全景移動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)及其應(yīng)用前景展望

張智勇

(福建省制圖院，福建 福州 350003)

一、引 言

隨著地理信息社會(huì)化應(yīng)用的加快推進(jìn)，地理信息產(chǎn)業(yè)得到迅猛發(fā)展，地理信息獲取手段也得到快速提升，新技術(shù)、新裝備層出不窮，獲取的地理信息數(shù)據(jù)越來越豐富，數(shù)據(jù)量越來越大。當(dāng)前空間信息服務(wù)平臺(tái)主要依賴于傳統(tǒng)4D 產(chǎn)品，缺乏社會(huì)類要素，如地址編碼、興趣點(diǎn)(POI)信息、建筑物幾何信息和紋理信息、城市部件信息及詳細(xì)的城市環(huán)境信息等。隨著社會(huì)信息化進(jìn)程的加速，空間信息的完整性、準(zhǔn)確性和現(xiàn)勢(shì)性對(duì)空間信息服務(wù)的效用起著至關(guān)重要的作用。但是，面對(duì)海量數(shù)據(jù)和各行各業(yè)的迫切需求，我們又面臨著數(shù)據(jù)又多又少的矛盾局面：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(shí)地回答用戶提出的問題。出現(xiàn)這種矛盾的主要原因就在于傳統(tǒng)測(cè)繪成果主要提供給專業(yè)人員使用，而不是面向社會(huì)公眾，相關(guān)要素信息無法滿足大眾化需求，因此只能作為基礎(chǔ)地理框架數(shù)據(jù)，而難以滿足多元化、多樣化的地理信息社會(huì)需求。

為了解決這一矛盾，只有不斷豐富地理信息采集的對(duì)象和要素，不斷提高數(shù)據(jù)采集和加工處理的速度和效率。依靠傳統(tǒng)的采集方式，人工投入多、勞動(dòng)強(qiáng)度大、安全性低，而且作業(yè)效率低、生產(chǎn)周期長，質(zhì)量難以保證。因此，迫切需要更高效、更先進(jìn)的測(cè)繪裝備和技術(shù)手段來補(bǔ)充和提升；同時(shí)，Web 2.0要求為用戶提供的服務(wù)具備體驗(yàn)性、溝通性、差異性、創(chuàng)造性和關(guān)聯(lián)性，移動(dòng)測(cè)量技術(shù)是解決這個(gè)問題的有效手段之一，可以真實(shí)、高效、準(zhǔn)確、全面地獲取地表各類信息，并快速加工處理，形成多元化的產(chǎn)品，進(jìn)而滿足空間信息服務(wù)的大眾化需求。

二、 移動(dòng)測(cè)量技術(shù)

全景移動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)(MMS)是當(dāng)今測(cè)繪界最為前沿的技術(shù)之一，誕生于20世紀(jì)90年代初，其經(jīng)過3次大的飛躍，發(fā)展日趨成熟，集成了全球衛(wèi)星定位、慣性導(dǎo)航、圖像處理、地理信息及集成控制等技術(shù)，通過采集空間信息和實(shí)景影像，由衛(wèi)星及慣性定位確定實(shí)景影像的位置姿態(tài)等測(cè)量參數(shù)，能在高速行駛或航行狀態(tài)下快速獲取地物的表面點(diǎn)云和影像數(shù)據(jù)，具有機(jī)動(dòng)靈活、周期短、精度高、分辨率高等特點(diǎn)，可實(shí)時(shí)高效地采集多源三維空間數(shù)據(jù)。

1. 系統(tǒng)構(gòu)成及主要功能

全景移動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)一般包含以下5個(gè)分系統(tǒng)(如圖1所示)，由機(jī)械結(jié)構(gòu)平臺(tái)及其聯(lián)接結(jié)構(gòu)組成：

1) 導(dǎo)航定位子系統(tǒng)：由POS(position orientation system)設(shè)備與相應(yīng)的數(shù)據(jù)采集軟件組成。POS設(shè)備由GPS、慣性導(dǎo)航IMU、里程計(jì)DMI等傳感器與數(shù)據(jù)處理電路，以及軟件組成，可實(shí)時(shí)記錄傳感器的信號(hào)，為系統(tǒng)提供位置與方向信息。

2) 360°全景相機(jī)子系統(tǒng)：由全景相機(jī)與相應(yīng)的數(shù)據(jù)采集軟件組成的360°全方位全景影像采集與處理系統(tǒng)。

3) 三維激光掃描儀子系統(tǒng)：由1～3臺(tái)剖面激光掃描測(cè)量儀與相應(yīng)的數(shù)據(jù)采集軟件組成，為系統(tǒng)提供可量測(cè)的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)。

4) 控制子系統(tǒng)：由計(jì)算機(jī)、同步控制器與電源組成。

5) 處理與應(yīng)用系統(tǒng)：主要由軟件組成，為系統(tǒng)提供內(nèi)、外方位參數(shù)檢校，多源數(shù)據(jù)地理參考，多源數(shù)據(jù)處理和應(yīng)用等服務(wù)。

圖1 系統(tǒng)構(gòu)成示意圖

2. 數(shù)據(jù)處理基本流程

全景移動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)是在一定的載體上，快速采集道路及兩旁地物的空間位置數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)，并同步存儲(chǔ)到車載計(jì)算機(jī)中，經(jīng)專門軟件的編輯處理，形成各種有用的專題數(shù)據(jù)成果。圖2為全景移動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理基本流程。

圖2 全景移動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理基本流程

三、對(duì)比及應(yīng)用前景展望

1. 與傳統(tǒng)基礎(chǔ)測(cè)繪手段的對(duì)比

目前, 基礎(chǔ)測(cè)繪中DLG數(shù)據(jù)的主要更新方式是：在原有地形圖、航攝相片或衛(wèi)星影像的基礎(chǔ)上,通過內(nèi)業(yè)解譯判讀后，經(jīng)過大量的人工調(diào)繪來采集所需信息, 然后將這些數(shù)據(jù)信息疊加到底圖上,再按照一定的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行加工成圖。全景移動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)則是通過汽車、摩托車等載體，快速采集空間坐標(biāo)、點(diǎn)云數(shù)據(jù)及連續(xù)的三維圖像等。二者對(duì)比情況見表1。

表1 傳統(tǒng)基礎(chǔ)測(cè)繪與全景移動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)的對(duì)比

2. 與現(xiàn)有地圖產(chǎn)品的對(duì)比

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、大容量存儲(chǔ)技術(shù)等的飛速發(fā)展，現(xiàn)有的計(jì)算機(jī)硬件、網(wǎng)絡(luò)環(huán)境已經(jīng)足以支持海量實(shí)景影像數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、顯示與傳輸，由全景移動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)采集的實(shí)景數(shù)據(jù)的應(yīng)用使得GIS走向了實(shí)景三維。在內(nèi)容上不但彌補(bǔ)了二維GIS缺乏立面信息、不直觀、不詳細(xì)等缺陷，與現(xiàn)實(shí)的世界完全重合，而且通過影像標(biāo)注鏈接，可以關(guān)聯(lián)更多的業(yè)務(wù)信息，使得用戶在使用時(shí)更直觀、更方便；同時(shí)，GIS虛擬三維模型在制作過程中，不得不去掉大量的社會(huì)環(huán)境因素，其模型紋理最多只能保證20%的真實(shí)性，并且由于對(duì)象的空間位置尺寸獲取過程中有人為誤差存在，不能保證與現(xiàn)實(shí)世界完全吻合。表2為基于全景移動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)構(gòu)建的實(shí)景地圖與二維地圖、虛擬三維地圖的對(duì)比。

3. 應(yīng)用前景

現(xiàn)代信息技術(shù)、計(jì)算機(jī)網(wǎng)格技術(shù)和數(shù)據(jù)庫技術(shù)的發(fā)展，使得由全景移動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)采集的海量DMI數(shù)據(jù)可以與傳統(tǒng)的4D產(chǎn)品進(jìn)行一體化無縫集成、融合、管理和共享，形成更為全面的、現(xiàn)勢(shì)性強(qiáng)的、可視化并聚焦服務(wù)的5D基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)庫。基于這樣的空間數(shù)據(jù)庫，可以將移動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)沿地面街道獲取的DMI數(shù)據(jù)與由航攝相片/衛(wèi)星影像加工的DOM、DLG及DEM產(chǎn)品按統(tǒng)一的坐標(biāo)框架有機(jī)結(jié)合起來，從而構(gòu)成一個(gè)從宏觀到微觀完全可視化的地理信息數(shù)據(jù)庫，可實(shí)現(xiàn)空中飛行鳥瞰和街頭漫步徜徉；同時(shí)，用戶可以在圖像上對(duì)地物進(jìn)行任意標(biāo)注，并將其鏈接到人口數(shù)據(jù)庫、經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)庫、設(shè)備數(shù)據(jù)庫、設(shè)施數(shù)據(jù)庫等其他專業(yè)數(shù)據(jù)庫中，真正實(shí)現(xiàn)地理信息、專業(yè)臺(tái)賬信息和圖片/影像信息的有機(jī)結(jié)合，更好地發(fā)揮空間信息服務(wù)的使用功效。表3為實(shí)景三維應(yīng)用前景。

表2 3種地圖產(chǎn)品的對(duì)比

表3 實(shí)景三維應(yīng)用前景

四、改進(jìn)建議

目前，國內(nèi)外已先后推出很多移動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)，如Optech公司的LYNX、RIEGL公司全新一代的VMX-250、拓普康公司的Topcon IP-S2、天寶公司的MX8、IGI公司的StreetMapper、Google的街景車等。在國內(nèi)，武漢大學(xué)、立得公司、首都師范大學(xué)、山東科技大學(xué)、中國測(cè)繪科學(xué)研究院、中科院深圳研究院也相繼推出了車載移動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)。但從國內(nèi)幾家單位的使用情況來看，還存在著許多不足的地方，建議在以下方面能夠進(jìn)一步提高。

1) 硬件高度集成化。通過對(duì)硬件系統(tǒng)的高度集成，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性、安全性，同時(shí)盡可能縮小體積、減輕重量，以便于安裝、使用、攜帶和保管。

2) 系統(tǒng)組裝模塊化。使用標(biāo)準(zhǔn)化接口，方便相機(jī)、激光掃描頭、移動(dòng)硬盤等選擇更換和存儲(chǔ)卡拔插，實(shí)現(xiàn)快速裝卸，并改進(jìn)減震系統(tǒng)，數(shù)據(jù)傳輸可考慮采用藍(lán)牙或WiFi。

3) 配套軟件智能化?，F(xiàn)有軟件在時(shí)間序列與影像序列容易造成丟幀及多幀問題的出現(xiàn)，經(jīng)常導(dǎo)致點(diǎn)云數(shù)據(jù)與影像數(shù)據(jù)無法融合等問題，因此，對(duì)于數(shù)據(jù)采集及后處理軟件，點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理、點(diǎn)云自動(dòng)提取及分類、三維建模效率都有待進(jìn)一步提高。

4) 數(shù)據(jù)壓縮及云存儲(chǔ)?，F(xiàn)有移動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)量都是TB級(jí)別的，如何有效地利用云存儲(chǔ)技術(shù)，提取特征點(diǎn)并壓縮數(shù)據(jù)量，用于發(fā)布瀏覽海量的影像數(shù)據(jù)，在技術(shù)層面需要進(jìn)一步加強(qiáng)。

5) 使用載體多元化?？筛鶕?jù)需要，在不同的載體(汽車、艦船、火車、摩托車和單人肩扛式等)上使用安裝全景移動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)，積極拓展在水面、設(shè)施內(nèi)部等的使用范圍。

五、結(jié)束語

目前，由全景移動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)獲得的連續(xù)的街景影像，已發(fā)布在國內(nèi)主流地圖網(wǎng)站上(騰訊地圖、百度地圖等)，讓用戶能“足不出戶，一覽無遺”。基于移動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)的空間信息服務(wù)代表了下一代空間數(shù)據(jù)服務(wù)的一個(gè)新的方向，并與空間信息網(wǎng)格服務(wù)，空間信息自動(dòng)化、智能化、實(shí)時(shí)化服務(wù)有機(jī)結(jié)合，實(shí)現(xiàn)空間信息大眾化，可為全社會(huì)大眾提供直接服務(wù)，其應(yīng)用前景將更加廣闊。

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