可量測實(shí)景影像的概念與應(yīng)用-李德仁院士

1、 論可量測實(shí)景影像的概念與應(yīng)用從4D產(chǎn)品到5D產(chǎn)品李德仁武漢大學(xué) 測繪遙感信息工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室武漢 430079摘要 面向第三次Internet浪潮和Web2.0模式，本文探討信息化測繪如何更好地滿足社會各行各業(yè)日益增長的需求。數(shù)字化測繪是利用4D產(chǎn)品（DEM、DOM、DLG和DRG）實(shí)現(xiàn)了測繪成果的數(shù)字化。但4D產(chǎn)品是按規(guī)范測繪的基礎(chǔ)空間地理框架數(shù)據(jù)，難以直接為各類不同的用戶使用。而信息化測繪要直接向社會提供空間信息服務(wù)，為此，作者建議將移動測量系統(tǒng)所獲得的可量測實(shí)景影像作為新的數(shù)字化測繪產(chǎn)品與4D產(chǎn)品集成，以推進(jìn)按需測量的空間信息服務(wù)。文中扼要介紹了可量測實(shí)景影像（DMI）的獲取方法及其

2、與4D產(chǎn)品集成。關(guān)鍵詞 信息化測繪 可量測實(shí)景影像 空間信息服務(wù) 按需測量以網(wǎng)格技術(shù)為代表的第三次Internet浪潮給信息化測繪創(chuàng)造了前所未有的大好條件，而以人性化服務(wù)和給予用戶最大創(chuàng)造性空間的Web 2.0對“按規(guī)范測量”的傳統(tǒng)提出了極大的挑戰(zhàn)。如何提供“按需測量”的空間信息服務(wù)是擺在我們面前的嚴(yán)峻任務(wù)。本文作者提出的基于可量測實(shí)景影像的空間信息服務(wù)將為上述問題的解決提供一個切實(shí)可行的道路。以下將扼要介紹可量測實(shí)景影像（DMI）的獲取方法及其與4D產(chǎn)品的集成應(yīng)用。一、信息化測繪的本質(zhì)是為社會提供空間信息服務(wù)隨著信息技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)、航天遙感和宇航定位技術(shù)的發(fā)展，地球空間信息學(xué)本世紀(jì)將形成

3、海陸空天一體化的傳感器網(wǎng)絡(luò)并與全球信息網(wǎng)格相集成，從而實(shí)現(xiàn)自動化、智能化和實(shí)時化地回答何時（When）、何地（Where）、何目標(biāo)（What Object）發(fā)生了何種變化（What Change），并且把這些時空信息（即4W）隨時隨地提供給每個人，服務(wù)到每件事（4A服務(wù)：Anyone，Anything，Anytime and Anywhere）。從這個意義上講，我們必須大力推進(jìn)信息化測繪的建設(shè)。要在已經(jīng)建成的數(shù)字化測繪的體系上，抓好測繪生產(chǎn)內(nèi)外業(yè)一體化、數(shù)據(jù)更新實(shí)時化、測繪成果數(shù)字化和多樣化、測繪服務(wù)網(wǎng)絡(luò)化和測繪產(chǎn)品社會化。而信息化測繪的本質(zhì)和目標(biāo)是為社會提供空間信息服務(wù)，回答各類用戶提出的與

4、空間位置有關(guān)的問題。 二、現(xiàn)有的4D產(chǎn)品不能滿足空間信息服務(wù)的需求長期以來，測繪地形圖是測繪的任務(wù)和目標(biāo)，當(dāng)前測繪成果稱為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）。這些產(chǎn)品是由作業(yè)員根據(jù)規(guī)范的要求從原始航空/航天影像上采集、加工制作的。它們是有限的基礎(chǔ)信息，稱為基礎(chǔ)地理信息，不能滿足社會各行各業(yè)對空間信息的需求。大量用戶需要的與專業(yè)應(yīng)用和個人生活相關(guān)的信息，如電力部門的電力設(shè)施、市政城管的市政設(shè)施、公安部門重點(diǎn)布防設(shè)施（消防栓、門牌號碼）、交通部門的交通信息、個人位置要求的快餐廳等細(xì)小的信息，這些均無法涵蓋在傳統(tǒng)的4D產(chǎn)品中。例

5、如公安地理信息系統(tǒng)中的基本信息來自4D產(chǎn)品的僅占20%，其余80%需要通過實(shí)地調(diào)查來補(bǔ)充。又如武漢市城市網(wǎng)格化服務(wù)系統(tǒng)在1:500數(shù)字地圖基礎(chǔ)上，補(bǔ)充調(diào)查和采集了185萬個物件。問題出在什么地方？主要問題由從原始的來自客觀世界的影像經(jīng)過測繪人員按規(guī)范加工后，只保留了基本要素，而將上述原始影像中包涵的大量信息給刪除掉了。為什么不能將原始的可量測影像作為產(chǎn)品（連同量測軟件）直接提供給客戶，由用戶按需求去量測呢？三、可量測實(shí)景影像（DMI）的引入作者認(rèn)為，如果將原始的立體影像對（地面、航空或者航天影像），連同他們的外方位元素一起作為數(shù)字可量測影像（Digital Measurable Images）

6、存儲和管理起來，并在互聯(lián)網(wǎng)上提供必要的使用軟件，就有可能直接由用戶根據(jù)其需要去搜索、量測、調(diào)繪和標(biāo)注出他們所需要的空間目標(biāo)的信息。第三次Internet浪潮下Web 2.0理念以及相應(yīng)技術(shù)體系（Grid、Ajax、CSS+XHTML）為空間信息服務(wù)帶來全新的理念。Web 2.0要求為用戶提供的各種服務(wù)具備體驗(yàn)性（Experience）、溝通性（Communicate）、差異性（Variation）、創(chuàng)造性（Creativity）和關(guān)聯(lián)性（Relation）等特性。對空間信息服務(wù)而言，可視是體驗(yàn)性的基礎(chǔ)（Google Earth、Microsoft Virtual Earth），按需可量測是創(chuàng)造

7、性和差異性的保障，時空可挖掘則為關(guān)聯(lián)性的專業(yè)應(yīng)用提供技術(shù)保障，基于空間信息網(wǎng)格的服務(wù)平臺可有效地融合集成Web 2.0技術(shù)（如Ajax），為用戶提供互動的溝通服務(wù)。Web 2.0下空間信息服務(wù)需求體系如圖1所示：圖1 Web 2.0空間信息服務(wù)需求體系Fig 1 Geo-Spatial Information Service Requirements on Web 2.0Web 2.0空間信息服務(wù)需求體系需求層數(shù)據(jù)層技術(shù)層體驗(yàn)性溝通性差異性創(chuàng)造性關(guān)聯(lián)性可視化可量測可挖掘VR+SVGCSS+XHTM+AJAXGridData Mining可視可量可挖掘?qū)嵕坝跋癜藗鹘y(tǒng)地圖所不能表現(xiàn)的空間語義，

8、是代表地球?qū)嶋H的物理狀況，帶有和人們生活環(huán)境相關(guān)的社會、經(jīng)濟(jì)和人文知識的“地球全息圖”。因此，可視可量測可挖掘的實(shí)景影像地圖所包含的豐富地理、經(jīng)濟(jì)和人文信息是聚合用戶數(shù)據(jù)、創(chuàng)造價值、實(shí)現(xiàn)空間信息社會化服務(wù)的數(shù)據(jù)源，是完全符合Web2.0模式的新型數(shù)字化測繪成果?？闪繙y實(shí)景影像是指一體化集成融合管理的時空序列上的具有像片絕對方位元素的航空/航天/地面立體影像（Digital Measurable Image，第5D產(chǎn)品）的統(tǒng)稱。它不僅直觀可視，而且通過相應(yīng)的應(yīng)用軟件、插件和API讓用戶按照其需要在其專業(yè)應(yīng)用系統(tǒng)進(jìn)行直接瀏覽、相對測量（高度、坡度等）、絕對定位解析測量和屬性注記信息挖掘能力，而具有

9、時間維度的DMI在空間信息網(wǎng)格技術(shù)上形成歷史搜索探索挖掘，為通視分析、交通能力、商業(yè)選址等深度應(yīng)用提供用戶自身可擴(kuò)展的數(shù)據(jù)支持。所以，DMI是滿足Web 2.0的新型數(shù)字化產(chǎn)品，是體現(xiàn)從專業(yè)人員按規(guī)范量測到廣大用戶按需要量測的跨越。時空序列上的航空/航天立體影像可來源于對地觀測體系中4D產(chǎn)品庫。但是，其垂直攝影與人類的視覺習(xí)慣差異較大，要實(shí)現(xiàn)可視可量測可挖掘需要進(jìn)行專門訓(xùn)練，而且它不包含垂直于地面的第三維街景信息。而海量的具有地理參考的高分辨率(cm)地面實(shí)景立體像對符合近地面人類活動的視覺習(xí)性，并且包含實(shí)地可見到的社會、人文和經(jīng)濟(jì)信息，因此地面移動測量系統(tǒng)獲取的可量測街景影像應(yīng)作為可視可量測

10、可挖掘?qū)嵕坝跋耋w系的優(yōu)選產(chǎn)品。移動道路測量技術(shù)作為一種全新的測繪技術(shù)，它是在機(jī)動車上裝配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，特別是城市道路兩旁要素的按需測量。特別要指出的是，移動測量獲得的原始影像數(shù)據(jù)與相應(yīng)的外方位元素可自動整合建庫，而上面的按需測量是由用戶在網(wǎng)上自行完成的，所以移動測量獲取的數(shù)據(jù)就不再需要專業(yè)測量人員加工，可直接成為上網(wǎng)的測繪成果。因此，應(yīng)當(dāng)將這樣的可量測實(shí)景影像（DMI）作為城市空

11、間數(shù)據(jù)庫中4D產(chǎn)品的重要補(bǔ)充，構(gòu)建城市新一代的5D數(shù)字產(chǎn)品庫。根據(jù)已進(jìn)行的試驗(yàn)，廣州市的DMI數(shù)據(jù)量約為1TB。四、可量測地面實(shí)景影像與4D集成現(xiàn)代信息技術(shù)、計(jì)算機(jī)網(wǎng)格技術(shù)、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)和數(shù)據(jù)庫技術(shù)的發(fā)展使得海量的DMI數(shù)據(jù)可以與傳統(tǒng)的4D產(chǎn)品可以進(jìn)行一體化無縫集成、融合、管理和共享，形成更為全面的、現(xiàn)時性強(qiáng)的、可視化并聚焦服務(wù)的5D國家基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)庫，如圖2所示?；谶@樣的空間數(shù)據(jù)庫，可以將移動測量系統(tǒng)沿地面街道獲取的DMI數(shù)據(jù)與由航片/衛(wèi)片加工的DOM、DLG和DEM按統(tǒng)一坐標(biāo)框架有機(jī)結(jié)合起來，從而構(gòu)成一個從宏觀到微觀、完全可視化的地理信息數(shù)字庫，實(shí)現(xiàn)空中飛行鳥瞰和街頭漫步徜徉。同時，

12、用戶可以在圖像上對地物進(jìn)行任意標(biāo)注，并將其鏈接到其他專業(yè)數(shù)據(jù)庫（人口數(shù)據(jù)庫、經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)庫、設(shè)備數(shù)據(jù)庫、設(shè)施數(shù)據(jù)庫等）中，真正實(shí)現(xiàn)地理信息、專業(yè)臺帳信息和圖片/影像信息的有機(jī)結(jié)合，更好地發(fā)揮空間信息服務(wù)的使用功效。該集成模式可用于大范圍的空間分析、通視分析、信號覆蓋分析等等，并可將做好的預(yù)案進(jìn)行多角度、全方位的三維立體瀏覽，可廣泛的應(yīng)用于數(shù)字戰(zhàn)場、應(yīng)急指揮、搶險救援等。位置服務(wù)GISGPSRS CSSGSIG空間信息共享服務(wù)平臺電子政務(wù)電子民務(wù)電子商務(wù)ERP數(shù)字地球圖2 5D國家基礎(chǔ)地理系信息數(shù)據(jù)庫Fig 2 NGI based on 5D(DEM/DOM/DLG/DRG/DMI)五、基于可量測實(shí)

13、景影像的空間信息服務(wù)體系（vLBS）基于位置的服務(wù)(LBS)被國際IT業(yè)界認(rèn)為是繼短消息服務(wù)(SMS)之后的殺手級應(yīng)用，具有上百億美元的市場價值。目前全球LBS主要基于4D產(chǎn)品，特別是采用了從粗到精的DOM、DLG和DEM的集成，其中高分辨率衛(wèi)星影像可提供米級的分辨率，部分城市還采用了3D房屋模型。其主要缺點(diǎn)是所提供的服務(wù)是需要判讀和理解的二維地形圖、影像圖，即使三維城市模型也不具備可量測可挖掘功能，不能最有效地反映真實(shí)地球表面三維現(xiàn)實(shí)，也缺少厘米級的可視可量測實(shí)景影像。為此，作者建議采用DMI與4D產(chǎn)品集成的5D產(chǎn)品來構(gòu)建新一代的空間信息服務(wù)系統(tǒng)（簡稱vLBS）。圖3為基于可量測實(shí)景影像的空

14、間信息服務(wù)的一個界面。圖中下方為DOM/DLG/DEM的集成GIS系統(tǒng)，上方為與鼠標(biāo)位置相對應(yīng)的可量測實(shí)景影像，右方為系統(tǒng)操作和屬性顯示界面。在這樣的系統(tǒng)環(huán)境下，用戶可以從空中遙感進(jìn)入地面，在高分辨率三維實(shí)景影像上漫游，去搜索興趣點(diǎn)(POI)，進(jìn)而可查詢圖形、屬性和實(shí)景影像。必要時可按需要在實(shí)景立體影像上進(jìn)行立體測量（絕對精度0.8-1m、相對精度3-5cm），從而更好地滿足各類用戶的需求和充實(shí)用戶的參與感和創(chuàng)造力，也同時可以實(shí)現(xiàn)攝影測量的大眾化。圖3基于可量測實(shí)景影像的空間信息服務(wù)Fig 3 Geo-spatial Information Service based on DMI這樣的基于可

15、量測實(shí)景影像的空間信息服務(wù)，無疑將明顯優(yōu)于目前國際上流行的Google Earth，Virtual Earth等一系列網(wǎng)上空間信息服務(wù)系統(tǒng)。結(jié)束語面對海量對地觀測數(shù)據(jù)和各行各業(yè)的迫切需求，我們面臨著數(shù)據(jù)又多又少的矛盾局面，一方面數(shù)據(jù)多到無法處理，另一方面用戶需要的數(shù)據(jù)又找不到，致使無法快速及時地回答用戶提出的問題。由移動道路測量技術(shù)獲取的可視、可量、可挖掘的實(shí)景影像DMI可以達(dá)到細(xì)至cm空間分辨率，實(shí)現(xiàn)聚焦服務(wù)的按需測量，應(yīng)作為第5D產(chǎn)品充實(shí)到國家地理基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)庫中?；诳闪繙y實(shí)景影像DMI的空間信息服務(wù)代表了下一代空間數(shù)據(jù)服務(wù)的新方向，并與空間信息網(wǎng)格服務(wù)、空間信息自動化、智能化、實(shí)時

16、化服務(wù)有機(jī)結(jié)合，實(shí)現(xiàn)空間信息大眾化，為全社會、全體公民提供直接服務(wù),從而達(dá)到做大信息化測繪的目標(biāo)。參考文獻(xiàn)1 李德仁：論智能化對地觀測系統(tǒng),測繪科學(xué)，2006,Vol.30(4):9-112 李德仁：21世紀(jì)測繪發(fā)展趨勢與我們的任務(wù)，中國測繪，2005（2）：36-373 李德仁等：空間信息多級網(wǎng)格的劃分方法及編碼研究，測繪學(xué)報，2006,Vol.35(1):52-564 李德仁：論廣義空間信息網(wǎng)格和狹義空間信息網(wǎng)格, J 遙感學(xué)報, 2005 , (2) .5 Web2.0：點(diǎn)亮網(wǎng)絡(luò)創(chuàng)新的靈感，2006互聯(lián)網(wǎng)大會，北京6 李德仁：移動測量技術(shù)及其應(yīng)用, 地理空間信息，2006,Vol.4(4

17、):1-57 李德仁、關(guān)澤群：空間信息系統(tǒng)的集成與實(shí)現(xiàn)，武漢：武漢測繪科技大學(xué)出版社，2000On Concept and Application of Digital Measurable Images- From 4D Production to 5D ProductionLi DerenLIESMARS, Wuhan UniversityWuhan, 430079Abstract:Facing to the next generation Internet and Web2.0, this paper describes how informational Geomatics can b

18、etter meet the increasing needs of end users in different application fields. Digitalized geospatial data, namely DEM/DOM/DLG/DRG, are only fundamental geospatial data which are produced according to specifications but not on demands. The author suggests that the existing 4D products can be combined and integrated with digital measurable imagery (DMI), a new digital product obtained from mobile mapping system in order to