新型基礎測繪產品體系及技術實現研究

彭清山，曹文濤，李海亭，郭明武

(武漢市測繪研究院，湖北 武漢 430022)

1 引 言

基礎測繪是指建立全國統一的測繪基準和測繪系統，進行基礎航空攝影，獲取基礎地理信息的遙感資料，測制和更新國家基本比例尺地圖、影像圖和數字化產品，建立、更新基礎地理信息系統[2]。基礎測繪是為經濟社會發展和國防建設提供基礎地理信息的基礎性、公益性事業，是實現經濟社會可持續發展的基礎條件和重要保障。

《國務院關于全國基礎測繪中長期規劃綱要(2015-2030年)的批復》提出：“到2030年新型基礎測繪體系全面建成”[3]。2019年1月21日，自然資源部批準同意武漢市作為新型基礎測繪建設試點城市，要求武漢市充分利用自身優勢和已有基礎，圍繞自然資源“兩統一”管理需求，同時為履行好《測繪法》賦予的為經濟建設、國防建設、社會發展和生態保護提供全方位服務的職責，探索基礎測繪轉型升級之路，以基礎測繪產品體系升級改造為牽引，帶動技術體系、生產組織體系和管理體系的創新，形成系列標準政策。

本文從產品體系以及關鍵技術角度著手，在分析傳統基礎測繪產品的基礎上，對新型基礎測繪的產品體系和實現技術進行了研究。

2 傳統基礎測繪產品及主要實現技術

2.1 傳統基礎測繪產品形式

傳統基礎測繪產品是以DOM(數字正射影像圖)、DEM(數字高程模型)、DLG(數字線劃地圖)和DRG(數字柵格地圖)等4D產品為代表。由于受可視化表達介質的限制和影響，在模擬測繪和數字測繪階段4D產品往往都以圖幅的方式進行組織，其內容都是反映物理世界某個方面的特征。

DOM是對航空(或航天)像片進行數字微分糾正和鑲嵌，按一定圖幅范圍裁剪生成的數字正射影像集，反映的是物理世界正視方向的紋理特征。它是同時具有地圖幾何精度和影像特征的圖像。DOM具有精度高、信息豐富、直觀逼真、獲取快捷等優點。

DEM是通過有限的地形高程數據實現對地面地形的數字化模擬(即地形表面形態的數字化表達)，它是用一組有序數值陣列形式表示地面高程的一種實體地面模型，反映的是物理世界高差特征。它可派生出等高線、坡度圖等信息，也可與DOM或其他專題數據疊加，用于與地形相關的分析應用。

DLG是利用點、線、面等幾何圖形對物理世界進行對象化抽象表達，反映的是物理世界空間幾何特征。它的數據量小，一般按分類分層組織，能快速生成專題地圖，能滿足地理信息系統進行各種空間分析要求，可隨機地進行數據選取和顯示，與其他幾種產品疊加，便于分析、決策。

DRG是根據現有紙質、膠片等地形圖經掃描和幾何糾正及色彩校正后，形成在內容、幾何精度和色彩上與地形圖保持一致的柵格數據集。它的地圖地理內容、外觀視覺式樣與同比例尺地形圖一樣，可作為背景用于數據參照或修測擬合其他地理相關信息，使用于DLG的數據采集、評價和更新，還可與DOM、DEM等數據信息集成使用，從而派生出新的可視信息，從而提取、更新地圖數據，繪制紙質地圖。

2.2 傳統基礎測繪產品分級與分類

傳統基礎測繪產品主要根據成圖比例尺來進行分級，4D產品都是按照不同的比例尺進行產品的設計和生產，如 1∶500、1∶2 000和 1∶10 000等。不同比例尺的4D產品，分別由國家、省、市(縣)分級管理和負責。成圖比例尺越大，DLG所要求的定位精度越高，DEM所要求的格網間距越小，DOM所要求的地面抽樣間隔(GSD)越小。

傳統基礎測繪產品主要根據數據結構進行分類，一般分為矢量數據和柵格數據。矢量數據主要是DLG；柵格數據則主要包DRG、DEM、DOM等。

2.3 傳統基礎測繪生產技術手段

20世紀中后期，我國城市基礎測繪發展主要依靠平板儀、光學經緯儀、光學水準儀等生產工具；到了20世紀末和21世紀初，以GPS、RS和GIS為代表的3S技術以及網絡RTK、全站儀和數字攝影測量工作站等技術手段變革了基礎測繪的生產模式，測繪地理信息數據的采集、獲取、處理和服務能力大大提升，有效地支撐了傳統基礎測繪產品體系的發展。

3 傳統基礎測繪產品所面臨的挑戰

雖然基礎測繪已經歷經幾十年的發展，其成果為社會各領域提供了不可替代的基礎性服務，但是在新形勢下，也面臨了許多挑戰。

傳統基礎測繪產品在種類上難以全面反映測繪新技術的發展。隨著遙感衛星技術、三維激光掃描、無人機測圖、傾斜攝影、無人駕駛等技術的不斷成熟和發展，革新了傳統的數據采集模式和成果表達方式，出現了實景三維模型、真彩色點云、全景地圖、全景視頻流、高精地圖等新型成果形式，傳統基礎測繪沒有將這些新型成果納入其范疇，其產品種類也無法反映新型測繪技術的發展方向和趨勢。

傳統基礎測繪產品在信息深度上難以完整反映物理世界。傳統基礎測繪4D產品對于客觀物理世界的抽象表達或過濾表達，越來越不能滿足政府治理體系和治理能力現代化的要求，各行各業對于基礎地理信息的精細度要求越來越高，如房產、消防、公安等部門要求房屋要素除了需要位置、形狀、層次等信息外，還需要房屋的紋理、高度等信息，能夠精確到棟、層和戶。

傳統基礎測繪產品在數據組織上難以很好地反映地物空間邏輯關系。如在地形圖中有道路邊線、道路中線和道路面等要素，但是各要素間的關聯無法有效組織表達，當統計某條道路的長度或者占地面積時，雖然地形圖中有相關信息，但卻無法很快地提供給用戶想要的結果。傳統基礎測繪產品表征的客觀物理世界對于其內在的關聯關系鮮有描述，雖然“看得到”，但卻沒有將地物之間的空間拓撲和邏輯關系很好地反映出來。

傳統基礎測繪成果在應用上難以滿足用戶個性化的需求。現有的基礎測繪成果是按照多年不變的標準生產的，雖然形式上變成了數字的，但執行的標準還是紙質地形圖的標準，成果品種單一、社會經濟和人文信息不全，基礎測繪成果標準化、制式化的產品形式，不適應信息化社會和地理信息產業發展多樣化的需求，也難以滿足用戶靈活化、精細化、個性化的需求。

隨著互聯網、大數據、人工智能等高新技術的發展，以3S為代表的傳統基礎測繪的技術體系迫切需要與之進行深度融合，突破了一些核心技術瓶頸，促進測繪技術體系的升級換代，這就倒逼我們必須創新測繪成果的形式與內涵，創新基礎測繪生產技術手段、組織方式和服務模式，進而創新測繪行業管理政策機制，突破制約行業發展的政策障礙，因此開展新型基礎測繪建設刻不容緩[4]。

面向自然資源管理新格局以及城市治理體系和治理能力現代化的需求，傳統基礎測繪產品必須在來源渠道、組織形式、產品種類、數據內容、生產方式和服務手段等方面進行變革，推動按比例尺分級測繪向按地理實體分級測繪轉變[5，6]、系列比例尺地理信息數據庫向非尺度的地理實體全息數據庫轉變、全要素統測向權威部門提供權威地理實體轉變、各自獨立編碼向唯一的地理實體編碼轉變、固定產品模式向典型產品疊加按需組裝與靈活派生的產品轉變等，同時針對地理實體全息數據庫及其生產工藝流程[7]、基本公共產品庫和典型應用產品庫，提出并建立質量元素及評價方法體系，從而保證新型基礎測繪產品的質量。

4 新型基礎測繪產品體系

相較于傳統基礎測繪產品，新型基礎測繪產品體系的發展應以“繼承與創新并舉”為原則。傳統基礎測繪產品按照產品形態和數據組織方式等可以歸納為以DLG、DRG、DEM和DOM為代表的4D產品，已廣泛應用于國土、規劃、測繪、建設等行業領域。隨著測繪地理信息技術不斷革新，陸續出現了實景三維模型、真彩色點云、全景地圖、全景視頻流、高精地圖等比較成熟的新型測繪產品，它們很好地滿足了專業領域和社會民眾的靈活化需求，但并未納入基礎測繪范疇，沒有得到較好的歸集管理。因此，新型基礎測繪體系下的產品，按照其用途，可以分為地理場景產品(GSP，Geographic Scene Products)和地理實體產品(GFP，Geographic Feature Products)兩大類。

4.1 地理場景產品

地理場景產品是指一定區域范圍內連續成片的反映現實世界原始地理空間位置、形態和拓撲關系等信息的基礎測繪產品。它可通過增強現實技術(AR)或虛擬現實技術(VR)等手段進行可視化展示，如圖1所示。

圖1 地理場景產品示例

地理場景產品主要作為“底圖”使用，能夠形象、直觀地反映區域范圍內地理空間分布形態和地物間相互位置關系等，為用戶提供生動形象的可視化效果，包括實景三維模型、可量測實景影像、激光點云等新型測繪產品，還包括DRG、DEM、DOM(包括航空影像和衛星影像等)以及DSM等傳統測繪產品。

4.2 地理實體產品

地理實體是現實世界中占據一定空間位置、具有同一獨立的語義屬性或功能的自然地物和人文設施。它具有識別意義和地理空間特征。地理實體產品中的地理實體和傳統4D產品中的地理要素，都是對物理世界一種現象的抽象，但是地理要素只能把物理世界的一種現象抽象成一種圖元，如一個道路幾何要素，它只能包含道路中線或者道路邊線或者道路面；而地理實體可以把物理世界的一種現象抽象成多種、多個圖元，如一個道路幾何實體，它包含道路中線、道路邊線以及道路面等多個圖元。

(1)從空間形態角度，地理實體可以分為地理單實體、地理組合實體和地理聚合實體。

①地理單實體

地理單實體是對現實世界單一現象的直接抽象。如路燈，如圖2所示。

圖2 地理單實體示例

②地理組合實體

地理組合實體是由空間連續、類型相同的實體合并而成的地理實體。如滬聶線(318國道)是由上海段、江蘇段、浙江段、安徽段、湖北段、重慶段、四川段和西藏段等道路實體合并而成，如圖3所示。

圖3 地理組合實體示例

③地理聚合實體

地理聚合實體是由若干具有一定空間關聯性的實體聚合而成的地理實體，如圖4所示。如道路實體是由道路幾何、路燈、花壇、過街通道等實體聚合而成。

圖4 地理聚合實體示例

(2)從產品應用角度，地理實體可以劃分為地理基本實體與地理擴展實體。

①地理基本實體

對傳統基礎測繪成果，尤其是系列比例尺數字地形圖上所有表達的地理要素必須全部作為地理基本實體；滿足自然資源調查、確權和監管等職責需求，山水林田湖草礦等自然資源實體也必須全部作為地理基本實體。

②地理擴展實體

根據政府管理部門和社會各行業的全方位、多層次的應用需求，會認為某些除了地理基本實體以外的現實世界抽象具有識別意義和地理空間特征，將這部分的現實世界抽象定義為地理擴展實體，如圖5所示。

圖5 地理實體產品示例

新型基礎測繪產品體系主要是圍繞地理實體產品進行構建的，應以“一個地理實體僅測一次”為原則，擺脫傳統基礎測繪產品生產對比例尺的依賴，避免重復測繪。通過構建非尺度的具備“一庫多能、按需組裝、定制服務”能力的地理實體全息數據庫，不僅能夠從中獲取傳統的基礎測繪4D產品，而且可以根據用戶全方位、多層次和個性化的應用需求，靈活定制與派生出數據類、地圖類、功能(接口)類和系統類的地理信息產品。

4.3 兩類產品的區別與聯系

新型基礎測繪產品由地理場景產品和地理實體產品構成，二者既有區別又有聯系。

在數據內容上，地理場景產品主要反映物理世界的空間形態特征，地理實體產品主要反映物理世界的空間對象特征；在數據組織上，地理場景產品主要是離散數據，地理實體產品主要是矢量或者對象化(單體化)數據；在數據用途上，地理場景產品主要用于可視化表達，地理實體產品主要用于空間計算、分析和統計。

二者又聯系緊密，地理實體產品是對象化的地理場景產品，是地理場景產品的派生，二者是通過不同的方式來反映物理世界的不同特征。

5 新型基礎測繪產品實現的關鍵技術

新型基礎測繪產品體系的構建需要創新型的技術體系作為支撐。這個新的技術體系就是利用人工智能、大數據、云計算、物聯網等新技術給3S測繪技術重新賦能，主要包括全息采集、智能處理、變化發現、實體建庫和定制服務等五個方面的關鍵技術。

5.1 全息采集技術

全息采集是指以地理實體為基本采集單位，全方位的采集地理實體的位置、形狀、外觀、紋理以及與之相關聯的各類自然屬性和社會屬性信息；采集的內容上，以能采盡采為原則，是把物理世界“原樣搬進”計算機；采集的范圍上以實現地上地下一體化、室內室外一體化、水域陸地一體化采集為要求；采集的成果方面，要實現二維三維一體化、空間屬性一體化以及空間時間一體化。

全息采集是相對于過去抽樣采集而言，由于受信息的負載介質和技術手段的限制，傳統數據采集主要是對物理世界的一部分信息進行采集，如定位坐標、圖像等，主要的技術手段有RTK采集、全站儀采集以及數字攝影測量工作站采集等方式，目前全息采集的技術手段除傳統技術手段外，主要采用激光LiDAR、傾斜攝影和基于互聯網的眾包采集等方式。

5.2 智能處理技術

智能處理是針對全息采集獲取的多源結構化、半結構化、非結構化數據，利用人工智能、大數據、云計算等技術進行清洗、匹配、定位等處理，實現物理世界的三維重建和對象化或單體化提取[8]。

傳統的數據處理主要是針對抽樣采集的信息進行處理，只需構建要素與要素之間的空間關系，并通過人機交互來進行地物要素的判斷和識別。智能處理的對象是全息采集所獲取的空中、地上、地下、室內、室外多視角影像、點云以及定位定姿等多源大數據；處理的手段主要是計算機算法，來實現全息實景三維重建，同時借助于人工智能、深度學習等技術，實現海量場景數據中地物要素的自動識別，來完成對象化或單體化等處理。隨著三維重建算法的不斷優化和AI目標識別能力不斷提升，過去主要依賴人工干預來進行的數據處理工作，就可以逐漸交給計算機來完成，既能提高數據處理的工作效率，也能保證數據處理的準確率。

5.3 變化發現技術

變化發現技術主要是通過多期低成本重復采集的數據集比對，進而發現變化地物對象，這對地理場景產品和地理實體產品的更新具有重要意義。目前，變化發現主要基于兩個方面：一是基于遙感影像的變化發現；二是基于網絡語義的變化發現。基于遙感影像的變化發現是利用深度學習技術，通過構建樣本庫來智能提取不同時間相同區域范圍的影像變化信息；基于網絡語義的變化發現是指通過構建網絡信息抓取模型，在互聯網上對與地理位置相關的文本、圖片等信息進行爬取、挖掘、有效分析和定位等處理，進而對變化地物要素進行自動發現。

新的變化發現技術是相對于傳統地毯式的人工搜索變化發現而言的，具有幾個方面的優勢：發現的成本低，其信息源是免費的互聯網或低成本的遙感衛星資料；發現的周期短，特別是基于互聯網的發現，可以準實時地捕捉；發現的準確性高，通過深度學習可以很準確地捕獲到變化地物要素，實現地理情報挖掘分析，從而實現面向地理實體變化的定向、定點測繪[9]。

5.4 實體建庫技術

實體建庫技術是將根據全息采集獲取地理實體的空間時間信息、幾何形狀信息、編碼屬性信息和拓撲關系信息等內容，進行有效的組織和存儲，為定制服務提供數據和效率支撐。地理場景產品可以當作一個超大地理實體來組織建庫。

傳統基礎測繪中地理要素建庫一般在某一特定比例尺下，不同要素在不同比例尺下重復存儲，其內容一般僅限于標準規定的要素，鮮有擴展信息；針對結構化的矢量數據，一般采用集中式關系型數據庫；對于非結構化或者半結構化的地理信息或者音頻、視頻、圖片等數據，基本不做建庫處理；邏輯模型簡單，反映要素間的空間邏輯關系。

實體建庫要打破比例尺的概念，以一個地理實體只存儲一次為目標，避免數據冗余；建庫內容既有基本實體，也有擴展實體；采用分布式混合數據庫，將地理實體的結構化、半結構化以及非結構化數據全部建庫；邏輯模型復雜，既反映圖元間的空間邏輯關系，也反映圖元間的組合、聚合等邏輯關系。

5.5 定制服務技術

定制服務技術是根據用戶的定制化需求，從地理實體時空數據庫中快速抽取相關地理實體來實現數據產品定制服務(DaaS)、地圖產品定制服務(MaaS)、功能接口定制服務(PaaS)和應用系統定制服務(SaaS)，滿足不同應用場景的需要，達到“一庫多能、按需組裝”。

定制服務技術是相對于傳統基礎測繪通用服務而言的，傳統的基礎測繪只能按照一定的標準生產固化的產品，來滿足共性需求。隨著基礎測繪成果的應用擴展，傳統4D產品已經越來越無法滿足社會各領域的個性化和多樣化需要，測繪地理信息供給側矛盾日益凸顯，亟待改革創新。

新型基礎測繪的本質是服務，就是要改革生產者和消費者的傳統關系，建立以需求為導向的新型服務關系[10]，即測繪地理信息部門通過分析消費者的個性化需求，進行快速響應，生產定制化產品。測繪地理信息按需服務的特點是個性化需求、多品種、小批量、快速反應以及平臺化協作，強調服務的及時性、有效性，并能夠根據用戶的需求，做到地理信息的隨時觀測、隨時獲取、隨時生產和隨時應用。因此，新型基礎測繪產品的定制服務應涵蓋整個產品需求端，主要包括數據產品、地圖產品、功能接口和應用系統的定制服務，才能滿足用戶靈活、多樣的精細化需求。

6 結 語

本文在分析傳統基礎測繪產品及其特點的基礎上，針對其劣勢與不足，秉持“繼承與創新”的理念，創新性地提出了新型基礎測繪產品體系的構成，說明了地理場景產品和地理實體產品的定義、特點、內涵、用途和聯系，并且分析了支撐產品體系的五方面關鍵技術，較為系統地闡述了對新型基礎測繪產品體系發展的探索。

產品體系是新型基礎測繪建設的重要抓手，只有對其進行升級與創新，才能帶動新型基礎測繪技術體系、管理體系和標準體系的創新發展，這需要測繪行業所有工作者堅持不懈的努力，才能不斷推動新型基礎測繪的建設進程。