論構建地理信息共享平臺的計算思維

龔 強，李德江，龔天慧，李 丹

(1.中國地震局工程力學研究所，黑龍江 哈爾濱 150080；2.黑龍江省有色金屬地質勘查局，黑龍江 哈爾濱 150090；3.黑龍江省測繪科學研究所，黑龍江 哈爾濱 150080；4.肯特大學商學院，英國 肯特 CT2 7PE；5.哈爾濱測量高等專科學校 測量工程公司，黑龍江 哈爾濱 150008)

論構建地理信息共享平臺的計算思維

龔 強1,2，李德江3，龔天慧4，李 丹5

(1.中國地震局工程力學研究所，黑龍江 哈爾濱 150080；2.黑龍江省有色金屬地質勘查局，黑龍江 哈爾濱 150090；3.黑龍江省測繪科學研究所，黑龍江 哈爾濱 150080；4.肯特大學商學院，英國 肯特 CT2 7PE；5.哈爾濱測量高等專科學校 測量工程公司，黑龍江 哈爾濱 150008)

新型智慧城市地理信息底層建設，廣泛應用BIM、VR、AR技術,以及數字航空攝影測量、高分辨率衛星遙感、無人機攝影測量系統等地面成果建立三維模型，但仍是感官成果，缺少計算思維。文章提出大數據環境下，應用地理信息成果建模所呈現的不僅是“看到”，還需要具有計算思維，具有測繪語言，滿足智能需求的“可計算”成果，乃至開發“計算思維”，進而促進“計劃科學發現的偶然性”。基于傾斜攝影實景三維技術和機載LIDAR技術構建地理信息公共服務平臺的嘗試，初步體現了“計算思維”理念。

地理信息；共享平臺；計算思維；測繪語言

傳統地理信息數據通過簡單的點、線、面等幾何圖形結合屬性信息，抽象地表現客觀世界的各類地物。隨著衛星遙感技術的快速發展，以影像對客觀世界地形地物的表現雖然更加豐富，但仍然不能全面反映客觀三維世界。隨著科學進步和發展，常規的地理信息表現形式和服務能力已經無法滿足人們對地表空間更加精細信息的要求，以BIM、VR、AR技術為代表的新型基礎測繪產品通過地理信息公共服務平臺或者智慧城市時空信息云平臺面向公眾和不同行業提供地理信息服務，然而，這些數據成果更多的是感觀成果。人們能夠通過新型的基礎測繪產品了解客觀世界現狀，但無法提取感興趣信息的精確空間位置并加以科學計算和分析，不能很好地充分發揮地理信息數據價值。為滿足新型智慧城市和大數據分析要求，構建地理信息平臺的地理信息需要具備全面反映客觀世界信息的能力且其反映信息可進行大數據計算與分析，即不僅要讓人們“看到”，還應該具有計算思維，具備計算功能。

1 新型智慧城市中的地理底層建設

大力推進新型智慧城市建設是我國為滿足新型城鎮化發展的實際需求，利用信息化手段促進城市更加科學地發展，加快提升城市管理水平所做的重要決策[1]。近年來，按照“創新驅動，智慧引領”的基本原則，我國的智慧城市建設迅速推開。智慧城市建設之初，一些設計沒有(或較少)考慮基礎地理信息底層——地理信息公共服務平臺(空間地理信息框架、地理信息基礎底層)的建設[3]，之后人們意識到，新型智慧城市建設必須依托空間地理信息共享平臺[3]，如果沒有這種堅強的空間地理信息公共服務底層做支撐，新型智慧城市建設或成為“無根之木，無水之源”，也無法“共享”，根本無法進行下去。

目前的新型智慧城市建設，大都對基礎地理信息底層有所考慮，許多新技術集中應用于此。如：建筑信息模型(BIM：Building Information Modeling)。實現了建筑空間數字化，工程設計和建造從CAD到三維設計建造，進而改變工程設計、建造和運維方式[2]。較多地應用于地下管網三維模擬。

虛擬現實技術(VR：Virtual Reality)。利用計算機模擬產生三維虛擬世界，并提供視覺、聽覺、觸覺等感官模擬，這種多源信息融合的交互式三維動態景觀和實體行為系統仿真[4]，使人們全方位體驗到不同虛擬場景，并令其沉浸其中。

虛擬增強技術(AR：Augmented Reality)。增強現實是以構想和交互為基本特征的高級人機界面[5]。利用AR 模擬真實現場景觀,使用戶既可通過虛擬現實系統“真切”體會在客觀物理世界中所經歷的“身臨其境” ,又能突破空間、時間以及其他客觀限制 ,感受到在真實世界中無法親身經歷的體驗。

數字航空攝影測量。基于線陣(LINear Array)傳感器方向和基于面陣(PlaNe Array)傳感器方向的CCD傳感器技術進步，促進了高分辨率影像獲取技術的發展。而這些恰是新型智慧城市建設中制作DOM、DSM、DEM、DLG的主要數據來源[6]。中低空高分辨率主被動寬幅與三維探測遙感設備、高精度寬幅航空數碼測量型多光譜相機、成像光譜儀等，提高了對地獲取高分辨率地理數據的能力。

高分辨率衛星遙感。我國集測繪與資源調查功能于一體的“資三”衛星，國外商業衛星SPOT5、IKONOS、QuickBird和OrbView-2等[7]，在開展國土資源調查、監測，為農業、林業、環境、生態、水利、防災、減災、城建、市政、規劃、交通、國防等領域提供服務的同時，也為新型智慧城市建設提供基礎數據。

無人機攝影測量系統。通過地面遙控的低空無人機可實現40°～60°傾角攝影[8]，從而獲取空間分辨率0．1M或更高精度的地面建筑物頂部和不同側面影像，成果可作為城市三維模型的影像源。低空多角度高分辨率遙感影像是城市景觀中三維對象各種紋理信息的可靠來源[9]。

然而，無論是BIM、VR、AR,還是數字航空攝影測量、高分辨率衛星遙感、無人機攝影測量系統等，雖然都是基于現代信息技術獲取地面成果后建立三維模型，但它呈現在人們面前，所展示出來的成果還是感官成果，它是不能夠直接用來參與計算的。換而言之，它是缺少計算思維的(至少是計算思維不足)。

2 新型智慧城市與大數據對地理信息計算思維的需求

在新型智慧城市建設中，各行業對計算思維的地理信息需求日益強烈，在海綿城市建設中，城市綠地是最好的自然海綿體，優良的樹木配置和栽培養護的綠地可以滯留不少于80%的年下滲雨量[16]，傳統地形圖及地表數據已經無法滿足需求，需要更加全面精細化的DSM數據，并且能夠對各類現有綠地進行評估和計算分析；隨著移動通信的迅猛發展,網絡規模不斷擴大,借助數字地圖,尤其是三維地理信息數據進行網絡規劃和優化已變得越來越重要[17]，公眾對信號強弱的要求上升到房間里面的每一角落，因此對于運行商而言，需要全面真實反應空間建筑的地理信息數據，通過科學計算和分析來提高網絡信號的服務能力；車輛成為人民日常生活的基本工具，對于智能車而言,為了能夠實現自動駕駛,必須具備感知并能構建道路環境地圖的能力,而且地圖的精度對智能車的導航和路徑規劃有著非常重要的影響。中國工程院院士李德毅表示，我國現有的地圖類型及數據，都無法給出駕駛員或智能車需要的道路詳細信息，騰訊和HERE等地圖服務商已經著眼于高精度三維地圖建設，結合路況信息，通過大數據計算，解決無人駕駛的安全性等關鍵技術。

在知識爆炸的今天，現代科學的發展進步，大量科學儀器的應用，協作科學研究的數據量迅速膨脹。大數據的出現和大數據時代的到來告訴人們，人類僅僅憑借感官——視覺聽覺感覺，哪怕是“直觀”(直接感官)，都已經無法應對呈幾何級數增長的海量數據，必須依靠計算機去處理和分析。

現代測繪地理信息科學也是通過計算機模擬，對客觀世界建模，對觀測數據深入分析，實現科學探索的。利用VR、AR、BIM、數字航空攝影測量、高分辨率衛星遙感、無人機攝影測量系統等手段獲取地理數據，經加工取得影像成果后，這僅僅是“看到”。智慧城市的精髓在于應用計算機技術進行智能分析和智能管理，因此，人們更希望地理信息成果呈現在面前的不僅僅是“看到”，而是具有測繪語言、計算思維，滿足智能需求的“可計算”成果。

從發展的角度考慮，從開發利用這些數據建立起新型智慧城市地理信息共享平臺，更好地滿足不同需求，必須建立起“計算思維”，甚至開發“計算思維”，最終實現“計劃科學發現的偶然性”。

3 傾斜攝影實景三維、LIDAR——計算思維的有益嘗試

3.1 傾斜攝影實景三維技術

傾斜攝影實景三維技術是近年來出現的一項全新技術[10]。由于是在同一飛行平臺上搭載多臺傳感器，同時從垂直方向和多個傾斜角度采集地面影像，它打破了傳統航空攝影測量技術只能從垂直方向對地拍攝的局限性，彌補了正射影像的不足，更加真實地反映地表地物的客觀情況[11]。尤其是問世不久的12鏡頭傾斜攝影測量儀，通過多鏡頭、高像素傾斜攝影測量技術采集的城市(觀測區域)要素數據，經過“街景工廠”軟件自動化處理，真實地還原地表全要素，呈現出一個原景重現的三維立體城市[12]。通過傾斜攝影實景三維技術構建的三維世界，不僅具有真實還原的特性，還能保證精準的模型位置相對關系。圖1—圖2顯示基于12鏡頭形成的實景三維數據成果中城市道路模型成果、點云和三角網成果，實景三維數據成果可為無人駕駛提供道路坡度、彎道的弧度等基礎信息。

圖1 長春市實景三維數據成果(城市道路模型)

圖2 長春市實景三維數據成果(城市道路三角網格及點云)

實景三維數據可提供高精度的距離測量、高程測量、面積計算、淹沒分析、立體量算、天際線分析、各種災害損失程度的詳實分析，能真實再現霧霾在空中的走向……。因其高精度和高清晰度及真實性等特性，在各領域被廣泛應用。例如在不動產登記中，利用實景三維數據的真實反映客觀世界的優勢，可實現居民不動產快速指界，減少了野外采集的工作量。

這種基于“真三維”的實景三維模型，使抽象回歸真實。不僅可以“看到”，由于模型上每一點都具有真實、準確的三維地理坐標，可供用戶按需測量和計算，有一定的計算功能，因此，在一定程度上體現了“計算思維”。

3.2 激光探測與測量系統

激光探測與測量系統(LIDAR，Light Detection And Ranging)。主動式對地觀測系統(機載LIDAR)起源于西方國家，我國在這方面的研究和應用剛剛起步[13]。LIDAR利用GPS和IMU(慣性測量裝置)機載激光掃描，獲取的數據為DSM(數字表面模型)的離散點表示。因數據具有激光強度和空間三維信息，可以利用分類(Classification)技術將原始數字表面模型中人造物、植物覆蓋等移除，再經過相關軟件數據處理后，可以生成高精度的數字地面模型DTM、等高線圖、DEM，并直接獲得地物高程。利用機載LIDAR獲取的地面數據，比較容易與各種數字圖兼容。

機載LIDAR集成激光測距技術、IMU/DGPS差分定位技術、計算機技術于一體，在實時獲取三維空間數據方面有較大創新，其傳感器發射的激光脈沖能穿透部分樹林植被遮擋，直接獲取高精度三維地表數據[14]。為獲取高時空分辨率地球空間信息提供了新的技術手段[15]。LIDAR的特點是受天氣影響小、自動化程度高、數據生產周期短、數據成果精度高等。

這項技術在大、中比例尺(1∶500至1∶10 000)地形測量、災害評估、環境監測、新型智慧城市三維建模等諸多領域具有廣闊的應用前景。針對不同的應用領域及成果要求，采取靈活的搭載方式，LIDAR技術可以廣泛應用于基礎測繪、道橋建設、市政工程、輸變電網、水利設施、地下管線、海岸線及海島礁、各類數字化工程等許多領域，提供高精度的空間地理數據成果。

4 結束語

基于傾斜攝影實景三維技術和機載LIDAR技術構建的地理信息公共服務平臺，作為新型智慧城市建設基礎地理底層的技術支撐，作了有益的嘗試，實現了對客觀世界的真實還原，更因其具有一定的計算功能，引起更廣泛的關注。相信會有更多的算法在真三維數據支持下實現高精度的可計算的智能行業應用。

[1] 林念修，莊榮文.新型智慧城市發展報告2015-2016[R].北京：中國計劃出版社，2016.

[2] 瑞凱科技.智慧城市要建立在徹底的數字化城市基礎上[EB/OL].http：//rk.vistar.cc，(2017-04-06)[2017-07-19].

[3] 龔強.智慧城市與地理信息共享平臺建設——一個需要高度重視的問題[J].測繪與空間地理信息，2017，41(1)：1.

[4] MBA智慧百科.虛擬現實技術[EB/OL]，http://wiki.mbalib.com，(2016-09-13)[2017-07-19].

[5] 360百科.AR[EB/OL].https://baike.so.com，(2016-04-02)[2017-07-19].

[6] 國家測繪地理信息局測繪標準化研究所.《數字航空攝影測量 測圖規范第1部分：1∶500 1∶1 000 1∶2 000數字高程模型 數字正射影像圖數字線劃圖》[M].北京：測繪出版社，2012：19-20.

[7] 汪凌，卜毅博.高分辨率遙感衛星及其應用現狀與發展[J].測繪技術裝備，2006(4):12.

[8] 格智物聯.新技術在智慧城市建設中的應用[EB/OL].http://iot.ofweek.com，(2017-01-19)[2017-07-19].

[9] 李德仁.高分辨率對地觀測技術在智慧城市中的應用[J].測繪地理信息，2013(6):2-3.

[10] 譚金石,黃正忠.基于傾斜攝影測量技術的實景三維建模及精度評估[J].現代測繪，2015(5)：16-17.

[11] 實景三維不動產登記讓城市更智慧[EB/OL].http://www.kejixun.com，(2017-02-03)[2017-07-19].

[12] 徐紅.用“真三維”改變生活:傾斜攝影走進大眾視野[EB/OL].http://politics.people.com.cn,(2015-12-06)[2017-07-19].

[13] 360百科.LIDAR[EB/OL].https://baike.so.com,(2016-03-07)[2017-07-19].

[14] 朱會平.機載激光雷達測量系統檢校與精度評價[D].鄭州，河南理工大學，2011.

[15] 韓改新.機載激光雷達(LIDAR)技術在鐵路勘測設計中的應用探討[J].鐵道勘察，2008(3):22-23

[16] 張喬松.海綿城市與綠地樹木[J].園林,2016(10):34-38.

[17] 滕艷敏.三維地理信息數據在移動通信網絡規劃和優化系統中的應用[J].中國地名,2007(4):64-65.

Discussonthecomputationalthinkingofbuildingthegeographicinformationsharingplatform

GONG Qiang1,2,LI Dejiang3，GONG Taihui4,LI Dan5

(1.China Earthquake Administration,Institute of Engineering Mechanics,Harbin 150080,China；2.Heilongjiang Survey Bureau of Non-ferrous Geology,Harbin 150090,China; 3.Heilongjiang Provincial Research Institute of Surveying and Mapping, Harbin 150080,China;4.Kent Business School,University of Kent,Canterbury,UK PhD Studen,Kent CT2 7PE,England;5.Engineering Company of Harbin Measuring College,Harbin 150008,China)

New smart city geographic information underlying construction has widely used BIM, VR, AR technology, digital aerial photogrammetry, high-resolution satellite remote sensing, and UAV photogrammetry systems from which the results are to establish a 3 d mode, but which is still a sensual result, and lack of computational thinking. This paper puts forward, in the big data environment, the results that the geographical information shows not only “see”, but also need the computational thinking and surveying and mapping language to meet the intelligence required results which can be calculated, thus developing the computational thinking in order to promote “contingency of planned scientific discovery”. The beneficial attempt of constructing geographic information public service platform is based on tilt photography 3d technology and airborne LIDAR technology which initially reflecteds the concept of “computational thinking”.

geographic information；sharing platform；computational thinking；surveying and mapping language

2017-09-13

龔 強(1954-)，男，教授、研究員級高級工程師，博士、博士后，博士生導師.

著錄：龔強,李德江，龔天慧，等.論構建地理信息共享平臺的計算思維[J].測繪工程，2018，27(1)：1-4.

10.19349/j.cnki.issn1006-7949.2018.01.001

TP316

A

1006-7949(2018)01-0001-04

王文福]