城市空间信息获取

4.4　城市空间信息获取

信息获取是信息生命周期中的第一环，是信息应用的初始环节和基本环节。城市空间信息获取是城市信息基础设施建设的首要环节。随着数字城市的兴起，城市空间信息的准确、实时、动态、自动获取技术就成为数字城市建设的关键内容之一。城市空间信息获取主要应对城市基础地理信息、城市三维信息和城市基础设施信息进行收集。

4.4.1　城市基础地理信息获取

数字城市是以城市基础地理信息为基础，其基础地理信息包括数字高程模型、全要素数字地形图及数字正射影像图等。传统的模拟测图系统和解析测图系统已无法满足上述综合性的基础空间信息生产要求。充分利用现代测绘高新技术和先进装备，实施城市大比例尺地形图的测绘与更新，建设相应的基础地理信息数据库，从根本上解决城市建设与管理对空间信息需求的瓶颈问题，是当前的紧迫任务。因此，可通过以下途径有效获取城市基础地理信息:

(1)野外测量。野外测量是获取城市基础地理信息最传统、最准确、最具体的方式，但其比较费时费力。如可利用经纬仪或小平板对城市基础空间信息进行采集，测得资料后将其制成通用地图，再输入到地理信息系统的数据库中。对数据库的局部数据做修改时也可直接输入实测资料。全站仪是一种集光、机、电、微处理器于一体的新型全能测绘仪器。除具备测角、测边等基本功能外，所有测量数据均以特定的方式记录和存储，并可通过电子手簿直接将野外测量数据输入计算机。利用全站仪对城市基础空间信息进行采集，成果精度高，同时还可减少野外工作量。通过GPS接收机在野外接收均匀分布于地球上空的已知方位的卫星信号，经解码、计算和平差处理也可得到站点的坐标信息，为城市基础空间信息采集提供了便捷、准确、高效的工作手段。

(2)扫描数字化。地图数字化是利用数字化仪，将地图上的模拟空间信息转换为数字信息，然后进入计算机。该方法是建立GIS空间数据库的通用地图输入方法，操作简单、投入比较经济。地图及图像扫描是通过扫描仪将纸质地图或影像图片扫描为点阵数字信息，并进入计算机，然后用矢量化软件对扫描图上的点阵信息进行自动跟踪，并将其转换为矢量线划信息，或者将扫描图调入计算机屏幕，进行跟踪数字化，以获得城市基础空间信息。

(3)卫星遥感技术。卫星遥感技术是快速获取大范围数据的重要方式之一。遥感卫星影像的空间分辨率、光谱分辨率和时间分辨率在过去20多年间已有了很大提高。空间分辨率是指影像上所能看到的地面最小目标尺寸，从遥感形成之初的80m，已提高到10m、5m、乃至1m，军用的甚至可达到10cm。光谱分辨率指成像的波段范围，分得越细，波段越多，光谱分辨率就越高。现在的技术可达到5～6nm量级，400多个波段。细分光谱可以提高识别目标性质和组成成分的能力。时间分辨率指重访周期的长短。目前一般对地观测卫星的重访周期为15～25天。通过发射合理分布的卫星星座，高分辨率卫星遥感图像将达到优于lm的空间分辨率，每隔3～5天为人类提供反映城市动态变化的翔实数据。高分辨率卫星遥感和航空遥感因其分辨率高的特性，在城市空间信息的获取和更新方面发挥了独特的作用。高分辨率立体测绘卫星或具有立体测图能力的卫星已具备了同轨立体成像的能力，可形成无明显时间差的立体覆盖。从数据源的获取及航天摄影测量理论发展来分析，“卫星测图”已成为一个显著的发展趋势。这些都为利用卫星遥感技术获得城市基础空间信息提供了便利。

(4)现有数据的转换输入。对于已输入计算机的其他格式的空间数据，可通过相应的软件将格式转换为现有数据库所支持的格式，以减少重新输入的工作量。在转换过程中，由于不同数据格式对数据的定义不同，往往会丢失部分信息，如图形拓扑关系、数据类型、属性数据、颜色、符号及文字注记等，这样就需要对转换后的数据做一定的编辑处理，以在现有数据基础上快速、高效地得到城市基础空间信息。

如何低成本、高精度、高速度地采集城市基础地理信息是决定城市空间信息基础设施快速建立、集成和实时更新的一个关键因素。现有的城市基础地理信息获取手段各有千秋，根据城市基础地理信息特点和现有数据采集技术的发展情况不断更新信息获取手段是城市基础地理信息获取的必由之路。

4.4.2　城市三维信息获取

数字城市在经历了文档式、二维数字城市后，正在向三维数字城市方向快速发展。三维城市模型的建立是三维数字城市的基础。要建立三维城市模型，高精度的三维数据必不可少。获取城市三维信息是建立三维数字城市的第一步，也对城市三维模型的建立起着成败作用。近年来，由于微电子技术、光电技术、航天技术、遥感技术和计算机技术等的迅速发展，大大地促进了空间信息获取技术的发展，并使之与其他学科交叉、融合，形成许多全新的数据获取技术。现有的三维信息获取方法可分为如下三种:

(1)基于地图的方法。基于地图的方法是利用已有GIS数据、纸质地图和CAD提供的二维平面数据及其他高度辅助数据经济快速地建立三维模型。这种三维建模方法如图4.6所示。因此在现有地形图和建筑物高度属性数据基础上建立微地貌DEM和建筑物DEM，然后在GIS软件系统中合成为三维城市模型即可。

图4.6　基于地图方法的三维城市模型建立流程

我国进行过几次大范围地形图测图和土地利用详查，有精确的地形图和土地利用图。20世纪70年代，随着遥感和地理信息系统技术的引进，我国地理工作者利用这些地形数据和土地利用图，结合遥感技术，建立并更新了GIS基础数据库。对于城市微地貌DEM的获取，信息工程大学测绘学院的杨旭等研制出基于彩色地图的地形三维数据快速采集系统。它通过对彩色地图图像进行分色、定向、跟踪等处理，自动、快速获取高精度的地形三维数据，以便建立地图数据库、地形三维模型。戴仕宝等(2004年)提出共同使用Map Info和Surfer软件的解决方案。对于城市DEM，首先从CAD图形符号及注记中，提取高程点、高程值及相关属性信息的面积匹配与类型转换;然后创建基于CAD线划建筑物的重现点-线拓扑关系，生成多边形;最后实现地形高程与建筑物空间及其属性特征值的自动获取。在此基础上进一步构建城市DEM模型和实现三维影像显示，形成由CAD数据→GIS矢量数据→GIS栅格数据→三维影像的一种城市三维建模集成处理方法。二维GIS数据的简单建模方法具有成本低、自动化程度高，在某些需要快速建立三维模型的领域有着广泛应用。

(2)基于图像的方法。基于图像的方法主要是通过图像获取、处理技术来获得城市三维信息。这里所说的图像包括一切航空、航天、地面等摄影技术获得的能够表达城市三维信息的图像。航天航空图像是最常使用的数据源，立体图像对可以取得三维信息。多年来，立体摄影测量仍然是获取地面三维数据最精确和最可靠的技术，是国家基本比例尺地形图测绘的重要技术手段。出现的新技术和新方法如下:

①城市大比例尺航空摄影技术。近年来，国际、国内在影像的数字获取和全数字处理技术方面取得了一些进展。数字摄影测量也成为摄影测量界研究和应用的一大热点。数字航摄仪取代胶片航空摄影仪，实现了摄影测量处理流程的全数字化。各种航空航天摄影测量与遥感软件系统也正朝着新的方向发展，航空航天数字摄影测量工作站(DPW)和软件也有了新的突破和发展。如JX-4C数字摄影测量工作站、德国IGI公司生产的LiteMap-per 5600机载激光雷达测量系统、徕卡测量系统股份有限公司的Leica HDS高清晰激光扫描系统都在全球范围内处于技术领先地位。数码航空摄影技术与无人驾驶飞行器低空遥感技术的发展取代了胶片介质;利用相机优势光学成像，可直接获取数字影像。由武汉大学研发的全数字摄影测量系统VirtuoZo和北京四维远见信息技术有限公司的JX-4G数字摄影测量系统，不仅能解决对城市建筑物顶部纹理的获取采集，还可完成对城市建筑物侧面纹理的采集，使小比例尺建模得到保障，并拓宽了应用领域。

②微波遥感技术。微波遥感是指通过微波传感器获取从目标地物发射或反射的微波辐射，经过判读处理来识别地物的技术。微波遥感器可分为非成像遥感器(被动遥感器)和成像遥感器(主动遥感器)。其特点是能够全天时、全天候进行信息获取，而且具有特殊的识别能力，对水和冰等地物的穿透能力极强。多种频率、多种极化方式、多个视角工作的能力使其更便于获取目标物的多种信息，而且成像时可以记录目标的距离信息和相位信息。投影方式为距离投影。因此，其已成为目前常规的遥感信息获取手段。遥感数据获取、信息提取和遥感应用是遥感技术的三个基本环节。随着所解决问题的性质和要求的不同，获取地球环境信息的手段越来越多，信息量越来越丰富。为了充分利用这些信息，建立全面收集、整理、检索及科学管理这些信息的空间数据库和管理系统，加快进行遥感信息机理研究、定量分析、地学模型等的研究、进行多种信息源的信息复合及环境信息的综合分析都是当前遥感发展的前沿，也是关系遥感技术从实验阶段向生产商品的应用阶段转化的重要环节。

③机载激光雷达技术。机载激光雷达技术是由GPS接收机、姿态测量装置(惯性导航系统INS)、扫描激光测距仪、扫描成像仪4个主要部分组成。GPS能得到三维成像仪在空中的精确三维坐标，姿态测量装置能测出三维成像仪在空中的姿态参数，扫描激光测距仪可得到机载三维成像仪到地面点的距离(高程信息)，扫描成像仪(线阵CCD或面阵CCD)获取地面的纹理数据(纹理信息)。具有扫描速度和点分布均匀、返回地物信号全面、精度高、信息量丰富等特点，应用潜力广阔。机载激光雷达系统除了能实时获取地表三维空间信息外，还能提供一定的红外光谱信息，是获取地球空间信息的又一新手段。在遥感、摄影测量、数字地球、数字城市、林业等领域逐步变成日常作业的工具。

④车载激光雷达技术。车载激光雷达系统是将雷达、数码相机装到车上，行进中完成对周边建筑物的扫描。车载三维数据获取与处理系统使用GPS、INS等组合导航技术确定车载传感器的位置和姿态，利用激光扫描仪获取目标几何信息，利用CCD数码相机获取目标的数字图像信息，结合GPS时间基准，利用时间同步控制器实现多传感器的时间同步利用，实现空间配准，实现激光扫描仪点云数据与CCD数码相机影像数据之间的融合，提取道路两侧街景等地物目标的特征信息的采集与获取。

⑤无人机、飞艇等技术。20世纪90年代后期，无人航空飞行器作为一种新型的飞机平台，其性能在不断提高。该系统是一种新型的低空高分辨率遥感影像数据快速获取系统。可满足城市三维景观重建精度、分辨率等要求，成为传统航空摄影的重要辅助手段和信息源，并被广泛应用于环境监测、测绘、减灾与救灾等领域。社会的不断进步引发了广泛的需求，不同特性的获取技术与方法能提供更周密和细致的纹理。无人驾驶飞行器和无人飞艇低空遥感系统成本最低、体积小、重量轻、可靠性最高、探测精度高，适应多变的天气、长时间飞行和大范围目标搜索，尤其适用于城区和地形复杂地区的航空摄影测量与应用。利用无人机飞艇低空航测系统可获得多角度的遥感影像，解决了普通航摄和地面摄影无法拍摄的“死角”。而无人航空飞行器上的遥感传感器具有倾斜摄影能力，利用航摄影像可生成DEM和DOM，从影像中提取建筑物纹理，从而进行建模，是三维数字城市建设中信息获取的有效保证。

⑥合成孔径雷达和小卫星技术。合成孔径雷达(SAR)早先一直应用于军事领域。随着遥感技术的蓬勃发展，它很快成为微波遥感的重要工具，并广泛应用于国民经济各个领域，如地形测绘、地质研究、防灾减灾、农林及海洋研究等诸多方面。20世纪60年代末，合成孔径雷达干涉测量技术(InSAR)发展起来，它是利用合成孔径雷达的相位信息提取地表的三维信息和高程变化信息的一项技术。合成孔径雷达干涉测量技术的出现大大扩展了SAR的应用领域。它不仅能够获取高精度的地形信息，同时还可监测地球陆地表面和冰雪表面的微小变化，监测的时间间隔从几天到几年，可获得全球高精度的(毫米级)、高可靠性的(全天时、全天候)地表变化信息。这种从空中直接测量的技术是一种全新的研究地球表面的方法，在地球科学领域引起了极大的反响。更令人瞩目的是，这项技术可用于研究过去长时间无法到达的冰川和冰缘的变化情况，也可用于一些灾害性地表形变的探测，如地震、火山爆发、滑坡和大洪水等，因而越来越受到各国的重视，成为遥感研究的热点。小卫星技术是当前航天器发展的一个前沿方向。具有成本低、研制周期短、方式灵活、易于发射等特点。该技术与微电子、微机械和新材料等高新技术相结合，实现了遥感技术从承载平台角度的一次革命，能够以较高的时间和空间分辨率对地球环境进行观察和监测，获取高质量的遥感影像。

(3)基于点群的方法。基于点群的方法就是应用激光雷达和激光扫描仪快速获得大量三维点群数据，这些点群数据就是相对系统坐标系的城市三维坐标。这是目前获取城市三维信息最快也最精确的方法。

①基于机载三维成像仪的数据获取技术。机载三维成像仪又称机载激光测距扫描成像制图系统。它由GPS接收机、姿态测量装置(惯性导航系统INS)、扫描激光测距仪、扫描成像仪4个主要部分组成。GPS能得到三维成像仪在空中的精确三维位置，姿态测量装置能测出三维成像仪在空中的姿态参数，扫描激光测距仪可得到机载三维成像仪到地面点的距离，扫描成像仪(线阵CCD或面阵CCD)获取地面的纹理数据。在图像处理中，以这些具有三维位置的激光像元点作为“控制点”来精确纠正所获得的遥感图像，从而快速提供正射影像图。这些激光测距点也可用来快速生成DTM。机载三维成像仪可准实时地获取地面三维位置和光谱信息，可保证从信息获取到提供三维建筑物信息在很短时间内完成，从而适应城市快速发展的要求。

②移动测绘系统数据获取技术。移动式测图系统(Mobile Mapping System，MMS)的主要组成部分有用于导航的GPS接收机、确定传感器姿态的惯性导航系统INS、激光测距仪、CCD相机和运载平台汽车。目前，移动测绘系统数据获取平台的研制是城市空间三维信息获取的研究前沿。移动测绘系统是一种高度集成化、自动化的数据获取方式，快速进入复杂街区扫描，避免人工长距离搬运精密复杂的测量仪器，并与定位导航系统配合成为最具有发展潜力的三维空间信息快速获取手段，是建立城市三维模型最具潜力的一种数据获取手段。而且可用于自动车辆导航、建筑物测绘、道路网测绘、交通信号管理、监测车辆行驶速度和停车场违规、高速公路路面测绘等。此外，由于移动测绘系统能在较短时间内重复测绘各类对象，因而可成为城市空间信息获取和更新的重要手段。

③三维激光测距技术。三维激光扫描仪是一部快速、准确激光测距仪加上一组可导引镭射光以等角速度扫描的反射棱镜，同时接收自然物表面反射信号进行测距，针对每一扫描点可测得测站至扫描点的斜距，配合扫描的水平与垂直方向角，可推求每一扫描点与测站的三度空间的相对坐标差。若测站的三维坐标已知，则可求得每一扫描点的三维坐标。目前激光扫描速度可达到每秒数万点。三维激光影像扫描仪小型便捷、精确高效、安全、稳定、可操作性强，能在几分钟内对所感兴趣的区域建立详尽准确的三维立体影像。基于激光扫描的数据获取技术作为最近迅速发展的一种新技术，可用于大规模场景三维空间信息获取。

4.4.3　城市基础设施信息获取

城市基础设施主要是指城市市政公共设施，如公路、铁路、管道、通信线路、旅游娱乐、文化教育、医疗卫生、商业网点等。城市基础设施信息包括与其位置信息相关联的各种属性信息，如交通通信信息、市政设施信息、地籍信息、行政单元信息、城市环境与市容信息等。城市基础设施信息获取技术要求城市基础设施数据的获取与数据的更新具有快速、准确、安全的特征。城市基础设施信息的获取可以采用多种技术手段，如公路、铁路及公用事业设施信息可采用快速测图方法。典型的应用包括:道路和铁路的数字制图;供水和排水及供热、供气系统的测量;变压器、能源线、电话线、街道路灯线杆等的测量;地面及基础建筑结构的清查(如马路、人行道、桥梁、建筑物等);交通信息数据获取(如道路中心线、路标、交通编号标志、千米标、路面状况等);利用新一代激光扫描仪的高扫描分辨率、多次回波等技术，对道路、电力线、管道等细长地物进行测绘。具体来说，城市基础设施信息获取技术大致可分为以下两类:

(1)城市地理信息系统(UGIS)。它是反映城市现状、规划、变迁的各类空间数据(如地形、地貌、建筑、道路、综合管线等)及描述这些空间特征的属性数据通过计算机进行输入、存储、查询、统计、分析、输出等的综合性空间信息系统。在城市基础设施建设，如交通通信信息建设、市政设施信息建设、地籍信息建设、行政单元信息建设等方面扮演着越来越重要的角色。

(2)基于位置的服务(LBS)技术。LBS技术是一种综合性的空间管理技术，它强调空间信息和城市各种活动信息的集成与融合。LBS技术的出现，极大地拓展了传统空间数据的范畴，它将社会经济领域及商业领域的各种数据与GIS数据相结合，为城市基础设施信息获取和数字城市建设提供自动的数据采集与处理服务，为现代化数字制图和基础设施数据提供高效能采集手段。