基于可量測(cè)實(shí)景影像庫(kù)(DMI)及4D產(chǎn)品的三維數(shù)字高速公路展示系統(tǒng)——以福州市機(jī)場(chǎng)高速為例

包忠聰

（福州市勘測(cè)院，福建 福州350003）

一、引 言

從20世紀(jì)80年代起，我國(guó)高速公路建設(shè)飛躍發(fā)展，為高速公路運(yùn)營(yíng)管理服務(wù)的信息化服務(wù)建設(shè)也隨之發(fā)展。這類建設(shè)主要包括收費(fèi)、通信、監(jiān)控系統(tǒng)及各業(yè)務(wù)系統(tǒng)(如養(yǎng)護(hù)、路政管理系統(tǒng))，一直以來(lái)這些信息系統(tǒng)建設(shè)著重于二維信息展示及分析，存在數(shù)據(jù)缺乏融合與挖掘，數(shù)據(jù)更新過(guò)慢，空間表達(dá)抽象等諸多缺點(diǎn)。傳統(tǒng)平面電子地圖不能立體全方位360°展示高速公路及周邊交通景觀設(shè)施情況，無(wú)法實(shí)現(xiàn)多角度多空間的分析決策，信息化建設(shè)滯后于高速公路飛速發(fā)展所帶來(lái)的運(yùn)營(yíng)管理信息化、智能化、立體化的需求。可視化、智能化成為公路信息化發(fā)展的趨勢(shì)［1］。因此，如何利用高新技術(shù)手段，通過(guò)構(gòu)建高速公路真實(shí)三維地理信息系統(tǒng)展示平臺(tái)實(shí)現(xiàn)高速公路運(yùn)營(yíng)管理的信息化、網(wǎng)絡(luò)化、多維化和智能化，提高高速公路運(yùn)營(yíng)管理水平，充分發(fā)揮高速公路的功效，是擺在交通行業(yè)工作者面前一個(gè)急需解決的重要課題。

本項(xiàng)目位于福州機(jī)場(chǎng)高速馬尾收費(fèi)站至長(zhǎng)樂(lè)收費(fèi)站，全長(zhǎng)約20 km。該項(xiàng)目利用空間移動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)采集福州市機(jī)場(chǎng)高速路段實(shí)景照片，構(gòu)建可量測(cè)實(shí)景影像庫(kù)，以大比例尺數(shù)字高程模型及航拍正攝影像數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，結(jié)合三維精細(xì)建模構(gòu)建三維場(chǎng)景。在此基礎(chǔ)上，通過(guò)二次開(kāi)發(fā)，結(jié)合業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)福州機(jī)場(chǎng)三維數(shù)字實(shí)景展示系統(tǒng)。該項(xiàng)目有效整合了最新的移動(dòng)測(cè)量技術(shù)及三維地理信息技術(shù)，真實(shí)再現(xiàn)了高速公路沿線實(shí)景，使得管理人員務(wù)須進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)勘查，實(shí)現(xiàn)公路可視化管理和信息共享成為可能。該項(xiàng)技術(shù)整合對(duì)相關(guān)項(xiàng)目的開(kāi)展具有一定的借鑒意義。

二、定 義

可量測(cè)實(shí)景影像(digital measurable image，DMI)是一種以地面近景攝影測(cè)量立體影像文件及其外方位元素構(gòu)成的基礎(chǔ)地理信息產(chǎn)品，其構(gòu)建的立體影像可直接測(cè)量、信息提取并與其他基礎(chǔ)地理信息產(chǎn)品集成，是我國(guó)基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)庫(kù)為適應(yīng)按需測(cè)量采集更新空間信息的一種新的產(chǎn)品。

移動(dòng)道路測(cè)量技術(shù)作為一種全新的測(cè)繪技術(shù)，是在機(jī)動(dòng)車上裝配GPS(全球定位系統(tǒng))、CCD(成像系統(tǒng))、INS/DR(慣性導(dǎo)航系統(tǒng)或航位推算系統(tǒng))等傳感器和設(shè)備，在車輛高速行進(jìn)之中，快速采集道路前方及兩旁地物的可量測(cè)立體影像序列(DMI)，這些DMI具有地理參考，并根據(jù)應(yīng)用需要進(jìn)行各種要素，特別是道路兩旁要素的按需測(cè)量［2］。

4D產(chǎn)品:即數(shù)字高程模型(DEM)、數(shù)字正射影像(DOM)、數(shù)字線劃地圖(DLG)和數(shù)字柵格地圖(DRG)，是重要的傳統(tǒng)測(cè)繪產(chǎn)品。

可量測(cè)實(shí)景影像可通過(guò)移動(dòng)道路測(cè)量系統(tǒng)采集得到，并可以通過(guò)軟件開(kāi)發(fā)與4D產(chǎn)品無(wú)縫集成，是對(duì)我國(guó)4D基礎(chǔ)地理信息產(chǎn)品進(jìn)行有效補(bǔ)充的一種重要產(chǎn)品。

三、系統(tǒng)總體架構(gòu)

三維數(shù)字高速公路展示系統(tǒng)是一項(xiàng)復(fù)雜的綜合集成的計(jì)算機(jī)信息系統(tǒng)，涉及軟硬件環(huán)境、信息資源、技術(shù)、組織機(jī)構(gòu)、標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范等組成要素，關(guān)鍵是通過(guò)對(duì)高速公路空間數(shù)據(jù)、三維模型、屬性數(shù)據(jù)、高分辨率近景影像數(shù)據(jù)和各業(yè)務(wù)及數(shù)據(jù)的集成、融合與再處理實(shí)現(xiàn)基于三維地理數(shù)據(jù)平臺(tái)的集成應(yīng)用與服務(wù)，為今后建立面向高速公路運(yùn)營(yíng)管理的運(yùn)營(yíng)綜合監(jiān)控、應(yīng)急指揮、信息共享服務(wù)等應(yīng)用打下基礎(chǔ)，如圖1所示。

圖1 三維數(shù)字高速公路展示系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)

四、系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

基于DMI可量測(cè)實(shí)景影像庫(kù)及4D產(chǎn)品的三維數(shù)字高速公路展示系統(tǒng)的應(yīng)用功能包括如下幾個(gè)方面:

1.三維瀏覽功能

系統(tǒng)可以通過(guò)鼠標(biāo)、鍵盤、操縱桿、控制面板或者任意組合方式來(lái)控制飛行的速度、高度視角，使得用戶可以靈活、便捷地在三維場(chǎng)景中瀏覽漫游，操作簡(jiǎn)單，易于使用。

2.快速定位功能

快速定位功能提供根據(jù)行政區(qū)域、鷹眼窗、樁號(hào)定位等多種方式導(dǎo)航實(shí)現(xiàn)任意地方的快速定位。

3.三維量測(cè)功能

三維量測(cè)功能包括三維場(chǎng)景量測(cè)及實(shí)景影像量測(cè)。其中三維場(chǎng)景量測(cè)提供水平量測(cè)、垂直距離、空中距離測(cè)量等。實(shí)景影像提供長(zhǎng)度測(cè)量、寬度測(cè)量、比高測(cè)量等，如圖2所示。

圖2 三維場(chǎng)景量測(cè)及實(shí)景量測(cè)功能界面示意圖

4.圖層管理功能

圖層管理提供對(duì)系統(tǒng)中圖層進(jìn)行管理功能，主要包括以下功能:改變圖層顯示順序，圖層顯示屬性等。包括各種比例地形圖，路網(wǎng)數(shù)據(jù)，操作時(shí)選中即表示打開(kāi)該圖層，否則圖層為隱藏狀態(tài)，基礎(chǔ)數(shù)據(jù)圖層是在軟件啟動(dòng)時(shí)自動(dòng)加載的。

5.業(yè)務(wù)專題分析功能

系統(tǒng)可結(jié)合高速專題數(shù)據(jù)進(jìn)行業(yè)務(wù)專題分析。如用戶可根據(jù)不同需求，進(jìn)行數(shù)據(jù)定制與三維可視化控制，可加載用戶各種專題(二維矢量數(shù)據(jù)及三維模型數(shù)據(jù))，如橋梁、邊坡、隧道，排水溝矢量圖層，定義各類空間查詢分析，將分析結(jié)果以直觀逼真的專題形式展現(xiàn)，以便于空間展示疊加決策分析。

6.信息查詢功能

主要包括基礎(chǔ)信息查詢與高速專題數(shù)據(jù)查詢。基礎(chǔ)地理信息查詢主要包括:名稱查詢、熱點(diǎn)查詢、信息查詢、查詢結(jié)果定位、拉框查詢等;高速專題數(shù)據(jù)查詢主要包括:養(yǎng)護(hù)信息查詢、路面信息查詢、橋梁信息查、里程樁查詢等。

7.打印輸出功能

系統(tǒng)提供了快速截圖工具，可以對(duì)三維窗口進(jìn)行快速捕捉和存儲(chǔ)，將三維地形窗口的影像保存為圖片格式，便于傳閱、分析和保存。同時(shí)，用戶可以自定義設(shè)置圖片的尺寸，便于輸出高分辨率的用于打印制圖用的圖片。

五、實(shí)景影像及三維基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)建設(shè)方案

1.實(shí)景影像采集

DMI數(shù)據(jù)是通過(guò)移動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)測(cè)繪裝置采集而得，其主要原理為在機(jī)動(dòng)車上裝配GPS全球定位系統(tǒng)、CCD攝影測(cè)量系統(tǒng)、INS/DR慣性導(dǎo)航系統(tǒng)或航位推算系統(tǒng)等先進(jìn)的傳感器和設(shè)備，在車輛高速行進(jìn)之中，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)在車載計(jì)算機(jī)中，經(jīng)專門軟件編輯處理，形成各種有用的GIS數(shù)據(jù)成果，包括路網(wǎng)電子地圖、設(shè)施或POI(興趣點(diǎn))數(shù)據(jù)庫(kù)等。

2.三維場(chǎng)景構(gòu)建

三維場(chǎng)景構(gòu)建主要包括3個(gè)部分:基礎(chǔ)場(chǎng)景構(gòu)建、三維部件建模、三維工程文件配置。

1)基礎(chǔ)場(chǎng)景構(gòu)建:利用三維數(shù)據(jù)加工平臺(tái)構(gòu)建三維基礎(chǔ)場(chǎng)景。數(shù)據(jù)源采用不同分辨率的正射影像數(shù)據(jù)及大比例尺數(shù)字高程模型數(shù)據(jù)。根據(jù)不同視角高度調(diào)整不同分辨率影像顯示比例尺。

2)三維部件建模:主要包括道路、橋梁、隧道、涵洞、護(hù)欄、綠化帶、邊坡、廣告牌與交通標(biāo)志、機(jī)電設(shè)備、路燈等高速路相關(guān)部件的位置、尺寸、形態(tài)精細(xì)建模。為了保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性及真實(shí)性，部件的位置、尺寸及紋理數(shù)據(jù)均需從實(shí)景影像數(shù)據(jù)中提取，可利用通用的三維數(shù)據(jù)加工軟件建模。

3)三維工程文件配置:基礎(chǔ)場(chǎng)景文件，通過(guò)疊加各類基礎(chǔ)數(shù)據(jù)(信息點(diǎn)、路網(wǎng)、行政區(qū)劃等)、高速公路專題數(shù)據(jù)、三維精細(xì)建模數(shù)據(jù)構(gòu)建三維場(chǎng)景工程文件，供二次開(kāi)發(fā)調(diào)用，如圖3所示。

圖3 三維場(chǎng)景構(gòu)建示意圖

六、系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

系統(tǒng)采用Visual Studio 2008.NET作為系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)平臺(tái)。結(jié)合DMI及三維地理信息系統(tǒng)開(kāi)發(fā)組件構(gòu)建福州市機(jī)場(chǎng)高速三維展示系統(tǒng)。系統(tǒng)部分路段運(yùn)行界面如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)運(yùn)行界面

七、結(jié)束語(yǔ)

本項(xiàng)目以4D產(chǎn)品、可量測(cè)實(shí)景影像庫(kù)為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)源，結(jié)合三維地理信息技術(shù)構(gòu)建具有準(zhǔn)確地理數(shù)據(jù)及真實(shí)場(chǎng)景的高速公路展示系統(tǒng)。該系統(tǒng)在技術(shù)上整合了移動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)技術(shù)、三維地理信息技術(shù)，在產(chǎn)品應(yīng)用領(lǐng)域集成了4D產(chǎn)品、DMI產(chǎn)品，在功能上融合了二維地理信息系統(tǒng)功能、三維虛擬仿真、實(shí)景量測(cè)查詢定位分析等功能，可為全面了解高速公路整體的運(yùn)行狀況、設(shè)施分布提供高效輔助決策支持。此外通過(guò)在該展示平臺(tái)上集成各類專題信息系統(tǒng)，可進(jìn)一步發(fā)揮其三維實(shí)景輔助決策優(yōu)勢(shì)。如在此平臺(tái)上建設(shè)三維可視化綜合監(jiān)控系統(tǒng)，三維實(shí)景養(yǎng)護(hù)管理系統(tǒng)等，可為快速搶險(xiǎn)、交通設(shè)施維護(hù)、交通擁堵、交通安全等問(wèn)題提供高效快速輔助決策服務(wù)。

［1］ 胡慶武，郭晟，柳正華，等，基于可量測(cè)實(shí)景影像的數(shù)字公路體系研究［J］，公路，2010(2):95-99.

［2］ 李德仁.論可量測(cè)實(shí)景影像的概念與應(yīng)用——從4D產(chǎn)品到5D 產(chǎn)品［J］，測(cè)繪科學(xué)，2007，32(4):5-7.