doi:10.3969/j.issn.1000-3177.2015.01.001

測(cè)繪裝備發(fā)展的新趨勢(shì)

劉先林

(中國(guó)測(cè)繪科學(xué)研究院)

近年來，我國(guó)測(cè)繪地理信息產(chǎn)業(yè)發(fā)展環(huán)境良好，技術(shù)突飛猛進(jìn)，規(guī)模持續(xù)增長(zhǎng)，服務(wù)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(guó)家基本比例尺地形圖的紙質(zhì)模擬地圖時(shí)代，發(fā)展到測(cè)繪信息化時(shí)代，建立了多尺度國(guó)家基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)庫。今天，我們面臨著智能測(cè)繪的新時(shí)代，即建立全國(guó)地理國(guó)情監(jiān)測(cè)體系，輔助政府行政決策，支撐城市智能化管理。

社會(huì)信息化過程推動(dòng)地理信息“生態(tài)”的演進(jìn)

伴隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的信息化發(fā)展，用戶對(duì)地理信息服務(wù)提出了更新更高的要求：更逼真，用戶追求更接近實(shí)景效果的導(dǎo)航地圖服務(wù)；更精細(xì)，對(duì)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(cè)量精度要求更高；更廣泛，由室外、地表測(cè)量延伸到室內(nèi)、地下測(cè)量；更實(shí)時(shí)，通過“四維”采集實(shí)現(xiàn)快速采集與實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

地理信息服務(wù)對(duì)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(cè)繪工程為主，技術(shù)門檻很高，無論是航天和地面測(cè)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(xué)決策、實(shí)施重大戰(zhàn)略、促進(jìn)區(qū)域協(xié)調(diào)發(fā)展等提供測(cè)繪地理信息服務(wù)保障?，F(xiàn)在，地理信息已得到民眾的廣泛應(yīng)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(wù)也介入地理信息產(chǎn)業(yè)，對(duì)行業(yè)產(chǎn)生很大的沖擊，這是網(wǎng)絡(luò)經(jīng)濟(jì)時(shí)代的重大事件。當(dāng)然，地理信息行業(yè)還是會(huì)繼續(xù)存在，但是專業(yè)測(cè)繪地理信息行業(yè)提供的面向大眾服務(wù)和大眾廣泛參與的所謂“泛在測(cè)繪”兩個(gè)領(lǐng)域會(huì)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(jìn)行信息化，才能實(shí)現(xiàn)互聯(lián)互通，從而進(jìn)一步實(shí)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(wù)。

對(duì)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(cè)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(jī)載點(diǎn)云、車載點(diǎn)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(jìn)行檢索，更不用說產(chǎn)生知識(shí)。只有結(jié)構(gòu)化的數(shù)據(jù)，才能進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析產(chǎn)生知識(shí)。

測(cè)繪生產(chǎn)過程實(shí)際上是一個(gè)結(jié)構(gòu)化的過程。結(jié)構(gòu)化包含了五點(diǎn)內(nèi)容：將點(diǎn)云或者像元抽象為點(diǎn)、線、面；分層分類；對(duì)象化、實(shí)體化，對(duì)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(jì)分析和知識(shí)生產(chǎn)軟件；提供可交互的工具。

測(cè)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?huì)從二維的形式發(fā)展成為三維的形式。因?yàn)槿S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(dǎo)致傳統(tǒng)的城市三維只能實(shí)現(xiàn)小范圍的應(yīng)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(yīng)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(shí)體。城市全要素三維模型會(huì)把地表所有的地物分層，目前我們分層已達(dá)到五十種，隨著技術(shù)的進(jìn)步還會(huì)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(huì)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(shí)體模型是分層分類的；②管理到實(shí)體的：每一類中的實(shí)體模型對(duì)應(yīng)一個(gè)全國(guó)唯一的辨認(rèn)碼和唯一的幾何屬性表、人文屬性表；③每個(gè)實(shí)體都有以三維矢量描述的結(jié)構(gòu)線。過去測(cè)繪行業(yè)的一大失誤就是沒有對(duì)分層后下面的實(shí)體對(duì)象進(jìn)行管理，導(dǎo)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(fèi)去重做。實(shí)體沒有比例尺和圖幅概念，只要給實(shí)體賦上幾何屬性、人文屬性，就會(huì)為后端的應(yīng)用提供便利，所以實(shí)體化勢(shì)在必行。

近年來，導(dǎo)航地圖逐步向精度更高、要素增加、提供自動(dòng)駕駛和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)導(dǎo)航系統(tǒng)服務(wù)的方向發(fā)展，進(jìn)而導(dǎo)航公司對(duì)地理信息數(shù)據(jù)采集也提出了新的要求，對(duì)采集的分道線進(jìn)行矢量化，將樹、隔離帶、交通牌、紅綠燈等地物單獨(dú)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(duì)于歷史變遷和第三方數(shù)據(jù)疊加是無法實(shí)現(xiàn)的，更不可能進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。二代街景比一代街景更便于產(chǎn)生監(jiān)測(cè)成果和各類統(tǒng)計(jì)分析報(bào)表，用不同時(shí)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(cè)成果和各類統(tǒng)計(jì)分析報(bào)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(dòng)測(cè)量系統(tǒng)的街景采集會(huì)產(chǎn)生大量的隱蔽地區(qū)，解決這個(gè)問題最有效的辦法是發(fā)動(dòng)群眾，用手機(jī)拍照，然后在網(wǎng)上調(diào)出該隱蔽地區(qū)的模型并進(jìn)行現(xiàn)勢(shì)的紋理粘貼，獲取積分獎(jiǎng)勵(lì)。

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(shì)預(yù)測(cè)

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(cè)角、測(cè)距發(fā)展到現(xiàn)在的增強(qiáng)定位；測(cè)量方式從以二維間接測(cè)量為基礎(chǔ)的三維重建變成三維直接測(cè)量為基礎(chǔ)的模型重構(gòu)；探測(cè)方式從被動(dòng)變成被動(dòng)加主動(dòng)；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(cè)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(cè)；分辨率、視場(chǎng)角也發(fā)生變革；從管理到圖層到管理到實(shí)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(shí)體辨認(rèn)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(jìn)行聯(lián)動(dòng)，真正意義上的3D GIS需要有三維矢量、三維拓?fù)洹⑷S分析和實(shí)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(dòng)化提取，而自動(dòng)化提取要突出一個(gè)“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(diǎn)云，這些點(diǎn)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(shí)相的采集，主要是用來監(jiān)測(cè)，其實(shí)同時(shí)也有利于自動(dòng)提取，比如可以利用植物不同生長(zhǎng)時(shí)期光譜的不同來判讀，做自動(dòng)提取。

無人機(jī)正在快速地侵占有人機(jī)航拍市場(chǎng)，將來還會(huì)更大范圍地侵占有人機(jī)的市場(chǎng)?？梢蚤_發(fā)1+N的組網(wǎng)飛行，一次由多架飛機(jī)同時(shí)飛行。過去的無人機(jī)主要是回收型，今后要發(fā)展成為傳輸型。無人機(jī)搭載的相機(jī)也需要改進(jìn)，目前可以滿足于應(yīng)急監(jiān)測(cè)等較低精度需求，要滿足測(cè)繪的高精度要求，飛行前需通過檢校、振動(dòng)、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(cè)繪精度要求。

從無人機(jī)發(fā)展來看，旋翼機(jī)發(fā)展會(huì)比較好，增強(qiáng)飛機(jī)穩(wěn)定性、安全性、自動(dòng)緊急無傷害迫降。增加續(xù)航時(shí)間，高效燃料電池，高效燃料電池會(huì)把旋翼機(jī)推向一個(gè)新的高度。基于城市三維模型的精確城市穿行三維導(dǎo)航，可以實(shí)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(jī)、高精度微機(jī)械陀螺的引進(jìn)和使用。

室內(nèi)建模采集裝備的發(fā)展趨勢(shì)，應(yīng)發(fā)展室內(nèi)定位技術(shù)和室內(nèi)建模技術(shù)，應(yīng)用現(xiàn)有的激光掃描儀和相機(jī)。利用已知條件的“缺維”測(cè)量，在單張照片的透視原理基礎(chǔ)上，用缺維就可以實(shí)現(xiàn)定位。在隧道里面因?yàn)闆]有GPS信號(hào)，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(jī)或Pad的GIS移動(dòng)終端非常流行，基于手機(jī)的泛在測(cè)繪也相當(dāng)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(cè)量型GNSS、微機(jī)械IMU，云支持的興趣點(diǎn)采集和街景遮擋的補(bǔ)救；用二維碼訂制的GIS服務(wù)都是熱點(diǎn)技術(shù)。

國(guó)產(chǎn)裝備亟待政策扶持

我國(guó)幅員遼闊，地理信息數(shù)據(jù)采集復(fù)雜且工程浩大，堅(jiān)持發(fā)展自主裝備研發(fā)團(tuán)隊(duì)是保證產(chǎn)業(yè)持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵舉措。目前我們國(guó)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(guó)家，如果盲目崇拜外國(guó)設(shè)備，不敢大膽采用國(guó)產(chǎn)設(shè)備，是我國(guó)創(chuàng)新力不足的原因之一。為響應(yīng)建設(shè)創(chuàng)新型國(guó)家的號(hào)召，請(qǐng)支持國(guó)產(chǎn)設(shè)備。

(根據(jù)中國(guó)測(cè)繪地理信息學(xué)會(huì)2014年會(huì)上發(fā)言整理)

收稿日期：2013-12-31修訂日期：2014-04-09

基金項(xiàng)目：國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃資助(2013CB733406)；國(guó)家自然科學(xué)基金資助(41030534)；青年科學(xué)基金資助(41301356)；中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金資助(2013YB09)。

作者簡(jiǎn)介：劉軍(1987～)，男，碩士，研究方向?yàn)槲⒉ㄟb感、土壤介電常數(shù)。

E-mail：liujun198707@126.com