基于車載三維測量技術(shù)的實景道路系統(tǒng)設(shè)計

汪致恒 李勝（等）

摘要：利用車載三維測量技術(shù)獲取實景道路信息，開發(fā)系統(tǒng)對該信息進行管理、分析及應(yīng)用。本文闡述了車載三維測量系統(tǒng)組成及數(shù)據(jù)獲取原理，結(jié)合實際需求情況和管理特點，對三維實景道路系統(tǒng)進行了總體框架及功能設(shè)計，由此以ArcGIS Engine為平臺可進行三維實景道路系統(tǒng)開發(fā)，實現(xiàn)實景漫游、數(shù)據(jù)查詢、地圖定位、最短路徑分析、統(tǒng)計分析等功能。為數(shù)字城市建設(shè)及應(yīng)用打下堅實基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：數(shù)字城市 車載三維測量技術(shù) 實景道路 ArcGIS Engine 設(shè)計

1 概述

“數(shù)字城市”的建設(shè)過程中對城市建設(shè)、市民生活、經(jīng)濟發(fā)展逐漸帶來效益和方便。地理信息逐漸從二維向三維發(fā)展，各行各業(yè)的三維地理信息需求急劇增長?，F(xiàn)有共享平臺的數(shù)據(jù)集是從基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)庫中提取了部分內(nèi)容，又擴充了部分要素。然而平臺數(shù)據(jù)集仍是二維數(shù)據(jù)，丟失了城市最重要的三維立面數(shù)據(jù)和詳細的可視化環(huán)境信息，且數(shù)據(jù)表現(xiàn)形式簡單，內(nèi)容單調(diào)，無法支持行業(yè)用戶的可視化應(yīng)用及地理信息的深度挖掘。時效性更強，更精確，更全面的道路三維實景信息，作為城市地理信息的重要組成部分，復雜難以管理。因此建立道路系統(tǒng)對實景信息有效管理十分重要。本文以ArcGIS Engine組件為開發(fā)工具，在C#語言基礎(chǔ)上，結(jié)合車載三維測量，ArcSDE，空間數(shù)據(jù)管理等技術(shù)，進行實景道路系統(tǒng)設(shè)計研究。

2 實景道路系統(tǒng)框架及具體功能

2.1 系統(tǒng)框架

道路實景信息數(shù)據(jù)量龐大，系統(tǒng)綜合性強且復雜，系統(tǒng)的設(shè)計應(yīng)按軟件工程的規(guī)范程序進行，結(jié)構(gòu)框架要科學合理，并力求提高系統(tǒng)工作效率及各項性能指標。實景道路系統(tǒng)整體框架如圖1所示。系統(tǒng)采用4層結(jié)構(gòu)構(gòu)架，分別是表示層、邏輯層、數(shù)據(jù)層、支撐層。

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圖1 系統(tǒng)框架

2.2 系統(tǒng)功能設(shè)計

本系統(tǒng)包含4個模塊，如：地圖瀏覽控制模塊、數(shù)據(jù)查詢模塊、數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析模塊、數(shù)據(jù)編輯模，各模塊的具體功能如圖2所示。

2.3 具體功能

本系統(tǒng)實現(xiàn)了以下四大功能：

①地圖控制模塊：具有TMS街景漫游、二維地圖展示、地圖定位、要素選擇、量測等功能。

②查詢模塊：具有要素空間與字段屬性識別、多形狀選擇查詢、緩沖區(qū)查詢等功能。

③統(tǒng)計分析模塊：具有緩沖區(qū)分析、最短路徑分析、影響區(qū)分析等功能。

④數(shù)據(jù)編輯模塊：具有分割線、分割面要素、添加圖例、添加指北針等功能。

3 實景道路系統(tǒng)建設(shè)關(guān)鍵技術(shù)

3.1 車載三維測量技術(shù)

3.1.1 系統(tǒng)介紹

移動測量技術(shù)是當今測繪界最為前沿的技術(shù)之一。車載三維全景激光移動測量系統(tǒng)是將多種傳感器，如全球定位系統(tǒng)（GPS）、慣性測量單元（IMU）、立體相機、全景相機、激光掃描儀（LIDAR）等，集成在車載平臺上，沿道路采集空間地理信息數(shù)據(jù)，并在內(nèi)業(yè)環(huán)境中對采集得到的數(shù)據(jù)進行進一步加工，生成專題成果圖。全景激光移動測量系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)沿道路的基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)快速更新，與人工測繪、航測相結(jié)合，能夠形成點狀、帶狀與面狀空間數(shù)據(jù)測繪的完整解決方案。

3.1.2 系統(tǒng)組成

系統(tǒng)由六個分系統(tǒng)組成，如圖3所示。

3.1.3 系統(tǒng)工作原理

系統(tǒng)采用高分辨率數(shù)字圖像采集技術(shù)、GPS/IMU定位定姿技術(shù)、直接地理參考技術(shù)、近景攝影測量技術(shù)、海量多源GIS數(shù)據(jù)融合處理和展現(xiàn)技術(shù)，使用高分辨率工業(yè)數(shù)字相機、測量型全球定位系統(tǒng)（GPS）接收機等傳感器設(shè)備，在車載環(huán)境下實現(xiàn)高分辨率數(shù)字圖像、連續(xù)位置姿態(tài)的同步綜合采集。并事先對車載數(shù)字相機及GPS設(shè)備進行內(nèi)方位元素檢校。在獲取原始的影像、GPS定位定姿數(shù)據(jù)后即可測量出相片上任何目標的絕對坐標及相對尺寸。通過多源數(shù)據(jù)融合處理手段，采集感興趣地物的空間屬性、幾何屬性及社會屬性，建立專題GIS數(shù)據(jù)庫。為道路系統(tǒng)采集更加形象、真實、精度更高的實景三維數(shù)據(jù)。

3.1.4 技術(shù)優(yōu)勢

①成果全面準確：運用激光移動采集系統(tǒng)采集到的數(shù)據(jù)成果有：各要素坐標、矢量數(shù)據(jù)以及連續(xù)高清的三維激光圖像，數(shù)據(jù)鏈全面完整，精度遠遠在國家規(guī)范要求之上。

②能與多種數(shù)據(jù)源融合：激光移動測量獲得的影像數(shù)據(jù)可以通過后臺處理軟件，與航片、衛(wèi)片以及傳統(tǒng)地形圖進行有效融合，從而生成信息更為全面的地理信息系統(tǒng)。

③高效率：在測圖方面測量車能以≤120km/h的速度進行外業(yè)測圖，采集結(jié)果通過專業(yè)的數(shù)據(jù)處理軟件可快速進行編輯處理。相比傳統(tǒng)導航圖測成圖方式，能將測圖效率提升10倍以上。

④真實三維場景：由360度連續(xù)全景和激光點云無縫融合后，使實景地圖具備縱深概念的，并不再是平面圖片，而是具備真實三維坐標的實景地圖。

3.2 ComGIS

組件式地理信息系統(tǒng)（ComGIS）是將計算機軟件開發(fā)的組件的思想與技術(shù)在GIS軟件開發(fā)中的應(yīng)用，它是指基于組件對象的開放平臺，以自定義的一組標準通信接口的、允許跨語言的組件為平臺提供主要GIS功能的地理信息系統(tǒng)。此技術(shù)，GIS組件有使空間數(shù)據(jù)管理更靈活，使實景道路系統(tǒng)開發(fā)更為高效、簡單、方便，應(yīng)用功能更強大等優(yōu)點。

3.3 基于ArcGIS Engine的集成二次開發(fā)

ArcGIS Engine是由esri公司提供的用于開發(fā)GIS組件的完整類庫。其具有功能性能較為完善的分析模塊、查詢模塊、統(tǒng)計模塊、圖形模塊等。各個模塊能輕松簡便的使用API與接口進行調(diào)用。如：多圖層顯示地圖、地圖的漫游和縮放、查詢和搜索要素、顯示航片或衛(wèi)星影像、編輯顯示圖形要素。

3.4 空間數(shù)據(jù)的管理

由于標準的SQL并不支持空間數(shù)據(jù)，所以使用ArcSDE這種中間件技術(shù)，讓它用關(guān)系數(shù)據(jù)庫來存儲、管理復雜的空間地理數(shù)據(jù)，支持空間關(guān)系運算和空間分析等地理信息系統(tǒng)功能，解決了關(guān)系數(shù)據(jù)庫與應(yīng)用程序之間的數(shù)據(jù)接口問題。同時用戶可以透明地方便地訪問空間地理數(shù)據(jù)，而不必考慮數(shù)據(jù)的格式、存儲位置、方式和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)等問題。ArcSDE有高性能的DBMS通道、開放的DBMS支持、連續(xù)可伸展的數(shù)據(jù)庫、豐富的地理信息數(shù)據(jù)模型、靈活的配置等特點。這些都為實景道路系統(tǒng)的數(shù)據(jù)提供了強有力的支撐。

4 結(jié)語

通過車載三維測量技術(shù)獲取三維實景數(shù)據(jù)，利用這些數(shù)據(jù)開發(fā)實景道路系統(tǒng)，從而建立實景可視化的道路地理信息系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫，將城市道路全貌在電腦中實景化再現(xiàn)。該系統(tǒng)提供了360度自由旋轉(zhuǎn)瀏覽全景影像、最優(yōu)路徑分析等服務(wù)，更加方便、高效地實現(xiàn)了三維實景道路信息的科學化應(yīng)用及信息化管理，滿足了“數(shù)字道路，精準管理”的要求。隨著移動測量、實景影像等技術(shù)的不斷發(fā)展與完善，不僅能提升整個GIS技術(shù)的應(yīng)用價值，還將極大提升地理信息產(chǎn)業(yè)的發(fā)展與服務(wù)空間，為城市信息化和“數(shù)字城市”的建設(shè)提供有效技術(shù)保障。

參考文獻：

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基金項目：

測繪地理信息公益性行業(yè)科研專項經(jīng)費資助（201412010）；四川省測繪地理信息局科技計劃項目資助（編號：J2013ZH02）；四川省應(yīng)急測繪保障與地質(zhì)災害監(jiān)測工程技術(shù)研究中心開放基金資助（K2014B014）；四川省測繪地理信息局科技計劃項目資助（J2013ZC04）。

作者簡介：汪致恒（1993-），男，四川新都人，本科，攻讀測繪工程專業(yè)。