可量測(cè)實(shí)景影像的概念與應(yīng)用-李德仁院士

1、 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)品李德仁武漢大學(xué) 測(cè)繪遙感信息工程國(guó)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(cè)繪如何更好地滿足社會(huì)各行各業(yè)日益增長(zhǎng)的需求。數(shù)字化測(cè)繪是利用4D產(chǎn)品（DEM、DOM、DLG和DRG）實(shí)現(xiàn)了測(cè)繪成果的數(shù)字化。但4D產(chǎn)品是按規(guī)范測(cè)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(cè)繪要直接向社會(huì)提供空間信息服務(wù)，為此，作者建議將移動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)所獲得的可量測(cè)實(shí)景影像作為新的數(shù)字化測(cè)繪產(chǎn)品與4D產(chǎn)品集成，以推進(jìn)按需測(cè)量的空間信息服務(wù)。文中扼要介紹了可量測(cè)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(cè)繪 可量測(cè)實(shí)景影像 空間信息服務(wù) 按需測(cè)量以網(wǎng)格技術(shù)為代表的第三次Internet浪潮給信息化測(cè)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(duì)“按規(guī)范測(cè)量”的傳統(tǒng)提出了極大的挑戰(zhàn)。如何提供“按需測(cè)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(cè)實(shí)景影像的空間信息服務(wù)將為上述問(wèn)題的解決提供一個(gè)切實(shí)可行的道路。以下將扼要介紹可量測(cè)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(cè)繪的本質(zhì)是為社會(huì)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(dòng)化、智能化和實(shí)時(shí)化地回答何時(shí)（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(shí)空信息（即4W）隨時(shí)隨地提供給每個(gè)人，服務(wù)到每件事（4A服務(wù)：Anyone，Anything，Anytime and Anywhere）。從這個(gè)意義上講，我們必須大力推進(jìn)信息化測(cè)繪的建設(shè)。要在已經(jīng)建成的數(shù)字化測(cè)繪的體系上，抓好測(cè)繪生產(chǎn)內(nèi)外業(yè)一體化、數(shù)據(jù)更新實(shí)時(shí)化、測(cè)繪成果數(shù)字化和多樣化、測(cè)繪服務(wù)網(wǎng)絡(luò)化和測(cè)繪產(chǎn)品社會(huì)化。而信息化測(cè)繪的本質(zhì)和目標(biāo)是為社會(huì)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(wèn)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(zhǎng)期以來(lái)，測(cè)繪地形圖是測(cè)繪的任務(wù)和目標(biāo)，當(dāng)前測(cè)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(huì)各行各業(yè)對(duì)空間信息的需求。大量用戶需要的與專業(yè)應(yīng)用和個(gè)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(hào)碼）、交通部門的交通信息、個(gè)人位置要求的快餐廳等細(xì)小的信息，這些均無(wú)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(lái)自4D產(chǎn)品的僅占20%，其余80%需要通過(guò)實(shí)地調(diào)查來(lái)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(wàn)個(gè)物件。問(wèn)題出在什么地方？主要問(wèn)題由從原始的來(lái)自客觀世界的影像經(jīng)過(guò)測(cè)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(cè)影像作為產(chǎn)品（連同量測(cè)軟件）直接提供給客戶，由用戶按需求去量測(cè)呢？三、可量測(cè)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(duì)（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(cè)影像（Digital Measurable Images）

6、存儲(chǔ)和管理起來(lái)，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(cè)、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(lái)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(duì)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(cè)是創(chuàng)造

7、性和差異性的保障，時(shí)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(tái)可有效地融合集成Web 2.0技術(shù)（如Ajax），為用戶提供互動(dòng)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(cè)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(yǔ)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(huì)、經(jīng)濟(jì)和人文知識(shí)的“地球全息圖”。因此，可視可量測(cè)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(jià)值、實(shí)現(xiàn)空間信息社會(huì)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(cè)繪成果?？闪繙y(cè)實(shí)景影像是指一體化集成融合管理的時(shí)空序列上的具有像片絕對(duì)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(guò)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(duì)測(cè)量（高度、坡度等）、絕對(duì)定位解析測(cè)量和屬性注記信息挖掘能力，而具有

9、時(shí)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(cè)到廣大用戶按需要量測(cè)的跨越。時(shí)空序列上的航空/航天立體影像可來(lái)源于對(duì)地觀測(cè)體系中4D產(chǎn)品庫(kù)。但是，其垂直攝影與人類的視覺(jué)習(xí)慣差異較大，要實(shí)現(xiàn)可視可量測(cè)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(duì)符合近地面人類活動(dòng)的視覺(jué)習(xí)性，并且包含實(shí)地可見(jiàn)到的社會(huì)、人文和經(jīng)濟(jì)信息，因此地面移動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)獲取的可量測(cè)街景影像應(yīng)作為可視可量測(cè)

10、可挖掘?qū)嵕坝跋耋w系的優(yōu)選產(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)，它是在機(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，特別是城市道路兩旁要素的按需測(cè)量。特別要指出的是，移動(dòng)測(cè)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(dòng)整合建庫(kù)，而上面的按需測(cè)量是由用戶在網(wǎng)上自行完成的，所以移動(dòng)測(cè)量獲取的數(shù)據(jù)就不再需要專業(yè)測(cè)量人員加工，可直接成為上網(wǎng)的測(cè)繪成果。因此，應(yīng)當(dāng)將這樣的可量測(cè)實(shí)景影像（DMI）作為城市空

11、間數(shù)據(jù)庫(kù)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(kù)。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(cè)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(kù)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(wú)縫集成、融合、管理和共享，形成更為全面的、現(xiàn)時(shí)性強(qiáng)的、可視化并聚焦服務(wù)的5D國(guó)家基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)庫(kù)，如圖2所示?；谶@樣的空間數(shù)據(jù)庫(kù)，可以將移動(dòng)測(cè)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(lái)，從而構(gòu)成一個(gè)從宏觀到微觀、完全可視化的地理信息數(shù)字庫(kù)，實(shí)現(xiàn)空中飛行鳥(niǎo)瞰和街頭漫步徜徉。同時(shí)，

12、用戶可以在圖像上對(duì)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(kù)（人口數(shù)據(jù)庫(kù)、經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)庫(kù)、設(shè)備數(shù)據(jù)庫(kù)、設(shè)施數(shù)據(jù)庫(kù)等）中，真正實(shí)現(xiàn)地理信息、專業(yè)臺(tái)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(hào)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(chǎng)、應(yīng)急指揮、搶險(xiǎn)救援等。位置服務(wù)GISGPSRS CSSGSIG空間信息共享服務(wù)平臺(tái)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(guó)家基礎(chǔ)地理系信息數(shù)據(jù)庫(kù)Fig 2 NGI based on 5D(DEM/DOM/DLG/DRG/DMI)五、基于可量測(cè)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(guó)際IT業(yè)界認(rèn)為是繼短消息服務(wù)(SMS)之后的殺手級(jí)應(yīng)用，具有上百億美元的市場(chǎng)價(jià)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(jí)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(cè)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(jí)的可視可量測(cè)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(lái)構(gòu)建新一代的空間信息服務(wù)系統(tǒng)（簡(jiǎn)稱vLBS）。圖3為基于可量測(cè)實(shí)景影像的空

14、間信息服務(wù)的一個(gè)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(duì)應(yīng)的可量測(cè)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(shí)可按需要在實(shí)景立體影像上進(jìn)行立體測(cè)量（絕對(duì)精度0.8-1m、相對(duì)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(shí)可以實(shí)現(xiàn)攝影測(cè)量的大眾化。圖3基于可量測(cè)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(cè)實(shí)景影像的空間信息服務(wù)，無(wú)疑將明顯優(yōu)于目前國(guó)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(yǔ)面對(duì)海量對(duì)地觀測(cè)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(wú)法處理，另一方面用戶需要的數(shù)據(jù)又找不到，致使無(wú)法快速及時(shí)地回答用戶提出的問(wèn)題。由移動(dòng)道路測(cè)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(cè)量，應(yīng)作為第5D產(chǎn)品充實(shí)到國(guó)家地理基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)庫(kù)中。基于可量測(cè)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(dòng)化、智能化、實(shí)時(shí)

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(huì)、全體公民提供直接服務(wù),從而達(dá)到做大信息化測(cè)繪的目標(biāo)。參考文獻(xiàn)1 李德仁：論智能化對(duì)地觀測(cè)系統(tǒng),測(cè)繪科學(xué)，2006,Vol.30(4):9-112 李德仁：21世紀(jì)測(cè)繪發(fā)展趨勢(shì)與我們的任務(wù)，中國(guó)測(cè)繪，2005（2）：36-373 李德仁等：空間信息多級(jí)網(wǎng)格的劃分方法及編碼研究，測(cè)繪學(xué)報(bào)，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(bào), 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(huì)，北京6 李德仁：移動(dòng)測(cè)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(cè)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