基于可量测实景影像库(DMI)及4D产品的三维数字高速公路展示系统——以福州市机场高速为例

包忠聪

（福州市勘测院，福建 福州350003）

一、引 言

从20世纪80年代起，我国高速公路建设飞跃发展，为高速公路运营管理服务的信息化服务建设也随之发展。这类建设主要包括收费、通信、监控系统及各业务系统(如养护、路政管理系统)，一直以来这些信息系统建设着重于二维信息展示及分析，存在数据缺乏融合与挖掘，数据更新过慢，空间表达抽象等诸多缺点。传统平面电子地图不能立体全方位360°展示高速公路及周边交通景观设施情况，无法实现多角度多空间的分析决策，信息化建设滞后于高速公路飞速发展所带来的运营管理信息化、智能化、立体化的需求。可视化、智能化成为公路信息化发展的趋势［1］。因此，如何利用高新技术手段，通过构建高速公路真实三维地理信息系统展示平台实现高速公路运营管理的信息化、网络化、多维化和智能化，提高高速公路运营管理水平，充分发挥高速公路的功效，是摆在交通行业工作者面前一个急需解决的重要课题。

本项目位于福州机场高速马尾收费站至长乐收费站，全长约20 km。该项目利用空间移动测量系统采集福州市机场高速路段实景照片，构建可量测实景影像库，以大比例尺数字高程模型及航拍正摄影像数据为基础，结合三维精细建模构建三维场景。在此基础上，通过二次开发，结合业务数据福州机场三维数字实景展示系统。该项目有效整合了最新的移动测量技术及三维地理信息技术，真实再现了高速公路沿线实景，使得管理人员务须进行现场勘查，实现公路可视化管理和信息共享成为可能。该项技术整合对相关项目的开展具有一定的借鉴意义。

二、定 义

可量测实景影像(digital measurable image，DMI)是一种以地面近景摄影测量立体影像文件及其外方位元素构成的基础地理信息产品，其构建的立体影像可直接测量、信息提取并与其他基础地理信息产品集成，是我国基础地理信息数据库为适应按需测量采集更新空间信息的一种新的产品。

移动道路测量技术作为一种全新的测绘技术，是在机动车上装配GPS(全球定位系统)、CCD(成像系统)、INS/DR(惯性导航系统或航位推算系统)等传感器和设备，在车辆高速行进之中，快速采集道路前方及两旁地物的可量测立体影像序列(DMI)，这些DMI具有地理参考，并根据应用需要进行各种要素，特别是道路两旁要素的按需测量［2］。

4D产品:即数字高程模型(DEM)、数字正射影像(DOM)、数字线划地图(DLG)和数字栅格地图(DRG)，是重要的传统测绘产品。

可量测实景影像可通过移动道路测量系统采集得到，并可以通过软件开发与4D产品无缝集成，是对我国4D基础地理信息产品进行有效补充的一种重要产品。

三、系统总体架构

三维数字高速公路展示系统是一项复杂的综合集成的计算机信息系统，涉及软硬件环境、信息资源、技术、组织机构、标准规范等组成要素，关键是通过对高速公路空间数据、三维模型、属性数据、高分辨率近景影像数据和各业务及数据的集成、融合与再处理实现基于三维地理数据平台的集成应用与服务，为今后建立面向高速公路运营管理的运营综合监控、应急指挥、信息共享服务等应用打下基础，如图1所示。

图1 三维数字高速公路展示系统体系结构

四、系统功能设计

基于DMI可量测实景影像库及4D产品的三维数字高速公路展示系统的应用功能包括如下几个方面:

1.三维浏览功能

系统可以通过鼠标、键盘、操纵杆、控制面板或者任意组合方式来控制飞行的速度、高度视角，使得用户可以灵活、便捷地在三维场景中浏览漫游，操作简单，易于使用。

2.快速定位功能

快速定位功能提供根据行政区域、鹰眼窗、桩号定位等多种方式导航实现任意地方的快速定位。

3.三维量测功能

三维量测功能包括三维场景量测及实景影像量测。其中三维场景量测提供水平量测、垂直距离、空中距离测量等。实景影像提供长度测量、宽度测量、比高测量等，如图2所示。

图2 三维场景量测及实景量测功能界面示意图

4.图层管理功能

图层管理提供对系统中图层进行管理功能，主要包括以下功能:改变图层显示顺序，图层显示属性等。包括各种比例地形图，路网数据，操作时选中即表示打开该图层，否则图层为隐藏状态，基础数据图层是在软件启动时自动加载的。

5.业务专题分析功能

系统可结合高速专题数据进行业务专题分析。如用户可根据不同需求，进行数据定制与三维可视化控制，可加载用户各种专题(二维矢量数据及三维模型数据)，如桥梁、边坡、隧道，排水沟矢量图层，定义各类空间查询分析，将分析结果以直观逼真的专题形式展现，以便于空间展示叠加决策分析。

6.信息查询功能

主要包括基础信息查询与高速专题数据查询。基础地理信息查询主要包括:名称查询、热点查询、信息查询、查询结果定位、拉框查询等;高速专题数据查询主要包括:养护信息查询、路面信息查询、桥梁信息查、里程桩查询等。

7.打印输出功能

系统提供了快速截图工具，可以对三维窗口进行快速捕捉和存储，将三维地形窗口的影像保存为图片格式，便于传阅、分析和保存。同时，用户可以自定义设置图片的尺寸，便于输出高分辨率的用于打印制图用的图片。

五、实景影像及三维基础数据库建设方案

1.实景影像采集

DMI数据是通过移动测量系统测绘装置采集而得，其主要原理为在机动车上装配GPS全球定位系统、CCD摄影测量系统、INS/DR惯性导航系统或航位推算系统等先进的传感器和设备，在车辆高速行进之中，快速采集道路及两旁地物的空间位置数据和属性数据，并同步存储在车载计算机中，经专门软件编辑处理，形成各种有用的GIS数据成果，包括路网电子地图、设施或POI(兴趣点)数据库等。

2.三维场景构建

三维场景构建主要包括3个部分:基础场景构建、三维部件建模、三维工程文件配置。

1)基础场景构建:利用三维数据加工平台构建三维基础场景。数据源采用不同分辨率的正射影像数据及大比例尺数字高程模型数据。根据不同视角高度调整不同分辨率影像显示比例尺。

2)三维部件建模:主要包括道路、桥梁、隧道、涵洞、护栏、绿化带、边坡、广告牌与交通标志、机电设备、路灯等高速路相关部件的位置、尺寸、形态精细建模。为了保证数据的准确性及真实性，部件的位置、尺寸及纹理数据均需从实景影像数据中提取，可利用通用的三维数据加工软件建模。

3)三维工程文件配置:基础场景文件，通过叠加各类基础数据(信息点、路网、行政区划等)、高速公路专题数据、三维精细建模数据构建三维场景工程文件，供二次开发调用，如图3所示。

图3 三维场景构建示意图

六、系统实现

系统采用Visual Studio 2008.NET作为系统的开发平台。结合DMI及三维地理信息系统开发组件构建福州市机场高速三维展示系统。系统部分路段运行界面如图4所示。

图4 系统运行界面

七、结束语

本项目以4D产品、可量测实景影像库为基础数据源，结合三维地理信息技术构建具有准确地理数据及真实场景的高速公路展示系统。该系统在技术上整合了移动测量系统技术、三维地理信息技术，在产品应用领域集成了4D产品、DMI产品，在功能上融合了二维地理信息系统功能、三维虚拟仿真、实景量测查询定位分析等功能，可为全面了解高速公路整体的运行状况、设施分布提供高效辅助决策支持。此外通过在该展示平台上集成各类专题信息系统，可进一步发挥其三维实景辅助决策优势。如在此平台上建设三维可视化综合监控系统，三维实景养护管理系统等，可为快速抢险、交通设施维护、交通拥堵、交通安全等问题提供高效快速辅助决策服务。

［1］ 胡庆武，郭晟，柳正华，等，基于可量测实景影像的数字公路体系研究［J］，公路，2010(2):95-99.

［2］ 李德仁.论可量测实景影像的概念与应用——从4D产品到5D 产品［J］，测绘科学，2007，32(4):5-7.