从4D产品到5D产品-论可量测实景影像的概念与应用
面向第三次Internet浪潮和Web2.0模式,本文对信息化测绘如何更好地满足社会各行各业日益增长的需求作一探讨。作者建议,将移动测量系统所获得的可量测实景影像作为新的数字化测绘产品与4D产品集成,以推进按需测量的空间信息服务。
一、信息化测绘的本质是为社会提供空间信息服务
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(What Change),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 Anywhere)。
从这个意义上讲,我们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。
二、现有的4D产品不能满足空间信息服务的需求
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。又如武汉市城市网格化服务系统在1:500比例尺数字地图基础上,补充调查和采集了185万个物件。
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,而将上述大量原始影像包含的信息给删除掉了。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?
三、可量测实景影像(DMI)的引入
作者认为,如果将原始的立体影像(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可量测影像(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。
第三次Internet浪潮下Web 2.0理念以及相应技术体系(Grid、Ajax、CSS+XHTML)为空间信息服务带来全新的理念。Web 2.0要求为用户提供的各种服务具备体验性(Experience)、沟通性(Communicate)、差异性(Variation)、创造性(Creativity)和关联性(Relation)等特性。对空间信息服务而言,可视是体验性的基础(Google Earth、Microsoft Virtual Earth),按需可量测是创造性和差异性的保障,时空可挖掘则为关联性的专业应用提供技术保障,基于空间信息网格的服务平台可有效地融合集成Web 2.0技术(如Ajax),为用户提供互动的沟通服务。
可视可量可挖掘实景影像包含了传统地图所不能表现的空间语义,是代表地球实际的物理状况,带有和人们生活环境相关的社会、经济和人文知识的“地球全息图”。因此,可视可量测可挖掘的实景影像地图所包含的丰富地理、经济和人文信息是聚合用户数据、创造价值、实现空间信息社会化服务的数据源,是完全符合Web2.0模式的新型数字化测绘成果。
可量测实景影像(Digital Measurable Image,第5D产品)是指一体化集成融合管理的时空序列上的具有像片绝对方位元素的航空/航天/地面立体影像的统称。它不仅直观可视,而且通过相应的应用软件、插件和API让用户按照其需要在其专业应用系统进行直接浏览、相对测量(高度、坡度等)、绝对定位解析测量和属性注记信息挖掘能力,而具有时间维度的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是满足Web 2.0的新型数字化产品,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。
时空序列上的航空/航天立体影像可来源于对地观测体系中4D产品库。但是,其垂直摄影与人类的视觉习惯差异较大,要实现可视可量测可挖掘需要进行专门训练,而且它不包含垂直于地面的第三维街景信息。而海量的具有地理参考的高分辨率(cm)地面实景立体像对符合近地面人类活动的视觉习性,并且包含实地可见到的社会、人文和经济信息,因此地面移动测量系统获取的可量测街景影像应作为可视可量测可挖掘实景影像体系的优选产品。
移动道路测量技术作为一种全新的测绘技术,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,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。
特别要指出的是,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,而上面的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。
因此,应当将这样的可量测实景影像(DMI)作为城市空间数据库中4D产品的重要补充,构建城市新一代的5D数字产品库。根据已进行的试验,广州市的DMI数据量约为1TB。
四、可量测地面实景影像与4D集成
现代信息技术、计算机网格技术、虚拟现实技术和数据库技术的发展使得海量的DMI数据可以与传统的4D产品进行一体化无缝集成、融合、管理和共享,形成更为全面的、现势性强的、可视化并聚焦服务的5D国家基础地理信息数据库。
基于这样的空间数据库,可以将移动测量系统沿地面街道获取的DMI数据与由航片/卫片加工的DOM、DLG和DEM按统一坐标框架有机结合起来,从而构成一个从宏观到微观、完全可视化的地理信息数据库,实现空中飞行鸟瞰和街头漫步徜徉。同时,用户可以在图像上对地物进行任意标注,并将其链接到其他专业数据库(人口数据库、经济数据库、设备数据库、设施数据库等)中,真正实现地理信息、专业台账信息和图片/影像信息的有机结合,更好地发挥空间信息服务的使用功效。该集成模式可用于大范围的空间分析、通视分析、信号覆盖分析等等,并可将做好的预案进行多角度、全方位的三维立体浏览,可广泛地应用于数字战场、应急指挥、抢险救援等。
五、基于可量测实景影像的空间信息服务体系
基于位置的服务(LBS)被国际IT业界认为是继短消息服务(SMS)之后的杀手级应用,具有上百亿美元的市场价值。
目前全球LBS主要基于4D产品,特别是采用了从粗到精的DOM、DLG和DEM的集成,其中高分辨率卫星影像可提供米级的分辨率,部分城市还采用了3D房屋模型。其主要缺点是所提供的服务是需要判读和理解的二维地形图、影像图,即使三维城市模型也不具备可量测可挖掘功能,不能最有效地反映真实地球表面三维现实,也缺少厘米级的可视可量测实景影像。为此,作者建议采用DMI与4D产品集成的5D产品来构建新一代的空间信息服务系统(简称vLBS)。
在这样的系统环境下,用户可以从空中遥感进入地面,在高分辨率三维实景影像上漫游,去搜索兴趣点(POI),进而可查询图形、属性和实景影像。必要时可按需要在实景立体影像上进行立体测量(绝对精度0.8-1m、相对精度3-5cm),从而更好地满足各类用户的需求和充实用户的参与感和创造力,也同时可以实现摄影测量的大众化。
这样的基于可量测实景影像的空间信息服务,无疑将明显优于目前国际上流行的Google Earth,Virtual Earth等一系列网上空间信息服务系统。
面对海量对地观测数据和各行各业的迫切需求,我们面临着数据又多又少的矛盾局面,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可以达到细至cm级空间分辨率,实现聚焦服务的按需测量,应作为第5D产品充实到国家基础地理信息数据库中。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、智能化和实时化解析解译服务和网络通信服务有机结合,实现空间信息大众化,为全社会、全体公民直接服务,从而达到做大信息化测绘的目标。
