摘要：面向多源異構(gòu)數(shù)據(jù)融合的背景下，高海拔地區(qū)的實景三維信息提取分析對于資源管理、政府決策、城市規(guī)劃和不動產(chǎn)統(tǒng)一登記管理具有重要的研究和應(yīng)用意義。主要探討了在高海拔地區(qū)，如何有效地采集和處理數(shù)據(jù)，特別是利用無人機技術(shù)、遙感技術(shù)和地理信息系統(tǒng)。針對數(shù)據(jù)的異構(gòu)性，提出了一個數(shù)據(jù)融合策略，旨在構(gòu)建一個融合遙感影像數(shù)據(jù)、實景三維模型數(shù)據(jù)和各類專題數(shù)據(jù)的信息化管理系統(tǒng)，以為西部地區(qū)高海拔城市的信息化進程提供了有力支撐。

關(guān)鍵詞：多源異構(gòu)數(shù)據(jù)融合；高海拔地區(qū)；實景三維；信息提取；分析

一、前言

高海拔地區(qū)，因受地形、氣候和生態(tài)的獨特性的限制，城市對于數(shù)據(jù)采集與處理更提出了嚴格要求。而無人機技術(shù)、遙感技術(shù)和地理信息系統(tǒng)等信息技術(shù)的涌現(xiàn)，為高海拔地區(qū)提供了數(shù)據(jù)采集和處理的創(chuàng)新手段[1]。本研究通過構(gòu)建一個融合遙感影像數(shù)據(jù)、實景三維模型數(shù)據(jù)和各類專題數(shù)據(jù)的信息化管理系統(tǒng)，旨在更好地滿足城市規(guī)劃與管理需求，從而提高政務(wù)信息管理和服務(wù)的水平[2]。

二、數(shù)據(jù)采集與處理技術(shù)

（一）無人機技術(shù)在三維模型數(shù)據(jù)采集中的應(yīng)用

無人機技術(shù)具有機動靈活、低成本、高分辨率和強實時性等特點，使其在高海拔地區(qū)的三維模型數(shù)據(jù)采集中展現(xiàn)出了顯著的優(yōu)勢，特別是能夠有效地覆蓋那些復(fù)雜地形和地貌區(qū)域，同時能捕獲豐富的地形細節(jié)信息[3]。對高海拔地區(qū)的三維模型采集，進行如下應(yīng)用設(shè)置：

（1）合理規(guī)劃飛行路線，確保全面覆蓋目標區(qū)域；

（2）飛行高度設(shè)定為500米，保證拍攝的影像能夠清晰捕捉地貌細節(jié)；

（3）飛行速度設(shè)置為18 km/h，以確保在保持影像質(zhì)量的同時，實現(xiàn)對目標區(qū)域的快速覆蓋；

（4）拍攝頻率設(shè)為每2秒拍攝一張，確保影像之間有足夠的重疊，為后續(xù)影像拼接和三維建模提供便利。

旨在規(guī)定無人機在預(yù)設(shè)的飛行高度和速度下自動飛行，持續(xù)采集高分辨率的地面影像數(shù)據(jù)。并在后續(xù)的處理階段，使用使用Pix4Dmapper軟件進行影像匹配和三維建模，從而得到細致準確的三維模型。

（二）遙感技術(shù)與地理信息系統(tǒng)在數(shù)據(jù)處理中的融合

遙感影像數(shù)據(jù)的處理與解析是實現(xiàn)有效數(shù)據(jù)采集和準確分析的核心。在遙感影像的處理過程中，主要涉及到的環(huán)節(jié)有：輻射校正、大氣校正、幾何糾正以及分類和解譯等[4]。針對高海拔地區(qū)的特殊地形和氣候條件，采用地形校正算法與大氣校正算法，消除高海拔地區(qū)的地形影響和大氣影響，保證影像的真實性和準確性。而地理信息系統(tǒng)（GIS）作為一個集成硬件、軟件、數(shù)據(jù)及應(yīng)用程序于一體的系統(tǒng)，旨在捕捉、儲存、操作、分析、管理和呈現(xiàn)各種地理參考或地理空間數(shù)據(jù)。一方面，在數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)化處理中，GIS提供了豐富的工具和方法來管理和操作空間和屬性數(shù)據(jù)。另一方面，在異構(gòu)數(shù)據(jù)整合過程中，GIS又提供了功能強大的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換和整合工具，能夠?qū)碜圆煌瑏碓础⒏袷交蚪Y(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)整合到統(tǒng)一的平臺上，確保數(shù)據(jù)的一致性和準確性[5]。

由此可見，遙感技術(shù)為GIS提供了大量的空間數(shù)據(jù)資源，而GIS則為遙感數(shù)據(jù)提供了強大的分析和處理能力。結(jié)合遙感技術(shù)的數(shù)據(jù)采集能力和GIS在空間數(shù)據(jù)處理和分析方面的優(yōu)勢，可以有效地實現(xiàn)對高海拔地區(qū)的精準分析和管理。

三、多源異構(gòu)數(shù)據(jù)融合策略

（一）數(shù)據(jù)融合框架的設(shè)計

在多源數(shù)據(jù)的處理和融合過程中，首先需基于不同數(shù)據(jù)源的屬性、格式和結(jié)構(gòu)，識別異構(gòu)數(shù)據(jù)，并進行標準化處理。再通過整合不動產(chǎn)數(shù)據(jù)、土地調(diào)查數(shù)據(jù)等專題數(shù)據(jù)，最后創(chuàng)建每個專題數(shù)據(jù)的索引和元數(shù)據(jù)，實現(xiàn)多元異構(gòu)數(shù)據(jù)的融合。具體邏輯框架如圖1所示。

其中，專題數(shù)據(jù)索引創(chuàng)建的目的在于提高數(shù)據(jù)查詢和檢索的效率。本次根據(jù)數(shù)據(jù)內(nèi)容和結(jié)構(gòu)，為每個專題數(shù)據(jù)建立B樹、R樹或倒排索引。其中，對于結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)，如數(shù)據(jù)庫中的表，創(chuàng)建B樹索引。其將鍵值分組并組織成一個樹狀結(jié)構(gòu)，確保數(shù)據(jù)檢索的時間復(fù)雜性為log（n）。對于空間數(shù)據(jù)，如GIS中的點、線、多邊形數(shù)據(jù)，創(chuàng)建R樹索引。其通過將接近的對象分組為最小邊界矩形來工作，進而使得空間查詢更加準確高效。對于文本數(shù)據(jù)，因每一個唯一詞都與一個列表相關(guān)，該列表包含了該詞的文檔或數(shù)據(jù)記錄，所以選擇創(chuàng)建倒排索引，使得系統(tǒng)可快速完成基于關(guān)鍵詞的文本檢索。

（二）高海拔地區(qū)數(shù)據(jù)特點及融合挑戰(zhàn)

首先，由于大氣擾動，尤其是光線散射和吸收，圖像質(zhì)量往往受到影響。加之地形遮擋和影子區(qū)域的頻繁出現(xiàn)，數(shù)據(jù)解釋的復(fù)雜性也得到了顯著提高。其次，地形的多變性使得相同的地面物體在遙感影像中可能展現(xiàn)出不一致的光譜特征，也再次增加了數(shù)據(jù)分析與解釋的困難。最后，劇烈氣候變化導(dǎo)致的季節(jié)性植被和地表物質(zhì)差異，也為基于時間序列的遙感影像分析帶來了較大難度。第一，本次系統(tǒng)在設(shè)計中，為克服光線散射和吸收的影響，采用了大氣校正方法：大氣校正軟件FLAASH （Fast Line-of-sight Atmospheric Analysis of Spectral Hypercubes） ，用于遙感影像的大氣補償，從而提高影像的質(zhì)量。第二，對于地形造成的挑戰(zhàn)，利用數(shù)字地形模型（DTM）輔助遙感影像的解釋，從而減少地形遮擋和影子區(qū)域的影響。第三，采用基于多源數(shù)據(jù)的融合策略，包括多尺度分解方法與基于深度學(xué)習(xí)的融合模型，實現(xiàn)在保持源數(shù)據(jù)特點的同時，完成數(shù)據(jù)的高效整合。

四、基于融合數(shù)據(jù)的三維信息提取分析系統(tǒng)設(shè)計與功能實現(xiàn)

（一）系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計

本次基于融合數(shù)據(jù)的三維演示系統(tǒng)架構(gòu)如圖2所示。

1.數(shù)據(jù)源模塊

設(shè)計思路：構(gòu)建一個多源數(shù)據(jù)接入平臺，能夠連接到各種外部數(shù)據(jù)源，并進行數(shù)據(jù)的同步和更新。

應(yīng)用技術(shù)：使用ETL工具（如Talend、Informatica）實現(xiàn)數(shù)據(jù)的提取、轉(zhuǎn)換和加載。利用API連接，對接第三方數(shù)據(jù)源，例如衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)提供商。對于非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)，如圖像或視頻，引入數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)進行初步分析和分類。

2.數(shù)據(jù)處理與融合模塊

設(shè)計思路：確保所有入庫的數(shù)據(jù)均符合預(yù)定的數(shù)據(jù)標準和格式，同時將不同源的數(shù)據(jù)融合成統(tǒng)一的數(shù)據(jù)模型。

應(yīng)用技術(shù)：采用數(shù)據(jù)清洗工具，如OpenRefine，對數(shù)據(jù)進行去重、格式轉(zhuǎn)換等操作。利用數(shù)據(jù)融合技術(shù)，例如模糊匹配、空間數(shù)據(jù)融合，將不同來源的數(shù)據(jù)整合在一起。使用空間分析工具，如ArcGIS或QGIS，對地理信息數(shù)據(jù)進行處理和融合。

3.數(shù)據(jù)存儲模塊

設(shè)計思路：采用高效的數(shù)據(jù)存儲策略，滿足大數(shù)據(jù)量、高并發(fā)的需求，同時確保數(shù)據(jù)的安全性。

應(yīng)用技術(shù)：使用分布式存儲系統(tǒng)，如Hadoop HDFS或Google Cloud Storage，滿足大數(shù)據(jù)的存儲需求。引入數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)，如PostgreSQL或Oracle，提供結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)的高效查詢和管理功能。針對敏感數(shù)據(jù)，采用數(shù)據(jù)加密技術(shù)和備份策略，確保數(shù)據(jù)的安全性。

4.業(yè)務(wù)邏輯模塊

設(shè)計思路：將業(yè)務(wù)流程和規(guī)則嵌入到系統(tǒng)中，為用戶提供核心的數(shù)據(jù)服務(wù)。

應(yīng)用技術(shù)：使用業(yè)務(wù)流程管理工具，如Activiti或Camunda，定義和執(zhí)行業(yè)務(wù)流程。采用數(shù)據(jù)分析庫，如Pandas或NumPy，對數(shù)據(jù)進行復(fù)雜的統(tǒng)計和分析。利用機器學(xué)習(xí)框架，如TensorFlow或Scikit-learn，進行深度數(shù)據(jù)分析和預(yù)測。

5.用戶交互界面

設(shè)計思路：提供一個直觀、響應(yīng)迅速的界面，滿足用戶在不同設(shè)備上的使用需求。

應(yīng)用技術(shù)：采用前端框架，如React或Vue.js，構(gòu)建動態(tài)的Web界面。使用UX/UI設(shè)計工具，如Sketch或Figma，進行界面的設(shè)計和優(yōu)化。引入WebGIS工具，如Leaflet或OpenLayers，為用戶提供地圖交互功能。

（二）主要功能實現(xiàn)

1.數(shù)據(jù)瀏覽

實現(xiàn)邏輯：允許用戶對整合后的數(shù)據(jù)集進行可視化瀏覽，包括遙感數(shù)據(jù)、實景三維模型和各類專題數(shù)據(jù)。

應(yīng)用技術(shù)：使用WebGIS平臺，如ArcGIS Online或Mapbox，來展示地理信息數(shù)據(jù)。引入三維數(shù)據(jù)可視化工具，如Cesium或Three.js，來展示實景三維模型。利用數(shù)據(jù)可視化庫，如D3.js，來展示專題數(shù)據(jù)的統(tǒng)計和分析結(jié)果。

2.查詢統(tǒng)計

實現(xiàn)邏輯：用戶可以基于關(guān)鍵詞、地理位置或特定屬性進行數(shù)據(jù)查詢，并得到相應(yīng)的統(tǒng)計結(jié)果。

應(yīng)用技術(shù)：使用Elasticsearch來提供快速的全文檢索和查詢功能。利用SQL或NoSQL數(shù)據(jù)庫，如PostgreSQL或MongoDB，執(zhí)行復(fù)雜的數(shù)據(jù)統(tǒng)計和分析查詢。集成BI工具，如Tableau或PowerBI，為用戶提供豐富的統(tǒng)計圖表。

3.城市漫游

實現(xiàn)邏輯：用戶可以在三維地圖上自由漫游，觀察城市的各個角落。

應(yīng)用技術(shù)：使用Cesium或Unity 3D，實現(xiàn)三維場景的渲染和交互。結(jié)合地理信息數(shù)據(jù)，提供實時地標和導(dǎo)航信息。引入HDR渲染和光線追蹤技術(shù)，提高場景的真實感。

4.快速定位

實現(xiàn)邏輯：用戶可以通過輸入地址或坐標，快速定位到三維地圖的特定位置。

應(yīng)用技術(shù)：采用地理編碼服務(wù)，如Google Geocoding API或Mapbox Geocoding API，將地址轉(zhuǎn)化為具體的坐標。結(jié)合空間索引技術(shù)，如R-tree或Quadtree，實現(xiàn)快速的地理位置查詢。

5.地圖打印

實現(xiàn)邏輯：用戶可以選擇特定的區(qū)域并生成高質(zhì)量的地圖打印件。

應(yīng)用技術(shù)：使用地圖渲染庫，如Mapnik或Geoserver，生成高分辨率的地圖圖像。利用PDF生成工具，如wkhtmltopdf或Puppeteer，將地圖圖像轉(zhuǎn)化為打印格式。

6.實景三維模型與專題數(shù)據(jù)的融合展示策略

實現(xiàn)邏輯：在同一視圖中，同時展示實景三維模型和與之相關(guān)的專題數(shù)據(jù)，如氣象信息、人口密度等。

應(yīng)用技術(shù)：使用Cesium或Three.js，在三維模型上疊加專題數(shù)據(jù)的可視化圖層。利用GLSL著色器，進行實時的數(shù)據(jù)渲染和視覺效果處理。結(jié)合GIS分析工具，如ArcGIS Pro，實時計算和顯示三維模型與專題數(shù)據(jù)的交互信息。

五、結(jié)論

綜上所述，在西部高海拔地區(qū)，數(shù)據(jù)采集和處理面臨許多不同于平原和低地的特殊挑戰(zhàn)。本研究旨在探討高海拔地區(qū)多源異構(gòu)數(shù)據(jù)的融合技術(shù)，通過構(gòu)建信息化管理系統(tǒng)，實現(xiàn)遙感影像數(shù)據(jù)、實景三維模型數(shù)據(jù)和各類專題數(shù)據(jù)的充分融合。隨著信息化的不斷深入，此系統(tǒng)對于西部高海拔城市的信息化建設(shè)有著重要價值，既可促進地區(qū)的經(jīng)濟發(fā)展，也可為其他領(lǐng)域提供了有力的的決策支撐。

參考文獻

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作者單位：福建省經(jīng)緯數(shù)字科技有限公司

責任編輯：周航