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三维地图助力智慧城市建设

三维地图:不仅仅是地图,位置服务让一切皆有可能


(一)都市先行,城市三维地图应用逐渐遍布全球

三维地图是具有位置信息的三维图像,即“三维地图=三维图像+位置信息”,是一定区域的实景的数字化再现。通过激光扫描仪对地面及物体进行全方位的连续扫描,获得地面及物体表面每个采样点的空间坐标信息,并用全息相机获得地面和物体的影像照片。之后通过相关计算机处理软件用所获得的采样点数据形成实景的三维点云图、继而生成三维模型,然后将真实物体的纹理信息加到三维模型上,最后去除噪声并进行图像优化,获得与实景极为近似的三维地图。

三维地图从英国bath城的三维计算机模型建立开始,上世纪90年代开始有了较大的发展。到2000年,全球已有63个城市建立了一定规模的三维城市模型应用(其中38个城市的人口在100万以上),三维地图的应用与规模和城市经济发达程度相关,如伦教、纽约、东京等国际性大城市早已积极开展三维地图的应用。

我国也从上世纪90年代起,在北京、上海、广州、深圳等大城市陆续开始了一些三维城市模型的研究,主要集中于三维场景演示方面,相关项目有上海北外滩应拟城市系统与深圳市数字三维城市演示系统等。

(二)googleearth(谷歌地球)成为三维地图商业应用的榜样

过去,三维地图最主要的需求来自政府,而现在,互联网企业成为制作和应用三维地图新的推动力。其中,以google公司的googleearth(谷歌地球)为代表,众多公司开始涉入三维地图市场。目前应用最广泛、使用人群最多的仍是googleearth。

googleearth通过将卫星影像及航拍获得的全球地貌影像的三维图像信息,经处理后得到三维地图。目前googleearth的三维地图水平方向有效分辨率基本都可以达到米级(部分地区在10米级)。googleearth的用户可以在电脑上查看世界上各地的三维图像,可通过鼠标进行拉伸收放,旋转等操作。

2004年10月27日,google公司收购了keyhole公司(一家从事通过卫星图像信息制作数字地图的测绘业务公司,使用户可通过网络浏览卫星及飞机拍摄的地理图像,之前的产品为earthviewer3d)。2005年6月,google推出了googleearth软件。

googleearth于2007年5月30日推出的街景服务,目前在全球受到广泛应用。其由专用街景车(装载激光扫描仪、摄像机、gps设备等)在穿过各种街道时,每隔5-10米就拍摄一幅360度的图象照片,然后将拍摄的360度实景照片放到googleearth中供用户使用。人们可以通过该服务看到某处的实景(虽然不是完全实时同步图像,但每隔一段时间就会更新),满足用户搜寻道路,了解异地风光等需求。2005年刚推出街景服务时,用户只能看到5个城市,目前已经可以看到全球3000多个城市的街景图像。

googleearth成功的两个关键因素:

因素一:google拥有各种不同类型的激光扫描仪装载交通工具,适合不同场景的需求。最常用的是车载,每部街景汽车上都装有激光扫描仪以对周围建筑、街道获得三维信息,另外在车顶都搭载一个拍摄图片的相机,一部或多部电脑,以及记录位置信息的gps定位导航仪等。

除了车载外,三维激光扫描仪安装在雪橇上适合在雪地中使用,设备均做过特殊技术处理,保证在低温下可正常使用。街景手推车可用作狭窄地方的拍摄,比如博物馆。个人背负式拍摄装置重40磅(18公斤),有8磅(3.6公斤)的电池,配有安卓操作系统以及15个镜头。水下摄像装置可在水下取景,并使用安卓平板电脑遥控操作。各种装载交通工具使google可以方便的获取各种景物的三维信息。

因素二:google具备优秀的图像处理能力。google三维街景的另一成功点是拥有全球首屈一指的图像处理系统。google将收集的实景三维图像信息通过自身的软件及系统,制作成三维图像。其中sketchup(已被天宝trimble收购)是google于2006年收购的小型创业公司,其同名软件可以制作出精良的3d模型,从而给用户很好的操作体验。google公司的图像处理系统对外界保密,比如与国内相关机构洽谈制作三维地图时,要求图像后期制作必须放到美国去制作。

google正是凭借海量的景物三维信息以及强大的图像处理系统,最终制作出全球首屈一指的城市三维地图集,并通过网络在线的方式,使用户可以方便地浏览全球各地的三维图像。

(三)三维地图成为考古探索新的方式

使用三维地图还可借助激光测绘技术,进行人迹难以到达地区的探索,尤其是发现古代遗迹。有报导,美国休斯顿大学和国家机载激光测绘中心的研究人员在洪都拉斯的莫斯基蒂亚地区,驾驶小飞机利用激光测绘设备,绘制三维地图,或发现了传说中的“黄金城”(拥有大量黄金的白色之城(ciudadblanca))。

研究过程中,他们在目标区域上空飞行时,用激光测绘设备每秒向地面发射10万个短激光脉冲,用每平方米25到50个激光脉冲覆盖莫斯基蒂亚雨林(整个研究过程中发射的激光脉冲超过40亿个,能够区分不到4英寸(约合10厘米)的高度差)。然后将抵达地面反射回的信号绘制成地面的三维地图,展示整个区域的地形。

经过对数据进行整理分析,他们发现了似乎由人为造成的海拔高度变化,据信是一个被人遗忘的城市广场,建有一系列金字塔,若此遗迹被证实为白色之城(中美洲的神话传说中极为重要的城市,但科学家一直未能证明这座古城的存在),其重要意义可以与马丘比丘等古代遗迹相提并论。

利用三维地图,除了在密林或人迹罕至区域的考古外,在地下遗迹探索方面也可发挥重要作用。在英格兰诺丁汉市的地面之下,有一个由450多个沙岩洞穴组成的庞大的地下洞穴网络。这些洞穴大部分都位于诺丁汉城堡之下,在14世纪时曾经被当作国王的地牢而著名,之前由于技术局限,从来没有人能够精确绘制出整个地下洞穴网络的地图。

诺丁汉洞穴勘测队在脚踩车上安装三维激光扫描仪,然后在地面下进行扫描。行进中扫描仪发出激光束,每秒可以获取50万个勘测点,然后测量激光返回的时间,根据测量点数据形成“点云”图,最后制作出整个洞穴网络的三维地图。三维地图显示出整个地下洞穴网络的情况,包括制革、制陶、酿酒、深水井、沙矿、地牢等众多场所。

考古研究人员通过最新的三维地图技术,可以获得人迹难以到达地区或地形复杂地区最有效、最直观的整体图像信息。大幅提高考古工作效率,并为未来遗迹保护和旅游推广提供了重要的资料。

(四)地理国情普查,建立全国性统一地理信息数据库

三维地图不仅可以精准展现区域的真实景象,并且具有位置信息,具有非常高的研究和管理价值。尤其是在国家地理信息管理方面,具有明显优势。2013年,我国启动首次全国地理国情普查,计划至2014年底结束,有报道总投资为11亿元,目前已经在重庆、浙江、陕西等11个地区启动普查,并正在遍及全国。

据国家测绘地理信息局副局长李朋德介绍,“这是对一个地区的人口、资源、环境、地质条件等全面地理空间信息的普查,为国家各个部门提供城市发展的现状及存在问题的监测数据,比如人口容纳量、水资源污染情况、雾霾天气情况等,作为政府进行土地整治、河道治理、拆迁补偿等工作的科学决策的依据。”并且不同于过去的各种信息由国土、农林、交通、环保等多部门分别组织监测,本次全国性地理国情普查的目的是故部门联合起来,建立一张全国性的地理信息图。

过去的采集主要是用gis设备采集地区位置信息,是相对抽象的地理信息参数,运用三维地图,各地区的建筑、桥梁、道路、山川等信息将可以更大面积的三维激光扫描仪获得,并生成具有准确位置信息的实景的真实成像,为政府对社会经济发展与自然资源空间分布的统一管理,提供重要的数据基础。

(五)腾讯数字街景服务,打开位置服务新的市场大门

腾讯在2012年12月13日推出soso街景地图服务,初期包括北京、深圳、上海、广州、西安与拉萨六大城市。包括70余处著名景点景区,1万余夜景场景和上海黄浦江景图,以及66所高校的街景地图。至2013年5月版本,已覆盖全国33个城市。soso街景地图可在pc及移动终端上使用,用户可观看到已覆盖城市的有街景数据地区的实际景观。

腾讯将街景服务进一步扩展到微信应用上,新出的微信5.0版本,已新增街景扫描功能,在北京、深圳等地,用户使用街景扫描功能,只需把手机摄像头对准附近的建筑,微信即可自动调用soso街景地图,识别出所在地的名称和主要建筑布局。

除了浏览街景图像,创新的应用是将实景与位置服务、信息提供结合在一起。实物扫描的升级版叫做“增强实境”(ar),可以把实物相关信息反应到图像中:如用手机扫描一台电视,屏幕上会实时跳出来它的性能参数、操作指南;扫描商场,屏幕上会显示整个商场的店铺分布、路线导航;摄像头对准商铺,会显示产品信息,优惠活动。

三维地图将成为基于位置的服务、无线互联网等o2o应用的窗口,将进一步丰富和方便人们的生活,形成更具“智慧”的新的生活方式。未来实景地图、位置信息及商业信息三者结合在一起,从而打开了位置服务商业应用新的大市场的大门。

三、三维地图在智慧城市建设中大有可为

人类发展经历了石器时代、青铜时代、铁器时代、蒸汽时代、电气时代,随着计算机的出现和普及以及现代通信网络的发展,人、物通过信息紧密结合在一起,人类社会从而进入了全新的时代--信息时代!在信息时代中,人类通过利用网络、智能化设备等创造出具有“开放性、统筹性、交互性、学习性”的新型城市“智慧城市”。ibm在其《智慧的城市在中国》白皮书中,对智慧城市特点定义为全面物联、充分整合、激励创新、协同运作等四方面。即智能传感设备将城市公共设施物联成网,物联网与互联网系统完全对接融合,政府、企业在智慧基础设施之上进行科技和业务的创新应用,城市的各个关键系统和参与者进行和谐高效地协作。

智慧城市包括智能交通、智能医疗、智能家居等多个方面。而要实现智慧城市,首先是要形成城市的立体形态信息,即建立三维数字城市信息数据库,将真实城市的关键物理信息(道路、房屋、桥梁等的位置、空间结构等信息)提取出来,通过数字化、模拟仿真等方式形成城市的三维地图,并通过将管理信息(如房屋使用、人口、电力水力分布等信息)与城市三维立体图像结合,实现对真实城市的智能管理。

三维地图是真实城市的映射,但其作用并不仅仅只是城市的图像展示,而是后续所有智能城市管理的基础。通过三维地图,各种基于位置的服务如智能交通、物联网等才有了发展的基础。可以说,三维地图是智慧城市发展的基础,更是关键环节!

(一)智慧城市是“中国梦”的具体实现,国家高度重视并加速推进建设,投资量大

智慧城市是“中国梦”的具体实现,智慧城市建设将启动一个综合的巨大的市场。“十一五”期间,全国已有29个省、自治区、直辖市的120个城市开展了数字城市建设,其中40个城市已经建成,带动各地基础测绘投入约12亿元。

2013年1月29日,住建部公布90个智慧城市试点的名单;预计未来3个月内第二批约50个智慧城市的试点名单将被公布。智慧城市建设市场空间巨大,仅武汉市的智慧城市建设投资规划就超过817亿元,全国范围看,根据住建部和城乡建设部的信息,2013年5月初住建部与各省区市和首批90个国际智慧城市试点城市完成创建任务书的签约。继国开行提供不低于800亿元的投融资额度后,由于几家机构承诺提供投资额度。粗略估计,智慧城市建设相关投资或将超过4400亿元。

国家测绘局副局长宋超智表示,“今后一个时期,将每年遴选30至50个城市,纳入数字城市推广计划,力争到‘十二五’末基本完成全国地级市和部分县级市的数字城市建设,逐步实现国家、省、市地理信息资源的上下贯通和横向互联,基本建成由‘一个网(全球卫星定位综合服务网)一张图(国家基本比例尺地形图)和一个平台(国家地理信息公共服务平台)’组成的数字中国”。

智慧城市建设中三维地图将是重要的一环,许多服务和应用都基于三维地图而展开。我们认为三维地图的相关产业链将是智慧城市建设中最早获益的领域之一。

(二)三维地图助力智慧城市建设:从协助管理到商业应用,市场潜力巨大

1、缓解大城市交通拥堵“难症”,基于三维地图的智能交通作用明显

世界上的人、物体、场所由其逻辑关系已紧密联系成为整体。通过其各自的位置坐标进行定位,再根据其不同的属性和需求根据位置信息进行匹配,就能形成一个信息化的网状结构。有了这个信息网,人、物、场所就不再是孤立点,可以进行智能化管理,从而大大提高管理效率、便捷人类的生活。三维图像正是基于位置服务最重要的基础,由此发展出各种新的应用技术,其中很多只是曾经的科幻作品中的应用,都正在三维图像的出现后逐渐变为现实。

以汽车为代表的交通工具曾经是推动人类行程效率提高的代表,然而随着车辆数目剧增,越来越多的城市出现道路拥堵,形成交通的“动脉硬化”,反而大幅降低了行程效率。对道路的使用往往与居民活动的方向性和选择性有关,比如早晚上下班潮,往往呈现上下班方向的车道非常拥挤、而反方向的道路比较空闲。通过管理充分发挥城市道路,减少拥堵已成为城市交通管理中最重要的任务。

三维地图是智能交通管理中最重要的基础,智能交通系统的大部分信息都需要在地图中显示,包括车道、街道设备、车辆(加装车载定位装置或由监控摄像头拍摄)的位置信息。三维地图可以将交通线路、周围环境甚至是驾驶员视角信息展现到交通管理部门或是车辆驾驶员处。管理部门可根据道路拥堵情况,动态调节路口红绿灯变换时间、临时改变车道通行方向以减少道路使用的不平衡性,满足交通需求,并通知驾驶员各道路的拥堵情况、给予选路建议;车辆驾驶员可通过车载的道路状况显示装置获得实时路况信息,合理安排道路选择。从而最大化发挥城市道路的使用能力,提高通行效率。

三维地图也是现有导航地图最好的升级方向,现有导航地图主要是平面地图,配以文字说明,但对于进入陌生地段的驾驶员,由于地形不熟,尤其是在道路复杂,岔道密集的地区,仅靠平面图像和文字说明往往找不到正确的道路。三维地图不仅显示道路信息,还可以将沿线楼宇、交通指示装置或是特殊景物(数目、山石等)以立体图像的形式展现出来,从而使驾驶员更容易通过这些道路环境的图像信息,找到正确的道路。

据《光明网》报道,武汉研制智能交通系统,在实际应用中做对比实验:两辆车同时从东湖路出发,目的地为汉阳国际博览中心,两车行至长江大桥时,遭遇车辆滞留。其中一辆车通过路口交通诱导屏得知前方车流量大,采取绕行江城大道,而另一辆车仍沿最短路线行驶。最后结果是绕行车辆率先到达目的地,相比未绕道车,虽然多行驶8公里,但油耗相当,并早到20分钟。另根据交管部门的科研数据显示:通过智能交通系统实施实时路况诱导,车速普遍提升10%,平均行车时间则下降近10%。智能交通在缓解道路拥塞,提高车辆出行效率上有较好的应用结果。

仅就我国而言,根据交通运输部公布《2012年公路水路交通运输行业发展统计公报》,2012年末全国公路总里程达423.75万公里,密度达到44.1公里/百平方公里,其中等级公路里程为360.96万公里,占总里程的92.26%。城市道路规模更大,2012年仅成都市道路里程即超过2.2万公里。三维地图在交通管理中的应用市场广阔。

2、三维地图助益智慧城市建设:可视化促进城市管理进入智能管理新阶段

智慧城市建设中,政府管理也是重要一环。过去政府对辖区信息的管理从查卷宗升级为网络数据库,但仍无法直观的查询和展现与实景统一的信息。通过三维图像,可将具体的实景和抽象的管理信息统一,从而大大提高了管理效率,使真实的城市真正具有了“智慧”。

在具体应用中,如在在建立好的城市三维地图中可对每一个居民住宅中每一户与住户信息做关联,户籍管理处通过点击三维地图中的房屋图像,即可显示该房屋内的住户人数及个人信息。这一应用还可扩展至商场商户以及公共场所的信息管理。

城市管理人员还可通过图像,精确定位位置信息。河南许昌市的城市巡视人员在工作中可随时采集信息,员,如发现果皮箱出现了破损,可拍下其照片并上报立案。后台管理工作人员通过实景三维地图立即在大屏幕上找到这个位置,如同在现场查找一样,然后即可让相关人员进行维护。重庆也启动“全城城管”活动,若出现地井井盖丢失或发现其他问题需要定位,市民可直接上网,在三维实景影像上标注、上传文字和图案来反映城市细节的问题,方便有关部门解决。而在使用二维图像的时代,二维地图无法准确表示如井盖、广告牌等的具体位置,市民反映意见不方便,反映了城管寻找也不方便,影响了管理效率。使用三维图像方便、直观,大大提高城市管理效率。

武汉市是我国利用三维地图开展市政服务较早的城市之一,全市构建了数字地图,每条宽度在10米以上的道路都可呈现三维街景。数字武汉地理空间构架将地图并和政府机关、景区游览、交通运输、科教文卫、餐饮住宿等信息结合在一起,市民不仅可通过“数字武汉”系统“指路”,还可查询商场、餐馆、景点、地名等实用信息,方便市民生活。

3、无人驾驶汽车从幻想变为现实,将人类从长途驾驶疲劳中解放出来

无人驾驶汽车将是把人类从长距离的驾驶疲劳中解放出来的最佳方式之一。塞巴斯蒂安-特龙(sebastianthrun)于2005年领导斯坦福学生和教师组成的团队设计出斯坦利机器人(行情,问诊)汽车,在由美国国防部高级研究计划局(darpa)举办的第二届“挑战”大赛中夺冠,其后,google聘请他领导团队于2010年10月推出google无人驾驶汽车,该车拥有1个激光测距仪(测绘三维地形图)、4个雷达(探测周边情况),1个摄像机(检测红绿灯)、1个gps(定位、导航)、惯性测试单元和1个车轮编码器(跟踪运动情况)。使用时预先设置出发地和目的地生成最佳路线,行进中通过雷达、红外摄像头跟踪附近的物体,在三维图像中进行处理,完成智能自动避让、变线等动作,gps定位并导航,最终使该无人驾驶汽车到达目的地

整个系统的核心是安放在车顶上的激光测距仪。其在高速旋转时向周围发射64束激光,通过照射周围物体反射回的激光计算出车体与周边物体的距离。计算机系统根据这些距离数据描绘出精细的三维地形图,然后跟高分辨率地图相结合,生成数据模型以帮助汽车进行驾驶操作。

实际上,飞机的无人驾驶系统已经成熟,但地面车辆的无人驾驶应用市场更广阔,由于地面交通复杂,所以一直没有成熟产品广泛应用。三维地图配合传感器及控制系统,使无人驾驶汽车的应用真正变为可能。我们认为未来无人驾驶汽车将逐渐走向成熟应用,而这其中,三维地图发挥非常重要的作用。

4、基于位置的服务创造新的商业模式和市场

三维地图可以提供真实的景物图像信息,已催生出多种新型商业应用。如固定搜索型应用及基于位置的信息服务。

固定搜索型应用如餐厅、房屋中介等结合三维地图的凯时体育的产品展示。用户可以通过在三维地图上点击,就可展现出餐厅的外貌、内饰以及饭菜信息,极大方便用户寻找餐厅和选择用餐。房屋中介公司通过与三维地图制作公司合作,可直接展示楼盘的信息(包括楼盘交通位置、小区环境等),用户可以通过网络浏览点击三维地图的相关位置,获取待售房屋外貌情况以及居间结构、内部装修摆设等信息。

基于位置的信息业务则将三维地图、卫星定位及无线互联网结合在一起。例如,用户走在街道上,可扫描街景,即可在三维地图上显示其目前位置及所扫描的建筑物,点击后可直接获得建筑物中的楼层、商铺、商品甚至优惠活动信息。而商户也可在用户经临时,通过短信、彩信或微信推送其优惠活动信息。三维地图将信息和位置统一,可以同lbs、sns、电子商务等应用共同构建新的商业模式。

​互联网厂商已发现这一商机,如前述,google已提供google街景服务,国内的腾讯也着手开展三维街景服务。新的位置服务市场大门已经打开。

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