盧秀山，滕 騰，劉如飛

1. 山東科技大學海洋工程研究院，山東 青島 266590； 2. 山東科技大學測繪科學與工程學院，山東 青島 266590

移動測量、地理信息更新與城市管理智能化

盧秀山1,2，滕 騰2，劉如飛2

1. 山東科技大學海洋工程研究院，山東 青島 266590； 2. 山東科技大學測繪科學與工程學院，山東 青島 266590

城市管理智能化的基礎是互聯(lián)網、地理信息平臺和云計算平臺。地理信息平臺的靈魂，是其數(shù)據(jù)的現(xiàn)勢性。城市地理信息快速更新，涉及理念、經費和技術，這3個要素構成了城市測繪的歷史性挑戰(zhàn)，也是城市推行智能化管理的現(xiàn)實性瓶頸。本文提出基于真彩激光點云，構建一種城市自然數(shù)字模型；基于車載移動測量、無人機航攝、手機拍照、高清視頻監(jiān)控及云計算平臺等技術手段，形成城市自然數(shù)字模型快速更新的技術體系；以實時更新的城市自然數(shù)字模型，構建具有最優(yōu)現(xiàn)勢性的城市地理信息平臺，即以此奠定城市管理智能化的數(shù)據(jù)基礎。

移動測量；地理信息；城市管理；智能化

當前城市管理智能化處在初級階段，在數(shù)字城市建設的過程中，人們提出了城市智能化管理的新概念[1]。不去深入考究城市智能化管理的內涵和外延，僅從字面上看，城市管理的智能化應該具備的基礎是：信息高速公路——互聯(lián)網，城市綜合信息采集、管理與服務中心——地理信息平臺，大數(shù)據(jù)處理中心——云計算平臺。盡管互聯(lián)網入戶可以達到百兆級，云計算平臺建設百家爭鳴，但地理信息平臺的建設和服務尚處于初級階段。地理信息平臺處于初級階段，表現(xiàn)在其數(shù)據(jù)的現(xiàn)勢性不能滿足城市管理智能化的需要[2-3]。

地理信息平臺數(shù)據(jù)的現(xiàn)勢性，是城市智能化管理的生命線。最優(yōu)現(xiàn)勢性意味著地理信息需要實時更新。實時更新數(shù)據(jù)存在3個瓶頸問題：沒有一個確切的時間分辨率去表達數(shù)據(jù)更新的實時性，以滿足平臺最優(yōu)現(xiàn)勢性的需求；城市財政難于承擔以最小時間分辨率去實時更新地理信息平臺的數(shù)據(jù)；現(xiàn)行的數(shù)據(jù)更新技術方案，難于以最小時間分辨率去實時更新地理信息平臺數(shù)據(jù)[4-5]。

本文提出一種城市自然數(shù)字模型(city natural data model,CNDM)。CNDM自然地再現(xiàn)城市現(xiàn)狀，具有很強的歷史數(shù)據(jù)相容性，適于大數(shù)據(jù)管理和云計算，支持“互聯(lián)網+”的生產、管理和運營模式。人類對于自然的認識，是存在與感知的交互過程，是一種不斷深化和深入淺出的漸進交互過程。基于CNDM建設城市地理信息平臺，將采用車載移動測量、無人機航攝、手機拍照及高清視頻監(jiān)控等技術手段進行數(shù)據(jù)采集，借助于云計算平臺實現(xiàn)CNDM的按需、快速、高精度更新。以CNDM為數(shù)據(jù)基礎的城市地理信息平臺，是城市管理智能化的基礎設施，它將奠定城市管理智能化的進程，保障其健康有序地發(fā)展。

1 城市地理信息

城市地理信息可以分為定性信息、定量信息和圖解信息：定性信息如城市的衛(wèi)生狀況、教育資源、市民的飲食習慣、經濟發(fā)展?jié)摿Φ?；定量信息如人口、綠化、醫(yī)院床位量、公交線路數(shù)等；圖解信息如地物、地貌、路網、不動產等。隨著技術的發(fā)展，人們將原來具有圖解信息的線劃地形圖數(shù)字化，將地形、地物的客觀存在采用三維模型表達。事實上，這種數(shù)字化、模型化，仍然停留在對于自然存在的一種抽象和近似的表達。城市管理智能化不僅是對定量化的客觀存在進行有機管理，還應包含對定性的客觀存在進行有機分析。最具有挑戰(zhàn)性的、需要長期發(fā)展的是對于定性的客觀存在的智能化管理。

測繪領域主要關注城市基礎地理信息，即圖解信息。對于城市管理智能化，可以在5個方面展示其重要性。規(guī)劃方面：數(shù)字城市地理信息平臺支持城市3D規(guī)劃；建設方面：建筑信息管理(building information management，BIM)體系需要以數(shù)字城市地理信息平臺為基礎，支持科學施工與自動檢測，向人工智能施工的方向發(fā)展；市政管理方面：數(shù)字城市地理信息平臺支持智能交通，智能消防與安保，支持智能遠程醫(yī)療，支持智能社區(qū)服務與管理等；信息化基礎建設方面：城市不動產與城市部件的實時更新，城市政務地理信息的實時更新，為各信息化平臺提供基礎數(shù)據(jù)；應急方面：基于數(shù)字城市地理信息平臺快速形成目標區(qū)域的歷史專題圖件，基于遙感手段實時采集目標區(qū)域數(shù)據(jù)并形成現(xiàn)勢專題圖件，基于專門軟件及時形成目標區(qū)域的變化軌跡，預測變化趨勢。

城市管理智能化對地理信息的核心需求是城市地理信息平臺數(shù)據(jù)的實時更新。城市是一個地理概念，城市地理信息平臺中的數(shù)據(jù)，可以理解為地理城市特征化后的數(shù)字化城市。城市智能化管理，即是依托地理信息平臺中的數(shù)據(jù)智能化管理現(xiàn)實城市，只有當數(shù)據(jù)具有良好的現(xiàn)勢性，智能管理才能實現(xiàn)。因此，如果一個城市在追求智能城市管理理念，那么就必須追求地理數(shù)據(jù)的最優(yōu)現(xiàn)勢性[6]。

2 數(shù)字城市的困惑

城市是否已經被裝進了計算機？10多年前，美國前副總統(tǒng)戈爾曾經描述過數(shù)字地球，通過技術進步，人們可以將地球裝進計算機[7]。那么一座城市呢？一個城市比一個地球小多了，當前是否已經實現(xiàn)？當進一步去思考時，發(fā)現(xiàn)承載人們生活的城市是動態(tài)的、變化的、發(fā)展的，而目前所裝進計算機的城市僅是過去的某個時間、某個空間的抽象狀態(tài)。城市不僅是大樓、大馬路、大飯店、大教堂，城市還包含著每一個演變，城市是有機的、是有生命的?？梢钥隙ǖ卣f，城市還沒有被裝進計算機。

怎樣理解計算機中的城市。裝進計算機的“城市”，是城市的抽象、概括和近似，是用一種簡單的數(shù)字去定量化城市，實際上是定量化城市的主要元素。那么，城市主要元素有那些？這些元素怎樣定量化？其動態(tài)特征如何界定、生命周期如何定義？在搞清楚這些問題之前，是難以把城市裝進計算機的。

如何將城市裝進計算機，不妨先將城市作為地理城市和人文城市的集合?，F(xiàn)階段的數(shù)字城市主要將地理城市裝進計算機，并作為智能化城市管理的工具。這一工具對于智能化管理是否有效，取決于地理城市元素的現(xiàn)勢性。如果在計算機中，僅具有5年或10年不變的地理城市數(shù)據(jù)，是否還能進行城市智能化管理？因此，必須制定地理城市元素現(xiàn)勢性要求規(guī)范，制定計算機硬件、軟件要求，特別需要明確地理元素采集速度、處理速度、幾何精度、空間分辨率、屬性分辨率的系列要求。這些規(guī)范和要求，是將有價值的地理城市裝進計算機的必要保證。

3 地理信息更新的挑戰(zhàn)

城市地理信息更新技術可以羅列為：遙感、攝影測量、RTK測量、全站儀測量等[8-9]。目前，遙感還不能有效解決城市大比例尺地理數(shù)據(jù)更新問題；傳統(tǒng)攝影測量、低空正射攝影測量、低空傾斜攝影測量，不能滿足以地面作為生活基點的人們對于地理數(shù)據(jù)的需求；單一使用RTK或全站儀，或者聯(lián)合使用它們測量，僅僅采集城市部分特征點，遠不能滿足智能化管理對于城市地理信息的需求。特別是，傳統(tǒng)數(shù)據(jù)可重復使用性低，數(shù)據(jù)更新針對性低、重復率高、耗時耗力。

實時更新地理數(shù)據(jù)受理念、經費和技術這3個要素制約。理念上，城市地理數(shù)據(jù)的快速更新，是實現(xiàn)“平臺”各種時間分辨率數(shù)據(jù)現(xiàn)勢性的必然手段。一年、一個季度、一個月、一周、甚至一天時間分辨率的現(xiàn)勢性數(shù)據(jù)，反映了地方經濟水平和科技水平。經費上，盡管理想的最優(yōu)的數(shù)據(jù)現(xiàn)勢性，是每天更新數(shù)據(jù)，對照更新一次數(shù)據(jù)所需費用(沿用目前的更新方案)，任何一個城市的財政都是無法負擔的。技術上，目前的數(shù)據(jù)更新技術主要以傳統(tǒng)測繪手段為主，都是周期性的測繪生產項目。對于新型測繪技術，如移動測量技術、傾斜攝影技術等使用較少；對于其他渠道的數(shù)據(jù)源使用較少，如高清視頻監(jiān)控圖像、手機拍攝圖像、360°街景等[10-12]。

地理信息更新的第一個挑戰(zhàn)是，低成本、高效率。數(shù)據(jù)現(xiàn)勢性是地理信息平臺的生命力。經費投入能力對于數(shù)據(jù)更新周期具有剛性約束力。因此，必須采用高新技術手段和先進的管理模式，才能在低投入的前提下，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的快速更新；第二個挑戰(zhàn)是，地理信息差異性發(fā)現(xiàn)。當前，城市地理信息已進入局部區(qū)域更新時代，需要新采集的大規(guī)模區(qū)域較少。信息更新的難點在于差異性發(fā)現(xiàn)，根據(jù)歷史地理數(shù)據(jù)庫，實現(xiàn)對變化區(qū)域的差異性更新。

4 移動測量技術

車載移動測量系統(tǒng)，以機動車輛為載體，高度集成了激光雷達(light detection and ranging，LiDAR)、工業(yè)電荷耦合(charge-coupled device，CCD)相機、慣性測量單元(inertial measuring unit，IMU)、全球導航衛(wèi)星系統(tǒng)(global navigation satellite system,GNSS)接收機等傳感器，在相應軟硬件支持下，實現(xiàn)地理數(shù)據(jù)的快速采集、傳輸與存儲[13]。涉及的關鍵技術有：傳感器工業(yè)整體設計，傳感器時空的精密標定，傳感器協(xié)調控制與過程實時監(jiān)控，數(shù)據(jù)高效采集、傳輸與存儲，代碼數(shù)據(jù)流的快速解析等技術。車載移動測量系統(tǒng)一般配備的軟件有：地形圖測繪軟件、點云編輯軟件、城市部件采集軟件、點云三維建模軟件、道路信息巡檢軟件、街景瀏覽管理軟件等[14-16]。

目前，以激光雷達作為測量單元的移動測量技術水平，已經取得了顯著的進展，軟硬件將進入標準化階段。系統(tǒng)的評價內容包括：工作速度，測量距離，激光點間距，地物特征點的絕對精度、相對精度和重復精度，系統(tǒng)外業(yè)操作的靈活型和簡便性，數(shù)據(jù)預處理的自動化程度，與數(shù)據(jù)采集時間相比的處理效率。軟件方面，應該評價應用軟件的實用性和快捷性，操控海量點云的方便性和靈活性。成果方面，應該評價成果存儲的現(xiàn)實價值和歷史價值，成果更新的可行性和方便性。

當移動測量成果的點云密度和精度達到一定程度，成果的價值將產生質的飛躍，移動測量的技術體系將推動工程測量產生歷史性變革。如果點云的點間距達到3～5 cm，地物特征點的中誤差小于5 cm，移動測量成果將會得到多方面應用；如果解決了激光點云與CCD影像的融合問題，那么成果的幾何精度、空間分辨率和屬性分辨率等方面，將具有滿足未來的相關規(guī)范和要求的可行性。采用移動測量手段測量城市地理元素，當技術進一步成熟，數(shù)據(jù)處理自動化速度進一步提高，將會產生一種高速度、低成本、高效率的城市地理信息更新的技術體系[17-19]。

5 城市自然數(shù)字模型

城市智能化管理，要求具有快速、高效和低成本地更新城市地理信息的能力，特別是技術能力。數(shù)字城市地理信息平臺，若滿足城市智能化管理的需求，平臺的地理數(shù)據(jù)必須具備高密度和高精度，必須具有很強的現(xiàn)勢性。面對城市管理智能化的責任，基于地理信息平臺的作用、平臺數(shù)據(jù)更新的需要、移動測量技術水平和“互聯(lián)網+”的呼喚，本文提出一種城市自然數(shù)字模型——CNDM，由一種高精度和高密度真彩激光點云構成。

CNDM的基本特性如圖1所示，它自然地再現(xiàn)城市現(xiàn)狀，具有很強的歷史數(shù)據(jù)相容性，適于大數(shù)據(jù)管理和云計算，支持“互聯(lián)網+”的生產、管理和運營模式。CNDM的3個特征：自然、精確、可用。自然：CNDM盡可能自然再現(xiàn)，杜絕抽象符號，歸納和省略，不影響平臺功能，不影響數(shù)據(jù)更新機制；精確：以平臺功能的最高精度要求作為CNDM數(shù)據(jù)的精度要求，保證平臺數(shù)據(jù)的通用性；可用：CNDM數(shù)據(jù)的空間分辨率和時間分辨率，滿足地理信息平臺的數(shù)據(jù)現(xiàn)勢性需求。

圖1 城市自然數(shù)字模型Fig.1 City natural data model

CNDM的數(shù)據(jù)來源：以車載移動測量系統(tǒng)獲取的城市空間統(tǒng)一坐標系下的真彩激光點云數(shù)據(jù)為基礎，通過融合單站和機載三維激光點云、多角度CCD圖像、高分辨率視頻圖像、正射影像和傾斜影像等數(shù)據(jù)，生成目標三維完整真彩點云模型[20-23]。

CNDM的點云特征：點云精度，成果地物特征點的點位誤差小于5 cm；點云密度，成果點云點間距小于5 cm。

圖2 CNDM數(shù)據(jù)結構Fig.2 CNDM data structure

CNDM的數(shù)據(jù)管理：建立城市時空尺度下的地理網格化管理平臺，對城市道路、建筑物、部件等目標實現(xiàn)真彩點云對象化管理，對每一個點云對象進行空間和時間編碼，構建時空索引下的網格化CNDM。如圖2所示，CNDM應包含網格編碼(gridId)、時間編碼(timeId)、對象編碼(objectId)、地理空間坐標(X,Y,Z)和真彩色(R,G,B)等，同時可擴展新的城市管理編碼。支撐面向空間的網格化更新、面向變化的時間化更新和面向個體的對象化更新。

CNDM的作用：

(1) 用于測繪大比例尺地形圖和地籍圖；

(2) 用于提取城市三維部件；

(3) 用于構建高精度城市三維可視化模型；

(4) 用于制作城市三維導航地圖，支持無人駕駛(自動化輔助駕駛)；

(5) 用于“互聯(lián)網+”地理信息更新；

(6) 用于城市規(guī)劃設計；

(7) 用于城市安全應急指揮；

(8) 用于支持災害評估、支持數(shù)字施工、支撐BIM系統(tǒng)、支持變形監(jiān)測、支持危房改造等。

6 結論與展望

6.1 多源數(shù)據(jù)更新技術體系

僅采用車載移動測量系統(tǒng)構建CNDM是不夠的，采用空地一體化技術體系構建CNDM是必選措施。空載移動測量，可以是機載LiDAR，可以是無人機、無人飛艇低空攝影測量。在空中采集數(shù)據(jù)，發(fā)揮空中探測的優(yōu)勢；車載移動發(fā)揮近地、側掃的優(yōu)勢，綜合使用兩種技術，構建初始CNDM；支持“互聯(lián)網+”更新，解決局部區(qū)域城市地理元素實時更新問題，借助云平臺實時處理無人機、手機或高清視頻監(jiān)控獲取的現(xiàn)勢性數(shù)據(jù)是未來的發(fā)展方向。

6.2 差異性發(fā)現(xiàn)

城市地理數(shù)據(jù)更新的一個顯著的難點在于差異性發(fā)現(xiàn)，這也是圖像處理中的難點問題。在人工智能、地理國情監(jiān)測等領域，差異性發(fā)現(xiàn)一直在不斷發(fā)展著。CNDM為解決差異性發(fā)現(xiàn)問題創(chuàng)造了條件，即采用有限區(qū)域多源數(shù)據(jù)融合技術進行地理元素信息的更新。通過手機拍照或視頻監(jiān)控技術，將變化區(qū)域的實時影像發(fā)送到云端與CNDM融合計算，實現(xiàn)“互聯(lián)網+”測繪。顯然，基于“互聯(lián)網+”思想，是保證地理數(shù)據(jù)實時更新、地理信息平臺最優(yōu)現(xiàn)勢性，支持城市管理智能化發(fā)展的必然趨勢。

6.3 自發(fā)地理信息更新

互聯(lián)網及智能傳感器技術的快速發(fā)展，為普通大眾參與地理空間數(shù)據(jù)的生產與維護提供了必要的軟硬件支持。在此背景下，大量與空間位置有關的人類活動以各種形式的地理數(shù)據(jù)被記錄下來，形成了自發(fā)地理信息(volunteered geographic information，VGI)[24-26]，VGI具有較強的現(xiàn)勢性，但不可避免地存在表達不一致、位置精度不可靠等特點。如何以城市自然數(shù)字模型為基礎，通過開放真三維地理信息服務，提升VGI的數(shù)據(jù)可靠性；如何發(fā)揮VGI的現(xiàn)勢性特點，為CNDM的更新提供數(shù)據(jù)源，是未來的研究方向。

6.4 共享經濟下的地理信息

全球范圍內，共享經濟取得了迅猛發(fā)展。在共享經濟時代下，社會運行模式都將在地理空間上進行重新布局。如今，諸如滴滴打車、共享單車等共享服務已融入大眾的生活中，參與到城市的運轉中，每一個共享單元都是城市地理信息更新的傳感器，每天都在掃描整個城市的每個角落，產生海量、冗余的動態(tài)地理信息大數(shù)據(jù)。如何從這些地理大數(shù)據(jù)中挖掘有效數(shù)據(jù)，進行城市自然數(shù)字模型的動態(tài)更新，并最終實現(xiàn)城市地理信息的更新,將成為一個重要的研究方向。

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(責任編輯：張艷玲)

Mobile Mapping，Geographic Information Update and Urban Management Intelligence

LU Xiushan1,2,TENG Teng2,LIU Rufei2

1. Institute of Ocean Engineering，Shandong University of Science and Technology，Qingdao 266590，China; 2. Geomatics College，Shandong University of Science and Technology，Qingdao 266590，China

The foundation of urban management intelligence is internet，geographic information platform and cloud computing platform.Data updating is the soul of geographic information platform.The rapid updating of urban geographic information involves concepts，funds and techniques.These three factors constitute the historic challenge of urban surveying and mapping，and also the reality bottleneck of the implementation of urban management intelligence.This paper presents a city natural data model(CNDM)that is based on the color laser point cloud.Based on vehicle borne mobile mapping，unmanned aerial vehicle (UAV) aerial photograph，mobile phone taking，HD video surveillance and cloud computing platform，a fast updating system of CNDM is formed.City geographic information platform for city actuality is constructed based on the real-time update of CNDM，which is to establish the base data of urban management intelligence.

mobile mapping；geographic information；urban management；intelligence

The National Key Scientific Instrument and Equipment Development Projects (No. 2013YQ120343)；The National Key Research and Development Program(No. 2016YFB0501705)；The National Basic Surveying and Mapping Science and Technology Program(No. 2016KJ0101)；Scientific Research Foundation of Shandong University of Science and Technology for Recruited Talents(No. 2016RCJJ004)

LU Xiushan (1961—)，male，PhD，professor，PhD supervisor，majors in surveying data processing theory and application，and GPS application technology.

LIU Rufei

盧秀山，滕騰，劉如飛.移動測量、地理信息更新與城市管理智能化[J].測繪學報，2017,46(10)：1592-1597.

10.11947/j.AGCS.2017.20170328.

LU Xiushan,TENG Teng,LIU Rufei.Mobile Mapping，Geographic Information Update and Urban Management Intelligence[J]. Acta Geodaetica et Cartographica Sinica,2017,46(10):1592-1597. DOI:10.11947/j.AGCS.2017.20170328.

P208

A

1001-1595(2017)10-1592-06

國家重大儀器設備開發(fā)專項(2013YQ120343)；國家重點研發(fā)計劃(2016YFB0501705)；國家基礎測繪科技計劃(2016KJ0101);山東科技大學人才引進科研啟動基金項目(2016RCJJ004)

2017-06-20

修回日期： 2017-08-09

盧秀山(1961—)，男，博士，教授，博士生導師，研究方向為測量數(shù)據(jù)處理理論及應用、GPS應用技術。

E-mail： xiushanl@vip.sina.com

劉如飛

E-mail： liurufei_2007@126.com