【李德仁院士】移动测量技术及其应用

美国前副总统戈尔于1998年的一次演讲中告诉我们。 “2l世纪认识地球的方式”应该发生一次大的转换，这就是不仅要把地球看作物理地球。还要把它看作“数字地球”。 “数字地球”概念的核心就是用位置相关的空间信息技术处理整个地球的自然和社会活动诸方面的问题，最大限度的利用资源。

　　2005年是网络地图或者位置服务红红火火的一年， 随着Google Map、Google Earth及其Google MapAPI的推出，使地理空间信息服务相关的网络地图应用第一次实实在在的走向了社会和大众.搜索技术和地理空间信息服务技术的结合。让每个人都能轻易获得某些城市敏感地方的地形图。这是一项“激动人心的创新”。此外，在过去的一年中，微软、Google和Yahoo都在互相激烈竞争以期做出最有用的电子地图。地理空间信息服务已经被各大搜索引擎所青睐。除了Google，MSN搜索、Yahoo、Ask Jeeves以及美国在线都在他们的搜索网站上有了本地搜索服务，而且本地位置搜索也很受网民和在线广告商欢迎。接着，5lditu，MapBar，MapABC，新浪iAsk。baidu等都推出了地图服务(或者被大众所知)。2005年，搜狐以约l亿元人民币的代价收购Go2map。收购go2map更大的意义在于中国即将推出的3G业务，届时用户可以以手机为终端即时获得地理信息服务(餐饮、美容、娱乐、搬家公司、派出所等)，而搜狐从中收取费用。2006年，灵图、宇图相继获得超过亿元的投资。一系列牵一发动全身的收购动作发生。让更多知名VC(风险投资)也将目光投向了地理空间信息服务及其巨大的潜藏经济效益。

　　随着现代地球空间信息技术的发展与进步，基础地理信息的表达方式发生了巨大变化。传统的模拟地形图已不再能够作为地理信息的有效载体，取而代之的是信息量丰富、直观易读、更新便捷的数字化“电子地图”，可见，地理空间信息服务数据从单纯的符号、文字和二维地图上升到三维、航空和地面多视角等多维位置服务数据，就目前地理空间信息服务和网络通信技术的国际发展趋势来看，位置服务数据正朝着“大信息量” (所关注的对象越来越多，信息量越来越大)、 “高精度” (从10 m级的精度向1 m以内的精度演进)、 “可视化” (除了空间数据和矢量数据外，还需要包含可量测的真三维图像、实景影像、多媒体视频和360。全景图片。从而使得对象的表达更为全面和直观。)，而3G也为多维海量的地理空间信息服务数据的传输提供了平台和网络，在即将到来的3G时代，网络条件质的飞跃，3G终端的普及，信息娱乐更加复杂化、趣味化、准确化的发展趋势，使得对地理空间信息服务数据包含的信息内容要求更加高，如此一来，就给地理空问信息服务数据的生产、加工和更新手段提出了新的挑战。

1 地理空间信息服务数据采集与更新技术

　　据统计，人类80% 以上的信息与地理位置有关，资讯时代的到来，人们对于快速获取全面、准确、实时的地理信息有着越来越强烈的要求。美国提出的数字地球计划是继其在大力推动地球观测系统、国家信息基础设施与国家空间数据基础设施之后的又一个全球性高科技发展战略目标。我国政府也将以实现国家信息化和国民经济信息化作为战略目标提出。

　　随着微软、Google、Yahoo、新浪等纷纷推出地图位置服务。与之相关的位置服务数据成为该项服务提供好坏的关键。为了在位置服务上取得优势和更大的市场份额。对位置服务数据的类型、数据量和更新成为这些公司不断推存出新的杀手锏。Google收购Keyhole数字地图测绘公司。该公司拥有卫星和航拍高质量地面地图。亚马逊公司将海量照片和地图结合了起来。和Google公司和微软公司MSN等网站的卫星照片相比。A9的街区照片将可以提供一种更有帮助的图景，使地图搜索少一些抽象，并和现实世界更加接近。2006年4月。微软的Windows Live Local升级了一种street—side预览技术。其新的特色是为WindowsLive Local用户提供本地搜索和地点查询。Street—side可提供三种新的街道级别的优势。帮助Windows LiveLocal用户预览目的地以及帮助其寻找到达目的地的可视化提示物。2006年5月。微软收购Vexcel公司。这一收购交易将帮助微软公司努力发布一个真实世界融入动态的数字图象。为用户提供最好的当地搜索和地图体验。

　　可见,IT行业正围绕代表信息高速公路的网络发展。而地理信息正是其它上层信息的基础。而地理空间信息服务产业与地理信息息息相关，发展地理空间信息服务产业必须首先建设完备的地理信息基础平台。根据《中国位置服务(LBS)市场研究报告》(2005年7月)对全球LBS市场的分析研究。预N2005年全球LBS市场规模将达N20亿美元。较2004年将增长100% ，在未来几年将呈现平均80%增长率的快速成长。至2009年将接近210亿美元。中国经济的高速增长使得基础设施发生着日新月异的变化。对于北京、上海这样的大城市。每年有40%以上的地图内容应该得到更新。而采用传统的测绘方法更新地图需要半年甚至一年以上的时间。根本无法适应现实需要。可以说。传统落后的测绘方式已成为制约中国地理信息产业发展的瓶颈。

　　目前，我国导航电子地图制作的主要方式为。在原有地形图、航片或卫片的基础上。通过大量的人工调绘来采集所需信息(如交通标志、立交桥、交叉口、建筑物等)，将这些数据信息叠加到底图之上，再按照一定的格式加工成电子地图。这种方式的主要弊端为：

　　1)难以获得现势性强的大比例尺地形图：据权威资料显示。我国现有l：l万比例尺地形图大多是70年代后期生产的。

　　2)航片或卫片存在判读难的问题：受摄影方向和条件的局限。有时不能或难以判读某些地物属性。

　　3)易受人为主观影响：人工调绘的主观局限.直接影响了成图的精度。

　　4)效率低下难以适应地图更新要求：以人工的方式每天仅能调绘数公里。加上内业处理的时间。类似北京这样的城市的电子地图测制需要半年甚至一年以上的时间。而基础建设的日新月异使得北京市的电子地图必须一个月更新一次。因此。运用传统的方式。往往新图尚未出品。便已宣告过时。

　　可见,落后的地理空间信息采集与更新方式直接制约了地理空间信息服务这一巨大的新兴产业的发展。另外。在勘测、部队、交通等领域，GIS系统已普及到了相当的程度。但也由于不能有效采集数据和及时更新数据。造成了GIS系统的功能不能充分发挥。因此，应用先进的科技手段，解决落后的数据采集方式问题。已是当务之急。

　　移动测量系统(Mobile Mapping System。MMS)。是当今测绘界最为前沿的科技之一。代表着未来道路电子地图测制领域的发展主流。它是在机动车上装配GPS (全球定位系统)、CCD (视频系统)、INS(惯性导航系统)或航位推算系统等先进的传感器和设备。在车辆的高速行进之中。快速采集道路及道路两旁地物的空间位置数据和属性数据。如：道路中心线或边线位置坐标、目标地物的位置坐标、路(车道)宽、桥(隧道)高、交通标志、道路设施等。数据同步存储在车载计算机系统中，经事后编辑处理。形成各种有用的专题数据成果。如导航电子地图等等。另外。MMS本身所具备的汽车导航等功能还可以用于道路状况、道路设施、电力设施等的实时监控，以迅速发现变化。实现对原图的及时修测。

　　MMS既是汽车导航、调度监控以及各种基于道路的GIS应用的基本数据支撑平台。又是高精度的车载监控工具。它在军事、勘测、电信、交通管理、道路管理、城市规划、堤坝监测、电力设施管理、海事等各个方面都有着广泛的应用。

　　随着地理空间信息服务产业的快速发展。地理空间数据的需求也越来越旺盛。地理空间数据的生产。成为世界经济增长的一大热点，作为一种全新的地理空间数据采集方式。世界上最大的两家导航数据生产商NavTech和Tele Atlas均将移动测量系统作为其数据采集与更新的主要手段。并将MMS视为公司的核心技术。可见。移动测量技术已经成为地理空间数据采集的最好解决方案。将在地理空间数据采集与更新中发挥越来越大的作用。

2 移动测量技术

　　“移动道路测量”是当今测绘界最为前沿的科技之一。代表着未来道路电子地图测制领域的发展主流。它是在机动车上装配GPS、CCD、INS或航位推算系统等先进的传感器和设备，在车辆的高速行进之中，快速采集道路及道路两旁地物的空间位置数据和属性数据，如：道路中心线或边线位置坐标、目标地物的位置坐标、路(车道)宽、桥(隧道)高、交通标志、坡度、道路设施等。数据同步存储在车载计算机系统中，经事后编辑处理，形成内容丰富的道路空间信息数据库。

　　2.1 MMS系统的主要功能

　　●位置与角度测量

　　通过GPS/CCD/INS的集成，既可从CCD立体影像对中提取目标点精确的绝对位置坐标，又可进行目标点间相对位置关系的解算。这一功能可完成的测量任务有：道路中心线和边线坐标的测量;电线杆、交通标志、报警点、下水道出口等点状地物的坐标量测;房屋角点、街道边界、铺装路面的测量;道路宽度、桥梁涵洞宽度高度的测量等。同时，还可测量道路坡度、转弯半径等。如插页图2所示。

　　● 属性记录

　　通过CCD视频系统，连续全过程地记录道路及道路两旁地物属性，形成闭环的属性记录及检验系统，保证了地物属性记录的完整性和品质。作业员还可通过手写/语音输入装置及键盘进行补充属性录入。针对交通标志的记录，设计了专门的属性记录器，将上百种道路交通标记(红绿灯，立交桥，加油站等)设置成直观醒目的按钮，作业时只需轻轻一按，即可将矢量化的属性录入车载电脑。如插页图3所示。在作业过程中拍摄的图像均为连续可量算的三维图像，能用于道路可视化建设、数字城市、商业选址等方面。如插页图4所示。

　　●数据融合与利用

　　在最大限度地采集了各种道路综合信息之后，通过开发的数据处理软件，可方便地将各种位置数据，属性数据以及图像进行后处理，最后存储在开放式的数据库中，并可输出形成各种适应于不同需要的数字地图成果(如：电子地图等)，数据可自由与各种常用的GIS软件进行数据交换(支持Shapefile、Mif、DXF、GDF 4.0等格式)。在最大限度地采集了各种道路信息之后，可便捷地将各种位置数据，属性数据以及图像进行后处理，最后存储在开放式的数据库中，可供各种GIS系统以资利用。另外，用MMS采集的数据也可与传统人工测量所得数据以及航片、卫片资料建立无逢关联，使得原有的数据系统、现有的航测遥感资料和MMS数据能够融为一体，相互补充，从而形成更全面、更准确和现势性更强的地理信息系统，此种方式，称之为“天地一体化遥感”。可见，MMS作为一种崭新的测绘手段，有效地弥补了传统测绘方式的不足，如将之与传统方式相结合，将最大程度地实现空间信息的快速采集与更新。能充分满足当今地理信息系统的需要。

　　2.2 移动测量关键技术

　　移动测量系统是一种多传感器集成的数字成图系统，一般由移动载体(车辆)、多传感器、车载计算机以及数据采集软件构成。移动测量关键技术有如下方面：

　　●多传感器集成技术

　　移动测量技术利用多种空间数据采集手段，将各种空间数据采集传感器进行集成，进行全面高精度空间数据采集，为地理信息系统和三维空间数据的采集提供全面、可靠、高效的方式。尽管多传感器系统与单个传感器系统相比有许多的优点，但是多个传感器的引入使整个系统处理过程复杂化，同时也因此产生一系列新的问题，如多传感器描述的一致性问题、多传感器协调工作等问题。多传感器集成的关键是要解决下面问题：多传感器选择和多传感器的控制。

　　●传感器时间和空间同步技术

　　●系统检较技术

　　●地理参考技术

　　对于多传感器集成空间数据采集系统而言最重要的是直接地理坐标参考。直接地理坐标指不使用地面控制点和摄影测量三角测量的方法来确定测量传感器的坐标，使得移动测量系统成为一种独立的测成图系统。

　　●道路几何特征的快速重建和交通标志的自动提取技术：随着移动测量的应用不断扩大，提高内业数据处理效率的道路自动重建和交通标志的自动提取技术显得尤为重要。

　　2.3 MMs与现有技术比较所具有的优势　　

表1给出了移动测量技术和传统的地理信息数据采集技术的效率、成本和更新周期的比较：可见，MMS的主要优点有：

　　1)独立测成图系统：作为独立的测成图系统，无需借助底图和传统测成图方式即可完成道路电子地图的测制

　　2)成果全面准确：运用MMS采集到的数据成果包括：空间坐标、矢量数据以及连续的 维图像，数据链全面完整，精度满足国家规范要求。

　　3)有效融合其他来源数据：移动测量获得的数据可以通过后台处理软件，与航片、卫片以及传统地形图进行有效融合，从而生成信息更为全面的地理信息系统。

　　4)高效率：能以60 km/h的速度完成外业测图工作.通过友好的数据处理软件可方便地对所采集的数据进行编辑处理。相比传统导航图测成图方式，可将整个测成图效率提高10倍乃至数十倍以上，完全满足道路电子地图的快速测制与更新需要。

　　5)低成本：只需3人即可完成测成图工作，大大降低了人工成本和作业成本，从而留给用户较大的增值空间。

　　6)安全舒适：车载方式下的作业，相比传统的外业工作，显得既安全，又舒适。

3 基于MMS的应用

　　3.1 基础测绘

　　1)MMS生产试验。2005年6月，黑龙江测绘局采用LD2000一RM (中端产品)型移动道路测量系统完成了“基于移动道路测量系统的数字道路采集生产试验项目”任务，通过比较采用传统城市测量方法和移动道路测量对相同地物测量结果，LD2000一RM型移动道路测量精度如表2所示：

可见.MMS的成果平面精度可以满足重点城市l：2 000的要求，同时.使用移动道路测量系统基本上完全可以满足重点城市数据库建设项目中有关道路及相关设施的采集与调绘工作，因为重点城市数据库建设项目中，只采集境界、道路、地名、水系和土地利用现状五大类基本要素.所以，矢量采集的大部分工作可以完成。同时.使用移动道路测量系统可以增加更丰富的属性信息、以及图像和视频信息，可为重点城市数据库增加沿道路的影像序列数据库，以及重要部门及建筑的影像和视频数据，能更好地增强重点城市数据库的可利用性。

　　2)电子地图测制

　　采用立得高端产品LD2000一RH测制了武汉市汉阳沌口经济技术开发区电子地图，作业范围共计9 km。，采集了所有的道路数据、道路附属设施数据以及道路属性数据。

　　3)电子地图修测

　　2002年使用MMS为韩国高速公路公司、地方建设管理部门、市政管理部门、韩国电力公司等做了大量的测绘工程，包括：道路设施调查维护、市政公共设施调查、电线杆设备状况调查、国家GIS数据采集和更新等。

　　3.2 公路GIS与公路路产管理

　　在公路管理领域，一方面，利用MMS可快速便捷的采集复杂构造的交通设施的空间几何信息，如插页图7所示，另一方面，MMS可作为公路GIS的直接数据源.为公路GIS和公路路产管理提供数据采集与更新的基础.2005年4月.MMS通过了交通部组织的测试。伴随着计算机技术的飞速发展，公路检测技术的进步，融合GIS技术的公路信息系统(公路数据库、路面管理系统等)已经成为西方发达国家日常公路管理的重要手段和信息化的重要组成部分。公路建设投资巨大.道路及其附属设施皆是投资人十分关心的资产.必须纳入量化的统计及动态监控管理。公路GIS是专门用于道路及道路设施管理的地理信息系统，它详尽记录了每一段道路的基本情况(如：地理位置、铺装材料、车道数、路面情况、维修记录等)以及每一个配套设施(如监视器、电线杆、护栏、收费站、里程碑等)的相应状况(地理位置、产品特征、维修记录、高度、长度、描述信息等)。公路GIS是交通管理部门、道路管理部门必备的资源。

　　如何快速采集和更新公路GIS中所需要的信息，是公路GIS建设推进的前提。传统的测绘方式采集上述信息，费时费力，且不安全，而采用航空摄影测量的方式，周期长，成本高，对于公路GIS中所需要的设施的属性信息，如公路设施的高度等都无法获取，这一点严重制约着公路信息化的发展。由于公路GIS中数据的需要是一个带状的，这一点正好符合MMS数据采集的特点。运用MMS，可以方便地对道路中心线、电线杆、交通标志等海量地物实施快速测量，事后通过专门的数据处理软件进行计算和编辑，直接将地物的位置数据、矢量属性数据以及3D图像录入公路GIS，并可输出成图。在公路GIS的基础之上，可使用三维制作软件制作公路三维仿真系统，和公路多媒体视频和设施实景图片一起(Video GIS)，从而实现公路的全可视化管理

　　作为交通部的公路GIS试点工程，采用高端的LD2000一RH产品对湖北楚天高速公路进行的全程测绘.该公路全长近200 km，包括道路中心线、里程碑、护栏、电线杆、报警点、交通标志等点状和线状地物达到20万个.采用MMS仅用1l h即完成全部的道路测量工作，并为路管单位制作了我国第一条“可视化” 的高速公路综合信息管理系统。

　　此外.通过不同时期的MMS影像对比，为公路资产的日常巡视和变化检测提供依据，直接进入公路资产维护、维修等管理流程。如插页图9所示

　　3.3 电力GIS数据采集与可视化管理

　　电力GIS中电力设施的采集是一项基础性工作，一方面，电力设施的空间位置需要采集，另一方面。对于电力GIS而言，设施的属性对电力设施的安全管理尤为重要，如插页图l0所示

　　2O04年9月，立得采用LD2000一RM型中端产品进行了某市电力设施的数据采集。完成了三环以内所有主干道及电力设施的采集。并实现了电力GIS中基础设施的可视化维护与管理。

　　3.4 铁路GIS与铁路资产管理系统

　　全国铁路地理信息系统建立在铁路基础地理信息上，基础地理信息包括铁路空间数据库(主要包括线路、桥涵、隧道、站场、供电、供水、行车设备等路网基础数据)和相关的属性数据库、影像数据库、设施图片库和视频数据库。这些空间信息和非空间信息是铁路地理信息系统实现全路数据共享、全路资料业务检索。为铁路部门提供抢险救灾、设备维护、资产管理、行车组织优化、调度辅助、紧急情况处理、市场营销分析、客户信息发布等众多方面的应用服务基础。也是是我国铁路信息化建设的软基础(相对于光纤铺设等硬件基础建设而言)。由于铁路上不允许人工作业。使得铁路地理信息系统的数据采集不能依靠人工方式完成。将移动道路测量车置于机车的平板车之上或在车体上加装可以在轨道上行驶的轮子。这样移动道路测量系统便可如同在公路上一样开展工作。完成全国铁路网基础地理设施采集与更新。

　　2006年4月。采用LD2000一RM型中端产品完成青藏铁路从格尔木到拉萨往返铁路线、铁路设施(信号标志、车道灯等)以及相关地物(包括附属建筑、交叉路口、桥梁涵洞等)的快速采集，为青藏铁路GIS、铁路运营管理、铁路救援等提供数据基础。外业工作6 d。内业加工10 d。完成了双向长达2284 km的青藏铁路数据库建库任务。

　　3.5 公安GIS

　　MMS在作业过程中拍摄的图像均为连续可量算的三维图像，尤其对于重点关注的线路、地区和部位，均可将其实景图像拍摄下来存放在数据库中。以供不时之需。这样的公安GIS系统可容许公安内部各级用户通过连接到服务器的计算机沿着道路，点击任何位置就可以浏览所需要查看目标的实景图像。从而使得公安系统达到“可视化的目标管理”水平。在传统地图上公安所关注的重点单位只是为一个简单的点所代表，而在MMS构建的P—GIS中，公安所关注的重点单位是一个详细的可视化环境，可以查询其出入口、通道方向和宽度、通道之间的距离等等，这样，MMS采集到的数据可以方便地与警方原有数据库以及航测遥感图像进行无缝链接。从而构成一个大到整个城市图景。小到街区l m范围内。乃至建筑物内部情况的可视化立体信息系统，如插页图l2。在P—GIS中，可以查看胡同宽度以备应急响应此外，MMS采集的数据可以实现可视化的警备路线管理。为重点警用路线提供的任意方向的实景影像和视频的浏览。查看。测量等功能。并和实际地图据相匹配，可以为决策人员提供辅助决策。

4 结 语

　　地理空间数据的完整性、准确性、多样性和现势性对地理空间信息服务应用起着至关重要的作用。从地理空间信息服务的国际发展趋势来看，从最初MapQuest单一的网上电子地图到Google Map推出卫星影像数据。都带来地理空间信息服务应用的革新和应用面的升级。而地理空间信息服务数据也在从一维、二维、三维到多维发展。其视角从传统的平面地图、俯瞰的卫星影像、更近距离的鸟瞰(微软的Bird Eye)到近地面的Street View(亚马逊的A9服务)、近地面360。街图(微软的Street Slider)，其服务应用的深度和广度在不断扩大。对地理空间信息服务数据的采集、生产和更新提出越来越高的要求。事实上。包含更多信息的、可高精度量算的近景影像资料是未来GIS所不可或缺的。日本等国已经开始了新一代国家基础地理信息系统的重测工作，以满足新兴产业的发展需要，移动道路测量技术将在这一方面发挥越来越多的作用。

       文/《地理空间信息》，2006年8月第四期

　　作者简介：李德仁，男， 中国科学院， 中国工程院院士，教授。

编辑：陈柳林

审核：高冲

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