基于本体和知识图谱的城市空间数字底座架构及应用

为支撑城市数字化转型,解决目前智慧城市数据不能满足多领域兼容覆盖的需要、数据孤岛等问题,本文提出融合城市动静态多源数据、城市数据运算方案和数据组织管理方案的城市空间数字底座的概念,进而提出一种依托本体框架的城市空间数字底座架构,以多源多模知识图谱为核心来管理城市治理的数据模块、数据运算模块、数据可视化模块和城市服务模块,使得所有数据和事件、行为都在同一框架与协议下运作。本架构有三个特点:①依托本体框架,构建语义解释器覆盖领域全要素,保证数据结构完整和质量可靠;②数据与业务脱钩,原始数据从具体事物中抽象出来,重构为知识单元,适度脱敏推动数据融合;③空间运算升级为知识运算,利用知识图谱通过知识推理、知识发现等来优化传统计算,拓展服务边界及节省运算资源。通过知识图谱的管理架构,可以保证城市空间数字底座的数据质量可靠性、完整性、可解释性和共享性,确保了空间数字底座对城市空间信息服务的支撑能力。

结合星载激光和多光谱影像的城市树种分类

城市树木种类是影响城市森林固碳能力和维持生态系统稳定的重要因素,但城市树木空间分布广泛、所处环境复杂,目前缺少适用的树种分类模型,因此尝试将星载激光引入树种分类。综合考虑植被冠层结构、水平光谱与空间环境特征,并通过特征空间分析定量度量各参数贡献以构建最优特征集合,最后利用支持向量机(SVM)算法建立结合星载激光与光学影像的城市树种分类模型。上海市内4个代表性区域树种分类实验结果表明,所构建的融合模型准确性较高,Kappa系数达到0.82,总体分类精度为87.04%。星载激光能够在城市树种分类中发挥重要作用,其表征的植被三维结构特征与空间环境特征一同对城市树种分类做出了突出贡献。

面向车载激光点云的道路杆状物实例化提取

随着自动驾驶技术、智能交通系统和智慧城市管理系统的发展,道路环境的精确感知变得越来越重要。路灯、交通信号灯、交通标志牌等杆状物作为道路环境的重要组成部分,其自动实例化提取对道路的精细化智慧管理具有重要作用。面向车载激光扫描系统获取的道路点云数据,本文实现了道路环境中杆状物的实例化提取。首先,基于超体素区域生长的方式识别提取了杆状物中的垂直杆部分;然后,通过聚类的方式对垂直杆的附属物实现了实例化分割;最后,基于空间位置匹配实现了道路环境中杆状物的实例化提取。在长度为6.375 km的路段上测试了本文方法的有效性,试验结果表明,道路环境中的路灯、交通标志牌、交通信号灯、行道树等杆状物可以被有效实例化提取。

激光扫描数据的等值线分层提取和多细节表达

从地面三维激光扫描技术得到的点云,数据多,精度高,特征复杂,不能直接采用传统方法提取等值线.对此,首先提出点云的分层模型,并分析点云在Z坐标轴方向数据量分布以及分层点的空间分布情况,提出在高精度、高细节的采样下,将分层点云作为等值线的采样数据.然后,用迭代的凸包算法对无先验连接信息的分层点数据连接.结果表明,得到的等值线符合一般等值线的特点,不会产生边缘交叉等问题.最后,按照凸包算法的迭代次数,对等值线分类,可以表达不同细节程度的等值线,层次越高,等值线所表达的物体表面信息越多.最终通过实例说明方法的适用性.

三维激光扫描点云数据的空间压缩

三维激光扫描获得的点云数据,其数据量比较大。采用点云数据建立物体模型,存在模型分辨率的问题。模型的多分辨率表示是指对于同一模型,存在着由简到繁、由粗到精的集中表示。本文分析激光扫描数据的特点,基于其线扫描的特点,提出了扫描线斜率变化为准则实施数据压缩,其次对于密集数据又给出格网数据压缩方法。最后通过实例给出了压缩结果,并对压缩率和压缩效果作了比较分析。

地面点云分层等值线表面重建和多分辨率表达

提出一种基于分层等值线的地面激光扫描(TLS)数据表面重建及多分辨率表达方法.依据迭代的凸包算法,在具有垂直分布特点的点云中提取分层等值线.采用同步前进的最小外接圆方法完成分层等值线之间的三角剖分,得到地物局部三角形带.连接分层的局部三角形带并统一法线向量,得到地物整体三角网模型.采用等值线的高程间距和水平采样间隔作为控制参数,探讨了参数优化配置方法,实现地物整体模型的多分辨率表达.最后通过两个实例验证了本文方法的可行性.

基于断面激光扫描的移动车辆交通流参数提取

提出一种基于车载激光移动测量数据的微观交通流参数提取方法.将移动断面激光扫描数据根据一定的阈值进行分割分类,获得路域范围的移动车辆.根据二次多项式加权拟合法,获得移动车辆的特征点信息.再基于特征点的时空关系,计算车辆之间的距离、位置、速度等微观交通流参数.以上海延安高架路为例进行试验,对车辆之间的交通流参数提取进行实际验证.结果表明,该方法可以有效地提取车辆交通流参数,前、后方车辆的距离平均误差仅为0.06m,速度平均误差为1.62km·h^(-1);侧方车辆的距离平均误差仅为0.10m,速度平均误差为1.29km·h^(-1).

基于数学形态学的LIDAR数据分割和边缘提取

针对通过LIDAR方法获取的数据,根据矢量转化成栅格数据的方法将数据转化成图像,然后用数学形态学中的膨胀和腐蚀方法进行序贯运算。并将得到的图像进行边缘提取和边缘矢量化,得到每个地物所对应的边缘和数据点。最后通过两个算例来说明这种方法的可行性。

融合航空影像的机载激光扫描数据分类与特征提取

机载激光扫描测距技术（LiDAR）在快速数据采集、建模、分析和使用等方面得到广泛应用。然而,目前的激光扫描数据处理技术,尤其是点云数据后处理技术方面,仍然存在许多有待改进之处。本文从硬件系统和原始数据处理入手,研究了点云数据的数据预处理、点云数据分类、点云与影像匹配以及基于匹配结果的特征提取的理论与方法。主要工作如下：

面向主动交通安全的城市车辆在线位置服务技术

《面向主动交通安全的城市车辆在线位置服务技术》课题旨在解决我国道路交通安全矛盾的一个主要原因,使在途驾驶人员在第一时间获得前方的道路交通及环境信息,从而能在事前做出风险规避行为。本课题采用无缝定位技术和在线位置服务技术,获取路网上的动态位置及综合交通状态信息,结合道路基础地理空间信息,搭建基于车路设施协同作用的主动交通安全管理服务平台,在上海浦东新区实现20万以上用户的技术示范,解决动态交通安全服务的若干关键技术。主要研究内容包括:(1)城市车辆主动交通安全模型和综合状态信息集成研究;(2)面向主动交通安全的路域车辆集成定位技术;(3)交通安全的一体化时空数据建库与快速采集更新技术;(4)面向主动交通安全的LBS车载平台研制;(5)城市车辆在线位置服务技术综合示范应用根据2013年度的相关任务安排,5个子课题的研究分别由同济大学、武汉大学、上海交通大学、国家测绘地理信息局第一大地测量队、中国电子科技集团公司第54研究所和广东长宝信息科技有限公司承担完成,总体进展情况良好。该年度已完成得对主动交通安全模型的国内外研究态势、存在问题和研究方向的研究和探讨,并构建了事故多发与隐患路段预警模型以及基于LBS和路侧交通信息采集的实时交通冲突风险评估模型框架,将道路信息、交通状况、车辆实时行驶状况、天气情况等信息融入评估预警模型中,保证了模型的可靠性和实时性。采用UWB技术研发隧道室内定位系统,试验结果表明该技术在室内复杂区域内绝大多数区域达到分米级别的精度,足够支持隧道室内定位系统。同时,利用arcengine软件以及C#语言进行隧道室内定位系统的开发。在交通安全一体化时空数据采集、建库方面,结合现有技术和产品,自行开发了移动数据采集系统,已完成该系统的结构设计、静态道路底图数据分类和符号库设计。车载互动式终端系统构建和标准化制定已初步完成,构建了Woodpecker高可用性保障中间件,实现了一种基于呼叫中心的智能、自助车联网服务。已基本完成高精度定位终端系统的硬件系统以及相关驱动设计。在综合示范应用方面,该年度选择10个示范路口作为中期示范路口,并已采集道路的相关信息和点云数据,与浦东交警合作开发交通事件共享系统,供后期综合示范之用。

地形图辅助的建筑物地面和机载点云特征配准

机载和地面激光扫描数据配准的实质是坐标转换问题.以建筑物的立面为研究对象,基于地形图的建筑物线性特征,提出建筑物线-面特征约束的地面和机载点云数据配准方法,实现机载和地面点云数据的配准及其向地形图坐标系的转换.采用拟合方法,获取地面与机载点云、地形图的建筑物线性特征参数.依据特征之间的空间关系,建立特征参数与坐标转换模型的关系,分别实现地面与机载点云向地形图坐标系的水平转换.垂直转换则通过建筑物水平屋顶边缘的高程相对配准以及控制点处的高程绝对配准计算.以上海海洋水族馆点云为例进行实验验证,结果表明该方法可以实现地面和机载点云数据配准.

高精度道路导航地图的进展与思考

随着互联网时代的高速发展,更多基于位置的新型行业逐步发展起来,例如"互联网+"智能交通、无人系统等,但这些行业的发展都需要高精度的位置数据作为支撑,而传统导航地图5 m的精度无法满足需求,因此高精度道路导航地图概念被提出。高精度道路导航地图具有更加丰富细致的道路信息,可以更加精准地反映道路的真实情况。与传统地图相比,它的图层数量更多,图层内容更加精细,具有新的地图结构划分。正是因为高精度道路导航地图丰富的信息含量,使得它具有庞大的数据量,而传统的集中式大数据处理模式无法满足它的计算需求。因此,本文提出"众包+边缘计算"的大数据处理模式来解决高精度道路导航地图的计算问题。目前,高精度道路导航地图已进入高速发展状态,但发展过程中仍面临着一些需要解决的问题。

地面三维激光扫描仪的检校与精度评估

三维激光扫描技术是一种先进的全自动高精度立体扫描技术。其中,激光扫描测量仪器的精度对工程应用的影响以及对三维点云模型的建立和精度影响至关重要。本文分析了激光扫描仪的主要误差来源,同时介绍了三维激光扫描仪的检校原理和方法,并以Leica公司的HDS3000为例,从测距、测角、大气影响等方面,对激光扫描仪的精度进行测试和评定。

机载激光扫描中复杂建筑物轮廓线平差提取模型

建筑物轮廓线提取与规则化是房屋3维重建等处理中的重要步骤,目前大多方法面向多边形规则建筑物轮廓线的提取,而无法适用于包含圆弧轮廓线的不规则建筑物轮廓线提取.针对城市中这一类复杂不规则建筑物,提出一种结构化提取特征点的方法,并判断特征点的属性,对直角处的特征点进行条件平差,优化特征点的位置,而对圆弧处的特征点之间的边界点分段拟合圆弧,以得到平滑的符合实际情况的轮廓线.该方法可有效提取包含圆弧的建筑物轮廓线,最后通过上海陆家嘴地区的建筑物LiDAR(机械激光扫描)数据验证该方法的可行性和提取精度.

顾及矢量特征的机载LiDAR点云数据压缩方法

LiDAR技术可获取海量点云数据,数据压缩是点云数据预处理的一个重要环节。该文结合大范围城市区域高程范围随区域变化大的特点,提出一种有效的压缩策略。该策略主要通过建立高程方向不均等的三维格网来提高邻域点集的搜索效率,并根据某一压缩准则计算特征量对数据进行压缩。将该策略应用于上海浦东某区域,并与均匀采样法进行比较,证明其能有效提高点云数据压缩效率。

机载激光扫描(LIDAR)标准数据格式(LAS)的分析与数据提取

机载LIDAR技术作为一种高精度的三维地物探测手段,其相应的数据格式也在不断发展。美国摄影测量与遥感(ASPRS)协会下的LIDAR委员会于2003年发布了标准LIDAR数据格式LAS,经过改进,目前已有4种版本,分别是LAS 1.0、1.1、1.2与2.0(拟定版)。本文在解析4种版本的基础上,探讨了LAS标准格式的发展趋势,并采用IDL 6.2语言对该格式的LIDAR数据进行读取和转换试验,检验了LAS格式的效率,并为以后的LAS格式数据处理提供参考。

基于真三维TIN的三维激光扫描数据压缩方法

提出了基于真三维TIN的数据压缩思路,根据最大夹角与阈值之间的关系决定点的取舍,给出了相应的压缩算法,对于变化平缓的表面有很好的压缩效果。并以同济大学的孔子头像为例,给出了具体的实现方法,同时对数据压缩结果的质量采用多种方法进行了评价,以验证方法的可行性。

基于平面不规则三角网的DEM数据压缩与质量分析

针对构建的不规则三角网,依据相邻三角形法线向量之间的夹角为判断依据,给出一种基于平面不规则三角网(TIN)的DEM数据压缩方法。在详细推导了压缩准则的基础上,给出了压缩判断阈值的确定方法。为了说明该压缩方法能顾及地形特征,对压缩方法的可靠性作详细介绍,并说明了该方法的可行性。

基于自适应紧支撑径向基函数的点云三维建模

激光扫描仪(Laser Scanner,LS)获得的点云数据由海量全离散的矢量坐标点构成。由于点云数据没有明显的形体信息和拓扑关系信息,考虑数据本身蕴含的丰富信息,采用改进后的自适应紧支撑径向基函数(AdaptiveCS-RBF)算法对点云数据进行曲面重建。在介绍紧支撑径向基函数数学模型的基础上,采用激光扫描获得同济大学孔子头像点云数据进行实例建模,通过比较不同建模参数获得的模型,分析该方法的应用效果。

面向城市设计的环境实景感知实证研究

随着人们对生活期望的提高,城市设计开始越来越注重空间环境如何提升城市生活的质量和健康。神经科学和计算机图形学等技术的发展让我们能够更好的描述和测量物理环境对人情绪、认知等心智健康的影响,也能够更好的控制模拟环境刺激。文章简要总结了近两年来课题组在环境感知测量及设计决策支持方面的研究进展,主要包括基于脑电和脑网络分析的环境认知能力影响、基于自主神经反馈的环境情感地图分析和情绪测量,以及基于激光扫描的虚拟环境构建等方面。