实景三维，值得每一个测绘人重视的蓝海
什么是实景三维？2021年12月，自然资源部国土测绘司公布的《新型基础测绘与实景三维中国技术文件-附件1》给出了这样的描述：对一定范围内人类生产、生活和生态空间进行真实、立体、时序化反映和表达的数字空间，是新型基础测绘的标准化产品，是国家的重要基础设施，为经济社会发展和各部门信息化提供统一的空间基底。
中国工程院院士郭仁忠
这样的数字空间是怎样打造的？应怎样使用？能解决哪些问题？关于实景三维中国我们还有不少的疑问，本刊特别邀请到中国工程院院士郭仁忠，下面让我们听听郭院士如何解读。
实景三维是近年测绘行业的热点话题，被看作是国家重要的新型基础设施。从4D数据（即DEM、DOM、DLG、DRG，以下均简称“4D数据”）到实景三维的技术进步，是否意味着4D数据即将退出历史的舞台？
郭仁忠这样认为：“4D数据是测绘技术与行业数字化转型的历史性产品，与模拟成果相比，4D数据在生产、应用和更新方面提供了更多的选择，也展示了更多的优势，它代表了测绘科学与技术过去半个世纪的历史性进步。”现在，随着技术的持续进步，测绘的成果在4D数据的基础上走向了实景三维。
“按照我的理解，就像4D数据没有取代纸质地图，实景三维也不会取代4D数据，不同的产品有不同的特点，不同的应用场景会有不同的选择。实景三维的优势在于高度逼真的场景重构和虚实相济的空间拓展，可以使依托环境的应用得到更抽象的分析和更具象的呈现，从终端用户的角度讲，它更容易被接受，从专业用户的角度讲，它将降低地理信息应用的技术门槛，有利于测绘技术应用领域的拓展、应用模式的创新和跨学科融合发展。”
“对测绘人来说，实景三维可以看作是一种新成果，从这个逻辑讲，建设实景三维中国就是使用新型基础测绘的新工具，生产新成果；从社会应用来说，实景三维要比4D数据更进一步，已经上升为新型基础设施，为社会的全面数字化转型提供有力的基础支撑，它昭示着测绘科学和技术的社会角色进行着根本性转换及其作用的提升”郭仁忠说。
谈到实景三维中国，或许有不少人将它当作“高大上”的概念。就测绘行业内而言，航空摄影测量、三维激光点云测量等新技术往往生产的依然是4D数据；就社会层面而言，普通群众对实景三维中国更是缺少概念。
对此，郭仁忠表示，实景三维中国并不遥远。“从国家层面来讲，实景三维中国建设将是一个比肩高铁、北斗的战略性重大基础设施工程，需要时间，但是在城市层面，尤其是在小区域应用层面，实景三维其实已经得到了应用，并且效果很好，在城市、城市群、省级乃至国家级的大规模应用需要进一步努力，但是我相信不会太遥远。”郭仁忠说。
4D数据产品有哪些不能解决的问题？为什么我们一定要建设实景三维中国？郭仁忠是这样解释的：“在智慧城市层面，我们需要将城市进行数字化表达，也就是很多专家说的数字孪生城市，在这个数字环境中，很多情况下我们需要精细化、结构化、对象化的地理环境表达，需要地上下、室内外一体化的全空间连续尺度地理实体刻画，我们还需要对地理环境进行高逼真、沉浸式渲染，这些都是4D数据无法满足的。”
智慧城市具有十分突出的创新驱动特征。智慧城市应用的个性化、多元化特征明显，且充满创意和创新，大量的应用场景是潜在和未知的，实景三维将我们带进一个虚拟的真实世界，有助于启迪我们的思维，催生新的应用。
对此，郭仁忠做了进一步阐释：在城市规划、城市建筑设计方面，机场、车站、房产项目、公园、高层建筑等都可以将规划设计方案嵌入数字孪生城市模型中，可视化判研、定量化分析、虚拟化模拟方案的合理性。
“以工业园区选址为例，现在城市规模越来越大，通勤越来越远，交通越来越堵，在产业园的区位选择决策过程中，如果系统地分析其潜在的就业人口结构画像、交通通勤压力、物流便利程度、配套设施需求等，就可以更科学地做出决策。基于实景三维模型，我们可以集成融合各类城市数据，也就是地理信息界经常讲的城市时空大数据，进行过去难以想象的极为复杂的分析，从而将城市建设得更宜居、更宜业、更低碳、更柔性。这样的例子还有很多，比如，经济活动方面，一些休闲娱乐和公共服务场所需要数字化营销，需要在线推介其真实三维场景，以吸引顾客；应急管理中，人员如何疏散、紧急物资如何调配等……”
郭仁忠还特别提及地下空间建模的重要性。对智慧城市而言，只有室外的、露天的实景三维景观是不够的，除了室内外，结构化的地下建模，如燃气、自来水等管网也有信息化管理的需求。“城市地下管网的管理必须在三维模型中进行，如有事故发生，需要在第一时间判断故障的位置并采取应急处置，如紧急关闭相关阀门，紧急疏散相关人员，数字化的管网模型不可或缺。所以，实景三维是货真价实的新型基础设施，它是社会治理信息化的重要支撑，没有它，很多事很难管理、决策。”
有了实景三维的数字化城市模型，很多城市管理可以实现远程控制，甚至自动控制、自动预警，在城市中的使用场景非常多。国家测绘主管部门推动实景三维中国建设十分必要、十分及时，是一种主动担当和作为，且具有前瞻性。
“实现了对地上下、室内外地理空间和实体对象的精细化、结构化表达，就构成了时空地理信息云平台的基础。”郭仁忠说，“时空地理信息平台就像一个舞台，各类应用就像是舞台上上演的各类剧目，演出不能没有舞台，舞台就是基础设施。”
“未来会有什么样的‘剧目’？怎么演？我们还没有完全打开脑洞。”郭仁忠说，“我认为未来实景三维将有非常广阔的应用场景，我们将在应用的过程中慢慢打开脑洞。”
郭仁忠举例说明了实景三维的应用方向：“我们现在讲‘碳中和’‘碳达峰’的‘双碳’目标，其中很重要的一项工作就是碳汇计算，我们可以根据草地、湿地或森林的植被数量做碳汇计算，但是我们只有植被面积是不够的，我们还要知道植被覆盖的疏密程度，甚至需要掌握植被的生长情况，才能尽可能准确地实现碳汇计算；疫情期间，智慧旅游、在线旅游的概念非常火，就是用实景三维将美景再现出来，给线上的游客一种身临其境的感觉。我们传统的测绘没有这类应用，不仅是应用场景超出了传统测绘的应用范围，新应用也对我们提出了新挑战。”
对于智慧旅游的例子，郭仁忠作了进一步解释：“比如黄山的松树，我们用传统测绘手段表达一棵树很容易，但表达黄山松就不太容易了。简单的模型不能满足智慧旅游的需求，旅游场景不仅要形似，还要神似，而且随着季节变化，自然景观会不断发生变化。”郭仁忠的举例也说明了实景三维真实、立体、时序化的特征。
类似的实景三维应用还有很多，对技术的要求也不尽相同。“实景三维满足了当下应用场景，一些潜在的应用场景我们目前还不是很清楚，随着实景三维技术的发展，我们会发现新应用场景，而城市发展反过来也会对实景三维提出新需求，就是说新型基础测绘会带着我们走进实景三维中国，实景三维中国支撑一些新的城市应用，在应用的过程中催生新需求，反过来促进测绘技术进步，这是一个双向的过程，是一个充满想象的‘不归路’，我们不妨边做、边看、边想。”
实景三维的未来充满想象，需要测绘人主动寻求新需求，也就是在跨学科、跨领域融合中寻找实景三维的用武之地。回忆起从纸质地图向4D数据转型的过程，郭仁忠感慨道：“过去我们绘制好一张地图，交付给使用对象，任务就算完成了，就像写一本书放在图书馆，有没有人看、谁看了、看过有什么想法，我们都不得而知。”
进入4D数据时代，测绘与其他行业的交叉融合的趋势就已经显现出来了，这一点在城市规划、城市管理、应急救灾等方面都有所体现。“未来专业测绘技术人员会与其他专业人士共同工作，基于实景三维开发专业应用，共同发现新需求。”郭仁忠建议，“未来，测绘人要多学习其他领域的知识，更好地理解跨行业的需求。”.
郭仁忠认为，实景三维中国建设实际上已经在路上。在国家标准层面，自然资源部国土测绘司发布了《新型基础测绘与实景三维中国建设技术文件》四个附件（以下简称《文件》）分别明确了实景三维的定义；基础地理实体空间身份编码规则；基础地理实体分类、粒度、精度要求以及基础地理实体元数据的组成与内容。在技术层面，倾斜摄影测量技术、激光点云技术、仿真三维建模技术等已经有了比较广泛的应用。那么实现实景三维中国还有哪些难点？
郭仁忠坦言，目前实景三维中国所需要的技术、设备、人员都已经具备了。“做是可以做，但是成本很高、周期很长。测绘人历来追求的就是更高的效率、更小的成本、更高的精度，永远不会满足。”
通过倾斜摄影测量、三维激光点云等技术可以将一个建筑的模型建立起来，但是需要大量的人工来实现人机交互，才能实现结构化建模以满足智慧化应用。现在很多高等院校、研究机构，都在探索是否能够提高它的自动化程度。
“以倾斜摄影测量为例，有些项目航测数据不够，需要地面摄影进行补充，如果我们不做好规划，补拍的成本也是很高的，如果借助智能技术优化设计，哪些地方需要拍，哪些地方不需要拍，就能节省大量的人力、物力和时间，这就产生了一个新的研究方向：优视摄影测量。”
实景三维中国是一个宏大工程，是一项前所未有的新基建，需要动员大量的人力物力，以及将计划一以贯之执行的毅力。可以说中国是首个提出这一计划的大国，世界上还没有哪个地理信息产品、项目能够从规模、技术层面对标实景三维中国。
“谷歌公司的Google Earth产品只是2.5D的图像化表达，技术标准远达不到实景三维的要求，新加坡城市建模做得较好，但是其国家规模是城市级的。这意味着大规模的实景三维建设，我们只能自己摸着石头过河，没有成熟的工程经验可以借鉴。”
无论是技术领域，还是应用领域，新型基础测绘、实景三维都不是刚刚诞生的新事物，部件级的个性化的实景三维建设和应用已经有了不少的行业案例。比如一些企业、单位自发地做过一些智慧园区的探索。
但是实际上，在城市治理乃至国家治理层面问题要复杂得多。所以2019年起，国家安排了10个省市作为新型基础测绘试点，希望能够系统地积累智慧城市治理的经验。
“我们过去交通部门、环境部门、城市规划部门往往有一些业务需要实景三维模型，但是这个模型建设成本高，重复建设就会导致资源浪费。”郭仁忠举例道，“基础设施是要为整个城市服务的，不能只为某个特定群体服务，我们把城市实景三维作为基础设施，其道理跟修路相同，不能是公安局修一条路，教育局修一座桥，这样城市就乱了；所以我们不能规划部门建规划部门的实景三维城市、交通部门有交通部门的实景三维城市，要建设一个能够满足各方需要的最大公约数的实景三维平台。”
智慧城市治理需求复杂，“目前没有一个专家能够说清楚，一个城市的治理有哪些方向。不同群体有不同的需求，而且随着城市的发展，这些需求还在不断发生变化。”郭仁忠在城市治理、城市规划领域深入研究多年，越发感觉到这是一个错综复杂的问题。
“新型基础测绘试点就是从城市的视觉、整体的视觉来探索城市三维模型应该怎么建，现行标准是否合理，各部门怎么用，信息孤岛怎样打通等问题都要我们在实践中积累经验。共建共享、信息共享的前提就是信息要满足各方面需求，所以我们就需要一个顶层设计，需要一个从全局出发的系统解决方案，把大家的需求调研清楚。”
“如果不计成本的话，肯定什么事都能做，关键是我们要尽可能地做得更好，周期更短，效率更高，这是测绘人的追求。”实际上，整个实景三维中国实践中，工程的组织实施、技术的研发进步还有很多问题需要我们去探索完善。
实景三维中国不仅在实践中要摸着石头过河，《文件》的指导也可能随着实景三维中国的深入推进，不断迭代完善。对于《文件》，郭仁忠也有自己的看法：“《文件》对实景三维中国的精度、粒度、分类等要求和标准，是基于过去多年新型测绘转型、数字地理空间框架积累的一系列经验，也包含了一些专家对未来的判断，但是不等于这些规范标准是一成不变的。”
他将《文件》与机动车驾驶 证考试标准做了比较，“过去我们只有手动档的车，驾考的标准就是按照手动档车的标准制定的，后来有了自动档的车，相关的考核标准也随之发生了变化，未来我们的车越来越智能，随着自动驾驶技术的发展，倒车入库、侧方停车等项目可以由车辆自己完成，也许那时驾驶 证考核的标准可能还会发生变化。”
从这个角度来看，《文件》制定的分类、分级还是包含了一些先验知识。未来这些分类、分级是否依然合理，犹未可知。“国内一个城市的智慧城市探索中曾有每一棵树都赋一个二维码的设想，这曾经引发是否过度数字化的讨论。”郭仁忠说，“我们之所以建二维码是为了对地理对象进行管理，是否应该建二维码要看你的管理需求，一片树林通常作为一个整体来管理，里面每棵树不是独立的管理对象，赋予二维码的必要性就值得商榷了。”
从这个逻辑来说，是否对一个地理事物进行单独表述，作为单独的对象进行管理，精细化到什么程度，要跟城市管理需求、应用场景挂钩。目前我们还没有非常成熟的经验，需要通过试点探索，边做边完善。
《文件》中提出“最大公约数”的说法，是说城市建设一个统一的实景三维基底，避免重复建设。如某一部门有定制化的、个性化的需求，又将实景三维延伸出了最小公倍数的问题。“实景三维城市的建设不能兼顾所有部门的所有需要，如果一项需求专业性特别强，且只有个别群体能够使用，这就涉及到一个度的问题。”郭仁忠认为，这个度如何判定，还是需要边实践，边探索。
此外，因为可能涉及到信息安全问题，关于实景三维产品的使用权，职能界限还不清晰，“在这方面过去的做法叫做负面清单，我们首先假设数据全社会共享，再列举哪些人不能用，什么情况下不能用。而实景三维中国已经有点颠覆过去的思维和做法了，如果出现数据安全问题，保管人员和使用人员谁的责任更大，我们目前还说不清楚，需要法律、技术、工程部门共同探索，也需要有新的思维来看新问题。”
即便实景三维中国的建设之路难题重重，充满不确定性，郭仁忠还是对它的未来充满信心。“我相信，实景三维将在我们的探索和实践中越来越好，应用场景越来越多。”他认为网购、在线会议等事物，也是我们在过去想不到、不敢想的。“实景三维中国不断完善，会启发我们拓展它应用的边界，我们生活在城市中，社会经济、生活学习、休闲娱乐……所有与地理空间相关的问题，都有可能在实景三维中国的数字空间去推演、简化。”
郭仁忠说：“虽然实景三维中国的未来应用我们现在还看得不是很清楚，但是也不必心急，就像爬山一样，我们爬得越高，就能看得越远，我们位于了什么样的高度就决定了我们有什么样的视野。我相信，实景三维中国建设，是测绘面向世界科技前沿、面向经济主战场、面向国家重大需求、面向人民生命健康的重要路径，是测绘发展的新蓝海，值得每一个测绘人重视！”
文章来源：GIS前沿
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