論構(gòu)建地理信息共享平臺的計算思維

龔 強，李德江，龔天慧，李 丹

(1.中國地震局工程力學研究所，黑龍江 哈爾濱 150080；2.黑龍江省有色金屬地質(zhì)勘查局，黑龍江 哈爾濱 150090；3.黑龍江省測繪科學研究所，黑龍江 哈爾濱 150080；4.肯特大學商學院，英國 肯特 CT2 7PE；5.哈爾濱測量高等專科學校 測量工程公司，黑龍江 哈爾濱 150008)

論構(gòu)建地理信息共享平臺的計算思維

龔 強1,2，李德江3，龔天慧4，李 丹5

(1.中國地震局工程力學研究所，黑龍江 哈爾濱 150080；2.黑龍江省有色金屬地質(zhì)勘查局，黑龍江 哈爾濱 150090；3.黑龍江省測繪科學研究所，黑龍江 哈爾濱 150080；4.肯特大學商學院，英國 肯特 CT2 7PE；5.哈爾濱測量高等?？茖W校 測量工程公司，黑龍江 哈爾濱 150008)

新型智慧城市地理信息底層建設(shè)，廣泛應(yīng)用BIM、VR、AR技術(shù),以及數(shù)字航空攝影測量、高分辨率衛(wèi)星遙感、無人機攝影測量系統(tǒng)等地面成果建立三維模型，但仍是感官成果，缺少計算思維。文章提出大數(shù)據(jù)環(huán)境下，應(yīng)用地理信息成果建模所呈現(xiàn)的不僅是“看到”，還需要具有計算思維，具有測繪語言，滿足智能需求的“可計算”成果，乃至開發(fā)“計算思維”，進而促進“計劃科學發(fā)現(xiàn)的偶然性”?；趦A斜攝影實景三維技術(shù)和機載LIDAR技術(shù)構(gòu)建地理信息公共服務(wù)平臺的嘗試，初步體現(xiàn)了“計算思維”理念。

地理信息；共享平臺；計算思維；測繪語言

傳統(tǒng)地理信息數(shù)據(jù)通過簡單的點、線、面等幾何圖形結(jié)合屬性信息，抽象地表現(xiàn)客觀世界的各類地物。隨著衛(wèi)星遙感技術(shù)的快速發(fā)展，以影像對客觀世界地形地物的表現(xiàn)雖然更加豐富，但仍然不能全面反映客觀三維世界。隨著科學進步和發(fā)展，常規(guī)的地理信息表現(xiàn)形式和服務(wù)能力已經(jīng)無法滿足人們對地表空間更加精細信息的要求，以BIM、VR、AR技術(shù)為代表的新型基礎(chǔ)測繪產(chǎn)品通過地理信息公共服務(wù)平臺或者智慧城市時空信息云平臺面向公眾和不同行業(yè)提供地理信息服務(wù)，然而，這些數(shù)據(jù)成果更多的是感觀成果。人們能夠通過新型的基礎(chǔ)測繪產(chǎn)品了解客觀世界現(xiàn)狀，但無法提取感興趣信息的精確空間位置并加以科學計算和分析，不能很好地充分發(fā)揮地理信息數(shù)據(jù)價值。為滿足新型智慧城市和大數(shù)據(jù)分析要求，構(gòu)建地理信息平臺的地理信息需要具備全面反映客觀世界信息的能力且其反映信息可進行大數(shù)據(jù)計算與分析，即不僅要讓人們“看到”，還應(yīng)該具有計算思維，具備計算功能。

1 新型智慧城市中的地理底層建設(shè)

大力推進新型智慧城市建設(shè)是我國為滿足新型城鎮(zhèn)化發(fā)展的實際需求，利用信息化手段促進城市更加科學地發(fā)展，加快提升城市管理水平所做的重要決策[1]。近年來，按照“創(chuàng)新驅(qū)動，智慧引領(lǐng)”的基本原則，我國的智慧城市建設(shè)迅速推開。智慧城市建設(shè)之初，一些設(shè)計沒有(或較少)考慮基礎(chǔ)地理信息底層——地理信息公共服務(wù)平臺(空間地理信息框架、地理信息基礎(chǔ)底層)的建設(shè)[3]，之后人們意識到，新型智慧城市建設(shè)必須依托空間地理信息共享平臺[3]，如果沒有這種堅強的空間地理信息公共服務(wù)底層做支撐，新型智慧城市建設(shè)或成為“無根之木，無水之源”，也無法“共享”，根本無法進行下去。

目前的新型智慧城市建設(shè)，大都對基礎(chǔ)地理信息底層有所考慮，許多新技術(shù)集中應(yīng)用于此。如：建筑信息模型(BIM：Building Information Modeling)。實現(xiàn)了建筑空間數(shù)字化，工程設(shè)計和建造從CAD到三維設(shè)計建造，進而改變工程設(shè)計、建造和運維方式[2]。較多地應(yīng)用于地下管網(wǎng)三維模擬。

虛擬現(xiàn)實技術(shù)(VR：Virtual Reality)。利用計算機模擬產(chǎn)生三維虛擬世界，并提供視覺、聽覺、觸覺等感官模擬，這種多源信息融合的交互式三維動態(tài)景觀和實體行為系統(tǒng)仿真[4]，使人們?nèi)轿惑w驗到不同虛擬場景，并令其沉浸其中。

虛擬增強技術(shù)(AR：Augmented Reality)。增強現(xiàn)實是以構(gòu)想和交互為基本特征的高級人機界面[5]。利用AR 模擬真實現(xiàn)場景觀,使用戶既可通過虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)“真切”體會在客觀物理世界中所經(jīng)歷的“身臨其境” ,又能突破空間、時間以及其他客觀限制 ,感受到在真實世界中無法親身經(jīng)歷的體驗。

數(shù)字航空攝影測量?；诰€陣(LINear Array)傳感器方向和基于面陣(PlaNe Array)傳感器方向的CCD傳感器技術(shù)進步，促進了高分辨率影像獲取技術(shù)的發(fā)展。而這些恰是新型智慧城市建設(shè)中制作DOM、DSM、DEM、DLG的主要數(shù)據(jù)來源[6]。中低空高分辨率主被動寬幅與三維探測遙感設(shè)備、高精度寬幅航空數(shù)碼測量型多光譜相機、成像光譜儀等，提高了對地獲取高分辨率地理數(shù)據(jù)的能力。

高分辨率衛(wèi)星遙感。我國集測繪與資源調(diào)查功能于一體的“資三”衛(wèi)星，國外商業(yè)衛(wèi)星SPOT5、IKONOS、QuickBird和OrbView-2等[7]，在開展國土資源調(diào)查、監(jiān)測，為農(nóng)業(yè)、林業(yè)、環(huán)境、生態(tài)、水利、防災(zāi)、減災(zāi)、城建、市政、規(guī)劃、交通、國防等領(lǐng)域提供服務(wù)的同時，也為新型智慧城市建設(shè)提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

無人機攝影測量系統(tǒng)。通過地面遙控的低空無人機可實現(xiàn)40°～60°傾角攝影[8]，從而獲取空間分辨率0．1M或更高精度的地面建筑物頂部和不同側(cè)面影像，成果可作為城市三維模型的影像源。低空多角度高分辨率遙感影像是城市景觀中三維對象各種紋理信息的可靠來源[9]。

然而，無論是BIM、VR、AR,還是數(shù)字航空攝影測量、高分辨率衛(wèi)星遙感、無人機攝影測量系統(tǒng)等，雖然都是基于現(xiàn)代信息技術(shù)獲取地面成果后建立三維模型，但它呈現(xiàn)在人們面前，所展示出來的成果還是感官成果，它是不能夠直接用來參與計算的。換而言之，它是缺少計算思維的(至少是計算思維不足)。

2 新型智慧城市與大數(shù)據(jù)對地理信息計算思維的需求

在新型智慧城市建設(shè)中，各行業(yè)對計算思維的地理信息需求日益強烈，在海綿城市建設(shè)中，城市綠地是最好的自然海綿體，優(yōu)良的樹木配置和栽培養(yǎng)護的綠地可以滯留不少于80%的年下滲雨量[16]，傳統(tǒng)地形圖及地表數(shù)據(jù)已經(jīng)無法滿足需求，需要更加全面精細化的DSM數(shù)據(jù)，并且能夠?qū)Ω黝惉F(xiàn)有綠地進行評估和計算分析；隨著移動通信的迅猛發(fā)展,網(wǎng)絡(luò)規(guī)模不斷擴大,借助數(shù)字地圖,尤其是三維地理信息數(shù)據(jù)進行網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃和優(yōu)化已變得越來越重要[17]，公眾對信號強弱的要求上升到房間里面的每一角落，因此對于運行商而言，需要全面真實反應(yīng)空間建筑的地理信息數(shù)據(jù)，通過科學計算和分析來提高網(wǎng)絡(luò)信號的服務(wù)能力；車輛成為人民日常生活的基本工具，對于智能車而言,為了能夠?qū)崿F(xiàn)自動駕駛,必須具備感知并能構(gòu)建道路環(huán)境地圖的能力,而且地圖的精度對智能車的導(dǎo)航和路徑規(guī)劃有著非常重要的影響。中國工程院院士李德毅表示，我國現(xiàn)有的地圖類型及數(shù)據(jù)，都無法給出駕駛員或智能車需要的道路詳細信息，騰訊和HERE等地圖服務(wù)商已經(jīng)著眼于高精度三維地圖建設(shè)，結(jié)合路況信息，通過大數(shù)據(jù)計算，解決無人駕駛的安全性等關(guān)鍵技術(shù)。

在知識爆炸的今天，現(xiàn)代科學的發(fā)展進步，大量科學儀器的應(yīng)用，協(xié)作科學研究的數(shù)據(jù)量迅速膨脹。大數(shù)據(jù)的出現(xiàn)和大數(shù)據(jù)時代的到來告訴人們，人類僅僅憑借感官——視覺聽覺感覺，哪怕是“直觀”(直接感官)，都已經(jīng)無法應(yīng)對呈幾何級數(shù)增長的海量數(shù)據(jù)，必須依靠計算機去處理和分析。

現(xiàn)代測繪地理信息科學也是通過計算機模擬，對客觀世界建模，對觀測數(shù)據(jù)深入分析，實現(xiàn)科學探索的。利用VR、AR、BIM、數(shù)字航空攝影測量、高分辨率衛(wèi)星遙感、無人機攝影測量系統(tǒng)等手段獲取地理數(shù)據(jù)，經(jīng)加工取得影像成果后，這僅僅是“看到”。智慧城市的精髓在于應(yīng)用計算機技術(shù)進行智能分析和智能管理，因此，人們更希望地理信息成果呈現(xiàn)在面前的不僅僅是“看到”，而是具有測繪語言、計算思維，滿足智能需求的“可計算”成果。

從發(fā)展的角度考慮，從開發(fā)利用這些數(shù)據(jù)建立起新型智慧城市地理信息共享平臺，更好地滿足不同需求，必須建立起“計算思維”，甚至開發(fā)“計算思維”，最終實現(xiàn)“計劃科學發(fā)現(xiàn)的偶然性”。

3 傾斜攝影實景三維、LIDAR——計算思維的有益嘗試

3.1 傾斜攝影實景三維技術(shù)

傾斜攝影實景三維技術(shù)是近年來出現(xiàn)的一項全新技術(shù)[10]。由于是在同一飛行平臺上搭載多臺傳感器，同時從垂直方向和多個傾斜角度采集地面影像，它打破了傳統(tǒng)航空攝影測量技術(shù)只能從垂直方向?qū)Φ嘏臄z的局限性，彌補了正射影像的不足，更加真實地反映地表地物的客觀情況[11]。尤其是問世不久的12鏡頭傾斜攝影測量儀，通過多鏡頭、高像素傾斜攝影測量技術(shù)采集的城市(觀測區(qū)域)要素數(shù)據(jù)，經(jīng)過“街景工廠”軟件自動化處理，真實地還原地表全要素，呈現(xiàn)出一個原景重現(xiàn)的三維立體城市[12]。通過傾斜攝影實景三維技術(shù)構(gòu)建的三維世界，不僅具有真實還原的特性，還能保證精準的模型位置相對關(guān)系。圖1—圖2顯示基于12鏡頭形成的實景三維數(shù)據(jù)成果中城市道路模型成果、點云和三角網(wǎng)成果，實景三維數(shù)據(jù)成果可為無人駕駛提供道路坡度、彎道的弧度等基礎(chǔ)信息。

圖1 長春市實景三維數(shù)據(jù)成果(城市道路模型)

圖2 長春市實景三維數(shù)據(jù)成果(城市道路三角網(wǎng)格及點云)

實景三維數(shù)據(jù)可提供高精度的距離測量、高程測量、面積計算、淹沒分析、立體量算、天際線分析、各種災(zāi)害損失程度的詳實分析，能真實再現(xiàn)霧霾在空中的走向……。因其高精度和高清晰度及真實性等特性，在各領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用。例如在不動產(chǎn)登記中，利用實景三維數(shù)據(jù)的真實反映客觀世界的優(yōu)勢，可實現(xiàn)居民不動產(chǎn)快速指界，減少了野外采集的工作量。

這種基于“真三維”的實景三維模型，使抽象回歸真實。不僅可以“看到”，由于模型上每一點都具有真實、準確的三維地理坐標，可供用戶按需測量和計算，有一定的計算功能，因此，在一定程度上體現(xiàn)了“計算思維”。

3.2 激光探測與測量系統(tǒng)

激光探測與測量系統(tǒng)(LIDAR，Light Detection And Ranging)。主動式對地觀測系統(tǒng)(機載LIDAR)起源于西方國家，我國在這方面的研究和應(yīng)用剛剛起步[13]。LIDAR利用GPS和IMU(慣性測量裝置)機載激光掃描，獲取的數(shù)據(jù)為DSM(數(shù)字表面模型)的離散點表示。因數(shù)據(jù)具有激光強度和空間三維信息，可以利用分類(Classification)技術(shù)將原始數(shù)字表面模型中人造物、植物覆蓋等移除，再經(jīng)過相關(guān)軟件數(shù)據(jù)處理后，可以生成高精度的數(shù)字地面模型DTM、等高線圖、DEM，并直接獲得地物高程。利用機載LIDAR獲取的地面數(shù)據(jù)，比較容易與各種數(shù)字圖兼容。

機載LIDAR集成激光測距技術(shù)、IMU/DGPS差分定位技術(shù)、計算機技術(shù)于一體，在實時獲取三維空間數(shù)據(jù)方面有較大創(chuàng)新，其傳感器發(fā)射的激光脈沖能穿透部分樹林植被遮擋，直接獲取高精度三維地表數(shù)據(jù)[14]。為獲取高時空分辨率地球空間信息提供了新的技術(shù)手段[15]。LIDAR的特點是受天氣影響小、自動化程度高、數(shù)據(jù)生產(chǎn)周期短、數(shù)據(jù)成果精度高等。

這項技術(shù)在大、中比例尺(1∶500至1∶10 000)地形測量、災(zāi)害評估、環(huán)境監(jiān)測、新型智慧城市三維建模等諸多領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。針對不同的應(yīng)用領(lǐng)域及成果要求，采取靈活的搭載方式，LIDAR技術(shù)可以廣泛應(yīng)用于基礎(chǔ)測繪、道橋建設(shè)、市政工程、輸變電網(wǎng)、水利設(shè)施、地下管線、海岸線及海島礁、各類數(shù)字化工程等許多領(lǐng)域，提供高精度的空間地理數(shù)據(jù)成果。

4 結(jié)束語

基于傾斜攝影實景三維技術(shù)和機載LIDAR技術(shù)構(gòu)建的地理信息公共服務(wù)平臺，作為新型智慧城市建設(shè)基礎(chǔ)地理底層的技術(shù)支撐，作了有益的嘗試，實現(xiàn)了對客觀世界的真實還原，更因其具有一定的計算功能，引起更廣泛的關(guān)注。相信會有更多的算法在真三維數(shù)據(jù)支持下實現(xiàn)高精度的可計算的智能行業(yè)應(yīng)用。

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Discussonthecomputationalthinkingofbuildingthegeographicinformationsharingplatform

GONG Qiang1,2,LI Dejiang3，GONG Taihui4,LI Dan5

(1.China Earthquake Administration,Institute of Engineering Mechanics,Harbin 150080,China；2.Heilongjiang Survey Bureau of Non-ferrous Geology,Harbin 150090,China; 3.Heilongjiang Provincial Research Institute of Surveying and Mapping, Harbin 150080,China;4.Kent Business School,University of Kent,Canterbury,UK PhD Studen,Kent CT2 7PE,England;5.Engineering Company of Harbin Measuring College,Harbin 150008,China)

New smart city geographic information underlying construction has widely used BIM, VR, AR technology, digital aerial photogrammetry, high-resolution satellite remote sensing, and UAV photogrammetry systems from which the results are to establish a 3 d mode, but which is still a sensual result, and lack of computational thinking. This paper puts forward, in the big data environment, the results that the geographical information shows not only “see”, but also need the computational thinking and surveying and mapping language to meet the intelligence required results which can be calculated, thus developing the computational thinking in order to promote “contingency of planned scientific discovery”. The beneficial attempt of constructing geographic information public service platform is based on tilt photography 3d technology and airborne LIDAR technology which initially reflecteds the concept of “computational thinking”.

geographic information；sharing platform；computational thinking；surveying and mapping language

2017-09-13

龔 強(1954-)，男，教授、研究員級高級工程師，博士、博士后，博士生導(dǎo)師.

著錄：龔強,李德江，龔天慧，等.論構(gòu)建地理信息共享平臺的計算思維[J].測繪工程，2018，27(1)：1-4.

10.19349/j.cnki.issn1006-7949.2018.01.001

TP316

A

1006-7949(2018)01-0001-04

王文福]