移動(dòng)道路測(cè)量技術(shù)在警用地理信息系統(tǒng)中的應(yīng)用實(shí)踐

周維娜，賀衛(wèi)中，高超，束平，孫俊

(1.常州市基礎(chǔ)地理勘測(cè)中心，江蘇 常州 213022；2.常州市公安局，江蘇 常州 213022)

1 引 言

目前測(cè)繪工作正朝著信息化、數(shù)字化和智能化的方向發(fā)展，傳統(tǒng)的測(cè)繪科學(xué)也發(fā)展成為以GPS、RS和GIS為代表的3S集成空間信息科學(xué)。同時(shí)，基礎(chǔ)地理信息的表達(dá)方式也發(fā)生著巨大變化，傳統(tǒng)的模擬地形圖已不再能夠作為地理信息的有效載體，取而代之的是信息量豐富、直觀易懂、更新便捷的數(shù)字化影像地圖(除了空間數(shù)據(jù)和矢量數(shù)據(jù)外，還需包括可量測(cè)的真三維圖像、實(shí)景影像、多媒體視頻和360全景圖片，從而使得對(duì)象的表達(dá)更為全面和直觀)[1-5]。當(dāng)汽車導(dǎo)航、LSB個(gè)人移動(dòng)位置服務(wù)、數(shù)字城市和數(shù)字地球等快步走來，如何快速、全面地采集人們需要的地理信息，如何對(duì)地理信息進(jìn)行及時(shí)更新，成為測(cè)繪社會(huì)化服務(wù)的首要問題。而高精度動(dòng)態(tài)定位定姿技術(shù)、數(shù)字傳感器技術(shù)、近景攝影測(cè)量技術(shù)以及自動(dòng)控制技術(shù)的飛速發(fā)展和集成融合，使得一種在移動(dòng)狀態(tài)下進(jìn)行的近景攝影測(cè)量和地面遙感成為可能，產(chǎn)生了一個(gè)新的分支學(xué)科——移動(dòng)道路測(cè)量，為空間信息的快速高精度測(cè)量和更新開辟了一個(gè)新的途徑。

根據(jù)“數(shù)字常州”地理空間框架項(xiàng)目設(shè)計(jì)，常州市基礎(chǔ)地理勘測(cè)中心引進(jìn)了最新的移動(dòng)道路測(cè)量系統(tǒng)(型號(hào)：LD2000RH-L)，整套設(shè)備從武漢立得空間信息技術(shù)發(fā)展有限公司引進(jìn)，是由武漢大學(xué)雙院院士李德仁教授領(lǐng)銜研究開發(fā)。

2 移動(dòng)道路測(cè)量系統(tǒng)數(shù)據(jù)類型

移動(dòng)道路測(cè)量系統(tǒng)(以下簡(jiǎn)稱MMS)集成全球定位系統(tǒng)(GPS)、慣性導(dǎo)航系統(tǒng)(INS)、成像系統(tǒng)(CCD)、全景相機(jī)、激光掃描儀(LiDAR)等多種傳感器在車載平臺(tái)上，在車輛高速行進(jìn)之中，快速采集道路及道路兩旁地物的空間位置數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)。

MMS在高速運(yùn)行過程中，通過GPS信號(hào)和慣性導(dǎo)航系統(tǒng)，可以獲取不同時(shí)刻的導(dǎo)航數(shù)據(jù)；與此同時(shí)，車頂?shù)腃CD相機(jī)和全景相機(jī)記錄了道路周圍的相片和全景影像。

2.1 GPS車行軌跡

由于GPS的實(shí)時(shí)定位功能，可以在每個(gè)固定間隔的時(shí)間點(diǎn)獲取當(dāng)前時(shí)間汽車所在位置坐標(biāo)，從而可以得到完整的車行軌跡。在GPS信號(hào)不好的山區(qū)或者城市建筑物密集區(qū)，可以利用慣性導(dǎo)航系統(tǒng)彌補(bǔ)這方面的不足，保證數(shù)據(jù)的連續(xù)性及完整性。借助多源數(shù)據(jù)測(cè)圖軟件，可以生產(chǎn)導(dǎo)航電子地圖數(shù)據(jù)。

2.2 CCD影像

CCD相機(jī)記錄下每個(gè)拍攝瞬間車載平臺(tái)5個(gè)方向的相片，保證了地物屬性記錄的完整性和品質(zhì)。

2.3 全景影像

全景相機(jī)記錄下行車途中360°街景影像，同時(shí)在影像上可以量測(cè)距離、面積，自動(dòng)標(biāo)注。

2.4 激光數(shù)據(jù)

獲取道路兩側(cè)激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)，該數(shù)據(jù)格式除了記錄點(diǎn)云三維坐標(biāo)信息外，還存儲(chǔ)該點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集硬件的GPS信息以及點(diǎn)云RGB值信息等。利用激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)和全景相片數(shù)據(jù)，可以進(jìn)行三維輔助建模的工作。

3 數(shù)據(jù)精度滿足PGIS系統(tǒng)

我單位引進(jìn)的移動(dòng)道路測(cè)量系統(tǒng)上裝有5個(gè)CCD相機(jī)，能同時(shí)拍攝汽車左前方，右前方，正前方(2個(gè))，右側(cè)5個(gè)方向的相片。利用攝影測(cè)量的原理，通過采集到的立體像對(duì)同名像點(diǎn)自動(dòng)或半自動(dòng)匹配，構(gòu)建立體測(cè)量模型，完成各種地物空間坐標(biāo)和地物間相對(duì)位置關(guān)系的測(cè)量，得到地物WGS 84坐標(biāo)系下的坐標(biāo)。

為檢驗(yàn)MMS測(cè)量精度，本文進(jìn)行了野外測(cè)試。首先用全站儀測(cè)量路燈桿坐標(biāo)，并修正到桿子中心位置，然后用MMS進(jìn)行影像采集及坐標(biāo)量測(cè)。全站儀測(cè)量方法符合CJJ/T 8-2011《城市測(cè)量規(guī)范》，用全站儀進(jìn)行采集精度可以滿足城鎮(zhèn)測(cè)量要求，可以把其觀測(cè)值看做“真值”，從而得到MMS的誤差。

本文在GPS信號(hào)良好地段采集了60個(gè)點(diǎn)的路燈桿坐標(biāo)，進(jìn)行比較，得出MMS的定位精度。圖1為利用CCD1、2所攝影像對(duì)量測(cè)值與用全站儀所測(cè)對(duì)應(yīng)地物點(diǎn)平面誤差的分布圖。對(duì)以上數(shù)據(jù)求解中誤差，得到平面中誤差為±0.482m。

圖1 CCD1、CCD2的誤差分布圖

誤差的來源有以下幾個(gè)方面：①與車速有關(guān)。車速越快，量測(cè)誤差越大。②內(nèi)業(yè)量測(cè)誤差。內(nèi)業(yè)在計(jì)算機(jī)上進(jìn)行量測(cè)時(shí)存在誤差，主要與影像的清晰度有關(guān)，同時(shí)還與所量測(cè)的目標(biāo)有關(guān)。③與攝影距離有關(guān)。短距離的定位精度比長(zhǎng)距離的精度高。

根據(jù)本次精度實(shí)驗(yàn)及參考立得公司交付驗(yàn)收?qǐng)?bào)告，MMS的絕對(duì)精度平面中誤差小于0.5m，高程中誤差小于1m。相對(duì)精度垂直光軸的平均誤差為0.014m，平行光軸的平均誤差為0.041m。全景相機(jī)有效視場(chǎng)角：360°(水平方向)×145°(垂直方向)；CCD相機(jī)分辨率為200萬(wàn)像素。

公安部于2009年12月1日印發(fā)了《全國(guó)警用地理信息基礎(chǔ)平臺(tái)建設(shè)任務(wù)書》和《全國(guó)警用地理信息基礎(chǔ)平臺(tái)總體建設(shè)方案》的通知。這兩個(gè)文件明確要求PGIS平臺(tái)在應(yīng)用傳統(tǒng)4D數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，也需緊跟地理空間發(fā)展潮流，應(yīng)用一些新型的地理信息數(shù)據(jù)(如可量測(cè)實(shí)景影像、多視角仿真三維)，以豐富PGIS應(yīng)用的數(shù)據(jù)種類和應(yīng)用效果。同時(shí)提出了建立PGIS實(shí)景影像數(shù)據(jù)庫(kù)時(shí)數(shù)據(jù)采集指標(biāo)：絕對(duì)精度0.5m以下；相對(duì)精度5cm以下；360°全景分辯率200萬(wàn)像素；存儲(chǔ)為每公里小于170兆；可提供路網(wǎng)圖，可采集興趣點(diǎn)，真圖和二維圖精確集成。根據(jù)上面的分析，立得公司的MMS系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)可以滿足PGIS的要求。

4 在警用地理信息系統(tǒng)中的應(yīng)用

我單位利用引進(jìn)的移動(dòng)道路測(cè)量系統(tǒng)采集了市中心360km2范圍內(nèi)長(zhǎng)度約443km的實(shí)景影像數(shù)據(jù)，部分已部署在“天地圖·常州”網(wǎng)站上。同時(shí)，筆者還與常州市公安局合作，探索可量測(cè)實(shí)景影像在警用地理信息系統(tǒng)中的應(yīng)用。

4.1 傳統(tǒng)警用地理信息系統(tǒng)存在的問題

(1)信息量嚴(yán)重不足，需要后期補(bǔ)充采集

目前，大多數(shù)的警用地理信息都來源于地方勘測(cè)部門，數(shù)據(jù)類型主要是二維的矢量數(shù)據(jù)(DLG)、正射影像數(shù)據(jù)(DOM)。這些地理數(shù)據(jù)信息僅占警用地理信息總量的20%左右[6]，其他警用公共地理信息和警用業(yè)務(wù)專用地理信息都需要后期補(bǔ)充采集，工作量巨大。

(2)數(shù)據(jù)表現(xiàn)平面化，不能提供立面數(shù)據(jù)

二維地圖只支持平面上的測(cè)量，而在警戒路線、反恐應(yīng)急等情況下，需要測(cè)量通道尺寸、樓的高度、射擊通視距離等，這些需求在二維地圖下都無法完成。這就造成了在很多情況下無法獲取足夠的數(shù)據(jù)支持，影響公安干警執(zhí)行任務(wù)。

(3)缺乏環(huán)境數(shù)據(jù)，不能有效支持應(yīng)急指揮

傳統(tǒng)的二維電子地圖，不能提供預(yù)案制作和快速反應(yīng)所需的環(huán)境信息，如：建筑物的形態(tài)、橋梁高度等城市地形特征。嚴(yán)重影響了應(yīng)急指揮的工作效率，給公安應(yīng)急反應(yīng)帶來被動(dòng)。

4.2 利用實(shí)景影像的警用地理信息系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)

移動(dòng)道路測(cè)量系統(tǒng)采集的全景影像，包含大量地理的、環(huán)境的、社會(huì)的、經(jīng)濟(jì)的、人文的信息以及可供挖掘的知識(shí)，可以解決上述問題。

(1)數(shù)據(jù)量豐富

三維實(shí)景警用地理信息系統(tǒng)擁有可量測(cè)的街景影像庫(kù)，信息量是二維數(shù)據(jù)的十倍以上。

(2)可對(duì)任意目標(biāo)進(jìn)行標(biāo)注

可以根據(jù)警務(wù)工作需要，對(duì)影像上的任意目標(biāo)進(jìn)行量測(cè)，如樓高、樓與樓之間距離等。還可以對(duì)影像上的任意目標(biāo)進(jìn)行標(biāo)注，如標(biāo)注大樓的某一層某一戶，作為重點(diǎn)監(jiān)控對(duì)象。這些都是傳統(tǒng)二維警用地理信息系統(tǒng)不能實(shí)現(xiàn)的。

(3)實(shí)景影像數(shù)據(jù)獲取的成本低

三維警用地理信息系統(tǒng)在空間分析、可視化表達(dá)方面有著不可比擬的優(yōu)勢(shì)，但傳統(tǒng)的三維建模方法耗時(shí)、耗力，利用MMS采集的實(shí)景三維，不僅可視效果更逼真，而且大大節(jié)省了經(jīng)費(fèi)和人力。

4.3 花博會(huì)安保實(shí)例

第8屆中國(guó)花卉博覽會(huì)在常州武進(jìn)西太湖畔隆重開幕，本次花博會(huì)每天進(jìn)園參觀的人數(shù)達(dá)10萬(wàn)以上，為歷年規(guī)模最大、檔次最高、影響最廣的國(guó)家級(jí)花事盛會(huì)，這也給公安系統(tǒng)的安保工作提出了新的要求。本文借助移動(dòng)道路測(cè)量系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)，將實(shí)景影像運(yùn)用于警用地理信息系統(tǒng)，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)二維警用地理信息系統(tǒng)的不足。

本文在花博會(huì)開園前夕，用1天時(shí)間采集了整個(gè)園區(qū)的三維實(shí)景數(shù)據(jù)，內(nèi)業(yè)用了2天時(shí)間處理數(shù)據(jù)。通過發(fā)布服務(wù)的方式，接入到原有二維PGIS中，做到實(shí)景影像與矢量地圖和遙感影像同步聯(lián)動(dòng)展示。

公安內(nèi)部各級(jí)用戶在警用平臺(tái)上可以按固定路段、指定路段瀏覽影像，可以隨時(shí)進(jìn)行信息標(biāo)注，達(dá)到“可視化的目標(biāo)管理”水平。

圖2 三維實(shí)景警用地理信息系統(tǒng)

4.4 應(yīng)用效果分析

MMS系統(tǒng)生產(chǎn)的實(shí)景影像與PGIS平臺(tái)進(jìn)行無縫結(jié)合，可根據(jù)需要應(yīng)用于公安系統(tǒng)多個(gè)業(yè)務(wù)子系統(tǒng)中。

4.4.1 人口管理子系統(tǒng)

人、房屋、場(chǎng)所、建筑、案件是公安部門的工作對(duì)象，稱為公安五要素。依托PGIS平臺(tái)，將常住、暫住、寄住和境外居留人口等人口信息和重點(diǎn)人口信息疊加在實(shí)景影像地圖上，通過關(guān)聯(lián)人口居住環(huán)境的實(shí)景影像，全面直觀地掌握人員生活環(huán)境的真實(shí)信息，實(shí)現(xiàn)了“以房管人、以人查房”的可視化人口管理模式。定位到具體的門牌號(hào)，鏈接得到居民身份信息，實(shí)現(xiàn)人口信息、居住房屋、全景影像等信息的動(dòng)態(tài)管理，顯著提高了人口信息的管理效率，大幅減輕了民警排查流動(dòng)人員的工作量，提高了辦案效率。

圖3 人口管理子系統(tǒng)

4.4.2 警衛(wèi)安保子系統(tǒng)

以PGIS平臺(tái)為支撐，采用實(shí)景可視化手段，實(shí)現(xiàn)警衛(wèi)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)地理空間可視化表達(dá)。實(shí)景三維重大活動(dòng)警衛(wèi)安保系統(tǒng)可基于真實(shí)場(chǎng)景提供預(yù)案制作、協(xié)調(diào)指揮、警衛(wèi)情報(bào)信息自動(dòng)分析處理?？梢园迅鞣N警力部署、指揮調(diào)度、預(yù)案推演等管理方式以適當(dāng)?shù)男问街庇^地顯示在圖上，使指揮人員能夠統(tǒng)籌安排，提高決策效率。

在重大案件處置中(包括重大刑事案件、反恐等較重大的案件)，可以協(xié)助出警人員熟悉案發(fā)現(xiàn)場(chǎng)情況，設(shè)計(jì)救援路線、計(jì)算射擊通視距離等。幫助指揮人員充分觀察分析，迅速做出決策。

4.4.3 119火警子系統(tǒng)

在119火警子系統(tǒng)中，接警人員在出車前可以先根據(jù)實(shí)景影像量測(cè)通道距離，判斷消防車能否通過。定位到發(fā)生火情的大樓，量測(cè)其高度，判斷是派一般的消防車還是特種消防車。還可以確定救火路線，避免選擇錯(cuò)誤的道路而浪費(fèi)救緩時(shí)間。

4.4.4 120急救子系統(tǒng)

在120急救子系統(tǒng)中，目前的調(diào)度還存在很多不足，如調(diào)度員憑經(jīng)驗(yàn)選擇的調(diào)度方案往往不太合理，主觀因素大，效率低，沒有選擇車輛最佳的進(jìn)出路線。往往出現(xiàn)救護(hù)車進(jìn)入某小巷中后無法調(diào)頭出來等情況，耽誤了傷者救治時(shí)間。利用實(shí)景影像后，調(diào)度員可以先在系統(tǒng)中量測(cè)巷寬，科學(xué)高效地選擇救護(hù)車行進(jìn)路線。

5 結(jié)束語(yǔ)

移動(dòng)道路測(cè)量系統(tǒng)是目前測(cè)繪技術(shù)發(fā)展的新興產(chǎn)物，代表了當(dāng)今最尖端的測(cè)量技術(shù)。利用移動(dòng)道路測(cè)量系統(tǒng)可以快速、高效地采集道路及其附屬地物的空間信息和屬性信息，為警用地理信息系統(tǒng)提供可視、可讀、可寫、可畫、可量的三維實(shí)景影像，具有傳統(tǒng)二維系統(tǒng)不可比擬的優(yōu)勢(shì)。

除此之外，基于移動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)獲取的信息還能應(yīng)用于測(cè)繪、交通、鐵路、電力、電信、城市規(guī)劃等政府部門以及銀行、酒店、物流業(yè)等企業(yè)，為全社會(huì)、全體公民直接服務(wù)，從而達(dá)到做大信息化測(cè)繪的目標(biāo)。

參考文獻(xiàn)：

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