基于车载三维测量技术的实景道路系统设计

汪致恒 李胜（等）

摘要：利用车载三维测量技术获取实景道路信息，开发系统对该信息进行管理、分析及应用。本文阐述了车载三维测量系统组成及数据获取原理，结合实际需求情况和管理特点，对三维实景道路系统进行了总体框架及功能设计，由此以ArcGIS Engine为平台可进行三维实景道路系统开发，实现实景漫游、数据查询、地图定位、最短路径分析、统计分析等功能。为数字城市建设及应用打下坚实基础。

关键词：数字城市 车载三维测量技术 实景道路 ArcGIS Engine 设计

1 概述

“数字城市”的建设过程中对城市建设、市民生活、经济发展逐渐带来效益和方便。地理信息逐渐从二维向三维发展，各行各业的三维地理信息需求急剧增长。现有共享平台的数据集是从基础地理信息数据库中提取了部分内容，又扩充了部分要素。然而平台数据集仍是二维数据，丢失了城市最重要的三维立面数据和详细的可视化环境信息，且数据表现形式简单，内容单调，无法支持行业用户的可视化应用及地理信息的深度挖掘。时效性更强，更精确，更全面的道路三维实景信息，作为城市地理信息的重要组成部分，复杂难以管理。因此建立道路系统对实景信息有效管理十分重要。本文以ArcGIS Engine组件为开发工具，在C#语言基础上，结合车载三维测量，ArcSDE，空间数据管理等技术，进行实景道路系统设计研究。

2 实景道路系统框架及具体功能

2.1 系统框架

道路实景信息数据量庞大，系统综合性强且复杂，系统的设计应按软件工程的规范程序进行，结构框架要科学合理，并力求提高系统工作效率及各项性能指标。实景道路系统整体框架如图1所示。系统采用4层结构构架，分别是表示层、逻辑层、数据层、支撑层。

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图1 系统框架

2.2 系统功能设计

本系统包含4个模块，如：地图浏览控制模块、数据查询模块、数据统计分析模块、数据编辑模，各模块的具体功能如图2所示。

2.3 具体功能

本系统实现了以下四大功能：

①地图控制模块：具有TMS街景漫游、二维地图展示、地图定位、要素选择、量测等功能。

②查询模块：具有要素空间与字段属性识别、多形状选择查询、缓冲区查询等功能。

③统计分析模块：具有缓冲区分析、最短路径分析、影响区分析等功能。

④数据编辑模块：具有分割线、分割面要素、添加图例、添加指北针等功能。

3 实景道路系统建设关键技术

3.1 车载三维测量技术

3.1.1 系统介绍

移动测量技术是当今测绘界最为前沿的技术之一。车载三维全景激光移动测量系统是将多种传感器，如全球定位系统（GPS）、惯性测量单元（IMU）、立体相机、全景相机、激光扫描仪（LIDAR）等，集成在车载平台上，沿道路采集空间地理信息数据，并在内业环境中对采集得到的数据进行进一步加工，生成专题成果图。全景激光移动测量系统能够实现沿道路的基础地理信息数据快速更新，与人工测绘、航测相结合，能够形成点状、带状与面状空间数据测绘的完整解决方案。

3.1.2 系统组成

系统由六个分系统组成，如图3所示。

3.1.3 系统工作原理

系统采用高分辨率数字图像采集技术、GPS/IMU定位定姿技术、直接地理参考技术、近景摄影测量技术、海量多源GIS数据融合处理和展现技术，使用高分辨率工业数字相机、测量型全球定位系统（GPS）接收机等传感器设备，在车载环境下实现高分辨率数字图像、连续位置姿态的同步综合采集。并事先对车载数字相机及GPS设备进行内方位元素检校。在获取原始的影像、GPS定位定姿数据后即可测量出相片上任何目标的绝对坐标及相对尺寸。通过多源数据融合处理手段，采集感兴趣地物的空间属性、几何属性及社会属性，建立专题GIS数据库。为道路系统采集更加形象、真实、精度更高的实景三维数据。

3.1.4 技术优势

①成果全面准确：运用激光移动采集系统采集到的数据成果有：各要素坐标、矢量数据以及连续高清的三维激光图像，数据链全面完整，精度远远在国家规范要求之上。

②能与多种数据源融合：激光移动测量获得的影像数据可以通过后台处理软件，与航片、卫片以及传统地形图进行有效融合，从而生成信息更为全面的地理信息系统。

③高效率：在测图方面测量车能以≤120km/h的速度进行外业测图，采集结果通过专业的数据处理软件可快速进行编辑处理。相比传统导航图测成图方式，能将测图效率提升10倍以上。

④真实三维场景：由360度连续全景和激光点云无缝融合后，使实景地图具备纵深概念的，并不再是平面图片，而是具备真实三维坐标的实景地图。

3.2 ComGIS

组件式地理信息系统（ComGIS）是将计算机软件开发的组件的思想与技术在GIS软件开发中的应用，它是指基于组件对象的开放平台，以自定义的一组标准通信接口的、允许跨语言的组件为平台提供主要GIS功能的地理信息系统。此技术，GIS组件有使空间数据管理更灵活，使实景道路系统开发更为高效、简单、方便，应用功能更强大等优点。

3.3 基于ArcGIS Engine的集成二次开发

ArcGIS Engine是由esri公司提供的用于开发GIS组件的完整类库。其具有功能性能较为完善的分析模块、查询模块、统计模块、图形模块等。各个模块能轻松简便的使用API与接口进行调用。如：多图层显示地图、地图的漫游和缩放、查询和搜索要素、显示航片或卫星影像、编辑显示图形要素。

3.4 空间数据的管理

由于标准的SQL并不支持空间数据，所以使用ArcSDE这种中间件技术，让它用关系数据库来存储、管理复杂的空间地理数据，支持空间关系运算和空间分析等地理信息系统功能，解决了关系数据库与应用程序之间的数据接口问题。同时用户可以透明地方便地访问空间地理数据，而不必考虑数据的格式、存储位置、方式和数据结构等问题。ArcSDE有高性能的DBMS通道、开放的DBMS支持、连续可伸展的数据库、丰富的地理信息数据模型、灵活的配置等特点。这些都为实景道路系统的数据提供了强有力的支撑。

4 结语

通过车载三维测量技术获取三维实景数据，利用这些数据开发实景道路系统，从而建立实景可视化的道路地理信息系统数据库，将城市道路全貌在电脑中实景化再现。该系统提供了360度自由旋转浏览全景影像、最优路径分析等服务，更加方便、高效地实现了三维实景道路信息的科学化应用及信息化管理，满足了“数字道路，精准管理”的要求。随着移动测量、实景影像等技术的不断发展与完善，不仅能提升整个GIS技术的应用价值，还将极大提升地理信息产业的发展与服务空间，为城市信息化和“数字城市”的建设提供有效技术保障。

参考文献：

[1]刘金龙.基于ArcGIS Engine开发的大连市路灯地理信息系统[D].大连：大连理工大学，2007.

[2]立得空间信息技术股份有限公司.车载三维全景激光移动测量系统用户手册[Z].2012.

[3]立得空间信息技术股份有限公司.移动测量及实景三维GIS技术应用集锦[Z].2013.

[4]易延光，黄洪彬.车载移动测量系统的构成与应用[J].黑龙江水利科技，2011（03）：284-285.

[5]谭德宝，张煜，余峰，等.车载移动基础地理信息采集与三维建模系统[J].人民长江，2012（8）.

基金项目：

测绘地理信息公益性行业科研专项经费资助（201412010）；四川省测绘地理信息局科技计划项目资助（编号：J2013ZH02）；四川省应急测绘保障与地质灾害监测工程技术研究中心开放基金资助（K2014B014）；四川省测绘地理信息局科技计划项目资助（J2013ZC04）。

作者简介：汪致恒（1993-），男，四川新都人，本科，攻读测绘工程专业。