增強現實三維建模在警用地理信息平臺的應用

唐恬+趙國民

摘 要： 公安警務空間地理信息基礎平臺的發展建設，已經歷傳統地圖、二維GIS、三維仿真+部分貼圖場景、實景三維四個階段的發展，目前以增強現實CIM系統為代表的全面地理信息空間數據和技術集成已實現技術突破和應用示范。地空一體化、室內外一體化、宏觀場景與單個實體一體化、影像與模型一體化、外在表現與內在屬性一體化的多源全信息技術集成，將助推整個公安信息化建設進入全新的數字化、大聯動、全共享和深應用時代，惠及智慧城市建設的各個方面。

關鍵詞： 空間地理信息集成； 增強現實CIM； 實景三維； 警用地理信息平臺

中圖分類號：TP79 文獻標志碼：A 文章編號：1006-8228（2017）07-42-05

Application of augmented reality 3D-modeling in police geographic information system

Tang Tian1， Zhao Guoming2

（1. Shangcheng Public Security Sub-bureau of Hangzhou City， Hangzhou， Zhejiang 310009， China； 2. GCOM Technologies Inc）

Abstract： The development of the public security police geographic information platform has experienced four stages， the traditional maps， 2D GIS， 3D simulation with partial mapping scene and 3D real scene maps. The comprehensive geographic information and spatial data integration technology represented by AR-CIM （Augmented Reality and City Information Intelligent Modeling） has realized the technical breakthrough and application demonstration. The multi-source and perfect information integration， which integrates the ground and air， the indoor and outdoor， the macro scenes and individual entities， the images and models， and the outward manifestation and intrinsic attributes， will boost the public security informationization into a new era with complete digitization， high correlation， more efficient sharing and application deepening， which benefits the vast field of the smart city construction.

Key words： integration of geospatial information and spatial data； AR-CIM（Augmented Reality and City Information Intelligent Modeling）； real 3D； PGIS（Police Geographic Information System）

0 引言

警務平臺目前在二維GIS上應用漸趨成熟，而三維應用尚處于起步階段。在二三維一體化集成應用以及針對特定業務（如實現人口信息查詢、警務模擬飛行等）提供相應的分析和決策支持模塊方面，還有待進一步發展與提高。傾斜攝影測量和實景三維建模技術的發展，為打造先進的實景三維警用地理信息平臺提供了新思路、新可能，運用和集成實景三維，以及街景、BIM技術等多樣化的空間模擬技術，探索警衛實戰新模式，在基層應用上加以推廣，是未來警用地理信息平臺的發展趨勢。

如何充分發揮三維警務平臺的作用，使其真實反映城市場景，并集成多源多類信息數據，實現特色化功能應用，讓系統特別適用于公安干警使用，并體現其在基層基礎工作和應急指揮決策等方面的優勢，還需深挖創新可能性。本文就此問題展開討論，并借助上城區的實踐案例探索新的建設思路。

1 基于空間地理信息基礎數據的警用平臺建設歷程和發展方向

縱觀警用地理信息平臺的建設歷程，公安機關打擊犯罪、維護治安和服務管理社會的工作職責，以及協同作戰、快速反應的工作要求，決定了其對地理信息技術發展的依賴性[1]。空間地理信息基礎數據是地理信息系統關注的核心內容，是其他統計信息和專題信息的空間載體，是其他各類信息系統建設的空間定位框架，是國家經濟和社會信息化的基礎。

警用地理信息平臺的建設是智慧城市建設的重要部分，需要高效真實的地理空間外貌全信息，盡可能多的承載客觀世界信息，無限真實地模擬客觀世界。實景三維模型實現了這一基礎需求，在此基礎上進行準確的空間編碼和數據映射，從而滿足多尺度和多樣化的應用需求。其技術路線經歷了從傳統地圖→二維GIS→三維仿真+部分貼圖場景→實景三維四個階段的發展。

1.1 二維GIS——警務工作信息化的開端

上世紀90年代以來，GIS技術的發展以其強大的二維空間分析能力，促進了二維警用地理信息平臺建設浪潮興起，也顛覆了傳統的人工熟悉地理環境或依靠普通地圖指揮作戰的模式。各級公安機關在指揮中心、交管、消防的業務管理中逐步應用地理信息技術，建立了一些以GPS監控和指揮調度業務為主的電子地圖系統，并不斷進行警用地理信息全局共享、警用地理信息全局復用、警用地理信息基礎平臺建設方面的有益探索[1]，至今，二維警用地理信息平臺已經比較成熟。

1.2 仿真三維——可視化的突破性發展

由于二維GIS是將三維的空間信息映射為二維的平面信息，這不可避免的在表現方法上過于抽象，在三維定位及信息展現的直觀性方面存在著局限性[2]，很難表現人文、環境、資源等信息，對使用者來講缺乏臨場感，不符合人們的真實視覺習慣。公安部門承擔著公共安全管理和應急指揮的重任，需要以詳細、準確的警用地理信息作為業務支撐，以一種更豐富的地理信息數據源和更好的視覺工具，來傳遞更為真實的信息，從而更好地發揮警用地理信息的核心決策支持能力。

隨著三維可視化技術在公安方面的應用越來越受到重視，3D PGIS的建設應運而生，多地公安部門完成了對二維警用平臺的升級改造。然而，此“三維”非“真三維”，而是“三維仿真”。該階段以“二三維一體化”為特點的警務平臺，其實是建立在數字高程模型（DEM）和建筑人工建模、采樣紋理、樣本化貼圖（見圖1）的“數字城市”建模技術基礎上的仿真三維可視化平臺。能夠承載較大規模模型數據的基礎軟件平臺，如武漢中地（MAPGIS系列）、北京超圖（SuperMap系列）等的相繼涌現，支撐了這些仿真三維地理信息平臺的建設。相關成果中，上海市警用三維GIS系統是較為完善的代表，在三維平臺上實現了公安信息查詢、最短路徑飛行、視頻監控和房屋信息查詢等警用業務功能[2，6，7]。

1.3 實景三維——真實再現城市外部空間

隨著智慧城市大數據技術和物聯網建設日新月異，傳統數字城市建模以仿真手段映射真實空間的局限性逐漸顯現，其不能滿足公安、城管、規劃、園林等城市各個管理部門需要真實模擬客觀世界、真實反映城市現狀的“全信息”城市模型的要求。

國際測繪遙感領域近年發展起來的一項高新技術——傾斜攝影技術，和基于此項技術的實景三維建模技術的出現，為地理信息平臺建設再次的顛覆性發展預備了可能。基于傾斜攝影測量技術的實景三維建模，是一項高效真實獲取地理空間外貌全信息的新技術，將用戶引入了符合人眼視覺的真實直觀世界。相對于傳統的航空攝影測量工作，實景三維建模最大的難點不在于反向幾何構建或自動紋理匹配，而在于海量影像的空三解算，對于無論是生產工藝還是生產組織，都提出了創新的要求。

承載二三維海量數據、能滿足各業務功能系統開發的基礎平臺也隨之誕生發展，以科瀾、偉景行（CityMaker）、超圖（SuperMap）、SmartEarth四大平臺為代表。目前，實景三維警用地理信息系統已成功地應用于奧運會安保及濰坊市、武漢市公安局等多地區的警用地理信息系統中，也寫入了公安部頒發的《全國警用地理信息基礎平臺總體建設方案》，代表著PGIS領域的一個發展方向[3-5]。

基于實景三維模型的三維警用地理信息平臺的建設尚處于起步階段，在保持海量三維數據的瀏覽流暢，把現有公安二維系統中的數據整合到三維模型上，將現有二維警用地理信息系統集成到三維警用地理信息平臺中，以及針對特定業務提供相應的分析和決策支持模塊方面還有待進一步的發展與提高。

2 增強現實CIM系統——智慧城市空間地理信息集成的概念落地和應用示范

隨著技術探索和進步，未來的三維平臺將徹底擯棄傳統數字城市手工建模的生產方式，實現高精度大范圍的實景三維建模，并進一步集成BIM模型和街景建模技術和二三維GIS發展新成果，實現警用平臺的跨越式發展。本文以此為導向，提出了增強現實三維建模的設想，旨在打造以公安警用平臺為示范的可以面向智慧城市多方應用全面推廣的增強現實CIM系統。

增強現實三維建模，采用空地結合、多分辨率影像精細融合的海量影像獲取模式，從數據采集、加工到生產實現多源全信息技術集成。通過POS輔助、DSM引導、抗變形矩不變特征匹配等，構建多源影像嚴格成像模型，無縫集成多種傳感器，建立增強現實三維場景，最終配合采用三維空間編碼技術、空間聚合和多源多向校檢匹配算法，實現公安流口、常口、地名地址等信息的快速自動化匹配和空間化，實現三維分析功能。

2.1 總體技術路線——增強現實 CIM系統的創建

八部委聯合出臺的《關于促進智慧城市健康發展指導意見》中，將空間地理信息集成作為智慧城市四大關鍵技術之一，以期新一代信息技術的發展能促進城市規劃、建設、管理和服務的智慧化。增強現實CIM體系，結合了實景三維、BIM、GIS、遙感、虛擬現實、增強現實等多項空間技術手段，是城市空間信息和實體信息的高度集成和真實再現，是新型智慧城市的地理空間信息平臺和大數據集成中心。如圖2所示。

首先，基于手工建模的傳統數字城市建設模式是采用樣本化的城市外貌模擬，無法真實的表現客觀世界，同時缺少建筑內部空間及空間內事物的表達與聯系。實景三維技術的出現，顛覆了這一“偽三維仿真”的模式，采取實景建模+BIM聯合的解決方案，更是將空間場景滲透至室內外一體。

其次，實景三維技術由于航空攝影的局限性，近地面影像缺失，使得實景三維難以實現近地面精細化模型構建。常規的近地面街景集成技術，僅僅是從二三維場景切換至街景影像畫面的方式，影像空間定位關系不具備嚴密的數學基礎，無法與實景三維模型空間進行準確的空間匹配，也無法與GIS數據源無縫對接。因此，結合近地面移動測量技術，采集近地面全景影像和雷達點云，實現地空聯合三維建模，使全景影像與三維模型精確疊加，有效地彌補航空影像對于地面信息的缺失問題；再通過與BIM建筑信息模型的結合，得到虛擬現實CIM場景。

進而，由于CIM虛擬現實僅僅是對客觀現實世界外在表現的全要素數字構建，要進一步辨識客觀現實世界中的每一個物體，則需要在CIM虛擬現實場景中建立物體個體空間與個體屬性信息的映射匹配。通過創建可視化的交互手段，集成融合GIS數據圖層，將二維數據三維實體化，與CIM虛擬現實場景進行空間位置的高精度配準和屬性信息匹配，實現影像、場景、模型與矢量地圖、屬性數據等多源多類數據的融合，實現從虛擬現實（VR）到增強現實（AR）的升華，即增強現實CIM。

因此，增強現實CIM系統，真正實現了地空一體化、室內外一體化、宏觀場景與單個實體一體化、影像與模型一體化、外在表現與內在屬性一體化的多源全信息技術集成。

2.2 增強現實CIM系統的應用實現

以本市上城區保障G20安保工作的開展和信息化建設的探索，實現了增強現實CIM系統的概念落地，帶來對智慧城市建設發展和大數據資源共享的展望。通過先進合理的技術架構，借助多源多類大數據支撐，實現大面積實景三維、重點建筑BIM、街景聯合建模，并與GIS技術集成聯合應用，構建增強現實三維空間場景，完成一致全局定位、地空一體化、對接接口和標準等技術突破，從而滿足警衛安保、反恐、指揮調度、基層基礎等多層次公安實際應用，借助科技強警，服務警衛實戰。應用方向如圖3所示，項目成果展現出“快速、可視、全面、省力”四大優勢，具有顯著的社會效益和應用推廣價值。

隨著三維技術的不斷普及和高尖端應用，可以預見三維警用地理信息系統的外沿和內涵都將會不斷擴充，必將在提升警方的快速反應能力、加大警務決策支持力度方面發揮重要作用，整個公安信息化也必將進入全新的數字化、大聯動、全共享和深應用時代。

2.2.1 數據展現

以增強現實CIM系統為核心的警用地信息平臺，采用實景三維模型作為基礎載體，能夠客觀反映房屋建筑、道路、植被等幾乎全部地物地貌要素的真實形狀、體量、高度、材質、紋理等現實信息，和這些要素相互之間的空間關系。同時，如圖4，各種采集的專題GIS數據，都能在平臺中實體化展現，更直觀、更準確、更利于使用者的辨識和判讀。

2.2.2 室外應用

以三維空間地理信息為基礎，完成三維空間定位匹配的技術攻堅，根據公安實際用于需求，在三維實景平臺中結合警務數據和GIS技術，可以實現空間中的各種三維分析應用，如圖5所示的視域分析，以及制高點排查、數據的真實空間定位和檢索、統計等。

2.2.3 室內應用

結合BIM技術，實現針對室內安防警衛的系列應用。如圖6所示，BIM模型的信息化和可視化，為重要公共設施場所的重大項目保障和日常維穩工作開展提供了更為直觀有效的信息數據資源和可視化支持。上城區創新性地實現了BIM技術在增強現實CIM中的集成應用，實現此類面向室內的應用在國內警務安防工作中尚無前例可見。

2.2.4 模擬預案與演練

增強現實CIM系統在針對突發事件應對訓練上開發的模擬預案與方案部署推演等功能應用，具有良好的實施效果。利用平臺提供的實景真三維空間環境，可以在日常訓練中，進行各類事件應對的預案模擬、方案部署和實戰推演（見圖7）。

2.2.5 街景巡查

利用影像空三和海量影像數據管理調度技術，使三維場景漫游過程中能快速找到匹配影像，并與三維模型無縫套合，還原真實細節。如圖8所示，利用街景影像巡查近地面沿街的商鋪、部件等基礎數據，為日常警務基礎數據采集、排查工作的高效化和信息化提升，帶來了新的技術思路和實施辦法。

地空一體街景技術是街景影像和傾斜模型無縫集成，可構建空地一體的實景三維環境，增強實景三維的顯示效果和準確性，提高街景可測量的準確度和簡易度（見圖9）。

2.3 增強現實CIM系統的關鍵技術分析

實景三維數據在各行業中，前所未有的提高了地理信息的豐富程度。而實景建模+BIM+GIS是實現CIM（City Information Modeling）構想的新一代的“全信息”數字城市，實景三維、BIM、街景、GIS技術集成一體并聯合應用的增強現實CIM，將成為新型智慧城市的地理空間信息平臺和大數據集成中心。

為了打造增強現實CIM，可以通過軟硬件結合的研制過程來實現場景構建技術的突破。首先，采用GNSS，IMU，飛行管理系統，CORS基準站等多項技術，并將多項技術進行交叉融合應用，以自主研發的AMC850傾斜數碼航攝儀和ARC336傾斜相機系統采用直升機飛行平臺獲取優于5cm的高分辨率航空攝影影像，生產得到實景三維模型，并應用于地理信息系統建設。在數據生產中建立針對tile的統一劃分管理體系，創建了大規模區域網數據聯算的分步并行處理生產組織工藝流程。

其次，集成街景建模技術。開展聯合傾斜攝影測量及車載移動測量的目標精細三維建模技術研究，研制空地結合、多分辨率精細融合的增強現實三維建模方法。根據傾斜攝影和移動測量組合數據源，克服空地影像及雷達點云在分辨率、攝影角度、影像輻射特性等方面的差異，通過POS輔助、DSM引導、抗變形矩不變特征匹配等技術綜合應用，結合拍攝的幾何投影信息，構建多源影像嚴格成像模型，解決多源影像間轉點的匹配難題，構建空地聯合的光線束區域網，實現航空與地面移動采集車影像、點云集成三維建模，有效彌補航空影像對于底商、地面等信息的缺失。

再次，BIM集成應用。BIM技術可實現大型公共設施建筑內部的空間、構件、設施設備的同步三維建模與信息集成[2]，將BIM技術應用于地理信息系統的三維空間數據生產，解決以城市級為目標的高精度的完整模型重建，補充建立無縫集成多種傳感器的虛擬現實三維場景。通過虛擬現實三維場景、實體三維模型、二維信息數據的可視化交互操作模式，構建空間實體與屬性信息高精度配準模型，進一步實現影像、場景、模型與矢量地圖、屬性數據等多源多類數據的融合，才是最終的增強現實三維場景模型。

3 結束語

上城區作為增強現實CIM系統的先行試點，建成了首個公安警務三維數據集成中心并開發數據分析應用平臺，在G20峰會保障工作中發揮了重大作用，是信息化大數據應用于社會管理的科研創新示范應用。實用性的功能設計和可視化、地空室內外一體的實景三維空間場景模擬，可以幫助公安機關高效部署日常維穩工作和應急預案演練，節省人力物力，有效降低公安機關內部管理成本，提高公安機關的公共管理效率；也有利于整合信息資源，助力智慧城市建設，推動公安信息大數據資源對社會開放，通過技術推廣、基礎數據的共享，產生顯著的社會經濟效益和科技附加值，實現資源、數據、應用、服務“四大共享”。接下來，還應該在增強現實三維建模技術的效率提升和時空完備更新方式上進行進一步的研究，強化應用場景的現勢性，并深化應用方向和層次，在基層普及和移動端應用上進行探索。

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