全景移動測量系統及其應用前景展望

張智勇

(福建省制圖院，福建 福州 350003)

一、引 言

隨著地理信息社會化應用的加快推進，地理信息產業得到迅猛發展，地理信息獲取手段也得到快速提升，新技術、新裝備層出不窮，獲取的地理信息數據越來越豐富，數據量越來越大。當前空間信息服務平臺主要依賴于傳統4D 產品，缺乏社會類要素，如地址編碼、興趣點(POI)信息、建筑物幾何信息和紋理信息、城市部件信息及詳細的城市環境信息等。隨著社會信息化進程的加速，空間信息的完整性、準確性和現勢性對空間信息服務的效用起著至關重要的作用。但是，面對海量數據和各行各業的迫切需求，我們又面臨著數據又多又少的矛盾局面：一方面數據多到無法處理，另一方面用戶需要的數據又找不到，致使無法快速及時地回答用戶提出的問題。出現這種矛盾的主要原因就在于傳統測繪成果主要提供給專業人員使用，而不是面向社會公眾，相關要素信息無法滿足大眾化需求，因此只能作為基礎地理框架數據，而難以滿足多元化、多樣化的地理信息社會需求。

為了解決這一矛盾，只有不斷豐富地理信息采集的對象和要素，不斷提高數據采集和加工處理的速度和效率。依靠傳統的采集方式，人工投入多、勞動強度大、安全性低，而且作業效率低、生產周期長，質量難以保證。因此，迫切需要更高效、更先進的測繪裝備和技術手段來補充和提升；同時，Web 2.0要求為用戶提供的服務具備體驗性、溝通性、差異性、創造性和關聯性，移動測量技術是解決這個問題的有效手段之一，可以真實、高效、準確、全面地獲取地表各類信息，并快速加工處理，形成多元化的產品，進而滿足空間信息服務的大眾化需求。

二、 移動測量技術

全景移動測量系統(MMS)是當今測繪界最為前沿的技術之一，誕生于20世紀90年代初，其經過3次大的飛躍，發展日趨成熟，集成了全球衛星定位、慣性導航、圖像處理、地理信息及集成控制等技術，通過采集空間信息和實景影像，由衛星及慣性定位確定實景影像的位置姿態等測量參數，能在高速行駛或航行狀態下快速獲取地物的表面點云和影像數據，具有機動靈活、周期短、精度高、分辨率高等特點，可實時高效地采集多源三維空間數據。

1. 系統構成及主要功能

全景移動測量系統一般包含以下5個分系統(如圖1所示)，由機械結構平臺及其聯接結構組成：

1) 導航定位子系統：由POS(position orientation system)設備與相應的數據采集軟件組成。POS設備由GPS、慣性導航IMU、里程計DMI等傳感器與數據處理電路，以及軟件組成，可實時記錄傳感器的信號，為系統提供位置與方向信息。

2) 360°全景相機子系統：由全景相機與相應的數據采集軟件組成的360°全方位全景影像采集與處理系統。

3) 三維激光掃描儀子系統：由1～3臺剖面激光掃描測量儀與相應的數據采集軟件組成，為系統提供可量測的三維點云數據。

4) 控制子系統：由計算機、同步控制器與電源組成。

5) 處理與應用系統：主要由軟件組成，為系統提供內、外方位參數檢校，多源數據地理參考，多源數據處理和應用等服務。

圖1 系統構成示意圖

2. 數據處理基本流程

全景移動測量系統是在一定的載體上，快速采集道路及兩旁地物的空間位置數據和屬性數據，并同步存儲到車載計算機中，經專門軟件的編輯處理，形成各種有用的專題數據成果。圖2為全景移動測量系統數據處理基本流程。

圖2 全景移動測量系統數據處理基本流程

三、對比及應用前景展望

1. 與傳統基礎測繪手段的對比

目前, 基礎測繪中DLG數據的主要更新方式是：在原有地形圖、航攝相片或衛星影像的基礎上,通過內業解譯判讀后，經過大量的人工調繪來采集所需信息, 然后將這些數據信息疊加到底圖上,再按照一定的標準進行加工成圖。全景移動測量系統則是通過汽車、摩托車等載體，快速采集空間坐標、點云數據及連續的三維圖像等。二者對比情況見表1。

表1 傳統基礎測繪與全景移動測量系統的對比

2. 與現有地圖產品的對比

隨著計算機技術、網絡技術、大容量存儲技術等的飛速發展，現有的計算機硬件、網絡環境已經足以支持海量實景影像數據的存儲、顯示與傳輸，由全景移動測量系統采集的實景數據的應用使得GIS走向了實景三維。在內容上不但彌補了二維GIS缺乏立面信息、不直觀、不詳細等缺陷，與現實的世界完全重合，而且通過影像標注鏈接，可以關聯更多的業務信息，使得用戶在使用時更直觀、更方便；同時，GIS虛擬三維模型在制作過程中，不得不去掉大量的社會環境因素，其模型紋理最多只能保證20%的真實性，并且由于對象的空間位置尺寸獲取過程中有人為誤差存在，不能保證與現實世界完全吻合。表2為基于全景移動測量系統構建的實景地圖與二維地圖、虛擬三維地圖的對比。

3. 應用前景

現代信息技術、計算機網格技術和數據庫技術的發展，使得由全景移動測量系統采集的海量DMI數據可以與傳統的4D產品進行一體化無縫集成、融合、管理和共享，形成更為全面的、現勢性強的、可視化并聚焦服務的5D基礎地理信息數據庫。基于這樣的空間數據庫，可以將移動測量系統沿地面街道獲取的DMI數據與由航攝相片/衛星影像加工的DOM、DLG及DEM產品按統一的坐標框架有機結合起來，從而構成一個從宏觀到微觀完全可視化的地理信息數據庫，可實現空中飛行鳥瞰和街頭漫步徜徉；同時，用戶可以在圖像上對地物進行任意標注，并將其鏈接到人口數據庫、經濟數據庫、設備數據庫、設施數據庫等其他專業數據庫中，真正實現地理信息、專業臺賬信息和圖片/影像信息的有機結合，更好地發揮空間信息服務的使用功效。表3為實景三維應用前景。

表2 3種地圖產品的對比

表3 實景三維應用前景

四、改進建議

目前，國內外已先后推出很多移動測量系統，如Optech公司的LYNX、RIEGL公司全新一代的VMX-250、拓普康公司的Topcon IP-S2、天寶公司的MX8、IGI公司的StreetMapper、Google的街景車等。在國內，武漢大學、立得公司、首都師范大學、山東科技大學、中國測繪科學研究院、中科院深圳研究院也相繼推出了車載移動測量系統。但從國內幾家單位的使用情況來看，還存在著許多不足的地方，建議在以下方面能夠進一步提高。

1) 硬件高度集成化。通過對硬件系統的高度集成，提高系統的穩定性、安全性，同時盡可能縮小體積、減輕重量，以便于安裝、使用、攜帶和保管。

2) 系統組裝模塊化。使用標準化接口，方便相機、激光掃描頭、移動硬盤等選擇更換和存儲卡拔插，實現快速裝卸，并改進減震系統，數據傳輸可考慮采用藍牙或WiFi。

3) 配套軟件智能化。現有軟件在時間序列與影像序列容易造成丟幀及多幀問題的出現，經常導致點云數據與影像數據無法融合等問題，因此，對于數據采集及后處理軟件，點云數據處理、點云自動提取及分類、三維建模效率都有待進一步提高。

4) 數據壓縮及云存儲。現有移動測量系統采集的數據量都是TB級別的，如何有效地利用云存儲技術，提取特征點并壓縮數據量，用于發布瀏覽海量的影像數據，在技術層面需要進一步加強。

5) 使用載體多元化。可根據需要，在不同的載體(汽車、艦船、火車、摩托車和單人肩扛式等)上使用安裝全景移動測量系統，積極拓展在水面、設施內部等的使用范圍。

五、結束語

目前，由全景移動測量系統獲得的連續的街景影像，已發布在國內主流地圖網站上(騰訊地圖、百度地圖等)，讓用戶能“足不出戶，一覽無遺”。基于移動測量系統的空間信息服務代表了下一代空間數據服務的一個新的方向，并與空間信息網格服務，空間信息自動化、智能化、實時化服務有機結合，實現空間信息大眾化，可為全社會大眾提供直接服務，其應用前景將更加廣闊。

參考文獻：

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