一种新型的地理信息影像数据：众源影像，人人参与数字城市建设

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文章转载自公众号赛杰奥，本文摘编自《众源影像摄影测量》（单杰等著.—北京：科学出版社，2019.6）一书“前言”“第1章  众源影像概述”，有删减，标题为编者所加，编辑|刘四旦，版权归原作者和刊载媒体所有。

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众源影像（public images或crowdsourcing images）是指由大众使用智能手机或普通数码相机等消费级设备拍摄，并通过互联网共享的带有地理信息的数字影像，它的出现为多尺度地理信息的获取提供了更加广泛的数据源。普通数码相机、智能手机等消费级硬件设备的发展与普及加速了众源影像的获取，而互联网技术作为信息传播的媒介使得众源影像的传播与共享成为现实。

2009年，美国华盛顿大学的GRAIL成功完成了著名的“一日重建罗马”，之后众源影像便越来越多地应用于城市三维重建、灾区应急地理信息获取、损坏文物的数字化重建等方面。在当前互联网与大数据时代背景下，众源影像已经成为一种新型的地理信息影像数据。

众源影像在应对自然灾害中的应用

自然灾害发生后多会造成当地房屋倒塌、树木折断，甚至地面断裂，导致道路阻断。为及时确定受灾区域，给灾区输送物资和救助伤员，需在较短时间内获取当地的地形图、学校和其他区域的三维模型，以指导灾区救援工作。众源影像因其具有开放、易获取、实时性高等特点，可作为数据源，迅速构建出受灾区域的三维模型，找出遭受破坏的区域，为救援工作争取宝贵的时间。随着灾害关注度的提升，获取到众源影像的数目会不断增加，也会提高信息的可靠性和完整性。Deng等（2016）提出一种社交媒体数据与自然灾害之间的评估模型，并利用微博数据，对海燕台风（2013年第30号超强台风）在灾害发生前、灾害中，以及灾害发生后造成的破坏进行了评估，该模型可用于灾害评估和灾后重建工作。世界银行南亚区域于2012年推出了开放城市项目，为城市地区建立资产和风险敞开数据库，促进城市规划和抗灾能力提升。作为项目的一部分，加德满都（Kathmandu，尼泊尔首都）开放数字城市从2012年11月开始试点，利用GPS、网上和手机影像、卫星和航空影像等一起构建数字城市，该成果引起了尼泊尔在关于确保紧急情况下学校和卫生设施安全的政策层面的讨论。

数字城市的概念一经提出就引起了世界各国政府的高度重视，而且随着信息化时代的到来，数字城市建设日益成为各国高科技发展和城市建设关注的重点（关丽 等，2017；李德仁 等，2011；薛凯，2011）。数字城市的全面建设需要多尺度的传感器（关丽 等，2017；李德仁 等，2016；Blaschke et al., 2011）。航空航天遥感技术为数字城市提供宏观的鸟瞰信息，新近出现的以移动测量车为代表的地面传感技术则为数字城市提供街景信息，两者互为必要的补充。

地面移动测量技术已在各国的数字城市建设中得到越来越广泛的应用，但存在以下问题：①在测量车不能通行的区域，街景数据难以完整地采集，即会出现缺失；②由于街景中行人、树木和车辆等目标的存在，街景数据中存在大量遮挡；③街景数据多由政府或公司组织专业人员进行采集，成本高、周期长、现势性差。如2011年完成的“数字泰州”国家测绘地理信息局项目，历时2年，覆盖面积5 793 km²，其中，中心城区434 km²，可量测实景影像采集道路总里程达1 142 km，影像总数1 898 670张，数据采集时间4个月，耗资约110万元；对于非临街或车辆难以到达的地点，仍需专业人员采用专门的摄影测量设备进行大量分散式的实地采集。

众源影像是指由大众使用智能手机或普通数码相机拍摄并通过互联网共享的带有地理坐标的数字影像，其中包含大量时效性好、位置灵活的街景信息。

▌众源影像的出现为街景信息获取提供了更广泛的数据源。

近年来，随着手机硬件技术的发展，大量智能手机嵌入了摄像头、GPS、加速度计、电子罗盘等简易传感器。基础通信设施的升级和手机市场的完善使智能手机逐渐成为大众的通信和计算中枢（Félix et al.,2015；Lane et al., 2010），大众可以随时随地获取带有地理位置的手机影像并通过互联网即时分享。此外，普通数码相机拍摄的影像也可由大众在互联网上标注其地理位置并发布。

目前，大众可以发布和获得这些众源影像的网站包括：基于地图的服务网站，如城市吧（http://www.city8.com）、我秀中国（http://www.ishowchina.com）、Google Map（http://www.google.cn/maps）和Bing Map（https://cn.bing.com/maps）等；社交网站和图片共享网站，如新浪微博（https://weibo.com）、Flickr（http://flickr.com/）等；以及基于智能手机的影像共享平台，如Instagram（http:// instagram.com/），该软件是目前苹果公司App Store最大的图片分享软件，通过该应用可以进行拍照、上传、分享、同步照片，同时还能进行地理标注。

众源影像检索服务平台应用界面

▌相对于专业测绘影像，众源影像具有以下特点

（1）开放，易获取。专业测绘用途采集的影像往往具有不同程度的专用性，一般来说，普通大众不能够获取和使用。与专业的测绘用途影像不同的是，众源影像具有高度的开放性，任何人都可以从互联网搜索、获取和利用。

（2）低成本，更新快。传统的测绘影像数据采集工作常由政府或公司组织专业人员使用专业的精密设备完成，虽然能够获得高质量的影像数据，但是成本高、周期长。而便携拍摄设备的普及使得普通大众都可以成为数据采集者，互联网的兴起则使得影像数据的共享变得几乎零成本；得益于众源影像的大众流动性，对于同一地点，众源影像的更新频率往往远超专业采集的影像。

（3）获取灵活。众源影像的拍摄设备一般为智能手机、普通数码相机、平板电脑等便携设备，拍摄灵活，拍摄者可携带其在车辆不通行区域进行灵活拍摄，遮挡问题亦可以在这种拍摄方式下得以较好解决。

（4）异源异质，缺乏管理。众源影像数据来源广泛，包括政府、企业发布的公共服务数据、个人分享的带有地理信息坐标的影像数据等，不同网站的众源影像数据在其服务器的数据库上有着各不相同的组织形式，而且不同的获取方式和不同网站所能获取的信息也不尽相同，主要表现在数据的精度和完整度上。此外，不同数据的格式、组织和存储方式也千差万别，尚缺乏统一的规范标准。

（5）安全难以控制。自由创建和分享的众源影像数据可能会被个人及一些组织私自盗用，对影像所有者的隐私和安全造成不好的影响。

众源影像生成建筑物三维点云示例（武汉大学信息管理学院大楼）

▌众源影像摄影测量

相比于传统的摄影测量影像，众源影像虽然具有开放、低成本、易获取的优点，但是它的不规则性、多源异质与异构性给基于众源影像的信息提取带来了困难与挑战，不能简单套用现有成熟的基于航空影像的摄影测量方法。针对众源影像这种新型影像数据，尽管目前有不少研究，但是较为分散，国内仍然缺乏系统论述利用众源影像进行摄影测量处理从而获取三维地理信息的书籍。

《众源影像摄影测量》（单杰等著.—北京：科学出版社，2019.6）一书依托国家自然科学基金项目“基于众源影像的三维街景模型增强”（项目编号：41271431），以众源影像的数据集成获取、几何处理、三维重建为切入点，系统地论述众源影像的摄影测量处理理论与方法。

本书研究利用众源影像进行三维建模（含补充和扩展）的理论与方法，旨在对基于众源影像的大众制图（citizen mapping）这一未来十年地理科学的发展方向（National Research Council，2010）进行学科前沿探索，为众源影像这一新兴数据源在三维建模中的应用奠定理论基础，从而加快建立三维模型和更新现势、开放的数据源，促进大众参与数字城市建设以及推动地理学科的大众化发展。

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编辑 / 富裕  审核 / 李发东 安有硕

指导：万剑华教授