新基础测绘背景下城市地理信息数据成果体系探讨

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作者信息

耿丹 1, 2, 王丹 1, 2, 李娜 3

【摘要】开发适合高层次应用需求的地理信息数据新成果,是落实测绘基础新理念的重要环节和举措。 相应地,城市地理信息成果系统也应继承和发展。 本文在分析城市地理信息数据成果发展需求的基础上,提出了新的城市地理信息数据成果体系框架,分别涵盖了地理实体数据库和衍生成果的数据类型、内容、规格和制作方法,图像和栅格数据结果等提出一些建议。

【关键词】地理实体数据; 实体3D模型; 真实的 3D 图像; 基本地理信息

【中文图片分类号】P208

[证件识别码] A

[文章编号]1672-1586 (2022) 02-0120-05

引用格式:耿丹,王丹,李娜。 新基础测绘背景下城市地理信息数据成果体系探讨[J]. 地理信息世界, 2022, 29(2): 120-124.

文本

0 前言

城市测绘是我国测绘事业的核心组成部分。 是城市规划和建设管理不可或缺的支撑和保障,也是智慧城市和数字孪生建设的重要基础工作。 城市地理信息数据成果不仅与国家、城市政府和公众的利益以及公共安全密切相关,而且影响国家、省、市各级信息共享和信息共享。不同城市之间。

以实现转型升级、创新发展为目标的新型基础测绘具有新理念、新成果、新服务、新技术、新机制的特点。 开发适合高层次应用需求的地理信息数据新成果,是落实测绘基础新理念的重要环节和举措。 相应地,城市测绘地理信息成果系统也应继承和发展,主要体现在两个方面。 一是开发满足更高层次应用需求的城市地理信息数据成果或产品; 二是结合新需求和新技术。 借鉴国际经验,升级传统城市地理信息数据成果。 虽然这方面已经有了一些研究和实践,但仍然存在很多问题需要解决,比如城市地理信息数据成果到底应该包括哪些内容? 一些传统的数据结果是否应该继续产生? 这些成果在新的基础测绘背景下该如何改进和提高? 本文拟对这些问题进行初步探讨并提出一些建议。

1、城市地理信息数据成果的发展需求

目前我国城市测绘生产实践中的地理信息数据成果主要有数字线图(DLG)、数字正射影像(DOM)、数字高程模型(DEM)、数字地表模型(DSM)以及三维立体图等。模型和真实场景。 3D图像等。在新型基础测绘背景下,面向城市规划、工程建设与管理、公共安全与应急管理、公共服务等各类高层次应用需求,结合信息化发展近年来,随着测绘技术的不断发展和现有测绘技术的升级,能够更加准确地描述和表达城市规划和建设管理所需的地物信息,科学有效地组织和管理各类测绘资源,已进入新时代。推动城市地理信息数据向语义化、物化、结构化全面升级。 城市地理信息数据成果开发与应用的新命题城市地理信息数据成果应重点抓好以下几个方面。

1.1 数据内容特征

1)一致性。 统筹市级各类政务管理和公共服务需求,兼顾倾斜摄影、激光雷达测量、卫星导航定位、BIM数据集成等现有数据采集和处理技术的时间和经济效率,地面传感器监测等,从主题类型、几何角度从属性、语义属性、粒度等方面准确定义物理3D模型、现实3D图像等新成果的数据内容,对数据进行调整和升级结合DLG等传统结果的内容,协调各种结果所使用的方法来描述和表达地物的特征。 尺寸一致性。

2)语义化。 新的地理信息服务将从定位和几何服务转向增加各种语义服务。 倾斜摄影等表面模型数据必须进行语义结构化,以提供相关的语义服务。 因此,应根据应用需求,采用语义分割方法,科学合理地划分和定义城市地物的类别、几何概括层次和属性信息细节。 划分和定义类别和详细程度时应设置几个层次。 以满足不同层次应用对特征信息精度的要求。

3)多元化。 在定义城市地理信息数据结果的基本类型时,应充分考虑可用于生产各种地理信息数据产品的地理信息源,如建筑信息模型(BIM)上的地理实体数据的使用、点云等信息; DLG数据利用DEM数据中的高程信息等。同时,还需要考虑数据结果类型之间的信息融合和处理转换关系,例如将DSM转换为DEM、将结构化的现实3D转换将图像转化为DLG等,有利于各种数据结果的一致性和统一组织。

1.2 技术规格

为满足新应用的需求,现有城市地理信息数据成果的技术规范和指标需要完善。 传统地形图比例尺概念需要突破,技术规范参数应更加科学有效,全面准确地描述各种新数据结果的高空间分辨率、高时间分辨率和高精度特征; 三维模型和现实三维图像的技术规范除了一般的显示和简单的应用性能外,参数还应体现其在物化和分析计算方面的新能力。

DLG一直是纸质地图时代最基本、最常用的测绘成果。 衡量其规格最重要的特征参数是地图比例尺。 对于DOM、DEM和DSM,我国目前的相关技术标准和生产实践,以类似于DLG的方式,以尺度作为其主要规范特征,并在此基础上提出了地面分辨率和平面精度要求。

比例尺反映了地图上地物的全面性和准确性,可分为制图比例尺和显示比例尺。 对于纸质地图来说,两者是一致的。 为了在有限且固定的地图空间(图框)内表达尽可能多的内容并保持地图的负载和易读性,需要通过地图合成来选择和汇总地图元素,从而导致地图信息的丢失。 。

与传统地理信息数据本质不同的是,新基础测绘背景下的城市地理信息数据应更加注重描述和表达地理实体的真实特征。 由于在实际应用中,传统的制图比例尺会制约实体目标的准确表达,因此各类地理信息数据的基本粒度(即分辨率)水平和合理的高水平可以根据所描述的地表物体的特征和特征来确定。数据应用要求。 通过制定相应的技术标准来规定精度指标。 我国目前一些基础测绘成果的精度标准低于一些发达国家。 随着当前高分辨率遥感、无人机测绘、机载激光扫描测量(LiDAR)、卫星导航定位动态测量(GNSS-RTK)、BIM等技术在测绘生产实践中的广泛应用,有必要通过制定技术规范,适当提高地理信息数据测量的精度。

1.3 数据组织方法

我国现行相关技术标准规定,DLG、DOM/TDOM、DEM和DSM数据均采用地图框作为数据组织和管理单位。 但城市广泛采用的1:500-1:2000比例尺DLG通常以城市行政区划、管理服务单位(如社区、特殊管理区、城市管理网格)、统计单位等作为数据应用单位; 规则或不规则网格网络是DEM和DSM数据应用的核心技术要素。 因此,我们建议DLG、DOM/TDOM、DEM和DSM数据的组织和管理单元不应仅限于地图框。 根据应用需求,可以采用网格、行政区划或其他特定应用单元来组织数据。

随着新的地理实体数据成果的开发和应用,未来可以直接以地理实体对象为索引对DLG和影像、栅格数据成果进行组织,实现对各类数据成果的一体化管理和维护,从而构建一个系统化、可维护的系统。综合性新型基础测绘地理信息数据成果系统。

2 实体数据库及衍生结果

2.1 地理实体数据库

地理实体是现实世界中客观存在的事物或现象,如建筑物、构筑物、道路、水域、绿地、农田、城市管理组成部分和行政区划、管理服务单位(社区、特殊管理区、城市管理网格)地理实体数据库是新型基础测绘的重要特色成果。 是构建城市地理信息数据成果体系的基础、关键信息资源。 是城市三维空间信息应用的基地。 其规划设计的科学性和可实施性,将决定其赋能城市地理信息应用的有效性和效率。

地理实体具有空间特征、时间特征和专题特征(图1)。 地理实体数据库是由描述这些特征的语义化、结构化、客观化的时空数据组成的数据库。 从空间特征来看,地理实体本质上是三维物体,利用几何数据可以表达位置、大小、形状以及相互的空间关系; 从主题特征来看,地理实体有不同的类型,且具有该类型的特殊个体特征。 可以用相应的属性数据来描述; 从时间特征来看,地理实体的空间特征和专题特征会随着时间的推移而发生变化。 数据采集的时间点以及相应的动态更新、处理和管理尤为重要。

图1 地理实体特征及描述

图1 地质实体特征及描述

地理实体的类型是一个重要的主题特征。 它可以与现有基础地理信息要素的分类相结合,满足特定的应用需求,并可以通过语义分割进行地理实体对象的扩展和类型分类。 不同类型的地理实体可能有不同的数据采集、处理、表达和应用服务需求。 类型尺寸需要突破传统制图比例尺概念和要素几何表达形式的限制。 分类的粒度可以与地理实体数据的采集方法和应用需求有关。 等协调。

新型基础测绘应按照一次性测绘、统一数据库建设、按需组装的原则获取、管理、更新和表达地理实体数据。 实现路径是对不同地区不同类型的地理实体对象进行基本粒度、合理高精度的无标度测绘,考察基本属性,记录测量时间点,获取三维几何特征数据、基本属性地理实体的数据和时间点。 由信息组成的时空数据构建地理实体数据库,数据和数据库根据地理实体的变化及时更新。 在构建地理实体数据库方面,可以参考英国OS MasterMap的Topography Layer。 数据库包含管理界线、建筑、土地、道路、地形、水体等9大专业类型4.5亿个地理实体要素。 每个元素都有其所属专业类型在几何、语义、与其他元素的关系等方面明确定义的若干属性信息,以及在其生命周期中保持不变的唯一元素代码。 各属性信息的用途(如制作三维可视化产品)、获取方式、更新频率等均基于统一的数据库建设标准。

获取地理实体数据并建立数据库是一项大规模且复杂的任务,需要精心规划和实施。 在探索实践的初始阶段,可以充分利用现有基础地理信息数据、现实三维图像等满足精度要求的成果,处理生成地理实体数据并建立数据库。 未来会随着需求的更加明确以及标准、技术等的成熟而逐步更新。 完善地理实体数据库。

2.2 地理实体数据库的衍生

1)实体三维模型。 地理实体数据库需要建立数据语义逻辑关系。 按照地上地下一体化、室内外一体化、陆地水一体化的全空间模型组织数据,建立地理实体三维语义模型。 同时,基于地理实体数据库和具体应用需求,可以对地理实体三维语义模型进行实例化,得到实体三维模型。

立体三维模型应作为新型基础测绘的重要数据成果,是基于语义特征的高度固化、结构化、可视化的三维模型,具有可计算、可分析等能力。 在这方面,开放地理信息联盟(OGC)的CityGML标准值得借鉴。 目前,CityGML 3.0版本的概念模型已经发布。 对核心模型进行了重要修改。 不再采用几何特征和语义特征交叉定义的方法。 几何特征信息仅描述空间物体的位置、形状和大小,而没有解释。 解释什么是空间对象,语义和几何层次定义更加清晰一致。 同时,为了增强与IndoorGML、IFC、RDF等标准的交互性,方便整合各种数据源构建符合CityGML标准的实体3D模型数据,该版本更新和扩展了部分模块。

在建立地理实体数据库和实体三维模型时,应积极利用建筑和基础设施项目竣工时的BIM数据,通过BIM与GIS的融合和融合,丰富内容,提高成果质量。

2)数字地形图。 作为数字地图时代线形地形图的产物,目前的DLG在内容、规格、表达方式等方面基本遵循纸质线形地形图的相应规定。DLG包含的地理信息要素仍然主要是纸质地形图。传统的地形要素、地物的选择与合成仍然很大程度上受到传统比例尺和地图尺寸的限制。 例如,城市广泛使用的1:500-1:2000比例尺的DLG缺乏城市行政区划或管理服务单位(如社区)的信息,缺乏必要的地址等信息。 DLG 数据基本上是二维的。 尽管某些DLG数据可能包含部分高程或Z坐标,但它缺乏完整的三维空间信息及其语义结构表达。 因此,在新基础测绘背景下,数字地形图在内容、规格、表达方式、制作方式等方面都需要进行调整和完善。

在内容和规范上,除现有基本地理信息要素外,还应增加满足公众应用需求的必要信息,如各级行政区划、社区及其他管理服务单位的边界信息、单体建筑物的地址信息、建议根据地理实体的本体特征对地理信息要素的分类进行必要的调整和补充。 需要标注的信息应该作为相应实体或对象的属性信息,而不是将标注表达为单独的地理信息元素。 地址应作为个体建筑物等必不可少的基本属性信息。 比例尺可以继续作为数字地形图最重要的特征参数,但在采集和表达数据时,应突破固定比例尺的概念,淡化比例尺的特征。

在表达和制作方式上,数字地形图应充分发挥其数字成果的特点和功能。 未来应主要以地理实体数据库为基础,根据具体应用需求进行相应的数据和地图处理和制作,表达和展示其所包含的各种地理信息。 元素及其基本属性(地址和相关主题特征等)。 其中,高程信息可以使用基于高精度DEM数据源产生的等高线数据。 利用地理实体数据库数据进行地图表达时,应根据制图比例尺选择目标类型和精度,并进行精度匹配、综合选择和制图处理。 当需要硬拷贝输出时,参考传统的纸质地图制作方法进行相应的处理。

3 图像和网格数据结果

3.1 DOM和TDOM

DOM是一种重要的基础地理信息产品形式。 现行德国标准《Photogrammetrische Produkte-Teil 3: Anforderungen an Orthophoto》DIN 18740-3:2015以及相关的德国DOM生产标准均使用图像地面分辨率作为DOM的基本质量参数。 目前,德国在官方地形测绘信息系统(ATKIS)框架下生产图像地面分辨率为0.2m和0.4m的DOM产品。 平面坐标误差分别为0.4m和0.8m。 航空影像采集周期不超过3 2017年,部分州还生产了影像地面分辨率0.1m的DOM产品。 英国OS MasterMap影像层(Imagery Layer)的地面分辨率为0.25m。

在新基础测绘背景下,宜进一步强化DOM地位,将其作为主要数据成果,实现国土全覆盖和动态更新。 结合公众应用需求和现有高分辨率遥感、航空摄影、无人机测绘等技术能力,研究确定基于图像地面分辨率而不是比例尺的产品规格和精度指标。 DOM根据影像地面分辨率可分为0.1、0.2、0.5、1m等规格。 同时,对于建筑密集区域,建议采用倾斜摄影测量或其他方法产生高分辨率(如0.1m或0.2m)真实射线照相图像(TDOM),并将其作为基础数据之一新基础测绘成果。

3.2 DEM和DSM

DEM是地面高程信息的数字表达。 DSM是地面物体表面的数字表达。 除了高程信息外,还包括植被表面、房屋或设施表面等信息。通过DSM处理去除房屋、设施、植被等地物的表面信息,即可得到DEM。 这两个结果可以使用规则网格或不规则网格数据来组织和表达。 核心特征参数应为网格尺寸(对于规则网格)或不规则点密度(对于不规则网格),网格点或不规则点的高程精度应与考虑地面起伏和地表覆盖特征的参数相关。 目前,德国在官方地形测绘信息系统(ATKIS)框架下生产网格尺寸为1m和2m的DEM/DSM产品。 网格点高程误差可达0.1~0.25m。

目前,激光雷达、航空摄影、无人机测绘等技术发展迅速,为高效、高精度建立DEM和DSM提供了可靠、经济的手段。 在新的基础测绘背景下,DEM和DSM应该同等对待。 根据公众应用需求和技术供给能力,研究可根据常规网格尺寸代替比例尺确定产品规格和精度等质量指标,合理确定其高程精度。 ,取消现行技术标准中同尺度DEM和DSM的分类。 同时,利用生成DEM的数据源生成基本等高线间隔为1、2、5米的等高线数据,为数字地形图提供高精度高程信息。

3.3 真实的3D图像

倾斜摄影测量技术的快速发展促进了现实三维图像的制作和应用。 目前,制作真实3D图像的主流方法是使用五镜头倾斜相机获取基于无人机或载人平台的图像数据,然后对其进行处理以获得描述现实世界表面的Mesh模型。 基于Mesh模型进行单一建模,可以获得地物的单一模型,并实现地物的独立管理和编辑。

自然资源部印发的《自然资源部信息化建设总体方案》提出,逐步推进地上、地下三维实景数据管理和应用,建立二、三立体整合自然资源和国土空间实景数据库,加强地上地下一体化。 管理,实现客观世界大场景的三维动态可视化管理,力求实现动态实时实景可视化,为自然资源管理和国土空间利用控制提供更直观、准确的应用。

因此,在新基础测绘背景下,实景三维影像,特别是单幅实景三维影像,应成为重要的城市地理信息数据成果。 当前,需要制定满足城市公共应用需求的实景3D图像产品标准和单体模型制作技术规程,开发实景高效单体处理和应用服务关键技术。 -栩栩如生的3D图像,并建立实用高效的生产流程。 针对深层次、智能化应用,可根据应用需求开展现实生活3D图像与实体3D模型集成融合相关的研究和应用。 例如,可以对现实生活中的 3D 图像进行结构化处理,以获得可以提供语义服务并与其进行通信的结构化模型。 实体 3D 模型被映射和转换。 其结构化处理难度较大,包括Mesh模型的语义分割、实例分割、基于人工智能技术的三维向量结构线提取等,都需要技术环节的突破。

4 城市地理信息数据成果体系建议

基于以上整理的各种数据成果,同时考虑到对原有城市地理信息成果体系的继承,新基础测绘背景下的城市地理信息数据成果体系可分为两类:地理实体数据库和导数结果,以及图像和光栅数据结果。 类(图2)。

图2 新城市地理信息数据结果

图2 新型城市测绘地理信息数据

这两类成果中,地理实体数据库及其衍生产品包括地理实体数据库以及由该数据库衍生的实体3D模型和数字地形图; 图像和栅格数据结果包括 DOM、TDOM、DEM、DSM 和现实生活中的 3D 图像。 主要技术指标有待进一步提高。 根据需要,还可以根据地理实体数据库及相关影像、网格数据生成其他所需的数据结果。 影像、栅格数据成果可以按地理实体对象组织为索引,实现对各类数据成果的统一管理和维护,从而构建系统、全面的新型城市地理信息数据成果体系。

5 结论

新基础测绘背景下,应进一步研究探索地理实体数据库、实体三维模型等新成果的规格和特点,研究构建新型城市地理信息数据成果体系。加速。 同时,通过技术标准的制修订,对成果的类型、内容、形式、规格、精度、组织管理单位、生产、质量检验和元数据等作出明确规定,指导新产品的生产实践。城市地理信息数据结果。

此外,新型城市地理信息数据成果的生产、更新、管理和应用服务,离不开采用先进适用的新技术新方法、创新新机制,共同构建新型城市测绘新格局。系统全面、适合我国国情的制度。 。

作者简介:耿丹(1984-),女,生于北京,高级工程师,硕士,主要从事城市测绘、遥感、智慧城市时空信息应用等工作。

邮箱:gengdan.bj@qq.com

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