移動(dòng)測量系統(tǒng)及實(shí)景三維技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用

移動(dòng)測量系統(tǒng)及實(shí)景三維技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用周落根韓聰穎王星卓周落根，立得空間信息技術(shù)股份有限公司副總經(jīng)理；韓聰穎，王星卓，立得空間信息技術(shù)股份有限公司。摘要：本文介紹了我國移動(dòng)測量技術(shù)的發(fā)展概況，闡述了實(shí)景三維地理信息產(chǎn)業(yè)的形成和發(fā)展，分析了移動(dòng)測量行業(yè)和實(shí)景三維地理信息服務(wù)的競爭格局，對其未來發(fā)展進(jìn)行了展望。關(guān)鍵詞：移動(dòng)測量系統(tǒng)實(shí)景三維技術(shù)地理信息服務(wù)一引言移動(dòng)測量技術(shù)是當(dāng)今測繪界最為前沿的技術(shù)之一，誕生于20世紀(jì)90年代初，集成了全球衛(wèi)星定位、慣性導(dǎo)航、圖像處理、攝影測量、地理信息及集成控制等技術(shù)，通過采集空間信息和實(shí)景影像，由衛(wèi)星及慣性定位確定實(shí)景影像的位置姿態(tài)等測量參數(shù)，實(shí)現(xiàn)了任意影像上的按需測量。移動(dòng)測量的多傳感器系統(tǒng)可加載于如航天航空飛行器、陸地交通工具、水上交通工具等多種載體上，形成不同的移動(dòng)測量系統(tǒng)，滿足不同的測量需求。例如，陸基移動(dòng)測量系統(tǒng)通過車載平臺(tái)上安裝的GPS、INS、CCD等傳感器協(xié)同運(yùn)行，沿道路采集周圍地物的可量測實(shí)景影像數(shù)據(jù)。二我國移動(dòng)測量技術(shù)的發(fā)展在兩院院士李德仁先生的推動(dòng)下，我國從1995年開始對移動(dòng)測量技術(shù)進(jìn)行研究，由武漢大學(xué)測繪遙感信息工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室在對多個(gè)關(guān)鍵技術(shù)展開技術(shù)攻關(guān)并取得突破后，于1999年完成移動(dòng)測量系統(tǒng)樣機(jī)的研制。目前國內(nèi)在移動(dòng)測量技術(shù)領(lǐng)域的研發(fā)實(shí)力和技術(shù)水平與發(fā)達(dá)國家相比還存在一定差距。此外，國內(nèi)某些高等院校和研究機(jī)構(gòu)雖然在此領(lǐng)域有著較為深厚的學(xué)術(shù)底蘊(yùn)，但其技術(shù)水平僅停留在原型樣機(jī)的階段，均未實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，行業(yè)發(fā)展受到限制。為推動(dòng)科研成果的轉(zhuǎn)化，立得空間于1999年成立，其前身是武漢立得空間信息技術(shù)有限公司，2008年4月更名為立得空間信息技術(shù)有限公司，2010年12月，變更為立得空間信息技術(shù)股份有限公司（以下簡稱立得空間），李德仁院士出任公司首席科學(xué)家，并開始主導(dǎo)移動(dòng)測量技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化。經(jīng)過十余年的努力，立得空間使中國移動(dòng)測量行業(yè)及其相關(guān)產(chǎn)業(yè)初具規(guī)模，是我國移動(dòng)測量系統(tǒng)的開拓者。立得空間研制生產(chǎn)的路基移動(dòng)測量系統(tǒng)（Land-basedMMS）包括：第一代車載CCD實(shí)景三維采集車系統(tǒng)即LD2000系列、第二代激光三維采集車系統(tǒng)即LD2011型系列全景激光移動(dòng)測量系統(tǒng)；空基移動(dòng)測量設(shè)備（AirborneMobileMappingDevice）包括LD2011空基移動(dòng)測量設(shè)備。公司現(xiàn)有移動(dòng)測量系統(tǒng)（MMS）變形車產(chǎn)品包括：流動(dòng)執(zhí)法MMS、應(yīng)急測繪MMS、廣告牌測量MMS、簡裝版公路巡查MMS、公路巡查及裂縫測量MMS、鐵路行業(yè)MMS、便攜式MMS、全景激光MMS，都具有相當(dāng)成熟的規(guī)模（見圖1）。圖1.移動(dòng)測量系統(tǒng)大家族（一）陸基移動(dòng)測量系統(tǒng)陸基移動(dòng)測量系統(tǒng)是一種基于道路的快速移動(dòng)測量系統(tǒng)，其原理是在機(jī)動(dòng)車上集成全球定位系統(tǒng)（GPS）、攝影測量系統(tǒng)（CCD）、慣性導(dǎo)航系統(tǒng)（INS）等先進(jìn)傳感器和設(shè)備，在車輛高速行進(jìn)時(shí)，快速采集道路及周邊地物的空間位置和屬性數(shù)據(jù)，并同步存儲(chǔ)于車載計(jì)算機(jī)中，經(jīng)專門軟件編輯處理，形成各種空間地理信息數(shù)據(jù)成果，如電子地圖、設(shè)施數(shù)據(jù)庫、移動(dòng)測量設(shè)備可為機(jī)載激光雷達(dá)、推掃式超光譜成像儀、大面陣CCD數(shù)字相機(jī)、合成孔徑雷達(dá)等測繪遙感設(shè)備提供動(dòng)態(tài)坐標(biāo)及姿態(tài)基準(zhǔn)，對提高地理信息采集與更新速度、實(shí)現(xiàn)我國測繪現(xiàn)代化目標(biāo)具有重要意義。定位定向系統(tǒng)（POS）系統(tǒng)作為空基移動(dòng)測量設(shè)備的核心部件，一直受到西方國家軍事禁運(yùn)的影響。長期以來，我國缺少適用于測量和高精度地理信息數(shù)據(jù)采集的航空POS。近年來，西方國家對INS的管制小幅放松，多家國外POS生產(chǎn)商開始向我國供貨，但價(jià)格十分昂貴，限制了我國空基移動(dòng)測量系統(tǒng)的大規(guī)模使用。為打破國外技術(shù)封鎖，立得空間自創(chuàng)立伊始即開始POS相關(guān)技術(shù)研究及產(chǎn)品的開發(fā)工作，在突破了載波相位差分、精密動(dòng)態(tài)單點(diǎn)、GNSS/INS緊密組合等一系列技術(shù)難關(guān)后，自主研制出了與進(jìn)口產(chǎn)品技術(shù)水平和性能相當(dāng)?shù)腜OS系統(tǒng)。立得空間研制的航空POS可為各航測設(shè)備廠商提供配套服務(wù)，同時(shí)還適用于飛行器及地面交通工具導(dǎo)航、戰(zhàn)術(shù)武器導(dǎo)航平臺(tái)、工業(yè)自動(dòng)控制等高端領(lǐng)域，相關(guān)產(chǎn)品外觀如圖3所示。圖3.立得空間生產(chǎn)的POS產(chǎn)品典型外觀圖采用POS系統(tǒng)直接地理定位具有如下優(yōu)點(diǎn)：不依賴空中三角測量和一個(gè)完整的地面控制測量；簡化、自動(dòng)化數(shù)據(jù)處理和質(zhì)量控制的過程；單個(gè)的立體模型制圖、單幅影像的正射校正可以使用已有的數(shù)字高程模型（DEM）；在傳統(tǒng)的航空測繪應(yīng)用方面提高了工作效率，從而減少了操作時(shí)間，節(jié)約了成本，進(jìn)而提高了精度；易與數(shù)碼相機(jī)、攝影機(jī)、LIDAR系統(tǒng)、SAR系統(tǒng)、數(shù)字掃描儀等傳感器結(jié)合；適用于應(yīng)急測繪快速響應(yīng)。三實(shí)景三維地理信息產(chǎn)業(yè)的形成與發(fā)展隨著測繪技術(shù)和移動(dòng)測量技術(shù)的發(fā)展，實(shí)景三維地理信息應(yīng)運(yùn)而生，其是在傳統(tǒng)二維地理信息的基礎(chǔ)之上，增加了連續(xù)的地面可量測影像庫作為新的數(shù)據(jù)源，并通過專門的數(shù)據(jù)開發(fā)平臺(tái)與地理信息行業(yè)應(yīng)用軟件無縫集成，從而給用戶提供更直觀易用的實(shí)景可視化環(huán)境。實(shí)景三維地理信息服務(wù)是指運(yùn)用測繪技術(shù)、計(jì)算機(jī)軟件技術(shù)采集地理數(shù)據(jù)、可量測實(shí)景影像數(shù)據(jù)和行業(yè)專題地理數(shù)據(jù)，主要為政府、企業(yè)的決策管理和日常辦公提供信息服務(wù)，并能為用戶帶來更多嶄新的功能和應(yīng)用模式，可為城市信息化管理部門提供“數(shù)字城市”地理信息整體數(shù)據(jù)解決方案，其主要的應(yīng)用領(lǐng)域有：基礎(chǔ)地理空間數(shù)據(jù)框架、地理信息共享平臺(tái)、電子政務(wù)平臺(tái)、數(shù)字城管、公安、應(yīng)急、智能交通、旅游、公眾地圖服務(wù)等。服務(wù)的主要內(nèi)容為：實(shí)景三維地理信息的采集與處理、業(yè)務(wù)專題數(shù)據(jù)庫建庫、可量測實(shí)景影像應(yīng)用開發(fā)平臺(tái)、數(shù)據(jù)應(yīng)用部署等，尤其是面向城市管理與決策的高端應(yīng)用。國家測繪地理信息局于2009年發(fā)布行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《可量測實(shí)景影像CH/Z1002-2009》，將實(shí)景三維地理信息正式納入國家基礎(chǔ)地理信息數(shù)字產(chǎn)品范疇，成為國家空間數(shù)據(jù)基礎(chǔ)設(shè)施的重要組成部分。交通部、住建部、公安部等國家有關(guān)部委均在數(shù)字城市各行業(yè)的信息化建設(shè)規(guī)劃中，對采用實(shí)景三維地理信息服務(wù)制定行業(yè)指導(dǎo)意見。經(jīng)過近十年的發(fā)展，實(shí)景三維地理信息服務(wù)逐漸形成如圖4所示的產(chǎn)業(yè)鏈。實(shí)景三維地理信息服務(wù)產(chǎn)業(yè)的上游為地理信息采集設(shè)備提供商，包括傳感器、電子電氣元器件及設(shè)備等的提供商；中游的地理信息服務(wù)商提供實(shí)景三維地理數(shù)據(jù)采集與建庫服務(wù)，通過集成開發(fā)商或企業(yè)級的數(shù)據(jù)生產(chǎn)商、網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營商等為下游的城市信息化用戶提供服務(wù)，或直接提供服務(wù)。隨著移動(dòng)終端、互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，實(shí)景三維地理信息服務(wù)將從高端行業(yè)應(yīng)用推廣至社會(huì)大眾。近年來，國外主要以谷歌公司為代表、國內(nèi)以立得空間為代表的地理信息服務(wù)商已全面開始提供實(shí)景三維地理信息服務(wù)。截止2010年底，谷歌公司提供的街景地圖服務(wù)已在歐洲、北美等發(fā)達(dá)國家和地區(qū)實(shí)現(xiàn)城市全覆蓋；立得空間的實(shí)景三維地理信息服務(wù)也已在全國29個(gè)省，100多個(gè)城市、城區(qū)得到廣泛應(yīng)用，主要應(yīng)用于城市地理信息服務(wù)共享平臺(tái)和基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)框架、電子政務(wù)平臺(tái)、數(shù)字城管、公安應(yīng)急、公路交通、旅游招商等諸多領(lǐng)域。國內(nèi)的實(shí)景三維地理信息服務(wù)始于20世紀(jì)末，與國外的實(shí)景三維地理信息服務(wù)處于同樣的起步水平，經(jīng)過數(shù)十年的研究與發(fā)展，其技術(shù)應(yīng)用模式已趨于成熟。但相比國際著名品牌如谷歌公司的StreetView和微軟公司的StreetSide，國內(nèi)實(shí)景三維地理信息服務(wù)的劣勢在于品牌推廣力度較小，產(chǎn)業(yè)化程度較低。圖4.實(shí)景三維地理信息服務(wù)產(chǎn)業(yè)鏈立得空間不僅是中國移動(dòng)測量系統(tǒng)的開拓者，還是實(shí)景三維地理信息理念的原創(chuàng)者，開創(chuàng)了國內(nèi)的實(shí)景三維地理信息產(chǎn)業(yè)，是目前國內(nèi)唯一可提供可量測實(shí)景影像（DMI）技術(shù)的公司和實(shí)現(xiàn)移動(dòng)測量系統(tǒng)產(chǎn)業(yè)化的生產(chǎn)企業(yè)。同時(shí)，憑借著實(shí)景三維地理信息所具有的富信息、按需測量、直觀易用、更新快捷等諸多優(yōu)點(diǎn)，公司將業(yè)務(wù)領(lǐng)域廣泛拓展至電子政務(wù)平臺(tái)、數(shù)字城管、公安應(yīng)急、公路交通、旅游招商等諸多領(lǐng)域，創(chuàng)造了國內(nèi)實(shí)景三維地理信息服務(wù)的新模式。目前，立得空間引領(lǐng)的國內(nèi)實(shí)景三維地理信息產(chǎn)業(yè)已初具規(guī)模，呈現(xiàn)快速和多樣化發(fā)展趨勢。立得空間的移動(dòng)測量系統(tǒng)和實(shí)景三維地理信息服務(wù)模式已經(jīng)在全國27個(gè)省、100多個(gè)城市（區(qū)縣）和青藏鐵路、汶川地震、北京奧運(yùn)、國慶60周年閱兵、廣州亞運(yùn)等項(xiàng)目中得到成功應(yīng)用，在行業(yè)內(nèi)形成巨大的影響力。四行業(yè)競爭格局與市場份額評估（一）移動(dòng)測量行業(yè)由于移動(dòng)測量系統(tǒng)技術(shù)門檻高，目前完整掌握其核心技術(shù)并實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化的廠商主要有美國天寶公司、日本拓普康公司和立得空間。雖然還有少量科研機(jī)構(gòu)開展了移動(dòng)測量系統(tǒng)研制，但僅停留在研究階段，樣機(jī)還未產(chǎn)品化。立得空間是國內(nèi)唯一實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化的公司，根據(jù)《中華人民共和國標(biāo)準(zhǔn)化法》規(guī)定，該產(chǎn)品的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)已于2006年在質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督局進(jìn)行了備案。移動(dòng)測量系統(tǒng)作為一種新興產(chǎn)品，價(jià)格較為昂貴，尚處于市場導(dǎo)入期，國內(nèi)僅專業(yè)測繪用戶（軍方等）在使用，主要由立得空間提供。國外產(chǎn)品因價(jià)格高昂、缺乏生產(chǎn)配套軟件和應(yīng)用軟件、沒有完善的售后服務(wù)體系等原因還難以為國內(nèi)用戶接受，目前僅有少量幾臺(tái)進(jìn)口產(chǎn)品。（二）實(shí)景三維地理信息服務(wù)實(shí)景三維地理信息服務(wù)市場分為兩類，一是政府企業(yè)的行業(yè)市場，二是大眾消費(fèi)者市場。在行業(yè)市場，立得空間一直引領(lǐng)實(shí)景三維地理信息的應(yīng)用和推廣，已經(jīng)在全國100多個(gè)城市、城區(qū)得到成功應(yīng)用。由于實(shí)景三維地理信息服務(wù)具有良好的市場前景，目前，也有一些測繪機(jī)構(gòu)和民營測繪單位購買了移動(dòng)測量系統(tǒng)，正在進(jìn)入這一領(lǐng)域，如武漢勘測院、重慶數(shù)字城市、江蘇蘭德數(shù)碼、北京數(shù)字政通等公司。在大眾消費(fèi)者市場，以谷歌為例，截止2010年末其街景地圖服務(wù)在歐洲、北美等發(fā)達(dá)國家和地區(qū)已實(shí)現(xiàn)城市全覆蓋，微軟計(jì)劃近年投資數(shù)十億美元在全球開展3000個(gè)實(shí)景三維數(shù)字城市建設(shè)。由于行業(yè)許可方面的制約，它們尚未進(jìn)入國內(nèi)市場。五未來展望隨著云計(jì)算技術(shù)變得更加成熟，它將很好地應(yīng)用到地理空間業(yè)務(wù)中，地理空間數(shù)據(jù)就是一個(gè)“云”，其儲(chǔ)存、管理、應(yīng)用將更加方便。地理空間數(shù)據(jù)采集和應(yīng)用的實(shí)時(shí)化成為市場主要需求，快速獲取、加工、處理和應(yīng)用、維護(hù)地理空間數(shù)據(jù)的技術(shù)更加成熟，并得到廣泛應(yīng)用，電子地圖、遙感影像圖、實(shí)景影像圖將實(shí)現(xiàn)從空中到地面、從宏觀到微觀的集成應(yīng)用。今后，智慧地球、物聯(lián)網(wǎng)等將不再只是概念，而是將迎來巨大的現(xiàn)實(shí)發(fā)展，地理空間信息將與各種移動(dòng)終端，如手機(jī)、相機(jī)、探頭、監(jiān)控頭、電視機(jī)、定位儀等集成應(yīng)用，將掌上世界轉(zhuǎn)變成為現(xiàn)實(shí)，讓生活更加精彩?；诘乩砜臻g信息的位置服務(wù)將成為3G的重要功能和賣點(diǎn)，與百姓的日常學(xué)習(xí)、工作和生活相關(guān)的地理空間信息將進(jìn)一步提升3G的價(jià)值。實(shí)景三維技術(shù)將面向規(guī)劃、城管、社區(qū)、應(yīng)急、房產(chǎn)、市政、交通等集成應(yīng)用服務(wù)；突破多元數(shù)據(jù)獲取、融合集成服務(wù)及平臺(tái)頂層設(shè)計(jì)技術(shù)瓶頸；形成基于“端管云”架構(gòu)統(tǒng)一的城市三維平臺(tái)高效組織管理與服務(wù)能力；對政府、企業(yè)和公眾提供三維數(shù)據(jù)應(yīng)用服務(wù)，提升城市規(guī)劃、建設(shè)、管理和服務(wù)水平；對數(shù)字城市智慧化發(fā)展階段發(fā)揮數(shù)據(jù)和技術(shù)支撐作用。（一）移動(dòng)測量系統(tǒng)行業(yè)發(fā)展趨勢1、向著多數(shù)據(jù)源方向發(fā)展移動(dòng)測量系統(tǒng)依托航天航空飛行器、車輛、船舶等運(yùn)載平臺(tái)，采用可見光、紅外、高光譜和微波等多種波譜段成像進(jìn)行目標(biāo)測量，獲取目標(biāo)的空間信息和屬性。在各種波譜段成像中，可見光成像的光譜特征與人眼相同，具有易理解、易被接受的特點(diǎn)，其應(yīng)用也很快得到推廣。隨著移動(dòng)測量成果數(shù)據(jù)在不同行業(yè)的應(yīng)用發(fā)展，新的需求也不斷產(chǎn)生，不同波譜成像將獲得與可見光成像不同的屬性信息，滿足更多的應(yīng)用需求，因此移動(dòng)測量技術(shù)將向著多波譜段成像方向發(fā)展，紅外、高光譜、微波等波譜段的成像傳感器將逐步得到應(yīng)用和發(fā)展。2、處理技術(shù)的自動(dòng)化發(fā)展方向數(shù)據(jù)處理自動(dòng)化水平的提高將有效提升移動(dòng)測量數(shù)據(jù)處理的效率，降低移動(dòng)測量成本，對移動(dòng)測量的應(yīng)用推廣將起到極大推動(dòng)作用。自動(dòng)化數(shù)據(jù)處理相關(guān)技術(shù)也一直是行業(yè)內(nèi)研究的熱點(diǎn)，如已經(jīng)取得階段性成果的全景影像制作技術(shù)、圖像模糊化處理技術(shù)等都對移動(dòng)測量數(shù)據(jù)的應(yīng)用起到應(yīng)有的作用。移動(dòng)測量數(shù)據(jù)處理的自動(dòng)化水平還較低，隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步，數(shù)據(jù)處理也將向全自動(dòng)方向發(fā)展。3、應(yīng)用范圍越來越廣泛測量是移動(dòng)測量系統(tǒng)的基本功能，其設(shè)計(jì)的初衷是為了促進(jìn)測繪技術(shù)的革新，軍方及專業(yè)測繪機(jī)構(gòu)是系統(tǒng)的目標(biāo)客戶。隨著移動(dòng)測量成果的推廣使用，其直觀、易用、富信息等優(yōu)點(diǎn)會(huì)逐步得到體現(xiàn)并被更多的客戶認(rèn)可，因此移動(dòng)測量系統(tǒng)的應(yīng)用范圍也將逐步擴(kuò)大，其應(yīng)用領(lǐng)域?qū)⑾蚋嘈袠I(yè)擴(kuò)展。4、陸基移動(dòng)測量向著激光測量方向發(fā)展三維激光掃描測量技術(shù)是一項(xiàng)創(chuàng)新性的數(shù)據(jù)測量手段，它克服了傳統(tǒng)測量技術(shù)效率低、信息損失大、安全性差、勞動(dòng)強(qiáng)度大、專業(yè)性高難以推廣應(yīng)用的局限性，采用非接觸主動(dòng)測量的方式直接獲取目標(biāo)環(huán)境的高精度三維數(shù)據(jù)，能夠?qū)θ我馕矬w進(jìn)行掃描，且沒有白天和黑夜的限制，快速高效地將現(xiàn)實(shí)世界的環(huán)境信息轉(zhuǎn)換成易于計(jì)算處理的數(shù)據(jù)，并最大程度地還原了真實(shí)的社會(huì)環(huán)境，信息量豐富、直觀可視、便于使用、擴(kuò)展性強(qiáng)。隨著三維激光掃描測量裝置在精度、速度、易操作性、輕便、抗干擾能力等性能方面的提升及價(jià)格的逐步下降，它在測繪領(lǐng)域成為研究的熱點(diǎn)，應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴(kuò)展，逐步成為快速獲取空間實(shí)體三維數(shù)據(jù)的主要方式之一。車載三維技術(shù)作為目前測繪界最先進(jìn)的數(shù)據(jù)采集技術(shù)將會(huì)極大地解放傳統(tǒng)測繪工作者外業(yè)的工作量，代表著今后測繪行業(yè)的一個(gè)方向。車載激光掃描系統(tǒng)在大規(guī)模城市場景的三維數(shù)據(jù)獲取、建設(shè)與應(yīng)用支撐中具有越來越明顯的優(yōu)勢，能充分發(fā)揮其精度高、速度快、數(shù)據(jù)相對完整的特點(diǎn)，提升城市信息化建設(shè)