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增强现实三维建模在警用地理信息平台的应用
作者：唐恬 赵国民
来源：《计算机时代》2017年第07期
摘 要： 公安警务空间地理信息基础平台的发展建设，已经历传统地图、二维GIS、三维仿真+部分贴图场景、实景三维四个阶段的发展，目前以增强现实CIM系统为代表的全面地理信息空间数据和技术集成已实现技术突破和应用示范。地空一体化、室内外一体化、宏观场景与单个实体一体化、影像与模型一体化、外在表现与内在属性一体化的多源全信息技术集成，将助推整个公安信息化建设进入全新的数字化、大联动、全共享和深应用时代，惠及智慧城市建设的各个方面。
关键词： 空间地理信息集成； 增强现实CIM； 实景三维； 警用地理信息平台 中图分类号：TP79 文献标志码：A 文章编号：1006-8228（2017）07-42-05 Application of augmented reality 3D-modeling in police geographic information system Tang Tian1， Zhao Guoming2
（1. Shangcheng Public Security Sub-bureau of Hangzhou City， Hangzhou， Zhejiang 310009， China； 2. GCOM Technologies Inc）
Abstract： The development of the public security police geographic information platform has experienced four stages， the traditional maps， 2D GIS， 3D simulation with partial mapping scene and 3D real scene maps. The comprehensive geographic information and spatial data integration technology represented by AR-CIM （Augmented Reality and City Information Intelligent Modeling） has realized the technical breakthrough and application demonstration. The multi-source and perfect information integration， which integrates the ground and air， the indoor and outdoor， the macro scenes and individual entities， the images and models， and the outward manifestation and intrinsic attributes， will boost the public security informationization into a new era with complete digitization， high correlation， more efficient sharing and application deepening， which benefits the vast field of the smart city construction.
Key words： integration of geospatial information and spatial data； AR-CIM（Augmented Reality and City Information Intelligent Modeling）； real 3D； PGIS（Police Geographic Information System） 0 引言
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警务平台目前在二维GIS上应用渐趋成熟，而三维应用尚处于起步阶段。在二三维一体化集成应用以及针对特定业务（如实现人口信息查询、警务模拟飞行等）提供相应的分析和决策支持模块方面，还有待进一步发展与提高。倾斜摄影测量和实景三维建模技术的发展，为打造先进的实景三维警用地理信息平台提供了新思路、新可能，运用和集成实景三维，以及街景、BIM技术等多样化的空间模拟技术，探索警卫实战新模式，在基层应用上加以推广，是未来警用地理信息平台的发展趋势。
如何充分发挥三维警务平台的作用，使其真实反映城市场景，并集成多源多类信息数据，实现特色化功能应用，让系统特别适用于公安干警使用，并体现其在基层基础工作和应急指挥决策等方面的优势，还需深挖创新可能性。本文就此问题展开讨论，并借助上城区的实践案例探索新的建设思路。
1 基于空间地理信息基础数据的警用平台建设历程和发展方向
纵观警用地理信息平台的建设历程，公安机关打击犯罪、维护治安和服务管理社会的工作职责，以及协同作战、快速反应的工作要求，决定了其对地理信息技术发展的依赖性[1]。空间地理信息基础数据是地理信息系统关注的核心内容，是其他统计信息和专题信息的空间载体，是其他各类信息系统建设的空间定位框架，是国家经济和社会信息化的基础。
警用地理信息平台的建设是智慧城市建设的重要部分，需要高效真实的地理空间外貌全信息，尽可能多的承载客观世界信息，无限真实地模拟客观世界。实景三维模型实现了这一基础需求，在此基础上进行准确的空间编码和数据映射，从而满足多尺度和多样化的应用需求。其技术路线经历了从传统地图→二维GIS→三维仿真+部分贴图场景→实景三维四个阶段的发展。
1.1 二维GIS——警务工作信息化的开端
上世纪90年代以来，GIS技术的发展以其强大的二维空间分析能力，促进了二维警用地理信息平台建设浪潮兴起，也颠覆了传统的人工熟悉地理环境或依靠普通地图指挥作战的模式。各级公安机关在指挥中心、交管、消防的业务管理中逐步应用地理信息技术，建立了一些以GPS监控和指挥调度业务为主的电子地图系统，并不断进行警用地理信息全局共享、警用地理信息全局复用、警用地理信息基础平台建设方面的有益探索[1]，至今，二维警用地理信息平台已经比较成熟。
1.2 仿真三维——可视化的突破性发展
由于二维GIS是将三维的空间信息映射为二维的平面信息，这不可避免的在表现方法上过于抽象，在三维定位及信息展现的直观性方面存在着局限性[2]，很难表现人文、环境、资源等信息，对使用者来讲缺乏临场感，不符合人们的真实视觉习惯。公安部门承担着公共安全管理和应急指挥的重任，需要以详细、准确的警用地理信息作为业务支撑，以一种更丰富的地理
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信息数据源和更好的视觉工具，来传递更为真实的信息，从而更好地发挥警用地理信息的核心决策支持能力。
随着三维可视化技术在公安方面的应用越来越受到重视，3D PGIS的建设应运而生，多地公安部门完成了对二维警用平台的升级改造。然而，此“三维”非“真三维”，而是“三维仿真”。该阶段以“二三维一体化”为特点的警务平台，其实是建立在数字高程模型（DEM）和建筑人工建模、采样纹理、样本化贴图（见图1）的“数字城市”建模技术基础上的仿真三维可视化平台。能够承载较大规模模型数据的基础软件平台，如武汉中地（MAPGIS系列）、北京超图（SuperMap系列）等的相继涌现，支撑了这些仿真三维地理信息平台的建设。相关成果中，上海市警用三维GIS系统是较为完善的代表，在三维平台上实现了公安信息查询、最短路径飞行、视频监控和房屋信息查询等警用业务功能[2，6，7]。 1.3 实景三维——真实再现城市外部空间
随着智慧城市大数据技术和物联网建设日新月异，传统数字城市建模以仿真手段映射真实空间的局限性逐渐显现，其不能满足公安、城管、规划、园林等城市各个管理部门需要真实模拟客观世界、真实反映城市现状的“全信息”城市模型的要求。
国际测绘遥感领域近年发展起来的一项高新技术——倾斜摄影技术，和基于此项技术的实景三维建模技术的出现，为地理信息平台建设再次的颠覆性发展预备了可能。基于倾斜摄影测量技术的实景三维建模，是一项高效真实获取地理空间外貌全信息的新技术，将用户引入了符合人眼视觉的真实直观世界。相对于传统的航空摄影测量工作，实景三维建模最大的难点不在于反向几何构建或自动纹理匹配，而在于海量影像的空三解算，对于无论是生产工艺还是生产组织，都提出了创新的要求。
承载二三维海量数据、能满足各业务功能系统开发的基础平台也随之诞生发展，以科澜、伟景行（CityMaker）、超图（SuperMap）、SmartEarth四大平台为代表。目前，实景三维警用地理信息系统已成功地应用于奥运会安保及潍坊市、武汉市公安局等多地区的警用地理信息系统中，也写入了公安部颁发的《全国警用地理信息基础平台总体建设方案》，代表着PGIS领域的一个发展方向[3-5]。
基于实景三维模型的三维警用地理信息平台的建设尚处于起步阶段，在保持海量三维数据的浏览流畅，把现有公安二维系统中的数据整合到三维模型上，将现有二维警用地理信息系统集成到三维警用地理信息平台中，以及针对特定业务提供相应的分析和决策支持模块方面还有待进一步的发展与提高。
2 增强现实CIM系统——智慧城市空间地理信息集成的概念落地和应用示范
随着技术探索和进步，未来的三维平台将彻底摈弃传统数字城市手工建模的生产方式，实现高精度大范围的实景三维建模，并进一步集成BIM模型和街景建模技术和二三维GIS发展