新型基础测绘背景下城市地理信息数据成果体系探讨

2022-05-19耿丹，王丹，李娜

地理信息世界 2022年2期

关键词：实景实体测绘

耿丹，王丹，李娜

1.建设综合勘察研究设计院有限公司，北京 100007；

2.自然资源部城市空间信息重点实验室，北京 100007；

3.北京市大数据中心，北京 100101

0 引言

城市测绘是我国测绘事业的核心组成部分，是城市规划建设管理不可或缺的支撑和保障，也是智慧城市和数字孪生建设的重要基础性工作[1]。城市地理信息数据成果不仅与国家、城市政府和公众的利益以及公共安全等密切相关，也影响着国家、省级和城市层面的信息共享以及不同城市之间的信息共用。

以实现转型升级、创新发展为目标的新型基础测绘，具有理念新、成果新、服务新、技术新和机制新等特征。发展适合高层次应用需求的新型地理信息数据成果，是新型基础测绘理念落地的重要环节和举措。相应地，城市测绘地理信息成果体系也应有所继承和发展，主要体现在两个方面，一是研发满足更高层次应用需求的城市地理信息数据成果或产品；二是结合新需求、新技术和国际经验[2-3]对传统的城市地理信息数据成果进行升级改造。这方面尽管已有一些研究和实践，但尚有许多问题需要解决，如城市地理信息数据成果到底应包括哪些？一些传统的数据成果还要不要继续生产？这些成果在新型基础测绘背景下应该如何改善和提升？本文拟对这些问题进行初步探讨，并提出一些建议。

1 城市地理信息数据成果发展需求

当前我国城市测绘生产实践中的地理信息数据成果主要包括数字线划图（DLG）、数字正射影像图（DOM）、数字高程模型（DEM）、数字表面模型（DSM），以及三维模型、实景三维影像等[1]。在新型基础测绘背景下，面向城市规划、工程建设与管理、公共安全与应急管理和公众服务等各类高层次应用需求，结合近年来信息技术的发展和已有测绘技术手段升级改造，更加精准地描述和表达城市规划建设管理所需的地物特征信息，并对各类数据进行科学有效的组织管理，以驱动城市地理信息数据向语义化、实体化、结构化的全面升级，是新时期城市地理信息数据成果开发和应用的新命题。城市地理信息数据成果应着重在以下几方面有所发展。

1.1 数据内容特征

1）一致性。应统筹城市级各类政务管理和公众服务需求，兼顾当前倾斜摄影、激光雷达测量、卫星导航定位、BIM数据集成、地面传感监测等数据采集处理技术的时间和经济效能，从专题类型、几何属性、语义属性、颗粒度等方面准确定义实体三维模型、实景三维影像等新型成果的数据内容，调整和升级DLG等传统成果的数据内容，协调各类成果对地物特征进行描述和表达所采用维度的一致性。

2）语义化。新型地理信息服务将会从定位、几何服务为主，转变为增加各种语义服务的内容，倾斜摄影等表面模型数据必须进行语义结构化改造才能提供相关语义服务[4]。因此应根据应用需求，基于语义分割的方法对城市地物的类别、几何概括程度和属性信息的详细程度进行科学合理的划分和定义，在类别和详细程度的划分和定义时应设置若干级别，以满足不同层级应用对地物特征信息精细度的需求。

3）多元化。在定义城市地理信息数据成果的基本类型时，应充分考虑制作各类地理信息数据产品所能利用的地理信息源，如地理实体数据对建筑信息模型（BIM）、点云等信息的利用；DLG数据对DEM数据中高程信息的利用等。同时还需兼顾数据成果类型间的信息融合和加工转化关系，如DSM转化为DEM、结构化的实景三维影像转化为DLG等，有利于各类数据成果的一致性和统一组织。

1.2 技术规格参数

为满足新应用的需求，现有城市地理信息数据成果的技术规格和指标需要完善。传统地形图比例尺概念需要突破，技术规格参数应更科学有效，充分准确地描述各类新型数据成果的高空间分辨率、高时间分辨率和高准确度特征；三维模型及实景三维影像的技术规格参数除一般的展示和简单应用性能外，更应体现其实体化程度和分析计算等方面的新能力。

DLG一直是纸质地图时代最基本最常用的测绘成果，衡量其规格的最主要特征参数是地图比例尺。对于DOM、DEM和DSM，目前我国有关技术标准及生产实践中都是按与DLG类似的方式以比例尺作为其主要规格特征，并在此基础上提出地面分辨率及平面精度要求。

比例尺反映的是地图中地物的综合程度和精确程度，可以分为制图比例尺和显示比例尺，对纸质地图而言这两者是一致的[5]。为在有限和固化的地图空间（图幅）表达尽可能多的内容，并保持地图的图面负载和易读性，需要通过地图综合对地图要素进行取舍、概括，结果是导致地图信息的损失[6]。

本质区别于传统地理信息数据的是，新型基础测绘背景下的城市地理信息数据应更注重描述和表达地理实体的真实特征。因在实际应用中，传统制图比例尺会约束实体目标的精准表达，可根据所描述地物对象的特征和数据应用需求，确定各类地理信息数据的基本颗粒度（即分辨率）级别和合理高精度指标，并通过研制相应的技术标准予以规定。我国现行部分基础测绘成果的精度标准低于一些发达国家，随着当前高分遥感、无人机测绘、机载激光扫描测量（LiDAR）、卫星导航定位动态测量（GNSS-RTK）、BIM等技术在测绘生产实践中的普遍应用，有必要通过技术规格指标的设定适当提高地理信息数据测定的精准度。

1.3 数据组织方式

我国现行有关技术标准规定DLG、DOM/TDOM、DEM和DSM数据均以图幅为数据组织和管理单元。然而城市广泛使用的1∶500～1∶2000比例尺DLG通常以城市行政区划、管理服务单元（如社区、特殊管理区域、城市管理网格）、统计单元等为数据应用单元[7]；规则或不规则格网则是DEM和DSM数据应用中的核心技术要素[8-9]。因此我们建议DLG、DOM/TDOM、DEM和DSM数据的组织和管理单元不应局限于图幅，可根据应用需求采用格网、行政区划或其他具体应用单元进行数据组织。

随着地理实体新型数据成果的开发和应用，未来DLG和影像与栅格数据成果可直接以地理实体对象为索引进行组织，以实现各类数据成果的一体化管理维护，从而构建系统全面的新型基础测绘地理信息数据成果体系。

2 实体数据库及衍生成果

2.1 地理实体数据库

地理实体是现实世界客观存在的事物或现象，如建筑物、构筑物、道路、水域、绿地、农田、城市管理部件及行政区划、管理服务单元（社区、特殊管理区域、城市管理网格）、统计单元等。地理实体数据库是新型基础测绘的重要和特色成果[10-11]，是构建城市地理信息数据成果体系基础性、关键性的信息资源，是城市三维空间信息应用的底板，其规划设计的科学性及可实施性将决定其为城市地理信息应用赋能的效果和效率。

地理实体具有空间特征、时间特征和专题特征（图1），地理实体数据库就是由描述这些特征的语义化、结构化、对象化时空数据构成的数据库。从空间特征看，地理实体本质上是三维目标体，可用几何数据来表达位置、大小、形状及相互空间关系；从专题特征看，地理实体具有不同的类型及该类型所具有的专门个体特性，可使用相应的属性数据来描述；从时间特征看，地理实体的空间特征、专题特征都会随时间发生变化，数据获取的时点及相应的动态更新、处理和管理尤为重要。

图1 地理实体特征及描述Fig.1 Characteristics and description of geo-entity

地理实体的类型是重要的专题特征，可结合现有基础地理信息要素分类，面向具体应用需求，通过语义分割的方法进行地理实体对象的扩展和类型划分。不同类型地理实体，数据获取、处理、表达和应用服务要求可能不同，类型维度需突破传统制图比例尺概念及要素几何表达形式等限制，分类的颗粒度大小可与地理实体数据的采集方式及应用需求等相协调。

新型基础测绘要按照一次测绘、统一建库、按需组装的原则获取、管理、更新和表达地理实体数据[7]。实现路径为对不同地域不同类型地理实体对象，以基本颗粒度、合理高精度，实施无比例尺测绘，调查基本属性，记录测量时点，获得由地理实体三维几何特征数据、基本属性数据和时点信息组成的时空数据，构建地理实体数据库，并根据地理实体的变化对数据和数据库及时进行更新[1]。在构建地理实体数据库方面，英国OS MasterMap的地形层（Topography Layer）可供借鉴[2]，该数据库包括管理界限、建筑物、土地、道路、地形、水体等9大专业类型的4.5亿个地理实体要素，每个要素具有为所属专业类型明确定义的若干项几何、语义、与其他要素的关系等方面的属性信息和全生命期不变的唯一要素编码，各项属性信息的用途（如制作三维可视化产品）、获取方法和更新频率都依据统一的建库标准。

获取地理实体数据并建库是一项规模大、实施复杂的任务，需要细致周密的谋划和落实。探索和实践初期可充分利用现有满足精准度要求的基础地理信息数据、实景三维影像等成果，处理生成地理实体数据并建库，今后随着需求的清晰和标准、技术等方面的成熟逐步更新完善地理实体数据库。

2.2 地理实体数据库的衍生成果

1）实体三维模型。地理实体数据库需要建立数据语义逻辑关系。数据应按地上地下一体化、室内室外一体化、陆地水域一体化的全空间模式进行组织，并建立地理实体三维语义模型[12]。同时，可基于地理实体数据库和具体应用需求，对地理实体三维语义模型进行实例化获得实体三维模型。

实体三维模型应作为新型基础测绘一种重要的数据成果，且该成果是基于语义特征的高度实体化、结构化、可视化三维模型，具备可计算、可分析等能力[13]，在这方面开放地理信息联盟（OGC）的CityGML标准值得借鉴。目前，CityGML3.0版的概念模型已发布[14]，对核心模型做了重要修订，不再采用几何特征和语义特征交叉定义的方式，其中几何特征信息只描述空间对象的位置、形状、大小，不解释说明空间对象是什么，语义和几何分层定义更加清晰一致，同时为增强与IndoorGML、IFC、RDF等标准之间的交互性，以方便集成各类数据源建设符合CityGML标准的实体三维模型数据，该版本更新和扩展了一些模块。

建立地理实体数据库和实体三维模型时，应积极利用建筑和基础设施等工程竣工时点的BIM数据[15]，通过BIM和GIS的集成与融合丰富成果内容、提升成果质量。

2）数字地形图。目前的DLG作为数字地图时代的线划地形图成果，内容、规格、表达等方面基本沿用了纸质线划地形图的相应规定。DLG包含的地理信息要素仍以传统的地形要素为主，地物的取舍和综合很大程度上仍受传统比例尺和图幅大小的束缚。如城市广泛使用的1∶500～1∶2000比例尺DLG缺乏城市行政区划或管理服务单元（如社区）信息，缺少必要的地址等信息。DLG数据基本上还是二维的，尽管一些DLG数据中可能含有部分高程或Z坐标，但缺乏完整的三维空间信息及其语义化的结构表达。因此，新型基础测绘背景下，数字地形图在内容、规格、表达及制作方式上需要调整和完善。

关于内容与规格，除现有基础地理信息要素外，应增加满足公共应用需求的必要信息，如各级行政区划和社区等管理服务单元的界线信息、单体建筑物的地址信息等。建议根据地理实体的本体特征对地理信息要素分类进行必要的调整补充，把需要注记的信息作为相应实体或对象的属性信息，而不应将注记作为单独的地理信息要素来表达，地址应该作为单体建筑物等必备的基本属性信息。比例尺可继续作为数字地形图的最主要特征参数，但在数据采集与表达时，应突破固定比例尺概念，淡化比例尺特征。

关于表达与制作方式，数字地形图应发挥其数字成果的特点和作用，未来应主要基于地理实体数据库，根据具体应用需求做相应的数据与制图处理制作，表达和展示其包含的各类地理信息要素及其基本属性（地址及有关专题特征等）。其中高程信息可利用基于高精度DEM数据源制作的等高线数据。当利用地理实体数据库数据进行制图表达时，应根据制图比例尺选择目标类型及精细度，进行准确度匹配、综合取舍和制图处理。当需要硬拷贝输出时，可参照传统纸质地图制作方式进行相应处理。

3 影像与格网数据成果

3.1 DOM和TDOM

DOM是重要的基础地理信息成果形式。现行德国标准《Photogrammetrische Produkte-Teil 3：Anforderungen an Orthophoto》DIN 18740-3：2015及德国有关DOM制作标准均以影像地面分辨率作为DOM的基本质量参数。目前，德国在官方地形制图信息系统（ATKIS）框架下生产影像地面分辨率分别为0.2 m和0.4 m的DOM产品，平面坐标中误差分别为0.4 m和0.8 m，航摄影像获取周期不超过3年，某些州还生产影像地面分辨率为0.1 m的DOM产品[3]。英国OS MasterMap影像层（Imagery Layer）的地面分辨率为0.25 m[2]。

在新型基础测绘背景下，宜进一步强化DOM的地位，将其作为一种主要数据成果，实现国土全覆盖并动态更新。结合公共应用需求和当前高分遥感、航摄及无人机测绘等技术能力，研究确定基于影像地面分辨率而不是比例尺的产品规格及精度指标等。DOM可以按影像地面分辨率分为0.1、0.2、0.5、1 m等规格。同时，对建筑密集区域，建议利用倾斜摄影测量或其他方式制作高分辨率（如0.1 m或0.2 m）的真正射影像图（TDOM），并将其作为新型基础测绘的基本数据成果之一。

3.2 DEM和DSM

DEM为地面高程信息的数字化表达。DSM则是地物表面的数字化表达，除高程信息外，还包括植被表面、房屋或设施表面等信息。对DSM进行加工去掉房屋、设施、植被等地物表面信息，可以获得DEM。这两种成果可采用规则格网或不规则格网数据进行组织和表达，核心特征参数应该是格网尺寸（对规则格网）或不规则点密度（对不规则格网），格网点或不规则点的高程精度应在顾及地面起伏和地表覆盖特征下与参数相关联。目前，德国在官方地形制图信息系统（ATKIS）框架下生产格网尺寸为1 m、2 m的DEM/DSM产品，格网点高程中误差可达0.1～0.25 m[3]。

当前，LiDAR、航摄及无人机测绘等技术发展迅速，为高效高精度建立DEM、DSM提供了可靠和经济的手段。在新型基础测绘背景下，对DEM和DSM应给予同等对待，可根据公共应用需求和技术供给能力，研究基于规则格网尺寸而不是比例尺，确定产品规格及精度等质量指标，合理确定其高程精度，取消现行技术标准中同一比例尺DEM、DSM的分级。同时，利用制作DEM的数据源制作基本等高距为1、2、5 m的等高线数据，为数字地形图提供高精度的高程信息。

3.3 实景三维影像

倾斜摄影测量技术的快速发展，推动了实景三维影像的生产和应用。目前，实景三维影像生产的主流方法是采用五镜头倾斜相机，基于无人机或有人机平台进行影像数据获取，经处理得到描述现实世界表面的Mesh模型。基于Mesh模型进行单体化建模，可获得地物的单体化模型，实现地物的单独管理和编辑[16]。

自然资源部发布的《自然资源部信息化建设总体方案》[17]提出，要逐步推进地上地下三维实景数据的管理与应用，建立二三维一体化的自然资源和国土空间三维实景数据库，加强地上地下一体化管理，实现客观世界的大场景三维动态可视化管理，并努力实现动态实时实景可视化，为自然资源管理和国土空间用途管制提供更直观、更精准的应用。

因此，在新型基础测绘背景下，实景三维影像特别是单体化实景三维影像，应成为一种重要的城市地理信息数据成果。当前，需要制定满足城市公共应用需求的实景三维影像产品标准，及单体化模型制作技术规程，研发高效的实景三维影像单体化处理和应用服务关键技术，建立实用高效的生产工艺。对深层次及智能化应用，可根据应用需求开展实景三维影像与实体三维模型的集成融合相关研究和应用，如对实景三维影像进行结构化处理，获得可提供语义服务的结构化模型，并与实体三维模型进行映射转换。其结构化处理难度较高，包括对Mesh模型进行语义分割、实例分割和基于人工智能技术的三维矢量结构线提取等需要突破的技术环节[4]。

4 城市地理信息数据成果体系建议

基于前文所梳理的各项数据成果，同时兼顾继承原有城市地理信息成果体系，新型基础测绘背景下的城市地理信息数据成果体系可分为地理实体数据库及衍生成果、影像与栅格数据成果两类（图2）。

图2 新型城市地理信息数据成果Fig.2 Geographic information data for new urban surveying and mapping

这两类成果中，地理实体数据库及衍生成果包括地理实体数据库及由该数据库衍生的实体三维模型和数字地形图；影像与栅格数据成果包括DOM、TDOM、DEM、DSM以及实景三维影像，它们的主要技术指标需要进一步提升。根据需要，可基于地理实体数据库及有关影像与格网数据制作生成其他所需的数据成果。影像与栅格数据成果可以地理实体对象为索引进行组织，以实现各类数据成果的一体化管理维护，从而构建系统全面的新型城市地理信息数据成果体系。