移动测量系统及实景三维技术的发展和应用.docx

1、移动测量系统及实景三维技术的发展和应用移动测量系统及实景三维技术的发展与应用周落根 韩聪颖 王星卓摘 要：本文介绍了我国移动测量技术的发展概况，阐述了实景三维地理信息产业的形成和发展，分析了移动测量行业和实景三维地理信息服务的竞争格局，对其未来发展进行了展望。关键词：移动测量系统 实景三维技术 地理信息服务一 引言移动测量技术是当今测绘界最为前沿的技术之一，诞生于20世纪90年代初，集成了全球卫星定位、惯性导航、图像处理、摄影测量、地理信息及集成控制等技术，通过采集空间信息和实景影像，由卫星及惯性定位确定实景影像的位置姿态等测量参数，实现了任意影像上的按需测量。移动测量的多传感器系统可加载于如

2、航天航空飞行器、陆地交通工具、水上交通工具等多种载体上，形成不同的移动测量系统，满足不同的测量需求。例如，陆基移动测量系统通过车载平台上安装的GPS、INS、CCD等传感器协同运行，沿道路采集周围地物的可量测实景影像数据。二 我国移动测量技术的发展在两院院士李德仁先生的推动下，我国从1995年开始对移动测量技术进行研究，由武汉大学测绘遥感信息工程国家重点实验室在对多个关键技术展开技术攻关并取得突破后，于1999年完成移动测量系统样机的研制。目前国内在移动测量技术领域的研发实力和技术水平与发达国家相比还存在一定差距。此外，国内某些高等院校和研究机构虽然在此领域有着较为深厚的学术底蕴，但其技术水平

3、仅停留在原型样机的阶段，均未实现产业化，行业发展受到限制。为推动科研成果的转化，立得空间于1999年成立，其前身是武汉立得空间信息技术有限公司，2008年4月更名为立得空间信息技术有限公司，2010年12月，变更为立得空间信息技术股份有限公司（以下简称立得空间），李德仁院士出任公司首席科学家，并开始主导移动测量技术的产业化。经过十余年的努力，立得空间使中国移动测量行业及其相关产业初具规模，是我国移动测量系统的开拓者。立得空间研制生产的路基移动测量系统（Land-based MMS）包括：第一代车载CCD实景三维采集车系统即LD2000系列、第二代激光三维采集车系统即LD2011型系列全景激光移

4、动测量系统；空基移动测量设备（Airborne Mobile Mapping Device）包括LD2011空基移动测量设备。公司现有移动测量系统（MMS）变形车产品包括：流动执法MMS、应急测绘MMS、广告牌测量MMS、简装版公路巡查MMS、公路巡查及裂缝测量MMS、铁路行业MMS、便携式MMS、全景激光MMS，都具有相当成熟的规模（见图1）。图1. 移动测量系统大家族（一）陆基移动测量系统陆基移动测量系统是一种基于道路的快速移动测量系统，其原理是在机动车上集成全球定位系统（GPS）、摄影测量系统（CCD）、惯性导航系统（INS）等先进传感器和设备，在车辆高速行进时，快速采集道路及周边地物的

5、空间位置和属性数据，并同步存储于车载计算机中，经专门软件编辑处理，形成各种空间地理信息数据成果，如电子地图、设施数据库、兴趣点（POI）数据库等。具有测量精确、采集快速、使用方便、获取的信息丰富等诸多优点，被公认为是最佳的导航电子地图测制、地图修测及道路实景三维地理信息数据采集工具，系统原理如图2所示。图2. 陆基移动测量系统原理示意图陆基移动测量系统在获取目标的地理空间位置的同时，还能够采集地物的实景影像，丰富地理信息数据的内容，从而拓展了地理信息数据的应用领域，因此被广泛应用于军事、测绘、城管、公安、应急、交通、铁路等多个行业。此外，陆基移动测量系统所获取的实景三维地理信息以实景影像方式直

6、观表达，易于被大众用户所接受与使用。2004年以前，受制于计算机处理技术、存储技术以及网络带宽技术的局限性，陆基移动测量系统在长时间内仅被应用于军事、测绘、交通等专业领域，并且主要用于二维地图的更新，在基于道路的空间地理信息数据建库等方面的市场需求量较小。随着计算机技术、网络技术和移动测量技术的不断发展与完善，在计算机和网络中传输海量空间地理信息成为可能，以影像融合二维地图的实景三维空间地理信息系统应运而生。相对于传统的二维地图，实景三维空间地理信息统表达方式更为直观、信息更加丰富、更易被理解和使用，因此Google、微软、诺基亚等IT巨头为争夺未来网络地理信息的霸主地位，纷纷投入了大量资源用

7、于购买、组装移动测量系统，在全球范围内进行街景影像采集。立得空间的陆基移动测量系统与国外厂商相比，性能与国际顶尖产品相当，性价比极高，主要功能性能指标见表1。表1. 主要陆基移动测量系统对比表系统名称Ld2000RH-LMX8IP_S2生产商立得美国Trimble日本TopconGPSDGPSDGPSDGPS惯性设备“战术级”INS（0.3 /h）“战术级”INS（0.3 /h）“控制级”INS（1-3 /h）成像设备1.4m-10m相机全景相机1.4m-4m相机全景相机全景相机成像分辨率10cm10cm30cm实际测量精度0.5m0.5m2m后处理软件成图、行业应用成图成图应用领域行业用户、

8、互联网行业用户互联网在国内，相关政策和法规规定境外公司不能独自在中国大陆境内进行地理信息数据采集和发布，因此各种行业及互联网地理信息数据服务必须由中国大陆公司主导完成。在政策前提下，作为一种最有效的城市空间信息采集系统，立得空间的陆基移动测量系统在强大核心技术的支撑下，占据了市场垄断地位。（二）空基移动测量设备空基移动测量设备以由GNSS、INS、导航存储设备、数据处理软件等组成的定位定向系统（POS: Positioning and Orientation System）为核心部件，装载于飞艇、无人机等飞行器上，系统可以实时获取运动物体的空间位置和三维姿态信息，其原理为：将各个导航传感器获取

9、的信息进行最优化数学处理，为飞行器等设备提供高精度的位置和姿态信息。空基移动测量设备可为机载激光雷达、推扫式超光谱成像仪、大面阵CCD数字相机、合成孔径雷达等测绘遥感设备提供动态坐标及姿态基准，对提高地理信息采集与更新速度、实现我国测绘现代化目标具有重要意义。定位定向系统（POS）系统作为空基移动测量设备的核心部件，一直受到西方国家军事禁运的影响。长期以来，我国缺少适用于测量和高精度地理信息数据采集的航空POS。近年来，西方国家对INS的管制小幅放松，多家国外POS生产商开始向我国供货，但价格十分昂贵，限制了我国空基移动测量系统的大规模使用。为打破国外技术封锁，立得空间自创立伊始即开始POS相

10、关技术研究及产品的开发工作，在突破了载波相位差分、精密动态单点、GNSS/INS紧密组合等一系列技术难关后，自主研制出了与进口产品技术水平和性能相当的POS系统。立得空间研制的航空POS可为各航测设备厂商提供配套服务，同时还适用于飞行器及地面交通工具导航、战术武器导航平台、工业自动控制等高端领域，相关产品外观如图3所示。图3. 立得空间生产的POS产品典型外观图采用POS系统直接地理定位具有如下优点： 不依赖空中三角测量和一个完整的地面控制测量； 简化、自动化数据处理和质量控制的过程； 单个的立体模型制图、单幅影像的正射校正可以使用已有的数字高程模型（DEM）； 在传统的航空测绘应用方面提高了

11、工作效率，从而减少了操作时间，节约了成本，进而提高了精度； 易与数码相机、摄影机、LIDAR系统、SAR系统、数字扫描仪等传感器结合； 适用于应急测绘快速响应。三 实景三维地理信息产业的形成与发展随着测绘技术和移动测量技术的发展，实景三维地理信息应运而生，其是在传统二维地理信息的基础之上，增加了连续的地面可量测影像库作为新的数据源，并通过专门的数据开发平台与地理信息行业应用软件无缝集成，从而给用户提供更直观易用的实景可视化环境。实景三维地理信息服务是指运用测绘技术、计算机软件技术采集地理数据、可量测实景影像数据和行业专题地理数据，主要为政府、企业的决策管理和日常办公提供信息服务，并能为用户带来

12、更多崭新的功能和应用模式，可为城市信息化管理部门提供“数字城市”地理信息整体数据解决方案，其主要的应用领域有：基础地理空间数据框架、地理信息共享平台、电子政务平台、数字城管、公安、应急、智能交通、旅游、公众地图服务等。服务的主要内容为：实景三维地理信息的采集与处理、业务专题数据库建库、可量测实景影像应用开发平台、数据应用部署等，尤其是面向城市管理与决策的高端应用。国家测绘地理信息局于2009年发布行业标准可量测实景影像CH/Z 1002-2009，将实景三维地理信息正式纳入国家基础地理信息数字产品范畴，成为国家空间数据基础设施的重要组成部分。交通部、住建部、公安部等国家有关部委均在数字城市各行

13、业的信息化建设规划中，对采用实景三维地理信息服务制定行业指导意见。经过近十年的发展，实景三维地理信息服务逐渐形成如图4所示的产业链。实景三维地理信息服务产业的上游为地理信息采集设备提供商，包括传感器、电子电气元器件及设备等的提供商；中游的地理信息服务商提供实景三维地理数据采集与建库服务，通过集成开发商或企业级的数据生产商、网络运营商等为下游的城市信息化用户提供服务，或直接提供服务。随着移动终端、互联网技术的发展，实景三维地理信息服务将从高端行业应用推广至社会大众。近年来，国外主要以谷歌公司为代表、国内以立得空间为代表的地理信息服务商已全面开始提供实景三维地理信息服务。截止2010年底，谷歌公司

14、提供的街景地图服务已在欧洲、北美等发达国家和地区实现城市全覆盖；立得空间的实景三维地理信息服务也已在全国29个省，100多个城市、城区得到广泛应用，主要应用于城市地理信息服务共享平台和基础地理数据框架、电子政务平台、数字城管、公安应急、公路交通、旅游招商等诸多领域。国内的实景三维地理信息服务始于20世纪末，与国外的实景三维地理信息服务处于同样的起步水平，经过数十年的研究与发展，其技术应用模式已趋于成熟。但相比国际著名品牌如谷歌公司的Street View和微软公司的StreetSide，国内实景三维地理信息服务的劣势在于品牌推广力度较小，产业化程度较低。图4. 实景三维地理信息服务产业链立得空

15、间不仅是中国移动测量系统的开拓者，还是实景三维地理信息理念的原创者，开创了国内的实景三维地理信息产业，是目前国内唯一可提供可量测实景影像（DMI）技术的公司和实现移动测量系统产业化的生产企业。同时，凭借着实景三维地理信息所具有的富信息、按需测量、直观易用、更新快捷等诸多优点，公司将业务领域广泛拓展至电子政务平台、数字城管、公安应急、公路交通、旅游招商等诸多领域，创造了国内实景三维地理信息服务的新模式。目前，立得空间引领的国内实景三维地理信息产业已初具规模，呈现快速和多样化发展趋势。立得空间的移动测量系统和实景三维地理信息服务模式已经在全国27个省、100多个城市（区县）和青藏铁路、汶川地震、北

16、京奥运、国庆60周年阅兵、广州亚运等项目中得到成功应用，在行业内形成巨大的影响力。四 行业竞争格局与市场份额评估（一）移动测量行业由于移动测量系统技术门槛高，目前完整掌握其核心技术并实现产业化的厂商主要有美国天宝公司、日本拓普康公司和立得空间。虽然还有少量科研机构开展了移动测量系统研制，但仅停留在研究阶段，样机还未产品化。立得空间是国内唯一实现产业化的公司，根据中华人民共和国标准化法规定，该产品的质量标准已于2006年在质量技术监督局进行了备案。移动测量系统作为一种新兴产品，价格较为昂贵，尚处于市场导入期，国内仅专业测绘用户（军方等）在使用，主要由立得空间提供。国外产品因价格高昂、缺乏生产配套

17、软件和应用软件、没有完善的售后服务体系等原因还难以为国内用户接受，目前仅有少量几台进口产品。（二）实景三维地理信息服务实景三维地理信息服务市场分为两类，一是政府企业的行业市场，二是大众消费者市场。在行业市场，立得空间一直引领实景三维地理信息的应用和推广，已经在全国100多个城市、城区得到成功应用。由于实景三维地理信息服务具有良好的市场前景，目前，也有一些测绘机构和民营测绘单位购买了移动测量系统，正在进入这一领域，如武汉勘测院、重庆数字城市、江苏兰德数码、北京数字政通等公司。在大众消费者市场，以谷歌为例，截止2010年末其街景地图服务在欧洲、北美等发达国家和地区已实现城市全覆盖，微软计划近年投资

18、数十亿美元在全球开展3000个实景三维数字城市建设。由于行业许可方面的制约，它们尚未进入国内市场。五 未来展望随着云计算技术变得更加成熟，它将很好地应用到地理空间业务中，地理空间数据就是一个“云”，其储存、管理、应用将更加方便。地理空间数据采集和应用的实时化成为市场主要需求，快速获取、加工、处理和应用、维护地理空间数据的技术更加成熟，并得到广泛应用，电子地图、遥感影像图、实景影像图将实现从空中到地面、从宏观到微观的集成应用。今后，智慧地球、物联网等将不再只是概念，而是将迎来巨大的现实发展，地理空间信息将与各种移动终端，如手机、相机、探头、监控头、电视机、定位仪等集成应用，将掌上世界转变成为现实

19、，让生活更加精彩。基于地理空间信息的位置服务将成为3G的重要功能和卖点，与百姓的日常学习、工作和生活相关的地理空间信息将进一步提升3G的价值。实景三维技术将面向规划、城管、社区、应急、房产、市政、交通等集成应用服务；突破多元数据获取、融合集成服务及平台顶层设计技术瓶颈；形成基于“端管云”架构统一的城市三维平台高效组织管理与服务能力；对政府、企业和公众提供三维数据应用服务，提升城市规划、建设、管理和服务水平 ；对数字城市智慧化发展阶段发挥数据和技术支撑作用。（一）移动测量系统行业发展趋势1、向着多数据源方向发展移动测量系统依托航天航空飞行器、车辆、船舶等运载平台，采用可见光、红外、高光谱和微波等

20、多种波谱段成像进行目标测量，获取目标的空间信息和属性。在各种波谱段成像中，可见光成像的光谱特征与人眼相同，具有易理解、易被接受的特点，其应用也很快得到推广。随着移动测量成果数据在不同行业的应用发展，新的需求也不断产生，不同波谱成像将获得与可见光成像不同的属性信息，满足更多的应用需求，因此移动测量技术将向着多波谱段成像方向发展，红外、高光谱、微波等波谱段的成像传感器将逐步得到应用和发展。2、处理技术的自动化发展方向数据处理自动化水平的提高将有效提升移动测量数据处理的效率，降低移动测量成本，对移动测量的应用推广将起到极大推动作用。自动化数据处理相关技术也一直是行业内研究的热点，如已经取得阶段性成果

21、的全景影像制作技术、图像模糊化处理技术等都对移动测量数据的应用起到应有的作用。移动测量数据处理的自动化水平还较低，随着技术的不断进步，数据处理也将向全自动方向发展。3、应用范围越来越广泛测量是移动测量系统的基本功能，其设计的初衷是为了促进测绘技术的革新，军方及专业测绘机构是系统的目标客户。随着移动测量成果的推广使用，其直观、易用、富信息等优点会逐步得到体现并被更多的客户认可，因此移动测量系统的应用范围也将逐步扩大，其应用领域将向更多行业扩展。4、陆基移动测量向着激光测量方向发展三维激光扫描测量技术是一项创新性的数据测量手段，它克服了传统测量技术效率低、信息损失大、安全性差、劳动强度大、专业性高

22、难以推广应用的局限性，采用非接触主动测量的方式直接获取目标环境的高精度三维数据，能够对任意物体进行扫描，且没有白天和黑夜的限制，快速高效地将现实世界的环境信息转换成易于计算处理的数据，并最大程度地还原了真实的社会环境，信息量丰富、直观可视、便于使用、扩展性强。随着三维激光扫描测量装置在精度、速度、易操作性、轻便、抗干扰能力等性能方面的提升及价格的逐步下降，它在测绘领域成为研究的热点，应用领域不断扩展，逐步成为快速获取空间实体三维数据的主要方式之一。车载三维技术作为目前测绘界最先进的数据采集技术将会极大地解放传统测绘工作者外业的工作量，代表着今后测绘行业的一个方向。车载激光扫描系统在大规模城市场

23、景的三维数据获取、建设与应用支撑中具有越来越明显的优势，能充分发挥其精度高、速度快、数据相对完整的特点，提升城市信息化建设及管理的水平。（二）实景三维技术发展趋势实景三维地理信息服务目前仍处于起步阶段，随着数字城市、智慧城市、物联网等新兴产业的不断发展，实景三维地图作为二维地图的升级产品，将会运用于更为广泛的领域，其范围将涵盖高端行业用户及大众消费者，成为地理信息使用和消费的新模式。实景三维地理信息将朝多源数据融合、多视角、多分辨率等方向发展，数据的获取方式和数据类型将越来越多样化，如通过卫星获取的遥感影像数据、专业测绘机构生产的地理信息数据以及社会大众通过手机、PDA等移动终端采集的数据等。

24、其数据管理软件可以提供自动模糊化、图像识别等丰富功能，为用户提供最佳体验。实景影像技术与增强现实技术融合，利用可量测实景影像数据（DMI）的三维空间特性，在利用增强现实技术的基础上叠加各种多媒体信息，比如文字、图片、视频乃至虚拟三维模型等，使真实场景与虚拟信息完美融合，并将其应用于实景三维技术中，服务各个行业，例如标绘业务（工作人员将文字、图片或者视频相关信息标绘在实际场景中，发布并展示）、规划业务（在实景影像中添加虚拟模型，实现整体规划预览效果）等，提高系统的易用性，有效提高工作效率。六 结语随着城市信息化进程的加快和数字城市建设的大规模开展，地理信息服务在行业管理和社会公众服务中的作用日益凸显。3S、物联网、云计算、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领域的应用价值，还将极大提升地理信息产业的发展与服务空间。