測繪裝備發(fā)展的新趨勢

doi:10.3969/j.issn.1000-3177.2015.01.001

測繪裝備發(fā)展的新趨勢

劉先林

(中國測繪科學研究院)

近年來，我國測繪地理信息產(chǎn)業(yè)發(fā)展環(huán)境良好，技術(shù)突飛猛進，規(guī)模持續(xù)增長，服務日益拓展，結(jié)構(gòu)不斷優(yōu)化。在短短的二三十年間經(jīng)歷了快速發(fā)展，從僅生產(chǎn)國家基本比例尺地形圖的紙質(zhì)模擬地圖時代，發(fā)展到測繪信息化時代，建立了多尺度國家基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)庫。今天，我們面臨著智能測繪的新時代，即建立全國地理國情監(jiān)測體系，輔助政府行政決策，支撐城市智能化管理。

社會信息化過程推動地理信息“生態(tài)”的演進

伴隨著社會經(jīng)濟的信息化發(fā)展，用戶對地理信息服務提出了更新更高的要求：更逼真，用戶追求更接近實景效果的導航地圖服務；更精細，對精度要求更高，以往分辨率1m就可稱之為高分辨了，現(xiàn)在要提高到1cm，甚至1mm(才能看清井蓋上的字)，測量精度要求更高；更廣泛，由室外、地表測量延伸到室內(nèi)、地下測量；更實時，通過“四維”采集實現(xiàn)快速采集與實時監(jiān)測。

地理信息服務對象也逐步拓展。傳統(tǒng)意義上的地理信息行業(yè)的工作大多以專業(yè)的測繪工程為主，技術(shù)門檻很高，無論是航天和地面測繪，均由專業(yè)的設(shè)備和工作人員來完成，主要是為政府科學決策、實施重大戰(zhàn)略、促進區(qū)域協(xié)調(diào)發(fā)展等提供測繪地理信息服務保障。現(xiàn)在，地理信息已得到民眾的廣泛應用，成為人民群眾日常生活中不可或缺的關(guān)鍵信息。電子商務也介入地理信息產(chǎn)業(yè)，對行業(yè)產(chǎn)生很大的沖擊，這是網(wǎng)絡(luò)經(jīng)濟時代的重大事件。當然，地理信息行業(yè)還是會繼續(xù)存在，但是專業(yè)測繪地理信息行業(yè)提供的面向大眾服務和大眾廣泛參與的所謂“泛在測繪”兩個領(lǐng)域會首先被網(wǎng)商巨頭迅速侵占。

信息空間化是互連互通的基礎(chǔ)。過去的地理信息數(shù)據(jù)都是記錄在紙上，裝訂在記錄本里，存放在檔案室。只有將所有的數(shù)據(jù)進行信息化，才能實現(xiàn)互聯(lián)互通，從而進一步實現(xiàn)智能化，而信息化的過程主要就是空間化，這也是地理信息行業(yè)的工作任務。

對地理信息技術(shù)領(lǐng)域而言大數(shù)據(jù)本質(zhì)上需要的是結(jié)構(gòu)化的地理信息。而測繪行業(yè)幾十年來都在以純手工方式處理大數(shù)據(jù)。傳統(tǒng)的衛(wèi)星影像、航攝影像、全景照片、機載點云、車載點云，甚至街景工廠所生產(chǎn)的三維模型都是典型的無結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)，很難進行檢索，更不用說產(chǎn)生知識。只有結(jié)構(gòu)化的數(shù)據(jù)，才能進行統(tǒng)計分析產(chǎn)生知識。

測繪生產(chǎn)過程實際上是一個結(jié)構(gòu)化的過程。結(jié)構(gòu)化包含了五點內(nèi)容：將點云或者像元抽象為點、線、面；分層分類；對象化、實體化，對后端用戶提供開放性數(shù)據(jù)接口，便于在此基礎(chǔ)上開發(fā)統(tǒng)計分析和知識生產(chǎn)軟件；提供可交互的工具。

測繪地理信息成果形式的新變化

近年來地理信息成果的形式也發(fā)生了新變化?？偟膩砜矗晒问綄亩S的形式發(fā)展成為三維的形式。因為三維涵蓋了二維，二維不能涵蓋三維。完整的三維模型可以生產(chǎn)DEM，也可以生產(chǎn)DOM，甚至于DLG等。大部分的數(shù)據(jù)成果都是可以通過三維模型轉(zhuǎn)換得到，所以成果形式由二維向三維的轉(zhuǎn)變將是最重要的發(fā)展。

由于以前數(shù)據(jù)采集裝備和數(shù)字化的技術(shù)比較落后，導致傳統(tǒng)的城市三維只能實現(xiàn)小范圍的應用示范。所謂的三維城市也是無結(jié)構(gòu)的，雖然也分為房屋、道路、水系、路面四層，但滿足不了應用需求，所以提出城市全要素三維模型，即以三維模型的方式，逼真、精確地反映地表的所有實體。城市全要素三維模型會把地表所有的地物分層，目前我們分層已達到五十種，隨著技術(shù)的進步還會更多。城市全要素三維模型將可以轉(zhuǎn)換為城市1∶500地形圖。目前來看，傳統(tǒng)的城市三維會被城市全要素三維模型取代，這將是建設(shè)智慧城市的地理空間數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

城市全要素三維模型不是只能觀看，而是結(jié)構(gòu)化的三維模型。結(jié)構(gòu)化的三維模型指的是：①實體模型是分層分類的；②管理到實體的：每一類中的實體模型對應一個全國唯一的辨認碼和唯一的幾何屬性表、人文屬性表；③每個實體都有以三維矢量描述的結(jié)構(gòu)線。過去測繪行業(yè)的一大失誤就是沒有對分層后下面的實體對象進行管理，導致了水利、公安等部門拿到的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)不可用，不得不花經(jīng)費去重做。實體沒有比例尺和圖幅概念，只要給實體賦上幾何屬性、人文屬性，就會為后端的應用提供便利，所以實體化勢在必行。

近年來，導航地圖逐步向精度更高、要素增加、提供自動駕駛和增強現(xiàn)實導航系統(tǒng)服務的方向發(fā)展，進而導航公司對地理信息數(shù)據(jù)采集也提出了新的要求，對采集的分道線進行矢量化，將樹、隔離帶、交通牌、紅綠燈等地物單獨提取并分層分類顯示。

街景也在由一代街景向二代街景過渡。目前市面上出現(xiàn)的大多街景為“地理參考全景影像”，統(tǒng)稱為一代街景，我們稱模型街景為二代街景。一代街景沒有分層分類，沒有結(jié)構(gòu)，對于歷史變遷和第三方數(shù)據(jù)疊加是無法實現(xiàn)的，更不可能進行統(tǒng)計分析。二代街景比一代街景更便于產(chǎn)生監(jiān)測成果和各類統(tǒng)計分析報表，用不同時期的模型相互疊加并相減，可以發(fā)現(xiàn)變化，產(chǎn)生監(jiān)測成果和各類統(tǒng)計分析報表。例如違章建筑(加蓋房子和加蓋樓層)。二代街景比一代街景更便于讓志愿者上網(wǎng)更新紋理。移動測量系統(tǒng)的街景采集會產(chǎn)生大量的隱蔽地區(qū)，解決這個問題最有效的辦法是發(fā)動群眾，用手機拍照，然后在網(wǎng)上調(diào)出該隱蔽地區(qū)的模型并進行現(xiàn)勢的紋理粘貼，獲取積分獎勵。

滿足城市全要素三維模型數(shù)據(jù)采集裝備(軟硬件)的發(fā)展趨勢預測

這二三十年以來，地理信息行業(yè)在裝備的軟硬件上面有很大的變化。首先是定位，從最初測角、測距發(fā)展到現(xiàn)在的增強定位；測量方式從以二維間接測量為基礎(chǔ)的三維重建變成三維直接測量為基礎(chǔ)的模型重構(gòu)；探測方式從被動變成被動加主動；傳感器數(shù)量從單一傳感到組合傳感器集成，發(fā)展到傳感器網(wǎng)絡(luò)；探測距離，精度要求越來越高，從衛(wèi)星遙感600km到沉浸式無接觸探測；分辨率、視場角也發(fā)生變革；從管理到圖層到管理到實體。傳統(tǒng)的地理信息系統(tǒng)，特別是從制圖系統(tǒng)過渡來的地理信息系統(tǒng)都有按圖層打開加載的功能，卻沒有按實體辨認碼加載的功能，目前的三維地理信息系統(tǒng)大部分都是三維可視化系統(tǒng)，稱不上是真正的3D GIS，充其量就是與二維GIS進行聯(lián)動，真正意義上的3D GIS需要有三維矢量、三維拓撲、三維分析和實體屬性管理的功能。

軟件功能的提升主要體現(xiàn)在智能化后處理。智能化后處理的關(guān)鍵是自動化提取，而自動化提取要突出一個“多”字：多重、多元，只靠多光譜成像不行，激光掃描儀、SAR、紅外都要用到；多維，用SGM做的高密度的航片點云，這些點云非?？煽?，而且都是三維的，在三維基礎(chǔ)上再來做分類提取，成功的希望就大多了；過去多時相的采集，主要是用來監(jiān)測，其實同時也有利于自動提取，比如可以利用植物不同生長時期光譜的不同來判讀，做自動提取。

無人機正在快速地侵占有人機航拍市場，將來還會更大范圍地侵占有人機的市場?？梢蚤_發(fā)1+N的組網(wǎng)飛行，一次由多架飛機同時飛行。過去的無人機主要是回收型，今后要發(fā)展成為傳輸型。無人機搭載的相機也需要改進，目前可以滿足于應急監(jiān)測等較低精度需求，要滿足測繪的高精度要求，飛行前需通過檢校、振動、再檢校兩次結(jié)果一致才能上天。再就是快門，要由簾幕快門變成中心快門，或者電子快門，才能滿足測繪精度要求。

從無人機發(fā)展來看，旋翼機發(fā)展會比較好，增強飛機穩(wěn)定性、安全性、自動緊急無傷害迫降。增加續(xù)航時間，高效燃料電池，高效燃料電池會把旋翼機推向一個新的高度?；诔鞘腥S模型的精確城市穿行三維導航，可以實現(xiàn)城市里無人物流配送。未來的發(fā)展還包括：基于微型的組合相機、高精度微機械陀螺的引進和使用。

室內(nèi)建模采集裝備的發(fā)展趨勢，應發(fā)展室內(nèi)定位技術(shù)和室內(nèi)建模技術(shù)，應用現(xiàn)有的激光掃描儀和相機。利用已知條件的“缺維”測量，在單張照片的透視原理基礎(chǔ)上，用缺維就可以實現(xiàn)定位。在隧道里面因為沒有GPS信號，用一張照片，在已有數(shù)據(jù)的支持下，就能夠把自己定位得很精確，所以缺維的定位是需要研究的。

目前基于手機或Pad的GIS移動終端非常流行，基于手機的泛在測繪也相當成熟。未來發(fā)展可能包括：顯示透視立體、凝視真立體，多模測量型GNSS、微機械IMU，云支持的興趣點采集和街景遮擋的補救；用二維碼訂制的GIS服務都是熱點技術(shù)。

國產(chǎn)裝備亟待政策扶持

我國幅員遼闊，地理信息數(shù)據(jù)采集復雜且工程浩大，堅持發(fā)展自主裝備研發(fā)團隊是保證產(chǎn)業(yè)持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵舉措。目前我們國產(chǎn)裝備在推廣過程中，的確遇到一些困難。

我們要建設(shè)創(chuàng)新型國家，如果盲目崇拜外國設(shè)備，不敢大膽采用國產(chǎn)設(shè)備，是我國創(chuàng)新力不足的原因之一。為響應建設(shè)創(chuàng)新型國家的號召，請支持國產(chǎn)設(shè)備。

(根據(jù)中國測繪地理信息學會2014年會上發(fā)言整理)

收稿日期：2013-12-31修訂日期：2014-04-09

基金項目：國家重點基礎(chǔ)研究發(fā)展計劃資助(2013CB733406)；國家自然科學基金資助(41030534)；青年科學基金資助(41301356)；中央高?；究蒲袠I(yè)務費專項資金資助(2013YB09)。

作者簡介：劉軍(1987～)，男，碩士，研究方向為微波遙感、土壤介電常數(shù)。

E-mail：liujun198707@126.com