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刘先林:测绘新技术中的实景三维、实体三维、基于三维的地籍图生产等都大有用武之地

发布日期:2019年06月20日    来源:本站    浏览量:1393

摘 要

 

当今正值国民经济快速发展,科技创新不断涌现。测绘地理信息技术在人类生活中发挥了越来越大的作用,渐渐地形成了跨界发展,越来越多的行业与测绘地理信息技术建立联系。现如今,社会各行各业的发展已经离不开测绘地理信息行业的服务保障,与此同时,随着互联网时代的深度变革,云计算、大数据、人工智能、虚实融合等智能化技术的发展在测绘行业不断渗透,并与测绘地理信息技术相互融合,取得了很多创新性成果。

 

 

引用格式

 

刘先林.为社会进步服务的测绘高新技术[J].测绘科学,2019,44(6):1-15.

 

正文

 

0 引言

当代信息和通信技术(information and communication technology, ICT)、时空基础数据将被各行各业广泛应用,从支撑系统发展成决策系统。同时产生了以5G、云计算、人工智能等新技术相互融合的平台型产业,一流的企业从做标准转为做平台,成为驱动万物互联、万物智慧的关键。

新上任的部长、市长都提出将二维地图升级为三维“地图”,为地理信息从业人员指明了方向。在这个过程中,我们将实现从实景三维走向实体三维,建立室内外实体三维分类体系,提高室内外三维建模采集速度与后处理效率,加强实体三维地理信息系统(three-dimensional geographic information system3D GIS)的服务功能,从面向专业部门的服务为主发展为面向广大手机用户的室内外语义服务。

在实现万物互联、万物智慧的过程中,要将网上的Cyber空间与现实世界的GIS空间进行融合,这个过程测绘地理信息行业担负着不可替代的职责。

 

1   精细化、美丽化中的测绘新技术

 

1.1 精准扶贫

十九大以来,党和国家特别强调精准,包括精准扶贫、城市精细化管理和精准农业。我们测绘工作就是为各种需要精准的地区提供精确的地理环境,即现在人们常说的时空大数据。这是了解世界的过程,而认识世界是为了改造世界,在改造世界的过程中,更离不开移动终端的精准定位。

在精准扶贫方面,测绘行业曾经立项统计遥感在精准扶贫的应用,取得很好的成绩,也曾立项利用扶贫地区的基础地理信息为基础,吸纳当代移动终端无线网络及云平台技术等,实现对扶贫户的数据采集和对当地政府扶贫成效的考核。当然,在精准扶贫中使用测绘高新技术还有很多案例。

 

1.2 精细农业与城镇化建设

 

精细农业已实施很多年,取得了很多成功经验,特别是在国家大型农场中得到了普遍的推广与应用,这离不开测绘技术的助力。而当代测绘高新技术的应用更能节省农业用水、肥料和农药等农资产品的使用,同时可以减少过度施肥对土地带来的不利影响。卫星遥感、无人机航飞、多光谱成像更是对农业的估产、病虫害预报与治理发挥关键性作用。

国家最近就农业工作在农村的集约化生产、生态保护、确权登记、信用体系建设、城镇化建设等方面都提出了新的要求,测绘新技术中的实景三维、实体三维、基于三维的地籍图生产及移动认证终端等都大有用武之地

 

1.3 城市精细化管理

十九大报告提出提高城市精细化管理水平,正是移动测量建模系统大有作为的时机。当前主要可以对发生在道路地表以上的城市病(粒度15 cm以上的对象)进行探测并提出治理方案。测绘技术提供了各种对象几何方面的数据,解决几何形状、位置等问题,可以为其他专业的城市病(物理、化学、环境)的治理提供空间数据基础。

道路病害调查,井盖下沉、道路不平整、电线与树叶“打架”、建筑物离公路距离过近、交通设施遮挡

城市设施破损调查:栅栏破损,各种隔离带、挡车柱、挡光板、拐弯标志破损不美观,立不正、线不直,交标破损、路面标线老旧、树叶枯黄,非法外挂阳台自动提取,不美观外挂空调机。

违建调查:治理城市脏乱差,特别是城乡结合部的治理,使城市恢复本来的面目,需要做大量的违建调查,这正是移动全景采集系统所能提供的数据。以北京为例,6辆车同时采集数据,已经开展了几万公里的数据采集,每3个月向市政部门汇报违建情况。此外,他们甚至提出对违章建筑提供动态监测的需求,首先要求采集速度提高,其次要进行违章建筑的自动提取,这就要用到结构化的建模技术以及二维的语义分割技术等,使得违章建筑的提取从纯手工发展为半自动甚至全自动。

地铁隧道变形监测:先用移动测量建模系统对地铁隧道进行毫米级的变形普查,然后用相位式激光进行变形详查,这项工作已经在全国轨道交通隧道变形中普遍使用

治理大城市暴雨带来的交通瘫痪:传统数字高程模型(digital elevation model,DEM)的高程精度用于大城市的平坦路面进行淹没分析无法满足要求(图5),因此需要生产厘米级精度的DEM。目前移动测量系统可以生产这种高精度DEM,已经开展大面积作业。

 

2 自然资源监测

开展自然资源统一监测评价,是贯彻落实新发展理念、推进自然资源管理体制改革的重要举措,也是履行自然资源管理“两个统一、六项职责”的前提和基础。自然资源部职责是履行全民所有土地、矿产、森林、草原、湿地、水、海洋等自然资源资产所有者职责和所有国土利用进行调查与监测。所有这些监测种类只要发生在地表,都可以利用各种测绘新技术大大提高效率并提供监测报告。

2.1高光谱成像技术

当前,成像光谱仪在地质、矿产蕴藏、森林、水利、海洋、农业等资源物质分析判断和自然灾害预测、预报、环境污染检测等方面有着广泛应用,但是当前应用的这类仪器都是由国外进口,售价昂贵而且对我国复杂的地形、气候、环境适用性并不好。国家越来越重视生态文明建设,急需研制波长范围400~2 500 nm多光谱相机,几乎是全波段光谱覆盖。采用镀膜新技术,使得研制难度大大下降,必将会在各领域得到大面积推广应用,再加上测绘从业者在空间处理的优势,将定性遥感上升为定性定量遥感。

机载成像高光谱作业是卫星高光谱的重要补充。另外在利用人工智能进行遥感数据语义分割时,单纯使用RGB数据对地物进行分类和分割,可能会因为信息缺失而导致错选或漏选。高光谱信息提供的数据将丰富样本所涵盖的特征信息,大幅提升语义分割识别的准确度。

2.2水资源污染调查

习近平总书记在浙江工作时,对水乡浙江水污染问题高度重视。浙江省委、省政府审时度势,及时提出了“五水共治”的战略部署,具有重大战略意义。

珠三角洲地区经济高速发展,带来的却是原有水源受到污染,尤其是有机污染物。珠江污染已造成沿江地区严重的水质性缺水,生态环境严重恶化,从点污染逐渐变成全流域污染,并且从下游向上游转移,发展成为越来越严重的流域性问题,而且赤潮发生频繁,经济损失大。

利用遥感技术视域广、信息更新快、高光谱信息与空间信息相互融合的特点,可以实时、快速地提取大面积流域及其周边地区的水环境信息及各种变化参数。传统方法只能测定某些特定的水质参数(叶绿素、悬浮物及与之相关的水体透明度、浑浊度),航空高光谱航飞拓宽了更多的监测内容,包括可溶性有机物、化学需氧量(chemical oxygen demand, COD)、矿物质铜、锌、铅、镉等参数的光谱特征,同时水质监测精度也较传统方法大大提高。

先用船载激光或卫星影像语义分割得到水域的范围,然后对水域规划异形航线并实现无人机高光谱智慧飞行进行污染普查。根据水质调查具体要求可采用不同的光谱谱段400~1 100 nm1002 500 nm。我国遥感界还计划用这项技术对南水北调中线的水质污染进行监测

2.3土地重金属污染

土壤无机污染物中以重金属尤为突出,主要是重金属不能为土壤微生物所分解,而易于积累转化为毒性更大的甲基化合物,甚至有的通过食物链以有害浓度在人体内蓄积,严重危害人体健康。土壤重金属污染物主要有汞、镉、铅、铜、铬、砷、镍、铁、锰、锌等,国家越来越重视生态文明建设,特别是非常关注土地重金属污染等环保问题。重金属污染波峰处于2 000 nm附近,利用中波红外技术可以探测,过去使用中波红外面阵摆扫方案制造工艺非常复杂,而且对工作环境要求高使得其应用难以实现。随着测绘技术进步和相机制造工艺的提升,复杂的中波红外遥感将会得到突破,用于重金属污染调查的新型高光谱相机正在紧锣密鼓的研制之中,相信会助力国家关注的土壤重金属污染问题。

2.4生态监测

十九大报告中指出,“建设生态文明是中华民族永续发展的千年大计。必须树立和践行绿水青山就是金山银山的理念,像对待生命一样对待生态环境”。

以吉林省为例,从20166月开始,省政府在全省范围内开展生态保护红线划定工作,依法在重点生态功能区、生态环境敏感区和脆弱区等区域划定生态保护红线。实现到2020年年底前,全省生态安全格局基本形成、国土生态空间得到有效保护、生态系统服务功能总体改善的目标。

自然资源调查监测作为查实查清自然资源的重要管理手段,与自然资源管理和生态文明建设之间具有重要的内在联系,是全面推进生态文明建设的基础性工作。这项工作将过去国家测绘地理信息局的国情动态监测和国土资源部的土地利用一调、二调、三调提升到一个新的高度,所用的传感器、数据源都很接近,但在数据处理时增加新的内涵,节省了大量资金,一测多用,增大了服务面,是一项利国利民的重大举措。

2.5近海测绘

随着国家科技的进步和时代的发展,建设项目也从内陆走向海洋,测绘工作的服务也必须迎头跟上。国家测绘系统在部署平面基准和高程基准建设时已经考虑到陆海一体化。目前,海洋与河道测绘主要是由海军与航道管理部门完成,但在陆地与海洋之间的潮间带的现状调查是陆地测绘部门与海洋测绘部门之间脆弱的结合部。

东部沿海各省的测绘主管部门根据省政府的要求,部署了测绘人员来调查并测量潮间带高潮位至低潮位之间的数字高程模型与数字深度模型,确定国家高程基准下的零米线的位置与形状。有些地区围海造地、海水养殖等都需要这方面的数据支撑,更为重要的是为国家对海洋生态红线的管控提供数据基础,有利于加强对海岸带的保护力度,避免对海洋生态环境的破坏。潮间带、陆海滩的近海测绘在以前基本属于无人管辖领域,采用实时动态(real-time kinematic,RTK)载波相位差分技术人工跑滩方式工作艰苦、效率低、精度差。目前国内许多科研部门已经开展这方面的工作,采用两栖运载工具装载红外激光、蓝绿激光、单波速声呐测深、滚轮探深、全球导航卫星系统(global navigation satellite system,GNSS)、惯性测量单元(inertial measurement unit, IMU)等设备及沿海连续运行参考站(continuously operating reference stations,CORS)成果、陆海一体化大地水准面等高新技术,已经取得很大进展

3 实景三维与实体三维

自然资源部最近在全国大规模开展实景三维测绘工作,标志着中国的测绘工作要全面从二维走向三维,需要将二维测绘的工作经验积累推广到三维测绘工作中,例如分类体系的建立、各种属性的录入、二维GIS的各种统计分析、二维语义分割与变化监测等,面临着很大的挑战。目前的实景三维已经大量流行,技术上日渐成熟。从长远看,大数据分析所要求的时空数据是结构化的,实景三维必将被实体三维取代。

结束语

具有几千年历史的测绘行业始终围绕人类活动的需求开展业务,服务面关联到全社会的各行各业,测绘的服务能促使各行业发展更科学合理、更节能、更生态。

近年来科技发展迅猛,不断涌现大量“高大上”的高新技术,例如人工智能、虚拟现实、增强现实、自动驾驶等。这些新技术若想得到普遍应用,需寻求千万级以上的受众,有效的解决途径就是与测绘地理信息相融合,实现新技术“落地”,服务广大民众,否则就不能掀起“高大上”技术的应用热潮,导致进入迷茫期或者从高潮很快陷入低潮。

最近一年,地理信息的应用呈爆发式增长,社会上出现很多新词汇,这些词汇的英文缩写前面都加有“Geo.”前缀,例如Geo.BI(地学商业智能)、Geo.AI(地学人工智能)、Geo.BIM(地学建筑信息模型)等,类似的词汇出现了几十个。

虽然全国已有二百所测绘专业的高校,还有几万家从事测绘地信工作的企事业单位努力工作,面对这样爆发式的发展,测绘地理信息工作者需要更加努力工作,用高新技术全面武装自己,满足社会进步对我们的要求。