增强现实三维建模在警用地理信息平台的应用

唐恬+赵国民

摘 要： 公安警务空间地理信息基础平台的发展建设，已经历传统地图、二维GIS、三维仿真+部分贴图场景、实景三维四个阶段的发展，目前以增强现实CIM系统为代表的全面地理信息空间数据和技术集成已实现技术突破和应用示范。地空一体化、室内外一体化、宏观场景与单个实体一体化、影像与模型一体化、外在表现与内在属性一体化的多源全信息技术集成，将助推整个公安信息化建设进入全新的数字化、大联动、全共享和深应用时代，惠及智慧城市建设的各个方面。

关键词： 空间地理信息集成； 增强现实CIM； 实景三维； 警用地理信息平台

中图分类号：TP79 文献标志码：A 文章编号：1006-8228（2017）07-42-05

Application of augmented reality 3D-modeling in police geographic information system

Tang Tian1， Zhao Guoming2

（1. Shangcheng Public Security Sub-bureau of Hangzhou City， Hangzhou， Zhejiang 310009， China； 2. GCOM Technologies Inc）

Abstract： The development of the public security police geographic information platform has experienced four stages， the traditional maps， 2D GIS， 3D simulation with partial mapping scene and 3D real scene maps. The comprehensive geographic information and spatial data integration technology represented by AR-CIM （Augmented Reality and City Information Intelligent Modeling） has realized the technical breakthrough and application demonstration. The multi-source and perfect information integration， which integrates the ground and air， the indoor and outdoor， the macro scenes and individual entities， the images and models， and the outward manifestation and intrinsic attributes， will boost the public security informationization into a new era with complete digitization， high correlation， more efficient sharing and application deepening， which benefits the vast field of the smart city construction.

Key words： integration of geospatial information and spatial data； AR-CIM（Augmented Reality and City Information Intelligent Modeling）； real 3D； PGIS（Police Geographic Information System）

0 引言

警務平台目前在二维GIS上应用渐趋成熟，而三维应用尚处于起步阶段。在二三维一体化集成应用以及针对特定业务（如实现人口信息查询、警务模拟飞行等）提供相应的分析和决策支持模块方面，还有待进一步发展与提高。倾斜摄影测量和实景三维建模技术的发展，为打造先进的实景三维警用地理信息平台提供了新思路、新可能，运用和集成实景三维，以及街景、BIM技术等多样化的空间模拟技术，探索警卫实战新模式，在基层应用上加以推广，是未来警用地理信息平台的发展趋势。

如何充分发挥三维警务平台的作用，使其真实反映城市场景，并集成多源多类信息数据，实现特色化功能应用，让系统特别适用于公安干警使用，并体现其在基层基础工作和应急指挥决策等方面的优势，还需深挖创新可能性。本文就此问题展开讨论，并借助上城区的实践案例探索新的建设思路。

1 基于空间地理信息基础数据的警用平台建设历程和发展方向

纵观警用地理信息平台的建设历程，公安机关打击犯罪、维护治安和服务管理社会的工作职责，以及协同作战、快速反应的工作要求，决定了其对地理信息技术发展的依赖性[1]。空间地理信息基础数据是地理信息系统关注的核心内容，是其他统计信息和专题信息的空间载体，是其他各类信息系统建设的空间定位框架，是国家经济和社会信息化的基础。

警用地理信息平台的建设是智慧城市建设的重要部分，需要高效真实的地理空间外貌全信息，尽可能多的承载客观世界信息，无限真实地模拟客观世界。实景三维模型实现了这一基础需求，在此基础上进行准确的空间编码和数据映射，从而满足多尺度和多样化的应用需求。其技术路线经历了从传统地图→二维GIS→三维仿真+部分贴图场景→实景三维四个阶段的发展。

1.1 二维GIS——警务工作信息化的开端

上世纪90年代以来，GIS技术的发展以其强大的二维空间分析能力，促进了二维警用地理信息平台建设浪潮兴起，也颠覆了传统的人工熟悉地理环境或依靠普通地图指挥作战的模式。各级公安机关在指挥中心、交管、消防的业务管理中逐步应用地理信息技术，建立了一些以GPS监控和指挥调度业务为主的电子地图系统，并不断进行警用地理信息全局共享、警用地理信息全局复用、警用地理信息基础平台建设方面的有益探索[1]，至今，二维警用地理信息平台已经比较成熟。

1.2 仿真三维——可视化的突破性发展

由于二维GIS是将三维的空间信息映射为二维的平面信息，这不可避免的在表现方法上过于抽象，在三维定位及信息展现的直观性方面存在着局限性[2]，很难表现人文、环境、资源等信息，对使用者来讲缺乏临场感，不符合人们的真实视觉习惯。公安部门承担着公共安全管理和应急指挥的重任，需要以详细、准确的警用地理信息作为业务支撑，以一种更丰富的地理信息数据源和更好的视觉工具，来传递更为真实的信息，从而更好地发挥警用地理信息的核心决策支持能力。

随着三维可视化技术在公安方面的应用越来越受到重视，3D PGIS的建设应运而生，多地公安部门完成了对二维警用平台的升级改造。然而，此“三维”非“真三维”，而是“三维仿真”。该阶段以“二三维一体化”为特点的警务平台，其实是建立在数字高程模型（DEM）和建筑人工建模、采样纹理、样本化贴图（见图1）的“数字城市”建模技术基础上的仿真三维可视化平台。能够承载较大规模模型数据的基础软件平台，如武汉中地（MAPGIS系列）、北京超图（SuperMap系列）等的相继涌现，支撑了这些仿真三维地理信息平台的建设。相关成果中，上海市警用三维GIS系统是较为完善的代表，在三维平台上实现了公安信息查询、最短路径飞行、视频监控和房屋信息查询等警用业务功能[2，6，7]。

1.3 实景三维——真实再现城市外部空间

随着智慧城市大数据技术和物联网建设日新月异，传统数字城市建模以仿真手段映射真实空间的局限性逐渐显现，其不能满足公安、城管、规划、园林等城市各个管理部门需要真实模拟客观世界、真实反映城市现状的“全信息”城市模型的要求。

国际测绘遥感领域近年发展起来的一项高新技术——倾斜摄影技术，和基于此项技术的实景三维建模技术的出现，为地理信息平台建设再次的颠覆性发展预备了可能。基于倾斜摄影测量技术的实景三维建模，是一项高效真实获取地理空间外貌全信息的新技术，将用户引入了符合人眼视觉的真实直观世界。相对于传统的航空摄影测量工作，实景三维建模最大的难点不在于反向几何构建或自动纹理匹配，而在于海量影像的空三解算，对于无论是生产工艺还是生产组织，都提出了创新的要求。

承载二三维海量数据、能满足各业务功能系统开发的基础平台也随之诞生发展，以科澜、伟景行（CityMaker）、超图（SuperMap）、SmartEarth四大平台为代表。目前，实景三维警用地理信息系统已成功地应用于奥运会安保及潍坊市、武汉市公安局等多地区的警用地理信息系统中，也写入了公安部颁发的《全国警用地理信息基础平台总体建设方案》，代表着PGIS领域的一个发展方向[3-5]。

基于实景三维模型的三维警用地理信息平台的建设尚处于起步阶段，在保持海量三维数据的浏览流畅，把现有公安二维系统中的数据整合到三维模型上，将现有二维警用地理信息系统集成到三维警用地理信息平台中，以及针对特定业务提供相应的分析和决策支持模块方面还有待进一步的发展与提高。

2 增强现实CIM系统——智慧城市空间地理信息集成的概念落地和应用示范

随着技术探索和进步，未来的三维平台将彻底摈弃传统数字城市手工建模的生产方式，实现高精度大范围的实景三维建模，并进一步集成BIM模型和街景建模技术和二三维GIS发展新成果，实现警用平台的跨越式发展。本文以此为导向，提出了增强现实三维建模的设想，旨在打造以公安警用平台为示范的可以面向智慧城市多方应用全面推广的增强现实CIM系统。

增强现实三维建模，采用空地结合、多分辨率影像精细融合的海量影像获取模式，从数据采集、加工到生产实现多源全信息技术集成。通过POS辅助、DSM引导、抗变形矩不变特征匹配等，构建多源影像严格成像模型，无缝集成多种传感器，建立增强现实三维场景，最终配合采用三维空间编码技术、空间聚合和多源多向校检匹配算法，实现公安流口、常口、地名地址等信息的快速自动化匹配和空间化，实现三维分析功能。

2.1 总体技术路线——增强现实 CIM系统的创建

八部委联合出台的《关于促进智慧城市健康发展指导意见》中，将空间地理信息集成作為智慧城市四大关键技术之一，以期新一代信息技术的发展能促进城市规划、建设、管理和服务的智慧化。增强现实CIM体系，结合了实景三维、BIM、GIS、遥感、虚拟现实、增强现实等多项空间技术手段，是城市空间信息和实体信息的高度集成和真实再现，是新型智慧城市的地理空间信息平台和大数据集成中心。如图2所示。

首先，基于手工建模的传统数字城市建设模式是采用样本化的城市外貌模拟，无法真实的表现客观世界，同时缺少建筑内部空间及空间内事物的表达与联系。实景三维技术的出现，颠覆了这一“伪三维仿真”的模式，采取实景建模+BIM联合的解决方案，更是将空间场景渗透至室内外一体。

其次，实景三维技术由于航空摄影的局限性，近地面影像缺失，使得实景三维难以实现近地面精细化模型构建。常规的近地面街景集成技术，仅仅是从二三维场景切换至街景影像画面的方式，影像空间定位关系不具备严密的数学基础，无法与实景三维模型空间进行准确的空间匹配，也无法与GIS数据源无缝对接。因此，结合近地面移动测量技术，采集近地面全景影像和雷达点云，实现地空联合三维建模，使全景影像与三维模型精确叠加，有效地弥补航空影像对于地面信息的缺失问题；再通过与BIM建筑信息模型的结合，得到虚拟现实CIM场景。

进而，由于CIM虚拟现实仅仅是对客观现实世界外在表现的全要素数字构建，要进一步辨识客观现实世界中的每一个物体，则需要在CIM虚拟现实场景中建立物体个体空间与个体属性信息的映射匹配。通过创建可视化的交互手段，集成融合GIS数据图层，将二维数据三维实体化，与CIM虚拟现实场景进行空间位置的高精度配准和属性信息匹配，实现影像、场景、模型与矢量地图、属性数据等多源多类数据的融合，实现从虚拟现实（VR）到增强现实（AR）的升华，即增强现实CIM。

因此，增强现实CIM系统，真正实现了地空一体化、室内外一体化、宏观场景与单个实体一体化、影像与模型一体化、外在表现与内在属性一体化的多源全信息技术集成。

2.2 增强现实CIM系统的应用实现

以本市上城区保障G20安保工作的开展和信息化建设的探索，实现了增强现实CIM系统的概念落地，带来对智慧城市建设发展和大数据资源共享的展望。通过先进合理的技术架构，借助多源多类大数据支撑，实现大面积实景三维、重点建筑BIM、街景联合建模，并与GIS技术集成联合应用，构建增强现实三维空间场景，完成一致全局定位、地空一体化、对接接口和标准等技术突破，从而满足警卫安保、反恐、指挥调度、基层基础等多层次公安实际应用，借助科技强警，服务警卫实战。应用方向如图3所示，项目成果展现出“快速、可视、全面、省力”四大优势，具有显著的社会效益和应用推广价值。

随着三维技术的不断普及和高尖端应用，可以预见三维警用地理信息系统的外沿和内涵都将会不断扩充，必将在提升警方的快速反应能力、加大警务决策支持力度方面发挥重要作用，整个公安信息化也必将进入全新的数字化、大联动、全共享和深应用时代。

2.2.1 数据展现

以增强现实CIM系统为核心的警用地信息平台，采用实景三维模型作为基础载体，能够客观反映房屋建筑、道路、植被等几乎全部地物地貌要素的真实形状、体量、高度、材质、纹理等现实信息，和这些要素相互之间的空间关系。同时，如图4，各种采集的专题GIS数据，都能在平台中实体化展现，更直观、更准确、更利于使用者的辨识和判读。

2.2.2 室外应用

以三维空间地理信息为基础，完成三维空间定位匹配的技术攻坚，根据公安实际用于需求，在三维实景平台中结合警务数据和GIS技术，可以实现空间中的各种三维分析应用，如图5所示的视域分析，以及制高点排查、数据的真实空间定位和检索、统计等。

2.2.3 室内应用

结合BIM技术，实现针对室内安防警卫的系列应用。如图6所示，BIM模型的信息化和可视化，为重要公共设施场所的重大项目保障和日常维稳工作开展提供了更为直观有效的信息数据资源和可视化支持。上城区创新性地实现了BIM技术在增强现实CIM中的集成应用，实现此类面向室内的应用在国内警务安防工作中尚无前例可见。

2.2.4 模拟预案与演练

增强现实CIM系统在针对突发事件应对训练上开发的模拟预案与方案部署推演等功能应用，具有良好的实施效果。利用平台提供的实景真三维空间环境，可以在日常训练中，进行各类事件应对的预案模拟、方案部署和实战推演（见图7）。

2.2.5 街景巡查

利用影像空三和海量影像数据管理调度技术，使三维场景漫游过程中能快速找到匹配影像，并与三维模型无缝套合，还原真实细节。如图8所示，利用街景影像巡查近地面沿街的商铺、部件等基础数据，为日常警務基础数据采集、排查工作的高效化和信息化提升，带来了新的技术思路和实施办法。

地空一体街景技术是街景影像和倾斜模型无缝集成，可构建空地一体的实景三维环境，增强实景三维的显示效果和准确性，提高街景可测量的准确度和简易度（见图9）。

2.3 增强现实CIM系统的关键技术分析

实景三维数据在各行业中，前所未有的提高了地理信息的丰富程度。而实景建模+BIM+GIS是实现CIM（City Information Modeling）构想的新一代的“全信息”数字城市，实景三维、BIM、街景、GIS技术集成一体并联合应用的增强现实CIM，将成为新型智慧城市的地理空间信息平台和大数据集成中心。

为了打造增强现实CIM，可以通过软硬件结合的研制过程来实现场景构建技术的突破。首先，采用GNSS，IMU，飞行管理系统，CORS基准站等多项技术，并将多项技术进行交叉融合应用，以自主研发的AMC850倾斜数码航摄仪和ARC336倾斜相机系统采用直升机飞行平台获取优于5cm的高分辨率航空摄影影像，生产得到实景三维模型，并应用于地理信息系统建设。在数据生产中建立针对tile的统一划分管理体系，创建了大规模区域网数据联算的分步并行处理生产组织工艺流程。

其次，集成街景建模技术。开展联合倾斜摄影测量及车载移动测量的目标精细三维建模技术研究，研制空地结合、多分辨率精细融合的增强现实三维建模方法。根据倾斜摄影和移动测量组合数据源，克服空地影像及雷达点云在分辨率、摄影角度、影像辐射特性等方面的差异，通过POS辅助、DSM引导、抗变形矩不变特征匹配等技术综合应用，结合拍摄的几何投影信息，构建多源影像严格成像模型，解决多源影像间转点的匹配难题，构建空地联合的光线束区域网，实现航空与地面移动采集车影像、点云集成三维建模，有效弥补航空影像对于底商、地面等信息的缺失。

再次，BIM集成应用。BIM技术可实现大型公共设施建筑内部的空间、构件、设施设备的同步三维建模与信息集成[2]，将BIM技术应用于地理信息系统的三维空间数据生产，解决以城市级为目标的高精度的完整模型重建，补充建立无缝集成多种传感器的虚拟现实三维场景。通过虚拟现实三维场景、实体三维模型、二维信息数据的可视化交互操作模式，构建空间实体与属性信息高精度配准模型，进一步实现影像、场景、模型与矢量地图、属性数据等多源多类数据的融合，才是最终的增强现实三维场景模型。

3 结束语

上城区作为增强现实CIM系统的先行试点，建成了首个公安警务三维数据集成中心并开发数据分析应用平台，在G20峰会保障工作中发挥了重大作用，是信息化大数据应用于社会管理的科研创新示范应用。实用性的功能设计和可视化、地空室内外一体的实景三维空间场景模拟，可以帮助公安机关高效部署日常维稳工作和应急预案演练，节省人力物力，有效降低公安机关内部管理成本，提高公安机关的公共管理效率；也有利于整合信息资源，助力智慧城市建设，推动公安信息大数据资源对社会开放，通过技术推广、基础数据的共享，产生显著的社会经济效益和科技附加值，实现资源、数据、应用、服务“四大共享”。接下来，还应该在增强现实三维建模技术的效率提升和时空完备更新方式上进行进一步的研究，强化应用场景的现势性，并深化应用方向和层次，在基层普及和移动端应用上进行探索。

参考文献（References）：

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[2] 周美娟.上海市警用三维GIS系统开发[D].华东师范大学，2010.5.

[3] 李青，孙海勇.实景三维技术在警用地理信息系统的应用思

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[5] 百度文库.实景三维警用地理信息系统解决方案[EB/OL].

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[6] 盛国栋.基于城市三维影像的警用地理信息系统研究[D].西

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[7] 杭州阿拉丁信息科技股份有限公司.警务信息地理信息系统

[EB/OL].http：//www.aladdincn.com/index.php？s=/Home/Index/police.html.