基于可量測實景影像庫(DMI)及4D產品的三維數字高速公路展示系統——以福州市機場高速為例

包忠聰

（福州市勘測院，福建 福州350003）

一、引 言

從20世紀80年代起，我國高速公路建設飛躍發展，為高速公路運營管理服務的信息化服務建設也隨之發展。這類建設主要包括收費、通信、監控系統及各業務系統(如養護、路政管理系統)，一直以來這些信息系統建設著重于二維信息展示及分析，存在數據缺乏融合與挖掘，數據更新過慢，空間表達抽象等諸多缺點。傳統平面電子地圖不能立體全方位360°展示高速公路及周邊交通景觀設施情況，無法實現多角度多空間的分析決策，信息化建設滯后于高速公路飛速發展所帶來的運營管理信息化、智能化、立體化的需求。可視化、智能化成為公路信息化發展的趨勢［1］。因此，如何利用高新技術手段，通過構建高速公路真實三維地理信息系統展示平臺實現高速公路運營管理的信息化、網絡化、多維化和智能化，提高高速公路運營管理水平，充分發揮高速公路的功效，是擺在交通行業工作者面前一個急需解決的重要課題。

本項目位于福州機場高速馬尾收費站至長樂收費站，全長約20 km。該項目利用空間移動測量系統采集福州市機場高速路段實景照片，構建可量測實景影像庫，以大比例尺數字高程模型及航拍正攝影像數據為基礎，結合三維精細建模構建三維場景。在此基礎上，通過二次開發，結合業務數據福州機場三維數字實景展示系統。該項目有效整合了最新的移動測量技術及三維地理信息技術，真實再現了高速公路沿線實景，使得管理人員務須進行現場勘查，實現公路可視化管理和信息共享成為可能。該項技術整合對相關項目的開展具有一定的借鑒意義。

二、定 義

可量測實景影像(digital measurable image，DMI)是一種以地面近景攝影測量立體影像文件及其外方位元素構成的基礎地理信息產品，其構建的立體影像可直接測量、信息提取并與其他基礎地理信息產品集成，是我國基礎地理信息數據庫為適應按需測量采集更新空間信息的一種新的產品。

移動道路測量技術作為一種全新的測繪技術，是在機動車上裝配GPS(全球定位系統)、CCD(成像系統)、INS/DR(慣性導航系統或航位推算系統)等傳感器和設備，在車輛高速行進之中，快速采集道路前方及兩旁地物的可量測立體影像序列(DMI)，這些DMI具有地理參考，并根據應用需要進行各種要素，特別是道路兩旁要素的按需測量［2］。

4D產品:即數字高程模型(DEM)、數字正射影像(DOM)、數字線劃地圖(DLG)和數字柵格地圖(DRG)，是重要的傳統測繪產品。

可量測實景影像可通過移動道路測量系統采集得到，并可以通過軟件開發與4D產品無縫集成，是對我國4D基礎地理信息產品進行有效補充的一種重要產品。

三、系統總體架構

三維數字高速公路展示系統是一項復雜的綜合集成的計算機信息系統，涉及軟硬件環境、信息資源、技術、組織機構、標準規范等組成要素，關鍵是通過對高速公路空間數據、三維模型、屬性數據、高分辨率近景影像數據和各業務及數據的集成、融合與再處理實現基于三維地理數據平臺的集成應用與服務，為今后建立面向高速公路運營管理的運營綜合監控、應急指揮、信息共享服務等應用打下基礎，如圖1所示。

圖1 三維數字高速公路展示系統體系結構

四、系統功能設計

基于DMI可量測實景影像庫及4D產品的三維數字高速公路展示系統的應用功能包括如下幾個方面:

1.三維瀏覽功能

系統可以通過鼠標、鍵盤、操縱桿、控制面板或者任意組合方式來控制飛行的速度、高度視角，使得用戶可以靈活、便捷地在三維場景中瀏覽漫游，操作簡單，易于使用。

2.快速定位功能

快速定位功能提供根據行政區域、鷹眼窗、樁號定位等多種方式導航實現任意地方的快速定位。

3.三維量測功能

三維量測功能包括三維場景量測及實景影像量測。其中三維場景量測提供水平量測、垂直距離、空中距離測量等。實景影像提供長度測量、寬度測量、比高測量等，如圖2所示。

圖2 三維場景量測及實景量測功能界面示意圖

4.圖層管理功能

圖層管理提供對系統中圖層進行管理功能，主要包括以下功能:改變圖層顯示順序，圖層顯示屬性等。包括各種比例地形圖，路網數據，操作時選中即表示打開該圖層，否則圖層為隱藏狀態，基礎數據圖層是在軟件啟動時自動加載的。

5.業務專題分析功能

系統可結合高速專題數據進行業務專題分析。如用戶可根據不同需求，進行數據定制與三維可視化控制，可加載用戶各種專題(二維矢量數據及三維模型數據)，如橋梁、邊坡、隧道，排水溝矢量圖層，定義各類空間查詢分析，將分析結果以直觀逼真的專題形式展現，以便于空間展示疊加決策分析。

6.信息查詢功能

主要包括基礎信息查詢與高速專題數據查詢。基礎地理信息查詢主要包括:名稱查詢、熱點查詢、信息查詢、查詢結果定位、拉框查詢等;高速專題數據查詢主要包括:養護信息查詢、路面信息查詢、橋梁信息查、里程樁查詢等。

7.打印輸出功能

系統提供了快速截圖工具，可以對三維窗口進行快速捕捉和存儲，將三維地形窗口的影像保存為圖片格式，便于傳閱、分析和保存。同時，用戶可以自定義設置圖片的尺寸，便于輸出高分辨率的用于打印制圖用的圖片。

五、實景影像及三維基礎數據庫建設方案

1.實景影像采集

DMI數據是通過移動測量系統測繪裝置采集而得，其主要原理為在機動車上裝配GPS全球定位系統、CCD攝影測量系統、INS/DR慣性導航系統或航位推算系統等先進的傳感器和設備，在車輛高速行進之中，快速采集道路及兩旁地物的空間位置數據和屬性數據，并同步存儲在車載計算機中，經專門軟件編輯處理，形成各種有用的GIS數據成果，包括路網電子地圖、設施或POI(興趣點)數據庫等。

2.三維場景構建

三維場景構建主要包括3個部分:基礎場景構建、三維部件建模、三維工程文件配置。

1)基礎場景構建:利用三維數據加工平臺構建三維基礎場景。數據源采用不同分辨率的正射影像數據及大比例尺數字高程模型數據。根據不同視角高度調整不同分辨率影像顯示比例尺。

2)三維部件建模:主要包括道路、橋梁、隧道、涵洞、護欄、綠化帶、邊坡、廣告牌與交通標志、機電設備、路燈等高速路相關部件的位置、尺寸、形態精細建模。為了保證數據的準確性及真實性，部件的位置、尺寸及紋理數據均需從實景影像數據中提取，可利用通用的三維數據加工軟件建模。

3)三維工程文件配置:基礎場景文件，通過疊加各類基礎數據(信息點、路網、行政區劃等)、高速公路專題數據、三維精細建模數據構建三維場景工程文件，供二次開發調用，如圖3所示。

圖3 三維場景構建示意圖

六、系統實現

系統采用Visual Studio 2008.NET作為系統的開發平臺。結合DMI及三維地理信息系統開發組件構建福州市機場高速三維展示系統。系統部分路段運行界面如圖4所示。

圖4 系統運行界面

七、結束語

本項目以4D產品、可量測實景影像庫為基礎數據源，結合三維地理信息技術構建具有準確地理數據及真實場景的高速公路展示系統。該系統在技術上整合了移動測量系統技術、三維地理信息技術，在產品應用領域集成了4D產品、DMI產品，在功能上融合了二維地理信息系統功能、三維虛擬仿真、實景量測查詢定位分析等功能，可為全面了解高速公路整體的運行狀況、設施分布提供高效輔助決策支持。此外通過在該展示平臺上集成各類專題信息系統，可進一步發揮其三維實景輔助決策優勢。如在此平臺上建設三維可視化綜合監控系統，三維實景養護管理系統等，可為快速搶險、交通設施維護、交通擁堵、交通安全等問題提供高效快速輔助決策服務。

［1］ 胡慶武，郭晟，柳正華，等，基于可量測實景影像的數字公路體系研究［J］，公路，2010(2):95-99.

［2］ 李德仁.論可量測實景影像的概念與應用——從4D產品到5D 產品［J］，測繪科學，2007，32(4):5-7.