论构建地理信息共享平台的计算思维

龚 强，李德江，龚天慧，李 丹

(1.中国地震局工程力学研究所，黑龙江 哈尔滨 150080；2.黑龙江省有色金属地质勘查局，黑龙江 哈尔滨 150090；3.黑龙江省测绘科学研究所，黑龙江 哈尔滨 150080；4.肯特大学商学院，英国 肯特 CT2 7PE；5.哈尔滨测量高等专科学校 测量工程公司，黑龙江 哈尔滨 150008)

论构建地理信息共享平台的计算思维

龚 强1,2，李德江3，龚天慧4，李 丹5

(1.中国地震局工程力学研究所，黑龙江 哈尔滨 150080；2.黑龙江省有色金属地质勘查局，黑龙江 哈尔滨 150090；3.黑龙江省测绘科学研究所，黑龙江 哈尔滨 150080；4.肯特大学商学院，英国 肯特 CT2 7PE；5.哈尔滨测量高等专科学校 测量工程公司，黑龙江 哈尔滨 150008)

新型智慧城市地理信息底层建设，广泛应用BIM、VR、AR技术,以及数字航空摄影测量、高分辨率卫星遥感、无人机摄影测量系统等地面成果建立三维模型，但仍是感官成果，缺少计算思维。文章提出大数据环境下，应用地理信息成果建模所呈现的不仅是“看到”，还需要具有计算思维，具有测绘语言，满足智能需求的“可计算”成果，乃至开发“计算思维”，进而促进“计划科学发现的偶然性”。基于倾斜摄影实景三维技术和机载LIDAR技术构建地理信息公共服务平台的尝试，初步体现了“计算思维”理念。

地理信息；共享平台；计算思维；测绘语言

传统地理信息数据通过简单的点、线、面等几何图形结合属性信息，抽象地表现客观世界的各类地物。随着卫星遥感技术的快速发展，以影像对客观世界地形地物的表现虽然更加丰富，但仍然不能全面反映客观三维世界。随着科学进步和发展，常规的地理信息表现形式和服务能力已经无法满足人们对地表空间更加精细信息的要求，以BIM、VR、AR技术为代表的新型基础测绘产品通过地理信息公共服务平台或者智慧城市时空信息云平台面向公众和不同行业提供地理信息服务，然而，这些数据成果更多的是感观成果。人们能够通过新型的基础测绘产品了解客观世界现状，但无法提取感兴趣信息的精确空间位置并加以科学计算和分析，不能很好地充分发挥地理信息数据价值。为满足新型智慧城市和大数据分析要求，构建地理信息平台的地理信息需要具备全面反映客观世界信息的能力且其反映信息可进行大数据计算与分析，即不仅要让人们“看到”，还应该具有计算思维，具备计算功能。

1 新型智慧城市中的地理底层建设

大力推进新型智慧城市建设是我国为满足新型城镇化发展的实际需求，利用信息化手段促进城市更加科学地发展，加快提升城市管理水平所做的重要决策[1]。近年来，按照“创新驱动，智慧引领”的基本原则，我国的智慧城市建设迅速推开。智慧城市建设之初，一些设计没有(或较少)考虑基础地理信息底层——地理信息公共服务平台(空间地理信息框架、地理信息基础底层)的建设[3]，之后人们意识到，新型智慧城市建设必须依托空间地理信息共享平台[3]，如果没有这种坚强的空间地理信息公共服务底层做支撑，新型智慧城市建设或成为“无根之木，无水之源”，也无法“共享”，根本无法进行下去。

目前的新型智慧城市建设，大都对基础地理信息底层有所考虑，许多新技术集中应用于此。如：建筑信息模型(BIM：Building Information Modeling)。实现了建筑空间数字化，工程设计和建造从CAD到三维设计建造，进而改变工程设计、建造和运维方式[2]。较多地应用于地下管网三维模拟。

虚拟现实技术(VR：Virtual Reality)。利用计算机模拟产生三维虚拟世界，并提供视觉、听觉、触觉等感官模拟，这种多源信息融合的交互式三维动态景观和实体行为系统仿真[4]，使人们全方位体验到不同虚拟场景，并令其沉浸其中。

虚拟增强技术(AR：Augmented Reality)。增强现实是以构想和交互为基本特征的高级人机界面[5]。利用AR 模拟真实现场景观,使用户既可通过虚拟现实系统“真切”体会在客观物理世界中所经历的“身临其境” ,又能突破空间、时间以及其他客观限制 ,感受到在真实世界中无法亲身经历的体验。

数字航空摄影测量。基于线阵(LINear Array)传感器方向和基于面阵(PlaNe Array)传感器方向的CCD传感器技术进步，促进了高分辨率影像获取技术的发展。而这些恰是新型智慧城市建设中制作DOM、DSM、DEM、DLG的主要数据来源[6]。中低空高分辨率主被动宽幅与三维探测遥感设备、高精度宽幅航空数码测量型多光谱相机、成像光谱仪等，提高了对地获取高分辨率地理数据的能力。

高分辨率卫星遥感。我国集测绘与资源调查功能于一体的“资三”卫星，国外商业卫星SPOT5、IKONOS、QuickBird和OrbView-2等[7]，在开展国土资源调查、监测，为农业、林业、环境、生态、水利、防灾、减灾、城建、市政、规划、交通、国防等领域提供服务的同时，也为新型智慧城市建设提供基础数据。

无人机摄影测量系统。通过地面遥控的低空无人机可实现40°～60°倾角摄影[8]，从而获取空间分辨率0．1M或更高精度的地面建筑物顶部和不同侧面影像，成果可作为城市三维模型的影像源。低空多角度高分辨率遥感影像是城市景观中三维对象各种纹理信息的可靠来源[9]。

然而，无论是BIM、VR、AR,还是数字航空摄影测量、高分辨率卫星遥感、无人机摄影测量系统等，虽然都是基于现代信息技术获取地面成果后建立三维模型，但它呈现在人们面前，所展示出来的成果还是感官成果，它是不能够直接用来参与计算的。换而言之，它是缺少计算思维的(至少是计算思维不足)。

2 新型智慧城市与大数据对地理信息计算思维的需求

在新型智慧城市建设中，各行业对计算思维的地理信息需求日益强烈，在海绵城市建设中，城市绿地是最好的自然海绵体，优良的树木配置和栽培养护的绿地可以滞留不少于80%的年下渗雨量[16]，传统地形图及地表数据已经无法满足需求，需要更加全面精细化的DSM数据，并且能够对各类现有绿地进行评估和计算分析；随着移动通信的迅猛发展,网络规模不断扩大,借助数字地图,尤其是三维地理信息数据进行网络规划和优化已变得越来越重要[17]，公众对信号强弱的要求上升到房间里面的每一角落，因此对于运行商而言，需要全面真实反应空间建筑的地理信息数据，通过科学计算和分析来提高网络信号的服务能力；车辆成为人民日常生活的基本工具，对于智能车而言,为了能够实现自动驾驶,必须具备感知并能构建道路环境地图的能力,而且地图的精度对智能车的导航和路径规划有着非常重要的影响。中国工程院院士李德毅表示，我国现有的地图类型及数据，都无法给出驾驶员或智能车需要的道路详细信息，腾讯和HERE等地图服务商已经着眼于高精度三维地图建设，结合路况信息，通过大数据计算，解决无人驾驶的安全性等关键技术。

在知识爆炸的今天，现代科学的发展进步，大量科学仪器的应用，协作科学研究的数据量迅速膨胀。大数据的出现和大数据时代的到来告诉人们，人类仅仅凭借感官——视觉听觉感觉，哪怕是“直观”(直接感官)，都已经无法应对呈几何级数增长的海量数据，必须依靠计算机去处理和分析。

现代测绘地理信息科学也是通过计算机模拟，对客观世界建模，对观测数据深入分析，实现科学探索的。利用VR、AR、BIM、数字航空摄影测量、高分辨率卫星遥感、无人机摄影测量系统等手段获取地理数据，经加工取得影像成果后，这仅仅是“看到”。智慧城市的精髓在于应用计算机技术进行智能分析和智能管理，因此，人们更希望地理信息成果呈现在面前的不仅仅是“看到”，而是具有测绘语言、计算思维，满足智能需求的“可计算”成果。

从发展的角度考虑，从开发利用这些数据建立起新型智慧城市地理信息共享平台，更好地满足不同需求，必须建立起“计算思维”，甚至开发“计算思维”，最终实现“计划科学发现的偶然性”。

3 倾斜摄影实景三维、LIDAR——计算思维的有益尝试

3.1 倾斜摄影实景三维技术

倾斜摄影实景三维技术是近年来出现的一项全新技术[10]。由于是在同一飞行平台上搭载多台传感器，同时从垂直方向和多个倾斜角度采集地面影像，它打破了传统航空摄影测量技术只能从垂直方向对地拍摄的局限性，弥补了正射影像的不足，更加真实地反映地表地物的客观情况[11]。尤其是问世不久的12镜头倾斜摄影测量仪，通过多镜头、高像素倾斜摄影测量技术采集的城市(观测区域)要素数据，经过“街景工厂”软件自动化处理，真实地还原地表全要素，呈现出一个原景重现的三维立体城市[12]。通过倾斜摄影实景三维技术构建的三维世界，不仅具有真实还原的特性，还能保证精准的模型位置相对关系。图1—图2显示基于12镜头形成的实景三维数据成果中城市道路模型成果、点云和三角网成果，实景三维数据成果可为无人驾驶提供道路坡度、弯道的弧度等基础信息。

图1 长春市实景三维数据成果(城市道路模型)

图2 长春市实景三维数据成果(城市道路三角网格及点云)

实景三维数据可提供高精度的距离测量、高程测量、面积计算、淹没分析、立体量算、天际线分析、各种灾害损失程度的详实分析，能真实再现雾霾在空中的走向……。因其高精度和高清晰度及真实性等特性，在各领域被广泛应用。例如在不动产登记中，利用实景三维数据的真实反映客观世界的优势，可实现居民不动产快速指界，减少了野外采集的工作量。

这种基于“真三维”的实景三维模型，使抽象回归真实。不仅可以“看到”，由于模型上每一点都具有真实、准确的三维地理坐标，可供用户按需测量和计算，有一定的计算功能，因此，在一定程度上体现了“计算思维”。

3.2 激光探测与测量系统

激光探测与测量系统(LIDAR，Light Detection And Ranging)。主动式对地观测系统(机载LIDAR)起源于西方国家，我国在这方面的研究和应用刚刚起步[13]。LIDAR利用GPS和IMU(惯性测量装置)机载激光扫描，获取的数据为DSM(数字表面模型)的离散点表示。因数据具有激光强度和空间三维信息，可以利用分类(Classification)技术将原始数字表面模型中人造物、植物覆盖等移除，再经过相关软件数据处理后，可以生成高精度的数字地面模型DTM、等高线图、DEM，并直接获得地物高程。利用机载LIDAR获取的地面数据，比较容易与各种数字图兼容。

机载LIDAR集成激光测距技术、IMU/DGPS差分定位技术、计算机技术于一体，在实时获取三维空间数据方面有较大创新，其传感器发射的激光脉冲能穿透部分树林植被遮挡，直接获取高精度三维地表数据[14]。为获取高时空分辨率地球空间信息提供了新的技术手段[15]。LIDAR的特点是受天气影响小、自动化程度高、数据生产周期短、数据成果精度高等。

这项技术在大、中比例尺(1∶500至1∶10 000)地形测量、灾害评估、环境监测、新型智慧城市三维建模等诸多领域具有广阔的应用前景。针对不同的应用领域及成果要求，采取灵活的搭载方式，LIDAR技术可以广泛应用于基础测绘、道桥建设、市政工程、输变电网、水利设施、地下管线、海岸线及海岛礁、各类数字化工程等许多领域，提供高精度的空间地理数据成果。

4 结束语

基于倾斜摄影实景三维技术和机载LIDAR技术构建的地理信息公共服务平台，作为新型智慧城市建设基础地理底层的技术支撑，作了有益的尝试，实现了对客观世界的真实还原，更因其具有一定的计算功能，引起更广泛的关注。相信会有更多的算法在真三维数据支持下实现高精度的可计算的智能行业应用。

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[2] 瑞凯科技.智慧城市要建立在彻底的数字化城市基础上[EB/OL].http：//rk.vistar.cc，(2017-04-06)[2017-07-19].

[3] 龚强.智慧城市与地理信息共享平台建设——一个需要高度重视的问题[J].测绘与空间地理信息，2017，41(1)：1.

[4] MBA智慧百科.虚拟现实技术[EB/OL]，http://wiki.mbalib.com，(2016-09-13)[2017-07-19].

[5] 360百科.AR[EB/OL].https://baike.so.com，(2016-04-02)[2017-07-19].

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[11] 实景三维不动产登记让城市更智慧[EB/OL].http://www.kejixun.com，(2017-02-03)[2017-07-19].

[12] 徐红.用“真三维”改变生活:倾斜摄影走进大众视野[EB/OL].http://politics.people.com.cn,(2015-12-06)[2017-07-19].

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[15] 韩改新.机载激光雷达(LIDAR)技术在铁路勘测设计中的应用探讨[J].铁道勘察，2008(3):22-23

[16] 张乔松.海绵城市与绿地树木[J].园林,2016(10):34-38.

[17] 滕艳敏.三维地理信息数据在移动通信网络规划和优化系统中的应用[J].中国地名,2007(4):64-65.

Discussonthecomputationalthinkingofbuildingthegeographicinformationsharingplatform

GONG Qiang1,2,LI Dejiang3，GONG Taihui4,LI Dan5

(1.China Earthquake Administration,Institute of Engineering Mechanics,Harbin 150080,China；2.Heilongjiang Survey Bureau of Non-ferrous Geology,Harbin 150090,China; 3.Heilongjiang Provincial Research Institute of Surveying and Mapping, Harbin 150080,China;4.Kent Business School,University of Kent,Canterbury,UK PhD Studen,Kent CT2 7PE,England;5.Engineering Company of Harbin Measuring College,Harbin 150008,China)

New smart city geographic information underlying construction has widely used BIM, VR, AR technology, digital aerial photogrammetry, high-resolution satellite remote sensing, and UAV photogrammetry systems from which the results are to establish a 3 d mode, but which is still a sensual result, and lack of computational thinking. This paper puts forward, in the big data environment, the results that the geographical information shows not only “see”, but also need the computational thinking and surveying and mapping language to meet the intelligence required results which can be calculated, thus developing the computational thinking in order to promote “contingency of planned scientific discovery”. The beneficial attempt of constructing geographic information public service platform is based on tilt photography 3d technology and airborne LIDAR technology which initially reflecteds the concept of “computational thinking”.

geographic information；sharing platform；computational thinking；surveying and mapping language

2017-09-13

龚 强(1954-)，男，教授、研究员级高级工程师，博士、博士后，博士生导师.

著录：龚强,李德江，龚天慧，等.论构建地理信息共享平台的计算思维[J].测绘工程，2018，27(1)：1-4.

10.19349/j.cnki.issn1006-7949.2018.01.001

TP316

A

1006-7949(2018)01-0001-04

王文福]