基于北斗定位的空地一体城市生态文明管理系统及方法技术方案

本发明专利技术公开了基于北斗定位的空地一体城市生态文明管理系统及方法，其采用载有北斗卫星导航定位技术终端设备的卫星、无人机、车辆等所采集的卫星影像、低空航拍影像、车载激光扫描、车载视频摄像、地面定点拍照/摄像数据，并通过以上多种方式快速完整地获取大尺度场景的二维纹理图像和三维点云数据，基于多源融合数据实现大场景分割、分类、识别及高维重建任务。与现有技术相比具有以下优点：场景模型制作精度可达厘米级，远高于传统制作方法的米级精度；而数据采集与处理时间通过实际验证和测算，仅为传统方法的1/4左右。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及城市生态文明管理
，特别涉及一种。
技术介绍
生态文明是人类文明发展的一个新的阶段，即工业文明之后的世界伦理社会化的文明形态；生态文明是人类遵循人、自然、社会和谐发展这一客观规律而取得的物质与精神成果的总和；生态文明是以人与自然、人与人、人与社会和谐共生、良性循环、全面发展、持续繁荣为基本宗旨的文化伦理形态。从人与自然和谐的角度，吸收十八大成果的定义是:生态文明是人类为保护和建设美好生态环境而取得的物质成果、精神成果和制度成果的总和，是贯穿于经济建设、政治建设、文化建设、社会建设全过程和各方面的系统工程，反映了一个社会的文明进步状态。生态环境恶化是一个全球性的挑战，在我国显得尤为严峻，已成为制约我国经济社会可持续发展的因素之一。党的十八大报告中提出了建设美丽中国的战略目标，强调了生态文明建设在“五位一体”总体布局中的重要地位。以深圳为 例，作为全国首批生态文明建设试点城市，深圳在生态文明建设的各方面走在了全国前列，但生态环境同样面临着严峻挑战。城市本身是一个巨大的污染制造源，目前深圳市常住人口超过1500万人，机动车辆超过200万辆，每天新增固体垃圾在1.4万吨以上。空气污染、水体污染、固体废物污染以及城市的热岛效应是城市生态问题的主要表现。在生态文明建设方面，同样存在着空间格局生态化滞后，资源环境承载能力透支，生态文化体系尚未形成，生态文明建设未能形成合力等问题。在对污染源的监控方面，也存在监控手段落后，监管主体多元且职责不够清晰，缺乏有效的协同处置机制，尚未建立科学的考评体系等问题。同时，在进行城市密集型多源数据呈现的研究过程中，我们将面临的具体需求包括以下几个方面: 第一，城市场景高维数据是城市中最重要的基础数据之一，目前的获取与重建技术仍然处于发展的初期阶段，自动化水平不高，其中一个重要原因是目前大尺度场景建模主要采用视频图像或激光点云等单一数据源。大场景的复杂性、多样性和大尺度特性决定了单一数据源存在严重的信息缺失和不确定性，导致基于单一数据源的大场景高维重建具有极大的挑战，建模过程需要较多的人工干预，甚至全手工建模，建模结果精度不高、制作周期长、成本高，这已成为制约大规模城市场景高维数字化的瓶颈问题。第二，在数字城市应用中，通过激光扫描三维重建、多视图三维重建、互联网络图像的三维重建技术可获得大规模的场景对象的三维模型。这些三维模型经过标记后可构成对象的三维信息库。早期的三维立体对象检索与识别方法主要是基于模型信息的分析方法。这一类方法通过对三维立体对象的模型信息进行分析与处理，从而进行立体对象特征信息的提取，进一步应用基于模型的特征信息的匹配来完成立体对象的检索。基于模型信息的方法优点在于能够充分利用模型的立体空间信息。需要指出的是，基于模型的方法并不能很好地进行立体对象外观特征的分析，同时应用立体对象的模型信息也面临巨大的运算量。近些年来，许多研究工作关注于基于视图的立体对象检索与分析。基于视图的立体对象检索与分析的优势在于当需要有针对性地对某类形态的模型对象进行查询时，基于视图的分析方法能够很好地进行外观的分析与处理；同时，二维图像的分析技术也日益成熟，从而为基于视图的立体对象检索提供了新的机遇。第三，三维或更高位的可视化数据显示的绘制开销通常比一般性计算给计算机的负载更加大，普通消费级单个微机节点能够只能支持千万级三角形场景的实时绘制。目前已有的多节点并行绘制系统虽然能够加速大规模场景的载入能力和绘制速度，但是还没有充分利用显卡的并行计算的能力。而且随着城市场景数据的进一步加大，以及动态数据显示要求的时效性都为多级并行计算提出了需求。第四，城市多源密集型数据的交互式呈现需要以大量、复杂、异构的高维数据作为输入，因此需要对这些数据进行存储、传输、访问和流量控制。如何提供统一的框架为不同种类的智慧城市数据呈现应用提供方便易用、可靠、安全、高效的数据服务是我们需要深入的问题。有鉴于此，城市多源密集型数据的呈现技术与服务系统已经成为当前的研究热点。
技术实现思路
鉴于上述现有技术的不足之处，本专利技术的目的在于提供一种，以解决现有技术的城市生态文明管理系统中单一数据源存在严重的信息缺失和不确定性，手工建模，建模结果精度不高、制作周期长、成本高等问题。为了达到上述目的，本专利技术采取了以下技术方案: 一种基于北斗定位的空地一体城市生态文明管理方法，其中，所述方法包括以下步骤: 51、通过载有北斗卫星导航定位技术终端设备的卫星、无人机和车辆采集相应的卫星影像数据、低空航拍影像数据、车载激光扫描数据、车载视频摄像数据以及地面定点拍照/摄像数据；其中，所述车载激光扫描数据为三维点云数据，所述卫星影像数据和低空航拍影像数据为彩色图像数据； 52、将上述采集到的卫星影像数据、低空航拍影像数据、车载激光扫描数据、车载视频摄像数据以及地面定点拍照/摄像数据进行基于多模态多多特征的场景数据融合，用于获取场景的全面信息； 53、对数据融合后的场景进行语义化分割和分类，提取场景中的物体，在物体层面将场景分解成有语义信息的个体；同时，研究结合多模态信息的场景自动或半自动分割、分类与识别，实现场景信息的语义理解； 54、根据上述场景信息的语义理解，并结合先验知识、统计规律和模板库的各种信息，重建场景的时空几何模型，其中场景的时空几何模型包括场景重建静态三维模型和动态的时空高维模型； 55、建立包含上述时空几何模型、三维点云数据、卫星影像数据和低空航拍影像数据的数据库，实现城市生态文明的管理。优选地，所述的基于北斗定位的空地一体城市生态文明管理方法，其中，所述步骤Si中采集相应的卫星影像数据、低空航拍影像数据、车载激光扫描数据、车载视频摄像数据、地面定点拍照/摄像数据时，通过下列方法来实现: 高精度摄像机跟踪与深度恢复方法、针对多视频序列和多摄像机的高效特征匹配方法、针对循环回路多视频序列的闻效稳定的摄像机跟踪方法、结合GPS的大尺度场景多摄像机跟踪方法、高分辨率图像的高精度深度恢复方法、以及快速的半自动深度和三维模型修复方法。优选地，所述的基于北斗定位的空地一体城市生态文明管理方法，其中，所述步骤S2中基于多模态多多特征的场景数据融合具体包括:车载激光扫描数据和车载视频摄像数据融合、地面定点拍照/摄像数据与三维点云数据的融合，以及低空航拍影像数据与三维点云数据的融合。优选地，所述的基于北斗定位的空地一体城市生态文明管理方法，其中，所述步骤S3具体包括以下方法:基于多图像/视频的时空一致性图像/视频分割方法；基于快速交互的物体分割与标注方法；基于机器学习的场景/物体识别与分类、运动目标的分割与提取、场景中主要物体的提取、分类与识别方法。优选地，所述的基于北斗定位的空地一体城市生态文明管理方法，其中，所述步骤S4具体包括以下方法:融合多源信息的缺失几何信息重构方法，同类物体的参数化描述与重建方法，基于知识的场景建模方法，常见物体的时空高维建模方法，以及场景三维模型动态更新方法。一种基于北斗定位的空地一体城市生态文明管理系统，其中，所述系统包括: 数据采集模块，用于通过载有北斗卫星导航定位技术终端设备的卫星、无人机和车辆采集相应的卫星影像数据、低空航拍影像数据、车载本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于北斗定位的空地一体城市生态文明管理方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：S1、通过载有北斗卫星导航定位技术终端设备的卫星、无人机和车辆采集相应的卫星影像数据、低空航拍影像数据、车载激光扫描数据、车载视频摄像数据以及地面定点拍照/摄像数据；其中，所述车载激光扫描数据为三维点云数据，所述卫星影像数据和低空航拍影像数据为彩色图像数据；S2、将上述采集到的卫星影像数据、低空航拍影像数据、车载激光扫描数据、车载视频摄像数据以及地面定点拍照/摄像数据进行基于多模态多多特征的场景数据融合，用于获取场景的全面信息；S3、对数据融合后的场景进行语义化分割和分类，提取场景中的物体，在物体层面将场景分解成有语义信息的个体；同时，研究结合多模态信息的场景自动或半自动分割、分类与识别，实现场景信息的语义理解；S4、根据上述场景信息的语义理解，并结合先验知识、统计规律和模板库的各种信息，重建场景的时空几何模型，其中场景的时空几何模型包括场景重建静态三维模型和动态的时空高维模型；S5、建立包含上述时空几何模型、三维点云数据、卫星影像数据和低空航拍影像数据的数据库，实现城市生态文明的管理。

【技术特征摘要】
1.一种基于北斗定位的空地一体城市生态文明管理方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤: 51、通过载有北斗卫星导航定位技术终端设备的卫星、无人机和车辆采集相应的卫星影像数据、低空航拍影像数据、车载激光扫描数据、车载视频摄像数据以及地面定点拍照/摄像数据；其中，所述车载激光扫描数据为三维点云数据，所述卫星影像数据和低空航拍影像数据为彩色图像数据； 52、将上述采集到的卫星影像数据、低空航拍影像数据、车载激光扫描数据、车载视频摄像数据以及地面定点拍照/摄像数据进行基于多模态多多特征的场景数据融合，用于获取场景的全面信息； 53、对数据融合后的场景进行语义化分割和分类，提取场景中的物体，在物体层面将场景分解成有语义信息的个体；同时，研究结合多模态信息的场景自动或半自动分割、分类与识别，实现场景信息的语义理解； 54、根据上述场景信息的语义理解，并结合先验知识、统计规律和模板库的各种信息，重建场景的时空几何模型，其中场景的时空几何模型包括场景重建静态三维模型和动态的时空高维模型； 55、建立包含上述时空几何模型、三维点云数据、卫星影像数据和低空航拍影像数据的数据库，实现城市生态文明的管理。2.根据权利要求1所述的基于北斗定位的空地一体城市生态文明管理方法，其特征在于，所述步骤SI中采集相应的卫星影像数据、低空航拍影像数据、车载激光扫描数据、车载视频摄像数据、地面定点拍照/摄像数据时，通过下列方法来实现: 高精度摄像机跟踪与深度恢复方法、针对多视频序列和多摄像机的高效特征匹配方法、针对循环回路多视频序列的闻效稳定的摄像机跟踪方法、结合GPS的大尺度场景多摄像机跟踪方法、高分辨率图像的高精度深度恢复方法、以及快速的半自动深度和三维模型修复方法。3.根据权利要求1所述的基于北斗定位的空地一体城市生态文明管理方法，其特征在于，所述步骤S2中基于多模态多多特征的场景数据融合具体包括:车载激光扫描数据和车载视频摄像数据融合、地面定点拍照/摄像数据与三维点云数据的融合，以及低空航拍影像数据与三维点云数据的融合。4.根据权利要求1所述的基于北斗定位的空地一体城市生态文明管理方法，其特征在于，所述步骤S3具体包括以下方法:基于多图像/视频的时空一致性图像/视频分割方法；基于快速交互的物体分割与标注方法；基于机器学习的场景/物体识别与分类、运动目标的分割与提取、场景中主要物体的提取、分类与识别方法。5.根据权利要求1所述的基于北斗定位的空地一体城市生态文明管理方法，其特征在于，所述步骤S4具体包括以下方法:融合多源信息的缺失几何信息重构方法，同类物体的参数化描述与重建方法，基于知识的场景建模方法，常见物体的时空高维建模方法，以及场景三维模型动态更新方法。6.一种基于北斗定位的空地一体...

【专利技术属性】
技术研发人员：吴锋，
申请(专利权)人：深圳市城市管理监督指挥中心，
类型：发明
国别省市：广东;44