白小剛
(長(zhǎng)沙市規(guī)劃勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院,湖南 長(zhǎng)沙 410000)
測(cè)繪是運(yùn)用各種測(cè)量方法將目標(biāo)地形地貌數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、標(biāo)注,形成地圖。傳統(tǒng)測(cè)繪由于技術(shù)、設(shè)備的限制,更多地是測(cè)繪人員到實(shí)地去采集相關(guān)數(shù)據(jù),勞動(dòng)強(qiáng)度大,由于實(shí)地情況復(fù)雜多樣,對(duì)于作業(yè)人員存在一定的風(fēng)險(xiǎn)。經(jīng)過(guò)半個(gè)多世紀(jì)的發(fā)展,無(wú)論從測(cè)量方法還是設(shè)備方面,都發(fā)生了日新月異的變化,涌現(xiàn)了諸如全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)、三維激光掃描、傾斜攝影測(cè)量等一大批先進(jìn)的技術(shù)和設(shè)備。
隨著近現(xiàn)代電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)的高速發(fā)展,改變了整個(gè)測(cè)繪行業(yè)的生產(chǎn)作業(yè)模式。對(duì)比我院測(cè)繪生產(chǎn)實(shí)際情況,從早期50年代到90代末,控制測(cè)量還是要靠人工讀數(shù)、記錄,測(cè)圖還是平板儀,數(shù)據(jù)成果還停留在紙質(zhì)時(shí)代。隨著改革開(kāi)放步伐逐漸加大,測(cè)繪市場(chǎng)需求加大,早期低效率的測(cè)量手段被市場(chǎng)拋棄,高效率的設(shè)備開(kāi)始不斷投入和使用,完成了技術(shù)和設(shè)備的更新?lián)Q代。
邁入到21世紀(jì),美國(guó)在GPS基礎(chǔ)上推出了民用政策,依托這一政策,徹底改變了傳統(tǒng)控制測(cè)量的作業(yè)方法,極大地提高了工作效率。我院于20世紀(jì)初開(kāi)始購(gòu)入GPS設(shè)備進(jìn)行控制測(cè)量作業(yè),主要采用了靜態(tài)測(cè)量的方法。并逐漸引入了電臺(tái)RTK技術(shù)進(jìn)行動(dòng)態(tài)測(cè)量,改變了基礎(chǔ)測(cè)量作業(yè)方法,加快了基礎(chǔ)測(cè)量的更新速度。2007年12月,我院完成了長(zhǎng)株潭GNSS連續(xù)運(yùn)行參考站系統(tǒng)的建設(shè),這標(biāo)志著在長(zhǎng)株潭范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)了坐標(biāo)系統(tǒng)的統(tǒng)一、基礎(chǔ)測(cè)量作業(yè)范圍的全覆蓋(圖1)。
圖1 長(zhǎng)株潭GNSS連續(xù)運(yùn)行參考站
現(xiàn)在GPS-RTK技術(shù)已經(jīng)成為數(shù)據(jù)采集的主力軍,它具有速度快,精度高,一人就可作業(yè),所見(jiàn)即所得,在傳統(tǒng)測(cè)量中占據(jù)著主要位置,它與全站儀構(gòu)成了測(cè)量工作的中堅(jiān)力量。
三維激光掃描技術(shù)主要采用高速激光掃描測(cè)量的方法,快速獲取大面積高分辨率的被測(cè)對(duì)象表面的三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)、大量的空間點(diǎn)位信息,建立物體的三維影像模型,是一種全新的技術(shù)手段[1]。
三維激光掃描技術(shù),早期由于價(jià)格昂貴,技術(shù)始終得不到廣泛推廣,反而制約了技術(shù)發(fā)展。而伴隨著使用范圍的擴(kuò)大,使用頻率的提升,三維激光掃描儀也在不斷進(jìn)化,設(shè)備的便攜化,價(jià)格也不再高不可攀,使得這一技術(shù)得到了更多測(cè)量場(chǎng)景的應(yīng)用,例如在地下空間測(cè)量(圖2、圖3)、建筑密集區(qū)域、復(fù)雜建筑的竣工測(cè)量等,相信隨著使用的更加廣泛,也會(huì)促使這一技術(shù)和設(shè)備不斷得到進(jìn)化。
圖2 BLK360實(shí)地測(cè)量
圖3 三維激光掃描效果圖
攝影測(cè)量在經(jīng)過(guò)3個(gè)階段發(fā)展之后,來(lái)到了全面數(shù)字化階段,計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展以及數(shù)字圖像處理等技術(shù)的應(yīng)用,傳統(tǒng)的采集同名點(diǎn)等工作,已經(jīng)逐漸被計(jì)算機(jī)所替代。在無(wú)人機(jī)技術(shù)的推動(dòng)下,攝影測(cè)量的使用從高空到低空、從大范圍到小范圍的轉(zhuǎn)變,尤其是傾斜攝影測(cè)量(圖4)發(fā)展迅速,它的數(shù)據(jù)處理過(guò)程更加智能化,其成果能夠快速反映地物周邊真實(shí)情況(圖5),可實(shí)現(xiàn)單張影像量測(cè),建筑物側(cè)面紋理采集,有效降低城市三維建模成本[2]。
圖4 多旋翼無(wú)人機(jī)
圖5 三維模型效果圖
隨著以5G、人工智能、自動(dòng)駕駛為代表的新技術(shù)陸續(xù)涌現(xiàn),國(guó)家也提出了“中國(guó)制造2025”的概念,自然資源部也提出“向非尺度地理實(shí)體全息數(shù)據(jù)庫(kù)轉(zhuǎn)變”的要求,在這種背景之下,測(cè)繪需要提供信息更加豐富,能夠滿足更多用戶需求地服務(wù)。
新測(cè)繪更多地為了滿足機(jī)器的需求,例如自動(dòng)駕駛等,傳統(tǒng)的二維平面地圖承載的信息量有限,不能夠滿足未來(lái)的需求,以長(zhǎng)沙市的萬(wàn)家麗高架橋?yàn)槔?,高架橋上有快速路,橋下有?fù)雜的普通城市干道,地下有城市地鐵,將這么多立體的信息在二維地圖上表達(dá),顯然難以做到,即使采用顏色或特殊符號(hào)區(qū)別表示,那對(duì)于沒(méi)有專業(yè)知識(shí)為背景的普通人,它也不能夠分辨出哪里是橋、哪里是路,地圖不能夠抽象地表達(dá)實(shí)地事物,這也讓地圖失去了存在的基礎(chǔ)。這就要求我們采取一種新的方式—三維地圖,這也是未來(lái)的測(cè)繪發(fā)展方向。
隨著新的需求出現(xiàn),傳統(tǒng)低效的數(shù)據(jù)采集工作將被舍棄,能夠同時(shí)采集多種數(shù)據(jù)并能有效融合的設(shè)備將會(huì)越來(lái)越多的投入使用,新的高效方法也將嶄露頭角,數(shù)據(jù)采集工作將會(huì)變得簡(jiǎn)單、輕松、高效。就目前發(fā)展方向來(lái)看,運(yùn)用小型性的測(cè)量設(shè)備,采用非接觸測(cè)量的方法已經(jīng)逐漸成為主流,主要體現(xiàn)在SLAM技術(shù)和消費(fèi)型測(cè)量設(shè)備等。
SLAM是指搭載特定傳感器的主體,在完全未知環(huán)境中通過(guò)自身傳感器感知周圍環(huán)境和位姿信息進(jìn)行自身定位,并構(gòu)建環(huán)境的增量式地圖,最終完成自身定位與導(dǎo)航。它經(jīng)歷了傳統(tǒng)時(shí)代(狀態(tài)估計(jì)問(wèn)題)、算法分析時(shí)代、魯棒性-預(yù)測(cè)性時(shí)代,隨著計(jì)算能力的提升及算法的改進(jìn),BA優(yōu)化、位姿優(yōu)化等手段逐漸成為主流。在人工智能技術(shù)的加入下,基于深度學(xué)習(xí)的SLAM越來(lái)越受到研究者的關(guān)注。
多傳感器融合SLAM極大的提高了未知環(huán)境下創(chuàng)建地圖的能力,如何提高多傳感器融合的數(shù)據(jù)耦合度、提高算法的實(shí)時(shí)性、與深度學(xué)習(xí)和多機(jī)器人協(xié)同相結(jié)合將是多傳感器融合SLAM未來(lái)一段時(shí)間的研究方向??梢韵嘈旁谖磥?lái)攜帶式SLAM幫助人們實(shí)時(shí)創(chuàng)建地圖,不需要人工處理,直接輸出實(shí)時(shí)地圖,這將徹底改變測(cè)繪行業(yè)現(xiàn)狀,對(duì)測(cè)繪行業(yè)產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響。
蘋果公司前不久新推出的2020款iPad Pro上運(yùn)用全新的攝像頭模組(增加了激光雷達(dá)傳感器圖6),激光雷達(dá)傳感器采用的是直接飛行時(shí)間測(cè)量(Direct-ToF,簡(jiǎn)稱DToF),通過(guò)發(fā)射、接收光并測(cè)量光子飛行時(shí)間,直接計(jì)算確定距離,它擁有響應(yīng)快、功耗低等優(yōu)勢(shì)。可以將激光雷達(dá)傳感器的深度數(shù)據(jù)與來(lái)自攝像頭的圖像數(shù)據(jù),以及來(lái)自其傳感器陣列的運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)融合在一起,從而構(gòu)建環(huán)境的空間映射。
將激光雷達(dá)技術(shù)小型化并帶入到消費(fèi)級(jí)電子設(shè)備中,未來(lái)這一技術(shù)有望引入到安卓陣營(yíng)中,到那時(shí)人人手中一部手機(jī)就可以完成小范圍內(nèi)的三維建模(圖7),不需要專業(yè)設(shè)備,不需要專業(yè)知識(shí),每個(gè)人都可以繪制三維實(shí)時(shí)地圖,帶來(lái)的不僅僅是效率的提高,更是人們對(duì)未來(lái)虛擬現(xiàn)實(shí)的大量需求。相信這一技術(shù)的進(jìn)步,將對(duì)三維建模技術(shù)帶來(lái)深遠(yuǎn)的變革,也給未來(lái)的測(cè)繪工作帶來(lái)無(wú)限的可能。
圖6 iPad Pro攝像頭模組
圖7 三維建模模擬圖
未來(lái)的測(cè)繪工作主要是通過(guò)多種傳感器大量地獲取原始地形地貌數(shù)據(jù),通過(guò)內(nèi)業(yè)計(jì)算機(jī)智能化處理,輔以少量的人工干預(yù),得以重建實(shí)地三維模型,通過(guò)對(duì)三維模型的再加工、再分析,就可針對(duì)不同行業(yè)快速輸出與之相對(duì)的測(cè)量成果。
未來(lái)的測(cè)繪設(shè)備一定會(huì)具備小型化、便攜化、網(wǎng)絡(luò)化等特點(diǎn),對(duì)測(cè)繪設(shè)備的使用者的要求會(huì)越來(lái)越低,設(shè)備的使用將更加智能、傻瓜,例如現(xiàn)在的三維激光掃描儀已經(jīng)無(wú)需整平對(duì)中等操作,獲取數(shù)據(jù)的工作將越來(lái)越加簡(jiǎn)單;無(wú)人機(jī)航拍從內(nèi)到外已經(jīng)從原來(lái)傳統(tǒng)的作業(yè)模式徹底改變,流程更加簡(jiǎn)單。傳統(tǒng)笨重、精密的測(cè)繪設(shè)備將會(huì)逐漸消失,取而代之的是依靠大量傳感器獲取數(shù)據(jù),依靠強(qiáng)大的智能軟件、算法處理數(shù)據(jù),依靠無(wú)處不在的互聯(lián)網(wǎng)分享數(shù)據(jù)。科學(xué)技術(shù)就是第一生產(chǎn)力,對(duì)設(shè)備如此,對(duì)人員也是如此,這就要求我們測(cè)繪行業(yè)人員改變自己?jiǎn)我坏闹R(shí)、技能架構(gòu),從多方面豐富自己的技能水平,作一個(gè)融合性人材,去適應(yīng)時(shí)代的發(fā)展、擁抱未來(lái)。