測繪裝備發展的新趨勢

doi:10.3969/j.issn.1000-3177.2015.01.001

測繪裝備發展的新趨勢

劉先林

(中國測繪科學研究院)

近年來，我國測繪地理信息產業發展環境良好，技術突飛猛進，規模持續增長，服務日益拓展，結構不斷優化。在短短的二三十年間經歷了快速發展，從僅生產國家基本比例尺地形圖的紙質模擬地圖時代，發展到測繪信息化時代，建立了多尺度國家基礎地理信息數據庫。今天，我們面臨著智能測繪的新時代，即建立全國地理國情監測體系，輔助政府行政決策，支撐城市智能化管理。

社會信息化過程推動地理信息“生態”的演進

伴隨著社會經濟的信息化發展，用戶對地理信息服務提出了更新更高的要求：更逼真，用戶追求更接近實景效果的導航地圖服務；更精細，對精度要求更高，以往分辨率1m就可稱之為高分辨了，現在要提高到1cm，甚至1mm(才能看清井蓋上的字)，測量精度要求更高；更廣泛，由室外、地表測量延伸到室內、地下測量；更實時，通過“四維”采集實現快速采集與實時監測。

地理信息服務對象也逐步拓展。傳統意義上的地理信息行業的工作大多以專業的測繪工程為主，技術門檻很高，無論是航天和地面測繪，均由專業的設備和工作人員來完成，主要是為政府科學決策、實施重大戰略、促進區域協調發展等提供測繪地理信息服務保障。現在，地理信息已得到民眾的廣泛應用，成為人民群眾日常生活中不可或缺的關鍵信息。電子商務也介入地理信息產業，對行業產生很大的沖擊，這是網絡經濟時代的重大事件。當然，地理信息行業還是會繼續存在，但是專業測繪地理信息行業提供的面向大眾服務和大眾廣泛參與的所謂“泛在測繪”兩個領域會首先被網商巨頭迅速侵占。

信息空間化是互連互通的基礎。過去的地理信息數據都是記錄在紙上，裝訂在記錄本里，存放在檔案室。只有將所有的數據進行信息化，才能實現互聯互通，從而進一步實現智能化，而信息化的過程主要就是空間化，這也是地理信息行業的工作任務。

對地理信息技術領域而言大數據本質上需要的是結構化的地理信息。而測繪行業幾十年來都在以純手工方式處理大數據。傳統的衛星影像、航攝影像、全景照片、機載點云、車載點云，甚至街景工廠所生產的三維模型都是典型的無結構數據，很難進行檢索，更不用說產生知識。只有結構化的數據，才能進行統計分析產生知識。

測繪生產過程實際上是一個結構化的過程。結構化包含了五點內容：將點云或者像元抽象為點、線、面；分層分類；對象化、實體化，對后端用戶提供開放性數據接口，便于在此基礎上開發統計分析和知識生產軟件；提供可交互的工具。

測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生了新變化。總的來看，成果形式將會從二維的形式發展成為三維的形式。因為三維涵蓋了二維，二維不能涵蓋三維。完整的三維模型可以生產DEM，也可以生產DOM，甚至于DLG等。大部分的數據成果都是可以通過三維模型轉換得到，所以成果形式由二維向三維的轉變將是最重要的發展。

由于以前數據采集裝備和數字化的技術比較落后，導致傳統的城市三維只能實現小范圍的應用示范。所謂的三維城市也是無結構的，雖然也分為房屋、道路、水系、路面四層，但滿足不了應用需求，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體。城市全要素三維模型會把地表所有的地物分層，目前我們分層已達到五十種，隨著技術的進步還會更多。城市全要素三維模型將可以轉換為城市1∶500地形圖。目前來看，傳統的城市三維會被城市全要素三維模型取代，這將是建設智慧城市的地理空間數據基礎。

城市全要素三維模型不是只能觀看，而是結構化的三維模型。結構化的三維模型指的是：①實體模型是分層分類的；②管理到實體的：每一類中的實體模型對應一個全國唯一的辨認碼和唯一的幾何屬性表、人文屬性表；③每個實體都有以三維矢量描述的結構線。過去測繪行業的一大失誤就是沒有對分層后下面的實體對象進行管理，導致了水利、公安等部門拿到的基礎數據不可用，不得不花經費去重做。實體沒有比例尺和圖幅概念，只要給實體賦上幾何屬性、人文屬性，就會為后端的應用提供便利，所以實體化勢在必行。

近年來，導航地圖逐步向精度更高、要素增加、提供自動駕駛和增強現實導航系統服務的方向發展，進而導航公司對地理信息數據采集也提出了新的要求，對采集的分道線進行矢量化，將樹、隔離帶、交通牌、紅綠燈等地物單獨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。目前市面上出現的大多街景為“地理參考全景影像”，統稱為一代街景，我們稱模型街景為二代街景。一代街景沒有分層分類，沒有結構，對于歷史變遷和第三方數據疊加是無法實現的，更不可能進行統計分析。二代街景比一代街景更便于產生監測成果和各類統計分析報表，用不同時期的模型相互疊加并相減，可以發現變化，產生監測成果和各類統計分析報表。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更新紋理。移動測量系統的街景采集會產生大量的隱蔽地區，解決這個問題最有效的辦法是發動群眾，用手機拍照，然后在網上調出該隱蔽地區的模型并進行現勢的紋理粘貼，獲取積分獎勵。

滿足城市全要素三維模型數據采集裝備(軟硬件)的發展趨勢預測

這二三十年以來，地理信息行業在裝備的軟硬件上面有很大的變化。首先是定位，從最初測角、測距發展到現在的增強定位；測量方式從以二維間接測量為基礎的三維重建變成三維直接測量為基礎的模型重構；探測方式從被動變成被動加主動；傳感器數量從單一傳感到組合傳感器集成，發展到傳感器網絡；探測距離，精度要求越來越高，從衛星遙感600km到沉浸式無接觸探測；分辨率、視場角也發生變革；從管理到圖層到管理到實體。傳統的地理信息系統，特別是從制圖系統過渡來的地理信息系統都有按圖層打開加載的功能，卻沒有按實體辨認碼加載的功能，目前的三維地理信息系統大部分都是三維可視化系統，稱不上是真正的3D GIS，充其量就是與二維GIS進行聯動，真正意義上的3D GIS需要有三維矢量、三維拓撲、三維分析和實體屬性管理的功能。

軟件功能的提升主要體現在智能化后處理。智能化后處理的關鍵是自動化提取，而自動化提取要突出一個“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云，這些點云非常可靠，而且都是三維的，在三維基礎上再來做分類提取，成功的希望就大多了；過去多時相的采集，主要是用來監測，其實同時也有利于自動提取，比如可以利用植物不同生長時期光譜的不同來判讀，做自動提取。

無人機正在快速地侵占有人機航拍市場，將來還會更大范圍地侵占有人機的市場。可以開發1+N的組網飛行，一次由多架飛機同時飛行。過去的無人機主要是回收型，今后要發展成為傳輸型。無人機搭載的相機也需要改進，目前可以滿足于應急監測等較低精度需求，要滿足測繪的高精度要求，飛行前需通過檢校、振動、再檢校兩次結果一致才能上天。再就是快門，要由簾幕快門變成中心快門，或者電子快門，才能滿足測繪精度要求。

從無人機發展來看，旋翼機發展會比較好，增強飛機穩定性、安全性、自動緊急無傷害迫降。增加續航時間，高效燃料電池，高效燃料電池會把旋翼機推向一個新的高度。基于城市三維模型的精確城市穿行三維導航，可以實現城市里無人物流配送。未來的發展還包括：基于微型的組合相機、高精度微機械陀螺的引進和使用。

室內建模采集裝備的發展趨勢，應發展室內定位技術和室內建模技術，應用現有的激光掃描儀和相機。利用已知條件的“缺維”測量，在單張照片的透視原理基礎上，用缺維就可以實現定位。在隧道里面因為沒有GPS信號，用一張照片，在已有數據的支持下，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。

目前基于手機或Pad的GIS移動終端非常流行，基于手機的泛在測繪也相當成熟。未來發展可能包括：顯示透視立體、凝視真立體，多模測量型GNSS、微機械IMU，云支持的興趣點采集和街景遮擋的補救；用二維碼訂制的GIS服務都是熱點技術。

國產裝備亟待政策扶持

我國幅員遼闊，地理信息數據采集復雜且工程浩大，堅持發展自主裝備研發團隊是保證產業持續發展的關鍵舉措。目前我們國產裝備在推廣過程中，的確遇到一些困難。

我們要建設創新型國家，如果盲目崇拜外國設備，不敢大膽采用國產設備，是我國創新力不足的原因之一。為響應建設創新型國家的號召，請支持國產設備。

(根據中國測繪地理信息學會2014年會上發言整理)

收稿日期：2013-12-31修訂日期：2014-04-09

基金項目：國家重點基礎研究發展計劃資助(2013CB733406)；國家自然科學基金資助(41030534)；青年科學基金資助(41301356)；中央高校基本科研業務費專項資金資助(2013YB09)。

作者簡介：劉軍(1987～)，男，碩士，研究方向為微波遙感、土壤介電常數。

E-mail：liujun198707@126.com