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李德仁:移动测量系统技术及其应用

发布时间:2012-06-07 10:41:49 来源:武汉立得 点击:

各位好,谢谢宁院士亲自主持主报告。我的题目是移动测量系统技术及其应用。我讲四个部分,第一个部分讲讲技术和应用的背景,为什么要做这个东西?第二,讲一讲空间移动测量技术,第三讲一讲地面移动测量技术,第四讲移动测量技术的主要应用。

  总书记多次强调要我们加强测绘的统一监督管理和基础测绘工作,推进数字中国地理空间框架建设,建设信息化测绘体系建设,提高测绘保障服务能力,温家宝总理也指出要加快构建数字中国地理空间框架,积极促进国民经济和社会的信息化,全面提高测绘保障能力和服务水平。

  我们认为当今的社会需要我们地理信息获取走向实事化,处理要走向自动化,服务依靠网络化,应用社会化,这是一个基本特征。在这个特征之下,测绘地理信息发展要求我们加快科学进步,构建多元化创新主体,以创新投入为支撑,以需求为导向,产学研相结合,这样一个测绘地理信息的创新体制。测绘生产要自动化,这个自动化靠的是技术为先导,通过3S集成,力求做到实时,测绘的成果要求数字化,要以管理为核心,我们搞空间数据基础设施,空间信息基础设施,数字地球,数字中国,数字城市,如果把它再加上云计算和传感网就是智慧的城市,智慧的中国。测绘的服务要网络化,产品要社会化,以服务为核心,最大限度的满足各行各业对我们的需求,这是我们测绘地理信息价值的体现。

  数据获取是产业的源头和上游,我们当前面临的是一个数据又多,多到我们处理不了,数据又少,需要的信息又不能及时提供,这样一个矛盾之中。我们认为传统的数据采集方式周期太长,需要进一步发展,需要发展一些短平快自动化程度很高的,实时反映的需要。我们传统的4D产品不能满足信息化社会的需要,我举一个例子,我们到公安部门去,公安厅、公安局、公安部的同志们说,你们测绘提供的4D产品,我们需要的信息只能找到20%。这就是对我们一个很大的触动,为什么呢?我们的用户是不同的,公共安全的用户要知道这些事实位置,消防拴、电话亭的位置在哪里,这要达到1:200的精度才能有。我们的环境保护需要在无人职守的地图上管理它,我们的垃圾需要找到哪一个是回收,哪一个是不回收,哪一个是放矿泉水瓶子的。我们的交通运输需要知道这些标志的含义和位置,这些传统的4D产品不表达。商业的选点也需要这些位置的关系,我们旅游者知道那个地方值不值得去。这些信息都是社会需求,不同的用户需求不同。在这个情况之下,我们要思想现在对无控制的测量要求很高,就是说能不能直接获取地理传感器的坐标,即便有中国的北斗,有PBB的技术,我们就可以自动求点,加上在飞机汽车上的POS系统把位置姿态自动测量系统,交汇地面点的坐标,而不需要做任何更多的野外工作,这是一个社会的需求。在这个需求之下,我们在2000年推出过以光学10个CCD获取数据,即便是定姿定位的立得2000型号,我们刚才看到的是2001年的新型号,在这上面有全景照相机,有激光雷达,有CCD,有POS,而这些东西都是我们中国人自己研究出来的,这样就提高了数据获取的机动性和速度。我们的移动包括地面的车载和空基有人机、无人机上的移动测量技术,现在应该说是异军突起。从而实现传统的航空运行遥感得到的4D产品加上移动测量得到的街景影像,实景影像,能够实现空天地一体化的集成,提供的分辨率从卫星的米级、航天的分米级到地面低空移动测量的厘米级,这样一个全范围覆盖的需求,为此提供服务。

  这就是我们的背景和需求,下面我讲一下空基测量。有两方面,第一个是机载的移动测量,主要介绍马教授在863研究的成果。第二个是讲无人机的数据采集和快速处理,使我们在国防口沉积的一个研究成果。这就是机载的远景,在飞机上装上镜片式惯导,加上激光测距扫描,这样就可以得到地面点的在84坐标系中的微姿,如果它的扫描就把地面充分靠下来,这个方面的弱点与航天比较,它能够同时得到房顶、屋顶窗子和地面还有植被森林桥梁,一个信号打下去,有四个投影,四个维度,可以测不同地面的高度,同时获取数字地面地形模型和这个上面的表面模型DSM,这就是激光雷达的一个弱点。我这里就不做比较了,大家可以知道,它比摄影测量有很多弱点,主要是直接定位,多的维度,能够解决DSM和DEM的数据采集,它的数据有甚么特点呢?它的密度可以根据高度来决定,我们可以做到0.4×0.4打一个点,我们的垂直精度可以达到5-15CM,平面精度可以达到10-75CM,这是一个可以解决高密度高精度的飞行。它的数据处理是飞行,数据接收下来以后可以做预处理,做质量检测,得到数据表面模型和数据高等模型,影像进入以后就可以得到真测影像DTM和三维地形。

  武汉大学在863支持之下,在“十一五”做了一个有110个功能的软件,这个软件我听说价钱是30万亿套,外国人买是8万美金一套。这是这个系统的整个总界面,可以生成各种功能,以敦煌为例,这是敦煌市做的月牙泉的地形测量,是一个沙子生成的,不好做的,风一吹就跑的,我们扫描出来了,这是月牙泉,这是山丘,沙漠河道DEM,都是传统摄影测量不太好做的,有敦煌的DSM,有航测的DEM。点云和光学影像叠加以后就可以得到长阳的三维地形地貌,得到敦煌莫高窟,得到月牙泉等等。这一块要掉下来一个石头都看得非常清楚,细部非常详细,点云位置很好,帮助我们做灾害危险调查,在汶川地震用了这个系统,做了ES5,做了防控。这是在沙市做的几种自动检测防控,比如说在天津做了10个平方公里,花了10个小时  ,800个点云就把它做出来了,就把三维建模建出来了。用的电力线测量,就把变电线和地形距离测出来,这是摄影测量不好做的,遥感也做不到。这样既可以把终端面图画出来,可以连在一起,整个就是电力部门需要的信息。比如说在森林地区,这是我们的软件,把树的模型建起来。这是外国的一个软件做的,就比我们简单,就暴露了一点,我们把叶子和纹理都表现出来了。可以做真正摄影像,当有房子的时候,这个地方就挡住的,也是一个阴影区,而屋顶应当投在一个地方,但不是的,怎么办呢?传统的正射影像,这是屋顶,这是墙面,墙面的正射影像还有,影子还有,这个影子不该有,墙面不该有,我们拿一点集成处理,先把墙面去掉,墙面没有了,再把影子去掉,这就是我们真的正射影像,和航空测量融合在一起可以解决。

  这是机载的移动测量激光雷达,我们再看看无人机,无人机有固定翼、直升机、无人旋翼机、有人旋翼机,用与城镇测绘,电力线,应急测绘等等。中国政府已经在广东和吉林开通1千米以下空间自由运行,只要报计划,不要批准,这是张德江当副总理抓的一件事,讲了第二步,要3000米以下自由运行,旅游业交通业,遥感勘测都可以使用这个空间。这要解决专业数码相机问题,莱卡最近生产了一款非常高级的量测相机,大概是10万美金。PONC系统,原来主要靠美国人和德国人提供,现在我们中国人做下来,也好多家,立得公司也已经把美国的510、610年都做出来了。一个高精度的POS系统需要解决几个问题,有主GPS、辅GPS、有导航计算机,有惯性测量单位,把它集中在一起,就可以解决位置姿态测量。立得做了高精度、航空型的定位定姿系统POS系统,最高达到400HZ的高精度频率。它的A03型精度和美国的510相等,它的A04型和美国的610相等,整个系统买给中国,买给我们的价钱是在200万左右,我们这个价钱大概不超过80万,大概从40万到80万。这就是我们做出来的自由创新研究成果,这是应用配套软件,能够做导航信息的综合应用显示,能够做航行规划和一体化标定,这是很重要的问题,这些问题我解决精度问题不能保证。它有空三加密软件,它有高精度导航数据集成处理软件。可以大概旋翼机、固定翼飞机,可以做实验,可以把倾斜摄影集成起来做实验,这都足够了,跟解放军的飞艇和二炮的无人机都做过实验。这是一个倾斜摄影的方案,用五拼,用立得03型的POS,姿态标称精度是0.02度,航高掌握在702米,最后是132条航线。这是主航机垂直的,倾斜的,这样就可以把它的集成,在平顶山做过一个这样空军实验,主标的,辅助的,尤其是个性产品模型关于POS低空航空摄影,我们做过一个实验,为了检测系统精度做了5条航线,48个地面控制点,最后平面精度是2厘米,高程精度是5厘米,证明可以实现500到1000测图的要求。在无人机应急数据快速处理有两个条件,一个是作战,一个是灾害发生,我们在沈阳军区做了一个实验,我们解决了应急处理的模块,有三种公式,利用已有的地图基准图做快速匹配,做无人机数据处理,二是基于逐航带并行空三做无人机处理,第三个是把应急目标区里面做并行空三的无人机数据快速处理,我们要求的时间是分钟级,一分钟之内能不能把这个问题解决,在沈阳军区做过一个演习。这是第一个方案,我们影像下来一个,目前的和这个地方原来的数据做比较,POS数据处理,控制点,自动匹配,自动处理,最后把结果从到军方的平台上去。这是一个过程,在汽车上安装无人机,无人机飞起来,数据传回来,软件摆在那里,10秒钟实时匹配,生成正射产品,老的产品也,新的数据也要做。然后把这个数据打到天地图上去,军方的天地图,做变化检测,看这一炮打中没有,花了25秒钟,总时间35秒钟,从拿到数据到送去结果,部队战位35秒钟。

  大家知道我们看到的美国人的秘密报告,2020年美国希望从发现目标到消灭目标达到10秒钟,我们现在也在牵头,也准备做一个1.5到2亿的项目,在天上布一个网,天上数据不落地就实时处理,把结果送给空军二炮海军,希望在一分钟之内,我们这个刚才做到35秒钟,所以我们还要继续做。这就是快速生成三级产品,我们第二个方法就是用并行处理,用GPU,资源三号的数据,52公里×52公里,真正射影像10秒钟,GPU非常好,用GPU做卫星处理,有时候需要无光通讯解决通讯时间的延长,满足数据库的需要。比如航带一,航带二,航带三,整个一起做,最后形成一个战区的整个情形,最后实现并行的、快速的,多航带处理。第三种方法就是只对目标区的成果,整个不做,把它剪裁下来,这样就生成我们的产品。刚才讲的是低空的,我们还要继续研究。地面移动测量技术,这是2000年的老产品,有各种型号的,有由于中环的,有用于北京市胡同的,有火车上用的,有移动作战事战时手提式的GPS,两个生成就可以解决相距测量。

  关键的技术是什么呢,一个是多传感器集成,二是POS,三是时间同步、空间同步,数据处理要有效,才能实现数据的应用。这是多传感器应用成果,三个S,导航的,姿态的,数据采集的,光学的,激光扫描的,红外的,都要集成在一起。我们从买俄罗斯的光纤陀螺,花15万块钱买一个国家,到现在利用中国人自己的光纤陀螺,激光陀螺,我们的集成技术,来实现“定姿定位”。我们做了陆地型的,航空型的,有精度高的,精度低的。还有时间同步,空间同步,同一个坐标系要做标定,这样实现所有的系统进行空间同步。网络化系统,数据下来以后可以通过多个工作站,大家集成处理,结果统一显示到数字城市的系统中去,这就是网络化系统处理。可以用于安全应急、智能管理,各行各业,天地图也可以加载,智慧城市,“我秀中国”。

  关于实景地图的服务,“谷歌”2005年推出了街景,实际上我们在这之前就做了,“谷歌”CEO跟我谈了一天,买了200套设备,在全世界采集。微软也做了,实际上我们做得比他们早,我们有“我秀中国”,我们有天地图上的街景,我们大约做了100多个城市,香港澳门都做了,跟解放军一起做了。我们在2012年推出了第二代全景激光测量系统,下面我重点介绍一下2011年来系统,由GPS惯导全景、立体相机,激光扫描仪集成的环境。这是整个系统,这是产品的外观,这上面装了全景式的,三维扫描,底下是激光扫描,还有CCD形象,装了很多器件。有这么多软件支持,空间数据采集,全景影像采集,激光的数据采集,CCD数据采集,视频数据采集,还要有测试软件,有内外业处理生成软件。外国产品可能硬件比我们更贵更好,但是处理软件是关键,有数据处理不出来不行。我们中国人做软件有优势,作业速度很重要,一个小时在不超过80公里环境之下进行所有数据的采集。

  下面我看看作业步骤,公司这几天会详细的讲,从原始数据到成果数据,再到应用数据,我们一个服务的过程。这就是这个系统,这个系统去采集回来,可以走隧道测量,工程测量,城市测量,采集回来的数据经过软件加工,这就是原始的激光,红外成像,可见光成像,得到每个点的坐标,位置姿态全都有。数据回来以后一加工,一测坐标。这就是一个现场,每个点都有三个坐标,有影像,有三维激光坐标。这个数据代替野外测量,它的绝对精度现在达到0.3米到0.5米,相对精度是厘米级,相对误差一减就消除掉了,这样可以做任何操作,可以测距离。随便找一个起始点,找一个终点,公安部门需要这些东西,不仅领导参观要安排布置警力,这个场景的照片上有镜光雷达在一起,所以是三维的,我测这个电线杆的是最难搞的,现在数据测出来了。还可以面积测量,在成果上可以做面积测量,只要点三个点就是一个面积,两个点就是一个长度。我们提出一个概念叫做人人都是测量员,按照我们的需要测量,而不是原来只是在规范测量,规范测量中测的人家有,你没有测的人家也没有,现在把数据多有了,打了格子在上面,可以测面积。这个系统可以做增强显示,我们把虚拟现实做出来了,有图像有坐标,你想增加一个标志,比如增加一个老虎,你随便选取一个目标,加一个上去,就把它放到场景上去了,你把一个炮、一个战士一个坦克都可以加上去,还可以做广告,这叫做增强显示演示,加一个电线杆也可以,这个场景是三维的,真实的,有一个空间三维格子,很快可以把软件加进去,可以加路灯指示牌,还可以随意增加目标。有了这个模型,就把野外拿到网上来了,拿到虚拟数字地球中来,拿到数字城市中来。这个库里可以做很多目标,我们搞建筑规划,把你要盖的房子贴上去,树可以贴上去。这个在规划部门、作战部门,需要做虚拟房子,实景房子,现在我们把一个战士贴上去了,这就是整个成果做成以后,除了传统的测量显示以外,可以做很多的规划、增强、区域方案的制定。可以调方位、方向大小尺寸,还可以拿下来。我们就不再演示了!可以在传统的线化图,影像图上面加街景,这已经做了很多推广。这是一个实景三维空间,这不是一般的一张二维的照片,是一张由三维激光坐标的照片。还可以量面积,还可以做虚拟现实,还可以做虚拟广告,数据还可以浏览。这是一个我们最近提出的第二款带有激光雷达的,真三维数据采集的新的测量系统,最后我讲一讲它的应用。

  移动测量的价值在哪里呢?首先是直观,老百姓不需要训练,站起来就可以看到,不要讲投影,这是领导和群众最喜欢的直观的街景,更新也很快,它通过人的视觉器官,通过我们的记忆器官,所以很容易被老百姓所接受,是一个真正的虚拟,而不是画家画得,也不是摄影家摄影的。我们已经在国家测绘地理信息局已经做了可量测实景影像的专利和标准,2009年这个标准这是执行,我们要提供可视,可量测,可挖掘,可增强的产品。作为数字城市的一个平台,它很有它的竞争能力,所以能够提供一个城市所有道路街景的自动测量,公安部门做,交通部门做,城管部门做,规划部门做,我们把基础给你,把增加测量的工具也给你,环境也给你,人人都是传感器,我们的手机就是传感器,人人都是测量员,你上网利用我们这个产品就可以做。可以跟世界产品集成,可以建立数据库,可以做各种各样的服务。

  在数字城市共享平台中,现在推出这么一种模式,航空测量,做整座城市粗糙的三维模型,街景影像,把沿街最重要的地理信息采集下来,重要的标志性建筑用摄影,或者用低空,或者用地面移动做成这种模式,这样集成在一起,这就是数字城市的规模。可以做实景的规划,可以把这个树规划进去,可以把塔、汽车、房子规划进去,这是一种新的创意。还可以解决智能交通,特别是在汶川地震的时候,我们免费做了17个城市的测量,用移动方式采集数据,做了真三维的,拿这个给每家每户,这家房子没有倒,这家房子倒了东西可能没有坏,民政部按照这个赔钱,非常科学,整个这个信息系统现在放在地震博物馆供大家研究和去了解历史。政务系统中也可以使用,空中服务中,地面和空间测量系统这是我们传统航空摄影测量和遥感的一个重要的补充。我们可以预见,通过这个补充我们就形成了空天地一体化自主机动快速的空间信息和可量测影像采集、更新体系,从而奠定中国在地理空间领域独有的前瞻优势,为数字城市,智慧城市提供更加完整的可视化、智慧化地理空间信息服务和解决方案。

  我的报告结束,谢谢大家!

(此文系李德仁院士4月12日在移动测量高峰论坛上的报告。)

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