寧波市可量測實(shí)景影像的研究與建設(shè)

1 引言

隨著信息技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)、航天遙感和宇航定位技術(shù)的發(fā)展，地球空間信息學(xué)本世紀(jì)將形成海陸空天一體化的傳感器網(wǎng)絡(luò)并與全球信息網(wǎng)格相集成，從而實(shí)現(xiàn)自動化、智能化和實(shí)時化地回答何時(When)、何地(Where)、何目標(biāo)(What Object)發(fā)生了何種變化(WhatChange)，并且把這些時空信息(即4W)隨時隨地提供給每個人，服務(wù)到每件事(4A服務(wù): Anyone，Anything，Anytime and Any-where)。從這個意義上講，必須大力推進(jìn)信息化測繪的建設(shè)。要在已經(jīng)建成的數(shù)字化測繪的體系上，抓好測繪生產(chǎn)內(nèi)外業(yè)一體化、數(shù)據(jù)更新實(shí)時化、測繪成果數(shù)字化和多樣化、測繪服務(wù)網(wǎng)絡(luò)化和測繪產(chǎn)品社會化。而信息化測繪的本質(zhì)和目標(biāo)是為社會提供空間信息服務(wù)，回答各類用戶提出的與空間位置有關(guān)的問題。

長期以來，測繪地形圖是測繪的任務(wù)和目標(biāo)，當(dāng)前測繪成果稱為4D產(chǎn)品，即數(shù)字高程模型(DEM)、數(shù)字正射影像(DOM)、數(shù)字線劃地圖(DLG)和數(shù)字柵格地圖(DRG)。這些產(chǎn)品是由作業(yè)員根據(jù)規(guī)范的要求從原始航空/航天影像上采集、加工制作的。它們是有限的基礎(chǔ)信息，稱為基礎(chǔ)地理信息，不能滿足社會各行各業(yè)對空間信息的需求。大量用戶需要的與專業(yè)應(yīng)用和個人生活相關(guān)的信息，如電力部門的電力設(shè)施、市政城管的市政設(shè)施、公安部門重點(diǎn)布防設(shè)施(消防栓、門牌號碼)、交通部門的交通信息、個人位置要求的快餐廳等細(xì)小的信息，這些均無法涵蓋在傳統(tǒng)的4D產(chǎn)品中。例如公安地理信息系統(tǒng)中的基本信息來自4D產(chǎn)品的僅占20%，其余80%需要通過實(shí)地調(diào)查來補(bǔ)充。問題出在什么地方?主要問題由從原始的來自客觀世界的影像經(jīng)過測繪人員按規(guī)范加工后，只保留了基本要素，而將上述原始影像中包涵的大量信息給刪除掉了。為什么不能將原始的可量測影像作為產(chǎn)品(連同量測軟件)直接提供給客戶，由用戶按需求去量測呢?

如果將原始的立體影像對(地面、航空或者航天影像)，連同他們的外方位元素一起作為數(shù)字影像(Digital Measurable Images)存儲和管理起來，并在互聯(lián)網(wǎng)上提供必要的使用軟件，就有可能直接由用戶根據(jù)其需要去搜索、量測、調(diào)繪和標(biāo)注出他們所需要的空間目標(biāo)的信息。［1］

2 概念

一種新型的測繪產(chǎn)品——DMI可量測實(shí)景影像正是在這種情況下提出來的。國家測繪局已正式頒布了有關(guān)DMI的國家技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)文件，在標(biāo)準(zhǔn)文件中正式將DMI納入了基礎(chǔ)地理信息產(chǎn)品范疇，并將其定義為4D產(chǎn)品的補(bǔ)充。具體如下：

可量測實(shí)景影像（Digital Measurable Image，簡稱DMI）是一種以地面近景攝影測量立體影像文件及其外方位元素構(gòu)成的基礎(chǔ)地理信息產(chǎn)品，通過可量測實(shí)景影像提供的開發(fā)包可直接對立體影像進(jìn)行測量、信息提取并與其他基礎(chǔ)地理信息產(chǎn)品集成，是我國基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)庫為適應(yīng)按需測量采集更新空間信息的一種新的產(chǎn)品?？闪繙y實(shí)景影像主要由立體影像對、外方位元素描述文件和開發(fā)包組成?？闪繙y實(shí)景影像可通過移動道路測量系統(tǒng)采集得到，并可以通過開發(fā)包與4D產(chǎn)品無縫集成，是對我國4D基礎(chǔ)地理信息產(chǎn)品進(jìn)行有效補(bǔ)充的一種重要產(chǎn)品。

與平面投影的4D產(chǎn)品不同的是，DMI是一種地面近景可量測影像，主要按照人的視角提供詳細(xì)的城市立面信息，包括：城市部件信息、建筑物外立面信息、道路及附屬設(shè)施信息、POI信息、城市詳細(xì)的環(huán)境信息、地形信息、自然景觀信息以及反映城市現(xiàn)狀的社會、經(jīng)濟(jì)乃至人文類信息等。DMI不是一種經(jīng)過修飾、裁剪的測繪產(chǎn)品，而是以高清晰度、高分辨率影像的方式來直接反映制圖物體以及自然環(huán)境的原貌，它既包含了所要量測的目標(biāo)地物信息，又包括了與之有著物理相關(guān)的各種自然和社會信息。對于行業(yè)用戶而言，既可從DMI中提取所需要的業(yè)務(wù)要素，又可進(jìn)行數(shù)據(jù)的挖掘，更好滿足管理與決策上的高級應(yīng)用。對于公眾而言，影像是客觀世界的最直觀和最真實(shí)的寫照，也是無需專業(yè)知識判讀，最易理解的“數(shù)字城市”，可直接回答公眾有關(guān)城市地理信息方面的問題。［2］

具有時間維度的DMI在空間信息網(wǎng)格技術(shù)上形成歷史搜索探索挖掘，為通視分析、交通能力、商業(yè)選址等深度應(yīng)用提供用戶自身可擴(kuò)展的數(shù)據(jù)支持。所以，DMI作為一種新型數(shù)字化產(chǎn)品，是體現(xiàn)從專業(yè)人員按規(guī)范量測到廣大用戶按需要量測的跨越。［1］

3 DMI理論基礎(chǔ)

3.1 移動道路測量系統(tǒng)（MMS）

移動道路測量技術(shù)作為一種全新的測繪技術(shù)，它是在機(jī)動車上裝配GPS(全球定位系統(tǒng))、CCD (成像系統(tǒng))、INS/DR(慣性導(dǎo)航系統(tǒng)或航位推算系統(tǒng))等傳感器和設(shè)備，在車輛高速行進(jìn)之中，快速采集道路前方及兩旁地物的可量測立體影像序列(DMI)，這些DMI具有地理參考，通過統(tǒng)一的地理參考和攝影測量解析處理，實(shí)現(xiàn)無控制的空間地理信息的采集和建庫。并根據(jù)應(yīng)用需要進(jìn)行各種要素，特別是城市道路兩旁要素的按需測量。［1］

需要指出的是，移動測量獲得的原始影像數(shù)據(jù)與相應(yīng)的外方位元素可自動整合建庫，而按需測量是由用戶在網(wǎng)上自行完成的，所以移動測量獲取的數(shù)據(jù)就不再需要專業(yè)測量人員加工，可直接成為上網(wǎng)的測繪成果。

3.2 DMI原理

圖1 DMI原理圖

圖1中，假設(shè)需測量點(diǎn)A與點(diǎn)B之間的距離。在MMS中，可以獲得到左右像片的內(nèi)外方位元素，并按某種規(guī)則將左右像片投影到全景圖上，點(diǎn)A、B在全景圖的投影分別為AP、BP，點(diǎn)A在左右像片上的投影點(diǎn)分別為A1、A2，點(diǎn)B在左右像片上的投影點(diǎn)分別為B1、B2。A1與A2、B1與B2并不一定重合，為敘述和作圖方便假設(shè)它們重合。

由于我們看到的是全景圖，因此要量測A與B之間的距離，首先要知道AP、BP在全景圖中的位置，這個可以根據(jù)鼠標(biāo)在屏幕中的位置和全景圖此時旋轉(zhuǎn)的角度及視角來確定；其次，就點(diǎn)AP而言，根據(jù)將左右像片投影到全景圖的規(guī)則的逆過程，由AP推導(dǎo)出點(diǎn)A在左右像片上的像平面坐標(biāo)A1和A2；再由坐標(biāo)A1和A2、左右像片的內(nèi)外方位參數(shù)，利用共線方程即可求出點(diǎn)A的坐標(biāo)，同理可求出點(diǎn)B的坐標(biāo)，即可求出點(diǎn)A與點(diǎn)B之間的距離。

由上面可知，可以計算出任一點(diǎn)的真實(shí)坐標(biāo)，從而可以計算出距離、周長、面積等等想知道的未知量。

DMI數(shù)據(jù)組織圖

上圖為DMI數(shù)據(jù)組織圖，由MMS采集數(shù)據(jù)后得到可量測立體影像序列DMI，DMI由許多單個可量測立體影像組成，每個可量測立體影像中應(yīng)該包括一副全景圖、6張像片及每張像片的內(nèi)外方位元素和像片向全景圖投影的規(guī)則，其中的數(shù)據(jù)也按此方法進(jìn)行組織。在實(shí)際操作過程中，根據(jù)需要還應(yīng)建立可量測立體影像與二維地圖之間的索引，以滿足單個可量測立體影像與二維地圖之間進(jìn)行互動；各可量測立體影像之間進(jìn)行切換等等。

在最大限度地采集了各種道路綜合信息之后，通過相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理軟件，可方便地將各種位置數(shù)據(jù)，屬性數(shù)據(jù)以及圖像進(jìn)行后處理，最后存儲在開放式的數(shù)據(jù)庫中，并可輸出形成各種適應(yīng)于不同需要的數(shù)字地圖成果（如：導(dǎo)航電子地圖等）。另外，用移動測量采集的數(shù)據(jù)也可與傳統(tǒng)人工測量所得數(shù)據(jù)以及航片、衛(wèi)片資料相結(jié)合，從而形成更為全面的地理信息系統(tǒng)。

4 DMI系統(tǒng)功能

4.1 可視化信息瀏覽功能

● 固定路段的活動影像瀏覽：指定路段，采用幻燈片方式進(jìn)行影像數(shù)據(jù)的瀏覽，能夠前一幀和后一幀的方式控制，也可以系統(tǒng)自動播放。

● 對定制路段活動影像的瀏覽：指定一條線路，該線路可能是通過路徑搜索或手工指定獲取的路線。瀏覽的方式與固定路段的活動影像瀏覽方式相同。

● 地圖點(diǎn)擊瀏覽：用戶點(diǎn)擊地圖，可以方便查看地圖空間點(diǎn)附近的最近影像，提供按需測量的功能。

4.2 影像標(biāo)注功能

標(biāo)注點(diǎn)可以方便的查詢。標(biāo)注的信息記錄在數(shù)據(jù)庫中。標(biāo)注的具體內(nèi)容如下：

● 標(biāo)注類型：重點(diǎn)保護(hù)單位標(biāo)注、案件標(biāo)注、交通事件標(biāo)注等等?？梢愿鶕?jù)應(yīng)用要求，訂制標(biāo)注內(nèi)容。

● 對于數(shù)據(jù)庫中已經(jīng)存在的點(diǎn)狀興趣點(diǎn)，可以通過工具在人工參與的情況下把這些點(diǎn)狀地物也標(biāo)注在影像上。

● 標(biāo)注的信息（如標(biāo)注ID、用戶自定義屬性（編碼、名稱、分類等）、標(biāo)注對應(yīng)的影像和標(biāo)注在影像上的位置），既可以保存在服務(wù)器的標(biāo)注庫中，也可以保存在客戶GIS數(shù)據(jù)庫中，具體根據(jù)開發(fā)方式而定。

4.3 影像量測功能

能夠在近景影像圖片上進(jìn)行量測，具體如下：

● 地物尺寸：地物的長寬高量測，通道的寬度量測。

● 空間坐標(biāo)：提供地物的空間坐標(biāo)的量測。

5 DMI應(yīng)用領(lǐng)域

5.1 城市部件管理中的應(yīng)用

城市部件是最基本的城市要素，具有最明確的產(chǎn)權(quán)單位或管理維護(hù)單位.按照城市管理功能分為公用設(shè)施類、道路交通類、市容環(huán)境類、園林綠化類、房屋土地類和其它等六大類，如井蓋、路燈、交通標(biāo)志牌等。

DMI在城市部件管理中的應(yīng)用主要有：

1) 實(shí)景影像是對萬米單元網(wǎng)格管理的補(bǔ)充。

城市萬米單元網(wǎng)格系統(tǒng)在我國已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用，盡管管理過程中出現(xiàn)了一些問題，但總體效果比較滿意.城市立面街景影像的應(yīng)用，沒有擯棄原有的萬米網(wǎng)格系統(tǒng)，而是在其基礎(chǔ)上解決萬米網(wǎng)格系統(tǒng)無法解決的問題，實(shí)現(xiàn)對城市萬米網(wǎng)格系統(tǒng)的優(yōu)化。

2) 城市部件影像量測

為了給室內(nèi)執(zhí)法檢查提供便利條件，為執(zhí)法人員提供執(zhí)法依據(jù)，新的管理手段提供了部件規(guī)格的測量功能.通過近景立體影像對提供的坐標(biāo)量測功能，可以確定影像上任意一個點(diǎn)的坐標(biāo)，從而可以計算兩點(diǎn)的距離.獲取部件的規(guī)格要素屬性主要包括長度、面積、高度等。

3) 城市立面街景影像采取瀏覽和測量雙模式

根據(jù)城市管理應(yīng)用需求，結(jié)合MMS采集影像的方位，城市立面街景影像的應(yīng)用可采取兩種模式，一種是能夠提供廣角視野的瀏覽模式，便于大視角瀏覽城市街景和道路左側(cè)、前方、右側(cè)的城市部件，為其管理決策提供服務(wù)；另一種是利用可量測實(shí)景影像，進(jìn)行部件量測和添加部件的測量模式，便于發(fā)現(xiàn)未普查到的部件并將其添加到數(shù)據(jù)庫，也方便城管執(zhí)法人員在計算機(jī)前判別違規(guī)和不合理的部件和事件，使其執(zhí)法有理可據(jù)。

4) 城市立面街景影像多種關(guān)聯(lián)關(guān)系的建立

應(yīng)用城市立面街景影像進(jìn)行城管部件管理，最基本的目的就是要實(shí)現(xiàn)在定位到地圖部件的同時能觀察到部件的影像.因此，無論采取哪種模式，都必須建立城市立面街景影像多種關(guān)聯(lián)關(guān)系，即影像與地圖關(guān)聯(lián)、影像與道路關(guān)聯(lián)、影像與部件關(guān)聯(lián)、影像與視頻關(guān)聯(lián).影像與地圖關(guān)聯(lián)可以實(shí)現(xiàn)將城市立面街景影像定位到所在地圖位置；影像與道路關(guān)聯(lián)可以實(shí)現(xiàn)將城市立面街景影像定位到某一條道路；影像與部件關(guān)聯(lián)可以實(shí)現(xiàn)點(diǎn)擊地圖部件的同時，觀察部件影像；影像與視頻關(guān)聯(lián)可以實(shí)現(xiàn)在觀察影像的同時瀏覽連續(xù)視頻與音頻信息。

5.2 公路上的應(yīng)用

1) 公路綜合管理

在采用移動道路測量系統(tǒng)獲取的可視、可量、可挖掘的地面立體影像對序列的基礎(chǔ)上，對可量測實(shí)景影像進(jìn)行測量與任意標(biāo)注，并將其鏈接到其他專業(yè)數(shù)據(jù)庫中，真正實(shí)現(xiàn)公路地理信息、專業(yè)臺帳信息和可視化影像信息的有機(jī)結(jié)合，從而為各業(yè)務(wù)、應(yīng)用和服務(wù)系統(tǒng)提供一個完全真實(shí)的數(shù)字公路平臺，進(jìn)而為公路發(fā)展規(guī)劃、路網(wǎng)布局、公路建設(shè)、公路災(zāi)害的有效預(yù)測、預(yù)警、預(yù)報以及突發(fā)性事件快速處理提供決策支持及公眾服務(wù)，最終實(shí)現(xiàn)公路信息化、可視化和智能化管理。

2) 公路路政管理

公路路政巡檢部門為了確保所轄區(qū)域內(nèi)公路線路的正常運(yùn)作，需要派出路政巡檢人員定期對公路及所附屬的構(gòu)造物和路況質(zhì)量進(jìn)行檢查、評定，還需要對公路的養(yǎng)護(hù)管理資料進(jìn)行更新、存儲、分析，并且為養(yǎng)護(hù)管理人員提供數(shù)據(jù)分析以提高管理質(zhì)量。通過便攜式系統(tǒng)、移動巡查車系統(tǒng)和固定監(jiān)控系統(tǒng)可極大提高效率。

3) 公路養(yǎng)護(hù)管理

養(yǎng)護(hù)是公路管理部門的主要業(yè)務(wù)，基于實(shí)景三維影像的公路綜合管理系統(tǒng)可以為公路養(yǎng)護(hù)提供全方位的支持。通過公路巡查車系統(tǒng)和便攜式系統(tǒng)實(shí)時對道路進(jìn)行監(jiān)控，完成從病害檢測、養(yǎng)護(hù)計劃下達(dá)、養(yǎng)護(hù)竣工驗(yàn)收的閉環(huán)管理。

4) 公路應(yīng)急指揮

因交通事故、隧道火災(zāi)、臺風(fēng)、暴雨等自然災(zāi)害侵害常常會引發(fā)公路及附屬設(shè)施損壞，使公路無法正常運(yùn)行的情況。為保證在突發(fā)性災(zāi)害發(fā)生時，減少損失，盡快恢復(fù)正常秩序，必須要建立一套完善的公路應(yīng)急搶險系統(tǒng)和應(yīng)急儲備體系，基于實(shí)景三維影像的公路綜合管理系統(tǒng)能夠提供對公路應(yīng)急管理的全面支持。

5.3 公安系統(tǒng)上的應(yīng)用

在公安系統(tǒng)中的應(yīng)用主要有：以房管人；以人查房；案、事件查詢；建筑物高度、通道高度/寬度、射擊/通視距離等測量；實(shí)時監(jiān)控（動、靜結(jié)合）；接、處警精確定位；警用車輛（人員）定位、跟蹤；警戒路線等。

在通道高度/寬度、射擊/通視距離等測量的應(yīng)用中，警用用戶關(guān)心的設(shè)施和設(shè)備的幾何屬性：長、寬、高、面積，也可以通過在立體影像對上的測量獲取，如通過對重點(diǎn)地物的幾何屬性（建筑物高度、通道高度/寬度、射擊/通視距離等）進(jìn)行快速測量，可滿足公安用戶的安保部署、反恐等多方面的應(yīng)用需求。

5.4 在其它領(lǐng)域中的應(yīng)用

一個典型的公眾出行服務(wù)系統(tǒng)包括以下子系統(tǒng)：出行信息發(fā)布和查詢子系統(tǒng)；路徑選擇子系統(tǒng)；實(shí)景導(dǎo)航子系統(tǒng)。

6 寧波市DMI建設(shè)應(yīng)用現(xiàn)狀

寧波院目前正在開展重點(diǎn)區(qū)域的全景影像數(shù)據(jù)庫建設(shè)，目前已經(jīng)完成了部分區(qū)域的數(shù)據(jù)采集工作。該數(shù)據(jù)庫可以為數(shù)字城管、公安等提供全景影像服務(wù)。對于重點(diǎn)關(guān)注的線路、地區(qū)和部位，均可將其實(shí)景圖像拍攝下來存放在數(shù)據(jù)庫中?？梢约訌?qiáng)對重點(diǎn)地段和部位的可視化管理。

為圓滿完成世博會“環(huán)滬護(hù)城河”安保任務(wù)，寧波院依托自己建立的城市三維仿真數(shù)據(jù)庫，綜合應(yīng)用三維數(shù)字地圖、數(shù)字側(cè)視地圖、可量測實(shí)景影像等新測繪產(chǎn)品，360度展示安保區(qū)域景觀，靜態(tài)動態(tài)結(jié)合、精確度與清晰度高，可模擬比較多套安保方案，有效提高了處置突發(fā)事件和執(zhí)行世博安保能力。

為不斷提高測繪保證能力，寧波院通過基礎(chǔ)測繪現(xiàn)代化技術(shù)裝備建設(shè)，進(jìn)行測繪產(chǎn)業(yè)升級，2010年初采購了數(shù)字實(shí)景影像采集系統(tǒng)。目前，在正在開展的“寧波市基礎(chǔ)測繪十二五規(guī)劃”中，寧波市準(zhǔn)備把DMI的生產(chǎn)和處理納入到基礎(chǔ)測繪范疇，保證市規(guī)劃區(qū)主要道路的實(shí)景影像的采集、加工、建庫和維護(hù)。

7 結(jié)論

面對海量對地觀測數(shù)據(jù)和各行各業(yè)的迫切需求，我們面臨著數(shù)據(jù)既多又少的矛盾局面，一方面數(shù)據(jù)多到無法處理，另一方面用戶需要的數(shù)據(jù)又找不到，致使無法快速及時地回答用戶提出的問題。由移動道路測量技術(shù)獲取的可視、可量、可挖掘的實(shí)景影像DMI可以實(shí)現(xiàn)聚焦服務(wù)的按需測量。［1］

可量測實(shí)景影像包含有豐富的空間信息、屬性信息以及社會人文、環(huán)境信息，具有可視化、可量測、可挖掘的特點(diǎn)，可量測實(shí)景影像在城市部件管理、公路應(yīng)用、公安系統(tǒng)等的應(yīng)用極大地減輕了人員的勞動強(qiáng)度，提高了工作的服務(wù)效率和群眾滿意度，實(shí)現(xiàn)了對空間、時間和責(zé)任上的精確定位，而且有連續(xù)的視頻和多角度立面影像記錄，使城市管理、公路應(yīng)用、公安系統(tǒng)等轉(zhuǎn)向精確的可視化管理。

基于可量測實(shí)景影像DMI的空間信息服務(wù)代表了下一代空間數(shù)據(jù)服務(wù)的新方向，并與空間信息網(wǎng)格服務(wù)、空間信息自動化、智能化、實(shí)時化服務(wù)有機(jī)結(jié)合，實(shí)現(xiàn)空間信息大眾化，為全社會、全體公民提供直接服務(wù)，從而達(dá)到做大信息化測繪的目標(biāo)。