新型基础测绘产品体系及技术实现研究

2020-01-14彭清山曹文涛李海亭郭明武

城市勘测 2019年6期

彭清山，曹文涛，李海亭，郭明武

(武汉市测绘研究院，湖北武汉 430022)

1 引言

基础测绘是指建立全国统一的测绘基准和测绘系统，进行基础航空摄影，获取基础地理信息的遥感资料，测制和更新国家基本比例尺地图、影像图和数字化产品，建立、更新基础地理信息系统[2]。基础测绘是为经济社会发展和国防建设提供基础地理信息的基础性、公益性事业，是实现经济社会可持续发展的基础条件和重要保障。

《国务院关于全国基础测绘中长期规划纲要(2015-2030年)的批复》提出：“到2030年新型基础测绘体系全面建成”[3]。2019年1月21日，自然资源部批准同意武汉市作为新型基础测绘建设试点城市，要求武汉市充分利用自身优势和已有基础，围绕自然资源“两统一”管理需求，同时为履行好《测绘法》赋予的为经济建设、国防建设、社会发展和生态保护提供全方位服务的职责，探索基础测绘转型升级之路，以基础测绘产品体系升级改造为牵引，带动技术体系、生产组织体系和管理体系的创新，形成系列标准政策。

本文从产品体系以及关键技术角度着手，在分析传统基础测绘产品的基础上，对新型基础测绘的产品体系和实现技术进行了研究。

2 传统基础测绘产品及主要实现技术

2.1 传统基础测绘产品形式

传统基础测绘产品是以DOM(数字正射影像图)、DEM(数字高程模型)、DLG(数字线划地图)和DRG(数字栅格地图)等4D产品为代表。由于受可视化表达介质的限制和影响，在模拟测绘和数字测绘阶段4D产品往往都以图幅的方式进行组织，其内容都是反映物理世界某个方面的特征。

DOM是对航空(或航天)像片进行数字微分纠正和镶嵌，按一定图幅范围裁剪生成的数字正射影像集，反映的是物理世界正视方向的纹理特征。它是同时具有地图几何精度和影像特征的图像。DOM具有精度高、信息丰富、直观逼真、获取快捷等优点。

DEM是通过有限的地形高程数据实现对地面地形的数字化模拟(即地形表面形态的数字化表达)，它是用一组有序数值阵列形式表示地面高程的一种实体地面模型，反映的是物理世界高差特征。它可派生出等高线、坡度图等信息，也可与DOM或其他专题数据叠加，用于与地形相关的分析应用。

DLG是利用点、线、面等几何图形对物理世界进行对象化抽象表达，反映的是物理世界空间几何特征。它的数据量小，一般按分类分层组织，能快速生成专题地图，能满足地理信息系统进行各种空间分析要求，可随机地进行数据选取和显示，与其他几种产品叠加，便于分析、决策。

DRG是根据现有纸质、胶片等地形图经扫描和几何纠正及色彩校正后，形成在内容、几何精度和色彩上与地形图保持一致的栅格数据集。它的地图地理内容、外观视觉式样与同比例尺地形图一样，可作为背景用于数据参照或修测拟合其他地理相关信息，使用于DLG的数据采集、评价和更新，还可与DOM、DEM等数据信息集成使用，从而派生出新的可视信息，从而提取、更新地图数据，绘制纸质地图。

2.2 传统基础测绘产品分级与分类

传统基础测绘产品主要根据成图比例尺来进行分级，4D产品都是按照不同的比例尺进行产品的设计和生产，如 1∶500、1∶2 000和 1∶10 000等。不同比例尺的4D产品，分别由国家、省、市(县)分级管理和负责。成图比例尺越大，DLG所要求的定位精度越高，DEM所要求的格网间距越小，DOM所要求的地面抽样间隔(GSD)越小。

传统基础测绘产品主要根据数据结构进行分类，一般分为矢量数据和栅格数据。矢量数据主要是DLG；栅格数据则主要包DRG、DEM、DOM等。

2.3 传统基础测绘生产技术手段

20世纪中后期，我国城市基础测绘发展主要依靠平板仪、光学经纬仪、光学水准仪等生产工具；到了20世纪末和21世纪初，以GPS、RS和GIS为代表的3S技术以及网络RTK、全站仪和数字摄影测量工作站等技术手段变革了基础测绘的生产模式，测绘地理信息数据的采集、获取、处理和服务能力大大提升，有效地支撑了传统基础测绘产品体系的发展。

3 传统基础测绘产品所面临的挑战

虽然基础测绘已经历经几十年的发展，其成果为社会各领域提供了不可替代的基础性服务，但是在新形势下，也面临了许多挑战。

传统基础测绘产品在种类上难以全面反映测绘新技术的发展。随着遥感卫星技术、三维激光扫描、无人机测图、倾斜摄影、无人驾驶等技术的不断成熟和发展，革新了传统的数据采集模式和成果表达方式，出现了实景三维模型、真彩色点云、全景地图、全景视频流、高精地图等新型成果形式，传统基础测绘没有将这些新型成果纳入其范畴，其产品种类也无法反映新型测绘技术的发展方向和趋势。

传统基础测绘产品在信息深度上难以完整反映物理世界。传统基础测绘4D产品对于客观物理世界的抽象表达或过滤表达，越来越不能满足政府治理体系和治理能力现代化的要求，各行各业对于基础地理信息的精细度要求越来越高，如房产、消防、公安等部门要求房屋要素除了需要位置、形状、层次等信息外，还需要房屋的纹理、高度等信息，能够精确到栋、层和户。

传统基础测绘产品在数据组织上难以很好地反映地物空间逻辑关系。如在地形图中有道路边线、道路中线和道路面等要素，但是各要素间的关联无法有效组织表达，当统计某条道路的长度或者占地面积时，虽然地形图中有相关信息，但却无法很快地提供给用户想要的结果。传统基础测绘产品表征的客观物理世界对于其内在的关联关系鲜有描述，虽然“看得到”，但却没有将地物之间的空间拓扑和逻辑关系很好地反映出来。

传统基础测绘成果在应用上难以满足用户个性化的需求。现有的基础测绘成果是按照多年不变的标准生产的，虽然形式上变成了数字的，但执行的标准还是纸质地形图的标准，成果品种单一、社会经济和人文信息不全，基础测绘成果标准化、制式化的产品形式，不适应信息化社会和地理信息产业发展多样化的需求，也难以满足用户灵活化、精细化、个性化的需求。

随着互联网、大数据、人工智能等高新技术的发展，以3S为代表的传统基础测绘的技术体系迫切需要与之进行深度融合，突破了一些核心技术瓶颈，促进测绘技术体系的升级换代，这就倒逼我们必须创新测绘成果的形式与内涵，创新基础测绘生产技术手段、组织方式和服务模式，进而创新测绘行业管理政策机制，突破制约行业发展的政策障碍，因此开展新型基础测绘建设刻不容缓[4]。

面向自然资源管理新格局以及城市治理体系和治理能力现代化的需求，传统基础测绘产品必须在来源渠道、组织形式、产品种类、数据内容、生产方式和服务手段等方面进行变革，推动按比例尺分级测绘向按地理实体分级测绘转变[5，6]、系列比例尺地理信息数据库向非尺度的地理实体全息数据库转变、全要素统测向权威部门提供权威地理实体转变、各自独立编码向唯一的地理实体编码转变、固定产品模式向典型产品叠加按需组装与灵活派生的产品转变等，同时针对地理实体全息数据库及其生产工艺流程[7]、基本公共产品库和典型应用产品库，提出并建立质量元素及评价方法体系，从而保证新型基础测绘产品的质量。

4 新型基础测绘产品体系

相较于传统基础测绘产品，新型基础测绘产品体系的发展应以“继承与创新并举”为原则。传统基础测绘产品按照产品形态和数据组织方式等可以归纳为以DLG、DRG、DEM和DOM为代表的4D产品，已广泛应用于国土、规划、测绘、建设等行业领域。随着测绘地理信息技术不断革新，陆续出现了实景三维模型、真彩色点云、全景地图、全景视频流、高精地图等比较成熟的新型测绘产品，它们很好地满足了专业领域和社会民众的灵活化需求，但并未纳入基础测绘范畴，没有得到较好的归集管理。因此，新型基础测绘体系下的产品，按照其用途，可以分为地理场景产品(GSP，Geographic Scene Products)和地理实体产品(GFP，Geographic Feature Products)两大类。

4.1 地理场景产品

地理场景产品是指一定区域范围内连续成片的反映现实世界原始地理空间位置、形态和拓扑关系等信息的基础测绘产品。它可通过增强现实技术(AR)或虚拟现实技术(VR)等手段进行可视化展示，如图1所示。

图1 地理场景产品示例

地理场景产品主要作为“底图”使用，能够形象、直观地反映区域范围内地理空间分布形态和地物间相互位置关系等，为用户提供生动形象的可视化效果，包括实景三维模型、可量测实景影像、激光点云等新型测绘产品，还包括DRG、DEM、DOM(包括航空影像和卫星影像等)以及DSM等传统测绘产品。

4.2 地理实体产品

地理实体是现实世界中占据一定空间位置、具有同一独立的语义属性或功能的自然地物和人文设施。它具有识别意义和地理空间特征。地理实体产品中的地理实体和传统4D产品中的地理要素，都是对物理世界一种现象的抽象，但是地理要素只能把物理世界的一种现象抽象成一种图元，如一个道路几何要素，它只能包含道路中线或者道路边线或者道路面；而地理实体可以把物理世界的一种现象抽象成多种、多个图元，如一个道路几何实体，它包含道路中线、道路边线以及道路面等多个图元。

(1)从空间形态角度，地理实体可以分为地理单实体、地理组合实体和地理聚合实体。

①地理单实体

地理单实体是对现实世界单一现象的直接抽象。如路灯，如图2所示。

图2 地理单实体示例

②地理组合实体

地理组合实体是由空间连续、类型相同的实体合并而成的地理实体。如沪聂线(318国道)是由上海段、江苏段、浙江段、安徽段、湖北段、重庆段、四川段和西藏段等道路实体合并而成，如图3所示。

图3 地理组合实体示例

③地理聚合实体

地理聚合实体是由若干具有一定空间关联性的实体聚合而成的地理实体，如图4所示。如道路实体是由道路几何、路灯、花坛、过街通道等实体聚合而成。

图4 地理聚合实体示例

(2)从产品应用角度，地理实体可以划分为地理基本实体与地理扩展实体。

①地理基本实体

对传统基础测绘成果，尤其是系列比例尺数字地形图上所有表达的地理要素必须全部作为地理基本实体；满足自然资源调查、确权和监管等职责需求，山水林田湖草矿等自然资源实体也必须全部作为地理基本实体。

②地理扩展实体

根据政府管理部门和社会各行业的全方位、多层次的应用需求，会认为某些除了地理基本实体以外的现实世界抽象具有识别意义和地理空间特征，将这部分的现实世界抽象定义为地理扩展实体，如图5所示。

图5 地理实体产品示例

新型基础测绘产品体系主要是围绕地理实体产品进行构建的，应以“一个地理实体仅测一次”为原则，摆脱传统基础测绘产品生产对比例尺的依赖，避免重复测绘。通过构建非尺度的具备“一库多能、按需组装、定制服务”能力的地理实体全息数据库，不仅能够从中获取传统的基础测绘4D产品，而且可以根据用户全方位、多层次和个性化的应用需求，灵活定制与派生出数据类、地图类、功能(接口)类和系统类的地理信息产品。

4.3 两类产品的区别与联系

新型基础测绘产品由地理场景产品和地理实体产品构成，二者既有区别又有联系。

在数据内容上，地理场景产品主要反映物理世界的空间形态特征，地理实体产品主要反映物理世界的空间对象特征；在数据组织上，地理场景产品主要是离散数据，地理实体产品主要是矢量或者对象化(单体化)数据；在数据用途上，地理场景产品主要用于可视化表达，地理实体产品主要用于空间计算、分析和统计。

二者又联系紧密，地理实体产品是对象化的地理场景产品，是地理场景产品的派生，二者是通过不同的方式来反映物理世界的不同特征。

5 新型基础测绘产品实现的关键技术

新型基础测绘产品体系的构建需要创新型的技术体系作为支撑。这个新的技术体系就是利用人工智能、大数据、云计算、物联网等新技术给3S测绘技术重新赋能，主要包括全息采集、智能处理、变化发现、实体建库和定制服务等五个方面的关键技术。

5.1 全息采集技术

全息采集是指以地理实体为基本采集单位，全方位的采集地理实体的位置、形状、外观、纹理以及与之相关联的各类自然属性和社会属性信息；采集的内容上，以能采尽采为原则，是把物理世界“原样搬进”计算机；采集的范围上以实现地上地下一体化、室内室外一体化、水域陆地一体化采集为要求；采集的成果方面，要实现二维三维一体化、空间属性一体化以及空间时间一体化。

全息采集是相对于过去抽样采集而言，由于受信息的负载介质和技术手段的限制，传统数据采集主要是对物理世界的一部分信息进行采集，如定位坐标、图像等，主要的技术手段有RTK采集、全站仪采集以及数字摄影测量工作站采集等方式，目前全息采集的技术手段除传统技术手段外，主要采用激光LiDAR、倾斜摄影和基于互联网的众包采集等方式。

5.2 智能处理技术

智能处理是针对全息采集获取的多源结构化、半结构化、非结构化数据，利用人工智能、大数据、云计算等技术进行清洗、匹配、定位等处理，实现物理世界的三维重建和对象化或单体化提取[8]。

传统的数据处理主要是针对抽样采集的信息进行处理，只需构建要素与要素之间的空间关系，并通过人机交互来进行地物要素的判断和识别。智能处理的对象是全息采集所获取的空中、地上、地下、室内、室外多视角影像、点云以及定位定姿等多源大数据；处理的手段主要是计算机算法，来实现全息实景三维重建，同时借助于人工智能、深度学习等技术，实现海量场景数据中地物要素的自动识别，来完成对象化或单体化等处理。随着三维重建算法的不断优化和AI目标识别能力不断提升，过去主要依赖人工干预来进行的数据处理工作，就可以逐渐交给计算机来完成，既能提高数据处理的工作效率，也能保证数据处理的准确率。

5.3 变化发现技术

变化发现技术主要是通过多期低成本重复采集的数据集比对，进而发现变化地物对象，这对地理场景产品和地理实体产品的更新具有重要意义。目前，变化发现主要基于两个方面：一是基于遥感影像的变化发现；二是基于网络语义的变化发现。基于遥感影像的变化发现是利用深度学习技术，通过构建样本库来智能提取不同时间相同区域范围的影像变化信息；基于网络语义的变化发现是指通过构建网络信息抓取模型，在互联网上对与地理位置相关的文本、图片等信息进行爬取、挖掘、有效分析和定位等处理，进而对变化地物要素进行自动发现。

新的变化发现技术是相对于传统地毯式的人工搜索变化发现而言的，具有几个方面的优势：发现的成本低，其信息源是免费的互联网或低成本的遥感卫星资料；发现的周期短，特别是基于互联网的发现，可以准实时地捕捉；发现的准确性高，通过深度学习可以很准确地捕获到变化地物要素，实现地理情报挖掘分析，从而实现面向地理实体变化的定向、定点测绘[9]。

5.4 实体建库技术

实体建库技术是将根据全息采集获取地理实体的空间时间信息、几何形状信息、编码属性信息和拓扑关系信息等内容，进行有效的组织和存储，为定制服务提供数据和效率支撑。地理场景产品可以当作一个超大地理实体来组织建库。

传统基础测绘中地理要素建库一般在某一特定比例尺下，不同要素在不同比例尺下重复存储，其内容一般仅限于标准规定的要素，鲜有扩展信息；针对结构化的矢量数据，一般采用集中式关系型数据库；对于非结构化或者半结构化的地理信息或者音频、视频、图片等数据，基本不做建库处理；逻辑模型简单，反映要素间的空间逻辑关系。

实体建库要打破比例尺的概念，以一个地理实体只存储一次为目标，避免数据冗余；建库内容既有基本实体，也有扩展实体；采用分布式混合数据库，将地理实体的结构化、半结构化以及非结构化数据全部建库；逻辑模型复杂，既反映图元间的空间逻辑关系，也反映图元间的组合、聚合等逻辑关系。

5.5 定制服务技术

定制服务技术是根据用户的定制化需求，从地理实体时空数据库中快速抽取相关地理实体来实现数据产品定制服务(DaaS)、地图产品定制服务(MaaS)、功能接口定制服务(PaaS)和应用系统定制服务(SaaS)，满足不同应用场景的需要，达到“一库多能、按需组装”。

定制服务技术是相对于传统基础测绘通用服务而言的，传统的基础测绘只能按照一定的标准生产固化的产品，来满足共性需求。随着基础测绘成果的应用扩展，传统4D产品已经越来越无法满足社会各领域的个性化和多样化需要，测绘地理信息供给侧矛盾日益凸显，亟待改革创新。

新型基础测绘的本质是服务，就是要改革生产者和消费者的传统关系，建立以需求为导向的新型服务关系[10]，即测绘地理信息部门通过分析消费者的个性化需求，进行快速响应，生产定制化产品。测绘地理信息按需服务的特点是个性化需求、多品种、小批量、快速反应以及平台化协作，强调服务的及时性、有效性，并能够根据用户的需求，做到地理信息的随时观测、随时获取、随时生产和随时应用。因此，新型基础测绘产品的定制服务应涵盖整个产品需求端，主要包括数据产品、地图产品、功能接口和应用系统的定制服务，才能满足用户灵活、多样的精细化需求。