宁波市可量测实景影像的研究与建设

1 引言

随着信息技术、网络通信技术、航天遥感和宇航定位技术的发展，地球空间信息学本世纪将形成海陆空天一体化的传感器网络并与全球信息网格相集成，从而实现自动化、智能化和实时化地回答何时(When)、何地(Where)、何目标(What Object)发生了何种变化(WhatChange)，并且把这些时空信息(即4W)随时随地提供给每个人，服务到每件事(4A服务: Anyone，Anything，Anytime and Any-where)。从这个意义上讲，必须大力推进信息化测绘的建设。要在已经建成的数字化测绘的体系上，抓好测绘生产内外业一体化、数据更新实时化、测绘成果数字化和多样化、测绘服务网络化和测绘产品社会化。而信息化测绘的本质和目标是为社会提供空间信息服务，回答各类用户提出的与空间位置有关的问题。

长期以来，测绘地形图是测绘的任务和目标，当前测绘成果称为4D产品，即数字高程模型(DEM)、数字正射影像(DOM)、数字线划地图(DLG)和数字栅格地图(DRG)。这些产品是由作业员根据规范的要求从原始航空/航天影像上采集、加工制作的。它们是有限的基础信息，称为基础地理信息，不能满足社会各行各业对空间信息的需求。大量用户需要的与专业应用和个人生活相关的信息，如电力部门的电力设施、市政城管的市政设施、公安部门重点布防设施(消防栓、门牌号码)、交通部门的交通信息、个人位置要求的快餐厅等细小的信息，这些均无法涵盖在传统的4D产品中。例如公安地理信息系统中的基本信息来自4D产品的仅占20%，其余80%需要通过实地调查来补充。问题出在什么地方?主要问题由从原始的来自客观世界的影像经过测绘人员按规范加工后，只保留了基本要素，而将上述原始影像中包涵的大量信息给删除掉了。为什么不能将原始的可量测影像作为产品(连同量测软件)直接提供给客户，由用户按需求去量测呢?

如果将原始的立体影像对(地面、航空或者航天影像)，连同他们的外方位元素一起作为数字影像(Digital Measurable Images)存储和管理起来，并在互联网上提供必要的使用软件，就有可能直接由用户根据其需要去搜索、量测、调绘和标注出他们所需要的空间目标的信息。［1］

2 概念

一种新型的测绘产品——DMI可量测实景影像正是在这种情况下提出来的。国家测绘局已正式颁布了有关DMI的国家技术标准文件，在标准文件中正式将DMI纳入了基础地理信息产品范畴，并将其定义为4D产品的补充。具体如下：

可量测实景影像（Digital Measurable Image，简称DMI）是一种以地面近景摄影测量立体影像文件及其外方位元素构成的基础地理信息产品，通过可量测实景影像提供的开发包可直接对立体影像进行测量、信息提取并与其他基础地理信息产品集成，是我国基础地理信息数据库为适应按需测量采集更新空间信息的一种新的产品。可量测实景影像主要由立体影像对、外方位元素描述文件和开发包组成。可量测实景影像可通过移动道路测量系统采集得到，并可以通过开发包与4D产品无缝集成，是对我国4D基础地理信息产品进行有效补充的一种重要产品。

与平面投影的4D产品不同的是，DMI是一种地面近景可量测影像，主要按照人的视角提供详细的城市立面信息，包括：城市部件信息、建筑物外立面信息、道路及附属设施信息、POI信息、城市详细的环境信息、地形信息、自然景观信息以及反映城市现状的社会、经济乃至人文类信息等。DMI不是一种经过修饰、裁剪的测绘产品，而是以高清晰度、高分辨率影像的方式来直接反映制图物体以及自然环境的原貌，它既包含了所要量测的目标地物信息，又包括了与之有着物理相关的各种自然和社会信息。对于行业用户而言，既可从DMI中提取所需要的业务要素，又可进行数据的挖掘，更好满足管理与决策上的高级应用。对于公众而言，影像是客观世界的最直观和最真实的写照，也是无需专业知识判读，最易理解的“数字城市”，可直接回答公众有关城市地理信息方面的问题。［2］

具有时间维度的DMI在空间信息网格技术上形成历史搜索探索挖掘，为通视分析、交通能力、商业选址等深度应用提供用户自身可扩展的数据支持。所以，DMI作为一种新型数字化产品，是体现从专业人员按规范量测到广大用户按需要量测的跨越。［1］

3 DMI理论基础

3.1 移动道路测量系统（MMS）

移动道路测量技术作为一种全新的测绘技术，它是在机动车上装配GPS(全球定位系统)、CCD (成像系统)、INS/DR(惯性导航系统或航位推算系统)等传感器和设备，在车辆高速行进之中，快速采集道路前方及两旁地物的可量测立体影像序列(DMI)，这些DMI具有地理参考，通过统一的地理参考和摄影测量解析处理，实现无控制的空间地理信息的采集和建库。并根据应用需要进行各种要素，特别是城市道路两旁要素的按需测量。［1］

需要指出的是，移动测量获得的原始影像数据与相应的外方位元素可自动整合建库，而按需测量是由用户在网上自行完成的，所以移动测量获取的数据就不再需要专业测量人员加工，可直接成为上网的测绘成果。

3.2 DMI原理

图1 DMI原理图

图1中，假设需测量点A与点B之间的距离。在MMS中，可以获得到左右像片的内外方位元素，并按某种规则将左右像片投影到全景图上，点A、B在全景图的投影分别为AP、BP，点A在左右像片上的投影点分别为A1、A2，点B在左右像片上的投影点分别为B1、B2。A1与A2、B1与B2并不一定重合，为叙述和作图方便假设它们重合。

由于我们看到的是全景图，因此要量测A与B之间的距离，首先要知道AP、BP在全景图中的位置，这个可以根据鼠标在屏幕中的位置和全景图此时旋转的角度及视角来确定；其次，就点AP而言，根据将左右像片投影到全景图的规则的逆过程，由AP推导出点A在左右像片上的像平面坐标A1和A2；再由坐标A1和A2、左右像片的内外方位参数，利用共线方程即可求出点A的坐标，同理可求出点B的坐标，即可求出点A与点B之间的距离。

由上面可知，可以计算出任一点的真实坐标，从而可以计算出距离、周长、面积等等想知道的未知量。

DMI数据组织图

上图为DMI数据组织图，由MMS采集数据后得到可量测立体影像序列DMI，DMI由许多单个可量测立体影像组成，每个可量测立体影像中应该包括一副全景图、6张像片及每张像片的内外方位元素和像片向全景图投影的规则，其中的数据也按此方法进行组织。在实际操作过程中，根据需要还应建立可量测立体影像与二维地图之间的索引，以满足单个可量测立体影像与二维地图之间进行互动；各可量测立体影像之间进行切换等等。

在最大限度地采集了各种道路综合信息之后，通过相应的数据处理软件，可方便地将各种位置数据，属性数据以及图像进行后处理，最后存储在开放式的数据库中，并可输出形成各种适应于不同需要的数字地图成果（如：导航电子地图等）。另外，用移动测量采集的数据也可与传统人工测量所得数据以及航片、卫片资料相结合，从而形成更为全面的地理信息系统。

4 DMI系统功能

4.1 可视化信息浏览功能

● 固定路段的活动影像浏览：指定路段，采用幻灯片方式进行影像数据的浏览，能够前一帧和后一帧的方式控制，也可以系统自动播放。

● 对定制路段活动影像的浏览：指定一条线路，该线路可能是通过路径搜索或手工指定获取的路线。浏览的方式与固定路段的活动影像浏览方式相同。

● 地图点击浏览：用户点击地图，可以方便查看地图空间点附近的最近影像，提供按需测量的功能。

4.2 影像标注功能

标注点可以方便的查询。标注的信息记录在数据库中。标注的具体内容如下：

● 标注类型：重点保护单位标注、案件标注、交通事件标注等等。可以根据应用要求，订制标注内容。

● 对于数据库中已经存在的点状兴趣点，可以通过工具在人工参与的情况下把这些点状地物也标注在影像上。

● 标注的信息（如标注ID、用户自定义属性（编码、名称、分类等）、标注对应的影像和标注在影像上的位置），既可以保存在服务器的标注库中，也可以保存在客户GIS数据库中，具体根据开发方式而定。

4.3 影像量测功能

能够在近景影像图片上进行量测，具体如下：

● 地物尺寸：地物的长宽高量测，通道的宽度量测。

● 空间坐标：提供地物的空间坐标的量测。

5 DMI应用领域

5.1 城市部件管理中的应用

城市部件是最基本的城市要素，具有最明确的产权单位或管理维护单位.按照城市管理功能分为公用设施类、道路交通类、市容环境类、园林绿化类、房屋土地类和其它等六大类，如井盖、路灯、交通标志牌等。

DMI在城市部件管理中的应用主要有：

1) 实景影像是对万米单元网格管理的补充。

城市万米单元网格系统在我国已经得到广泛应用，尽管管理过程中出现了一些问题，但总体效果比较满意.城市立面街景影像的应用，没有摈弃原有的万米网格系统，而是在其基础上解决万米网格系统无法解决的问题，实现对城市万米网格系统的优化。

2) 城市部件影像量测

为了给室内执法检查提供便利条件，为执法人员提供执法依据，新的管理手段提供了部件规格的测量功能.通过近景立体影像对提供的坐标量测功能，可以确定影像上任意一个点的坐标，从而可以计算两点的距离.获取部件的规格要素属性主要包括长度、面积、高度等。

3) 城市立面街景影像采取浏览和测量双模式

根据城市管理应用需求，结合MMS采集影像的方位，城市立面街景影像的应用可采取两种模式，一种是能够提供广角视野的浏览模式，便于大视角浏览城市街景和道路左侧、前方、右侧的城市部件，为其管理决策提供服务；另一种是利用可量测实景影像，进行部件量测和添加部件的测量模式，便于发现未普查到的部件并将其添加到数据库，也方便城管执法人员在计算机前判别违规和不合理的部件和事件，使其执法有理可据。

4) 城市立面街景影像多种关联关系的建立

应用城市立面街景影像进行城管部件管理，最基本的目的就是要实现在定位到地图部件的同时能观察到部件的影像.因此，无论采取哪种模式，都必须建立城市立面街景影像多种关联关系，即影像与地图关联、影像与道路关联、影像与部件关联、影像与视频关联.影像与地图关联可以实现将城市立面街景影像定位到所在地图位置；影像与道路关联可以实现将城市立面街景影像定位到某一条道路；影像与部件关联可以实现点击地图部件的同时，观察部件影像；影像与视频关联可以实现在观察影像的同时浏览连续视频与音频信息。

5.2 公路上的应用

1) 公路综合管理

在采用移动道路测量系统获取的可视、可量、可挖掘的地面立体影像对序列的基础上，对可量测实景影像进行测量与任意标注，并将其链接到其他专业数据库中，真正实现公路地理信息、专业台帐信息和可视化影像信息的有机结合，从而为各业务、应用和服务系统提供一个完全真实的数字公路平台，进而为公路发展规划、路网布局、公路建设、公路灾害的有效预测、预警、预报以及突发性事件快速处理提供决策支持及公众服务，最终实现公路信息化、可视化和智能化管理。

2) 公路路政管理

公路路政巡检部门为了确保所辖区域内公路线路的正常运作，需要派出路政巡检人员定期对公路及所附属的构造物和路况质量进行检查、评定，还需要对公路的养护管理资料进行更新、存储、分析，并且为养护管理人员提供数据分析以提高管理质量。通过便携式系统、移动巡查车系统和固定监控系统可极大提高效率。

3) 公路养护管理

养护是公路管理部门的主要业务，基于实景三维影像的公路综合管理系统可以为公路养护提供全方位的支持。通过公路巡查车系统和便携式系统实时对道路进行监控，完成从病害检测、养护计划下达、养护竣工验收的闭环管理。

4) 公路应急指挥

因交通事故、隧道火灾、台风、暴雨等自然灾害侵害常常会引发公路及附属设施损坏，使公路无法正常运行的情况。为保证在突发性灾害发生时，减少损失，尽快恢复正常秩序，必须要建立一套完善的公路应急抢险系统和应急储备体系，基于实景三维影像的公路综合管理系统能够提供对公路应急管理的全面支持。

5.3 公安系统上的应用

在公安系统中的应用主要有：以房管人；以人查房；案、事件查询；建筑物高度、通道高度/宽度、射击/通视距离等测量；实时监控（动、静结合）；接、处警精确定位；警用车辆（人员）定位、跟踪；警戒路线等。

在通道高度/宽度、射击/通视距离等测量的应用中，警用用户关心的设施和设备的几何属性：长、宽、高、面积，也可以通过在立体影像对上的测量获取，如通过对重点地物的几何属性（建筑物高度、通道高度/宽度、射击/通视距离等）进行快速测量，可满足公安用户的安保部署、反恐等多方面的应用需求。

5.4 在其它领域中的应用

一个典型的公众出行服务系统包括以下子系统：出行信息发布和查询子系统；路径选择子系统；实景导航子系统。

6 宁波市DMI建设应用现状

宁波院目前正在开展重点区域的全景影像数据库建设，目前已经完成了部分区域的数据采集工作。该数据库可以为数字城管、公安等提供全景影像服务。对于重点关注的线路、地区和部位，均可将其实景图像拍摄下来存放在数据库中。可以加强对重点地段和部位的可视化管理。

为圆满完成世博会“环沪护城河”安保任务，宁波院依托自己建立的城市三维仿真数据库，综合应用三维数字地图、数字侧视地图、可量测实景影像等新测绘产品，360度展示安保区域景观，静态动态结合、精确度与清晰度高，可模拟比较多套安保方案，有效提高了处置突发事件和执行世博安保能力。

为不断提高测绘保证能力，宁波院通过基础测绘现代化技术装备建设，进行测绘产业升级，2010年初采购了数字实景影像采集系统。目前，在正在开展的“宁波市基础测绘十二五规划”中，宁波市准备把DMI的生产和处理纳入到基础测绘范畴，保证市规划区主要道路的实景影像的采集、加工、建库和维护。

7 结论

面对海量对地观测数据和各行各业的迫切需求，我们面临着数据既多又少的矛盾局面，一方面数据多到无法处理，另一方面用户需要的数据又找不到，致使无法快速及时地回答用户提出的问题。由移动道路测量技术获取的可视、可量、可挖掘的实景影像DMI可以实现聚焦服务的按需测量。［1］

可量测实景影像包含有丰富的空间信息、属性信息以及社会人文、环境信息，具有可视化、可量测、可挖掘的特点，可量测实景影像在城市部件管理、公路应用、公安系统等的应用极大地减轻了人员的劳动强度，提高了工作的服务效率和群众满意度，实现了对空间、时间和责任上的精确定位，而且有连续的视频和多角度立面影像记录，使城市管理、公路应用、公安系统等转向精确的可视化管理。

基于可量测实景影像DMI的空间信息服务代表了下一代空间数据服务的新方向，并与空间信息网格服务、空间信息自动化、智能化、实时化服务有机结合，实现空间信息大众化，为全社会、全体公民提供直接服务，从而达到做大信息化测绘的目标。