增強現(xiàn)實三維建模在警用地理信息平臺的應用

唐恬+趙國民

摘 要： 公安警務空間地理信息基礎(chǔ)平臺的發(fā)展建設(shè)，已經(jīng)歷傳統(tǒng)地圖、二維GIS、三維仿真+部分貼圖場景、實景三維四個階段的發(fā)展，目前以增強現(xiàn)實CIM系統(tǒng)為代表的全面地理信息空間數(shù)據(jù)和技術(shù)集成已實現(xiàn)技術(shù)突破和應用示范。地空一體化、室內(nèi)外一體化、宏觀場景與單個實體一體化、影像與模型一體化、外在表現(xiàn)與內(nèi)在屬性一體化的多源全信息技術(shù)集成，將助推整個公安信息化建設(shè)進入全新的數(shù)字化、大聯(lián)動、全共享和深應用時代，惠及智慧城市建設(shè)的各個方面。

關(guān)鍵詞： 空間地理信息集成； 增強現(xiàn)實CIM； 實景三維； 警用地理信息平臺

中圖分類號：TP79 文獻標志碼：A 文章編號：1006-8228（2017）07-42-05

Application of augmented reality 3D-modeling in police geographic information system

Tang Tian1， Zhao Guoming2

（1. Shangcheng Public Security Sub-bureau of Hangzhou City， Hangzhou， Zhejiang 310009， China； 2. GCOM Technologies Inc）

Abstract： The development of the public security police geographic information platform has experienced four stages， the traditional maps， 2D GIS， 3D simulation with partial mapping scene and 3D real scene maps. The comprehensive geographic information and spatial data integration technology represented by AR-CIM （Augmented Reality and City Information Intelligent Modeling） has realized the technical breakthrough and application demonstration. The multi-source and perfect information integration， which integrates the ground and air， the indoor and outdoor， the macro scenes and individual entities， the images and models， and the outward manifestation and intrinsic attributes， will boost the public security informationization into a new era with complete digitization， high correlation， more efficient sharing and application deepening， which benefits the vast field of the smart city construction.

Key words： integration of geospatial information and spatial data； AR-CIM（Augmented Reality and City Information Intelligent Modeling）； real 3D； PGIS（Police Geographic Information System）

0 引言

警務平臺目前在二維GIS上應用漸趨成熟，而三維應用尚處于起步階段。在二三維一體化集成應用以及針對特定業(yè)務（如實現(xiàn)人口信息查詢、警務模擬飛行等）提供相應的分析和決策支持模塊方面，還有待進一步發(fā)展與提高。傾斜攝影測量和實景三維建模技術(shù)的發(fā)展，為打造先進的實景三維警用地理信息平臺提供了新思路、新可能，運用和集成實景三維，以及街景、BIM技術(shù)等多樣化的空間模擬技術(shù)，探索警衛(wèi)實戰(zhàn)新模式，在基層應用上加以推廣，是未來警用地理信息平臺的發(fā)展趨勢。

如何充分發(fā)揮三維警務平臺的作用，使其真實反映城市場景，并集成多源多類信息數(shù)據(jù)，實現(xiàn)特色化功能應用，讓系統(tǒng)特別適用于公安干警使用，并體現(xiàn)其在基層基礎(chǔ)工作和應急指揮決策等方面的優(yōu)勢，還需深挖創(chuàng)新可能性。本文就此問題展開討論，并借助上城區(qū)的實踐案例探索新的建設(shè)思路。

1 基于空間地理信息基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的警用平臺建設(shè)歷程和發(fā)展方向

縱觀警用地理信息平臺的建設(shè)歷程，公安機關(guān)打擊犯罪、維護治安和服務管理社會的工作職責，以及協(xié)同作戰(zhàn)、快速反應的工作要求，決定了其對地理信息技術(shù)發(fā)展的依賴性[1]。空間地理信息基礎(chǔ)數(shù)據(jù)是地理信息系統(tǒng)關(guān)注的核心內(nèi)容，是其他統(tǒng)計信息和專題信息的空間載體，是其他各類信息系統(tǒng)建設(shè)的空間定位框架，是國家經(jīng)濟和社會信息化的基礎(chǔ)。

警用地理信息平臺的建設(shè)是智慧城市建設(shè)的重要部分，需要高效真實的地理空間外貌全信息，盡可能多的承載客觀世界信息，無限真實地模擬客觀世界。實景三維模型實現(xiàn)了這一基礎(chǔ)需求，在此基礎(chǔ)上進行準確的空間編碼和數(shù)據(jù)映射，從而滿足多尺度和多樣化的應用需求。其技術(shù)路線經(jīng)歷了從傳統(tǒng)地圖→二維GIS→三維仿真+部分貼圖場景→實景三維四個階段的發(fā)展。

1.1 二維GIS——警務工作信息化的開端

上世紀90年代以來，GIS技術(shù)的發(fā)展以其強大的二維空間分析能力，促進了二維警用地理信息平臺建設(shè)浪潮興起，也顛覆了傳統(tǒng)的人工熟悉地理環(huán)境或依靠普通地圖指揮作戰(zhàn)的模式。各級公安機關(guān)在指揮中心、交管、消防的業(yè)務管理中逐步應用地理信息技術(shù)，建立了一些以GPS監(jiān)控和指揮調(diào)度業(yè)務為主的電子地圖系統(tǒng)，并不斷進行警用地理信息全局共享、警用地理信息全局復用、警用地理信息基礎(chǔ)平臺建設(shè)方面的有益探索[1]，至今，二維警用地理信息平臺已經(jīng)比較成熟。

1.2 仿真三維——可視化的突破性發(fā)展

由于二維GIS是將三維的空間信息映射為二維的平面信息，這不可避免的在表現(xiàn)方法上過于抽象，在三維定位及信息展現(xiàn)的直觀性方面存在著局限性[2]，很難表現(xiàn)人文、環(huán)境、資源等信息，對使用者來講缺乏臨場感，不符合人們的真實視覺習慣。公安部門承擔著公共安全管理和應急指揮的重任，需要以詳細、準確的警用地理信息作為業(yè)務支撐，以一種更豐富的地理信息數(shù)據(jù)源和更好的視覺工具，來傳遞更為真實的信息，從而更好地發(fā)揮警用地理信息的核心決策支持能力。

隨著三維可視化技術(shù)在公安方面的應用越來越受到重視，3D PGIS的建設(shè)應運而生，多地公安部門完成了對二維警用平臺的升級改造。然而，此“三維”非“真三維”，而是“三維仿真”。該階段以“二三維一體化”為特點的警務平臺，其實是建立在數(shù)字高程模型（DEM）和建筑人工建模、采樣紋理、樣本化貼圖（見圖1）的“數(shù)字城市”建模技術(shù)基礎(chǔ)上的仿真三維可視化平臺。能夠承載較大規(guī)模模型數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)軟件平臺，如武漢中地（MAPGIS系列）、北京超圖（SuperMap系列）等的相繼涌現(xiàn)，支撐了這些仿真三維地理信息平臺的建設(shè)。相關(guān)成果中，上海市警用三維GIS系統(tǒng)是較為完善的代表，在三維平臺上實現(xiàn)了公安信息查詢、最短路徑飛行、視頻監(jiān)控和房屋信息查詢等警用業(yè)務功能[2，6，7]。

1.3 實景三維——真實再現(xiàn)城市外部空間

隨著智慧城市大數(shù)據(jù)技術(shù)和物聯(lián)網(wǎng)建設(shè)日新月異，傳統(tǒng)數(shù)字城市建模以仿真手段映射真實空間的局限性逐漸顯現(xiàn)，其不能滿足公安、城管、規(guī)劃、園林等城市各個管理部門需要真實模擬客觀世界、真實反映城市現(xiàn)狀的“全信息”城市模型的要求。

國際測繪遙感領(lǐng)域近年發(fā)展起來的一項高新技術(shù)——傾斜攝影技術(shù)，和基于此項技術(shù)的實景三維建模技術(shù)的出現(xiàn)，為地理信息平臺建設(shè)再次的顛覆性發(fā)展預備了可能?；趦A斜攝影測量技術(shù)的實景三維建模，是一項高效真實獲取地理空間外貌全信息的新技術(shù)，將用戶引入了符合人眼視覺的真實直觀世界。相對于傳統(tǒng)的航空攝影測量工作，實景三維建模最大的難點不在于反向幾何構(gòu)建或自動紋理匹配，而在于海量影像的空三解算，對于無論是生產(chǎn)工藝還是生產(chǎn)組織，都提出了創(chuàng)新的要求。

承載二三維海量數(shù)據(jù)、能滿足各業(yè)務功能系統(tǒng)開發(fā)的基礎(chǔ)平臺也隨之誕生發(fā)展，以科瀾、偉景行（CityMaker）、超圖（SuperMap）、SmartEarth四大平臺為代表。目前，實景三維警用地理信息系統(tǒng)已成功地應用于奧運會安保及濰坊市、武漢市公安局等多地區(qū)的警用地理信息系統(tǒng)中，也寫入了公安部頒發(fā)的《全國警用地理信息基礎(chǔ)平臺總體建設(shè)方案》，代表著PGIS領(lǐng)域的一個發(fā)展方向[3-5]。

基于實景三維模型的三維警用地理信息平臺的建設(shè)尚處于起步階段，在保持海量三維數(shù)據(jù)的瀏覽流暢，把現(xiàn)有公安二維系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)整合到三維模型上，將現(xiàn)有二維警用地理信息系統(tǒng)集成到三維警用地理信息平臺中，以及針對特定業(yè)務提供相應的分析和決策支持模塊方面還有待進一步的發(fā)展與提高。

2 增強現(xiàn)實CIM系統(tǒng)——智慧城市空間地理信息集成的概念落地和應用示范

隨著技術(shù)探索和進步，未來的三維平臺將徹底擯棄傳統(tǒng)數(shù)字城市手工建模的生產(chǎn)方式，實現(xiàn)高精度大范圍的實景三維建模，并進一步集成BIM模型和街景建模技術(shù)和二三維GIS發(fā)展新成果，實現(xiàn)警用平臺的跨越式發(fā)展。本文以此為導向，提出了增強現(xiàn)實三維建模的設(shè)想，旨在打造以公安警用平臺為示范的可以面向智慧城市多方應用全面推廣的增強現(xiàn)實CIM系統(tǒng)。

增強現(xiàn)實三維建模，采用空地結(jié)合、多分辨率影像精細融合的海量影像獲取模式，從數(shù)據(jù)采集、加工到生產(chǎn)實現(xiàn)多源全信息技術(shù)集成。通過POS輔助、DSM引導、抗變形矩不變特征匹配等，構(gòu)建多源影像嚴格成像模型，無縫集成多種傳感器，建立增強現(xiàn)實三維場景，最終配合采用三維空間編碼技術(shù)、空間聚合和多源多向校檢匹配算法，實現(xiàn)公安流口、?？凇⒌孛刂返刃畔⒌目焖僮詣踊ヅ浜涂臻g化，實現(xiàn)三維分析功能。

2.1 總體技術(shù)路線——增強現(xiàn)實 CIM系統(tǒng)的創(chuàng)建

八部委聯(lián)合出臺的《關(guān)于促進智慧城市健康發(fā)展指導意見》中，將空間地理信息集成作為智慧城市四大關(guān)鍵技術(shù)之一，以期新一代信息技術(shù)的發(fā)展能促進城市規(guī)劃、建設(shè)、管理和服務的智慧化。增強現(xiàn)實CIM體系，結(jié)合了實景三維、BIM、GIS、遙感、虛擬現(xiàn)實、增強現(xiàn)實等多項空間技術(shù)手段，是城市空間信息和實體信息的高度集成和真實再現(xiàn)，是新型智慧城市的地理空間信息平臺和大數(shù)據(jù)集成中心。如圖2所示。

首先，基于手工建模的傳統(tǒng)數(shù)字城市建設(shè)模式是采用樣本化的城市外貌模擬，無法真實的表現(xiàn)客觀世界，同時缺少建筑內(nèi)部空間及空間內(nèi)事物的表達與聯(lián)系。實景三維技術(shù)的出現(xiàn)，顛覆了這一“偽三維仿真”的模式，采取實景建模+BIM聯(lián)合的解決方案，更是將空間場景滲透至室內(nèi)外一體。

其次，實景三維技術(shù)由于航空攝影的局限性，近地面影像缺失，使得實景三維難以實現(xiàn)近地面精細化模型構(gòu)建。常規(guī)的近地面街景集成技術(shù)，僅僅是從二三維場景切換至街景影像畫面的方式，影像空間定位關(guān)系不具備嚴密的數(shù)學基礎(chǔ)，無法與實景三維模型空間進行準確的空間匹配，也無法與GIS數(shù)據(jù)源無縫對接。因此，結(jié)合近地面移動測量技術(shù)，采集近地面全景影像和雷達點云，實現(xiàn)地空聯(lián)合三維建模，使全景影像與三維模型精確疊加，有效地彌補航空影像對于地面信息的缺失問題；再通過與BIM建筑信息模型的結(jié)合，得到虛擬現(xiàn)實CIM場景。

進而，由于CIM虛擬現(xiàn)實僅僅是對客觀現(xiàn)實世界外在表現(xiàn)的全要素數(shù)字構(gòu)建，要進一步辨識客觀現(xiàn)實世界中的每一個物體，則需要在CIM虛擬現(xiàn)實場景中建立物體個體空間與個體屬性信息的映射匹配。通過創(chuàng)建可視化的交互手段，集成融合GIS數(shù)據(jù)圖層，將二維數(shù)據(jù)三維實體化，與CIM虛擬現(xiàn)實場景進行空間位置的高精度配準和屬性信息匹配，實現(xiàn)影像、場景、模型與矢量地圖、屬性數(shù)據(jù)等多源多類數(shù)據(jù)的融合，實現(xiàn)從虛擬現(xiàn)實（VR）到增強現(xiàn)實（AR）的升華，即增強現(xiàn)實CIM。

因此，增強現(xiàn)實CIM系統(tǒng)，真正實現(xiàn)了地空一體化、室內(nèi)外一體化、宏觀場景與單個實體一體化、影像與模型一體化、外在表現(xiàn)與內(nèi)在屬性一體化的多源全信息技術(shù)集成。

2.2 增強現(xiàn)實CIM系統(tǒng)的應用實現(xiàn)

以本市上城區(qū)保障G20安保工作的開展和信息化建設(shè)的探索，實現(xiàn)了增強現(xiàn)實CIM系統(tǒng)的概念落地，帶來對智慧城市建設(shè)發(fā)展和大數(shù)據(jù)資源共享的展望。通過先進合理的技術(shù)架構(gòu)，借助多源多類大數(shù)據(jù)支撐，實現(xiàn)大面積實景三維、重點建筑BIM、街景聯(lián)合建模，并與GIS技術(shù)集成聯(lián)合應用，構(gòu)建增強現(xiàn)實三維空間場景，完成一致全局定位、地空一體化、對接接口和標準等技術(shù)突破，從而滿足警衛(wèi)安保、反恐、指揮調(diào)度、基層基礎(chǔ)等多層次公安實際應用，借助科技強警，服務警衛(wèi)實戰(zhàn)。應用方向如圖3所示，項目成果展現(xiàn)出“快速、可視、全面、省力”四大優(yōu)勢，具有顯著的社會效益和應用推廣價值。

隨著三維技術(shù)的不斷普及和高尖端應用，可以預見三維警用地理信息系統(tǒng)的外沿和內(nèi)涵都將會不斷擴充，必將在提升警方的快速反應能力、加大警務決策支持力度方面發(fā)揮重要作用，整個公安信息化也必將進入全新的數(shù)字化、大聯(lián)動、全共享和深應用時代。

2.2.1 數(shù)據(jù)展現(xiàn)

以增強現(xiàn)實CIM系統(tǒng)為核心的警用地信息平臺，采用實景三維模型作為基礎(chǔ)載體，能夠客觀反映房屋建筑、道路、植被等幾乎全部地物地貌要素的真實形狀、體量、高度、材質(zhì)、紋理等現(xiàn)實信息，和這些要素相互之間的空間關(guān)系。同時，如圖4，各種采集的專題GIS數(shù)據(jù)，都能在平臺中實體化展現(xiàn)，更直觀、更準確、更利于使用者的辨識和判讀。

2.2.2 室外應用

以三維空間地理信息為基礎(chǔ)，完成三維空間定位匹配的技術(shù)攻堅，根據(jù)公安實際用于需求，在三維實景平臺中結(jié)合警務數(shù)據(jù)和GIS技術(shù)，可以實現(xiàn)空間中的各種三維分析應用，如圖5所示的視域分析，以及制高點排查、數(shù)據(jù)的真實空間定位和檢索、統(tǒng)計等。

2.2.3 室內(nèi)應用

結(jié)合BIM技術(shù)，實現(xiàn)針對室內(nèi)安防警衛(wèi)的系列應用。如圖6所示，BIM模型的信息化和可視化，為重要公共設(shè)施場所的重大項目保障和日常維穩(wěn)工作開展提供了更為直觀有效的信息數(shù)據(jù)資源和可視化支持。上城區(qū)創(chuàng)新性地實現(xiàn)了BIM技術(shù)在增強現(xiàn)實CIM中的集成應用，實現(xiàn)此類面向室內(nèi)的應用在國內(nèi)警務安防工作中尚無前例可見。

2.2.4 模擬預案與演練

增強現(xiàn)實CIM系統(tǒng)在針對突發(fā)事件應對訓練上開發(fā)的模擬預案與方案部署推演等功能應用，具有良好的實施效果。利用平臺提供的實景真三維空間環(huán)境，可以在日常訓練中，進行各類事件應對的預案模擬、方案部署和實戰(zhàn)推演（見圖7）。

2.2.5 街景巡查

利用影像空三和海量影像數(shù)據(jù)管理調(diào)度技術(shù)，使三維場景漫游過程中能快速找到匹配影像，并與三維模型無縫套合，還原真實細節(jié)。如圖8所示，利用街景影像巡查近地面沿街的商鋪、部件等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，為日常警務基礎(chǔ)數(shù)據(jù)采集、排查工作的高效化和信息化提升，帶來了新的技術(shù)思路和實施辦法。

地空一體街景技術(shù)是街景影像和傾斜模型無縫集成，可構(gòu)建空地一體的實景三維環(huán)境，增強實景三維的顯示效果和準確性，提高街景可測量的準確度和簡易度（見圖9）。

2.3 增強現(xiàn)實CIM系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)分析

實景三維數(shù)據(jù)在各行業(yè)中，前所未有的提高了地理信息的豐富程度。而實景建模+BIM+GIS是實現(xiàn)CIM（City Information Modeling）構(gòu)想的新一代的“全信息”數(shù)字城市，實景三維、BIM、街景、GIS技術(shù)集成一體并聯(lián)合應用的增強現(xiàn)實CIM，將成為新型智慧城市的地理空間信息平臺和大數(shù)據(jù)集成中心。

為了打造增強現(xiàn)實CIM，可以通過軟硬件結(jié)合的研制過程來實現(xiàn)場景構(gòu)建技術(shù)的突破。首先，采用GNSS，IMU，飛行管理系統(tǒng)，CORS基準站等多項技術(shù)，并將多項技術(shù)進行交叉融合應用，以自主研發(fā)的AMC850傾斜數(shù)碼航攝儀和ARC336傾斜相機系統(tǒng)采用直升機飛行平臺獲取優(yōu)于5cm的高分辨率航空攝影影像，生產(chǎn)得到實景三維模型，并應用于地理信息系統(tǒng)建設(shè)。在數(shù)據(jù)生產(chǎn)中建立針對tile的統(tǒng)一劃分管理體系，創(chuàng)建了大規(guī)模區(qū)域網(wǎng)數(shù)據(jù)聯(lián)算的分步并行處理生產(chǎn)組織工藝流程。

其次，集成街景建模技術(shù)。開展聯(lián)合傾斜攝影測量及車載移動測量的目標精細三維建模技術(shù)研究，研制空地結(jié)合、多分辨率精細融合的增強現(xiàn)實三維建模方法。根據(jù)傾斜攝影和移動測量組合數(shù)據(jù)源，克服空地影像及雷達點云在分辨率、攝影角度、影像輻射特性等方面的差異，通過POS輔助、DSM引導、抗變形矩不變特征匹配等技術(shù)綜合應用，結(jié)合拍攝的幾何投影信息，構(gòu)建多源影像嚴格成像模型，解決多源影像間轉(zhuǎn)點的匹配難題，構(gòu)建空地聯(lián)合的光線束區(qū)域網(wǎng)，實現(xiàn)航空與地面移動采集車影像、點云集成三維建模，有效彌補航空影像對于底商、地面等信息的缺失。

再次，BIM集成應用。BIM技術(shù)可實現(xiàn)大型公共設(shè)施建筑內(nèi)部的空間、構(gòu)件、設(shè)施設(shè)備的同步三維建模與信息集成[2]，將BIM技術(shù)應用于地理信息系統(tǒng)的三維空間數(shù)據(jù)生產(chǎn)，解決以城市級為目標的高精度的完整模型重建，補充建立無縫集成多種傳感器的虛擬現(xiàn)實三維場景。通過虛擬現(xiàn)實三維場景、實體三維模型、二維信息數(shù)據(jù)的可視化交互操作模式，構(gòu)建空間實體與屬性信息高精度配準模型，進一步實現(xiàn)影像、場景、模型與矢量地圖、屬性數(shù)據(jù)等多源多類數(shù)據(jù)的融合，才是最終的增強現(xiàn)實三維場景模型。

3 結(jié)束語

上城區(qū)作為增強現(xiàn)實CIM系統(tǒng)的先行試點，建成了首個公安警務三維數(shù)據(jù)集成中心并開發(fā)數(shù)據(jù)分析應用平臺，在G20峰會保障工作中發(fā)揮了重大作用，是信息化大數(shù)據(jù)應用于社會管理的科研創(chuàng)新示范應用。實用性的功能設(shè)計和可視化、地空室內(nèi)外一體的實景三維空間場景模擬，可以幫助公安機關(guān)高效部署日常維穩(wěn)工作和應急預案演練，節(jié)省人力物力，有效降低公安機關(guān)內(nèi)部管理成本，提高公安機關(guān)的公共管理效率；也有利于整合信息資源，助力智慧城市建設(shè)，推動公安信息大數(shù)據(jù)資源對社會開放，通過技術(shù)推廣、基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的共享，產(chǎn)生顯著的社會經(jīng)濟效益和科技附加值，實現(xiàn)資源、數(shù)據(jù)、應用、服務“四大共享”。接下來，還應該在增強現(xiàn)實三維建模技術(shù)的效率提升和時空完備更新方式上進行進一步的研究，強化應用場景的現(xiàn)勢性，并深化應用方向和層次，在基層普及和移動端應用上進行探索。

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