;软件自主化程度较高。国家测绘地理信息局将获奖软件列入了年度优秀测绘产品推荐目录。

    五 结语

    我国自2006年数字城市地理空间框架建设工作开展以来,在测绘高新技术的支持下,为全国150余座城市建立了统一的城市地理信息公共平台框架,为各类专业信息的交换、整合及应用系统的搭建提供了支撑,有效提升了信息综合利用的水平和能力,避免了城市重复投入、重复建设,以及定位基准、技术标准不统一导致的信息孤岛等问题。建立的典型应用系统,如烟台的公安警用地理信息系统、太原的环保监测管理信息系统、嘉兴的工商管理应用系统、潜江的卫生监测管理信息系统、威海市公安局人口地理信息系统等,在城市规划、管理及公共服务等方面发挥了重要作用。这些系统通过对专业信息与地理信息的叠加,实现了对经济、社会和其他人文信息的空间统计分析和决策支持,提高了政府部门公共服务、社会管理、宏观决策的科学性准确性和工作效率。随着数字城市建设的不断推进,测绘新技术将更多、更广泛地得到应用。同时,测绘技术也在日益发展,不断创新,推动数字城市建设进程不断加快。

    作者简介:

    曹天景,四维航空遥感有限公司总经理
    万幼川,武汉大学遥感学院。
    陈军(女),国家测绘地理信息局国土测绘司
    关鸿亮,北京天下图数据技术有限公司
    曹一辛,国家测绘地理信息局职业技能鉴定指导中心

标签:数字城市GIS测绘地理
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