基于PGIS平臺的定點(diǎn)全景地圖建庫技術(shù)研究

向煜 ，唐德彬，易佳，張建，白寶玉

(1.重慶數(shù)字城市科技有限公司，重慶 400020;2.重慶市公安局科技信息化處，重慶 401147)

1 引言

“警用地理信息基礎(chǔ)平臺”(Police Geographic Information System，簡稱PGIS平臺)是公安信息化的重要基礎(chǔ)設(shè)施，它以公安信息網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)，以警用電子地圖為核心，以地理信息技術(shù)為支撐，以信息共享和綜合利用為目標(biāo)，實(shí)現(xiàn)了公安基礎(chǔ)信息基于空間電子地圖的可視化管理［1］。警用電子地圖主要以傳統(tǒng)的4D形式，即數(shù)字高程模型(DEM)、數(shù)字正射影像(DOM)、數(shù)字線劃地圖(DLG)和數(shù)字柵格地圖(DRG)來表現(xiàn)，這些數(shù)據(jù)在信息表現(xiàn)形式上比較傳統(tǒng)，多以點(diǎn)、線、面等方式來描述物體的信息和環(huán)境概貌，很難表現(xiàn)人文、環(huán)境、資源等信息，對使用者來講也缺乏臨場感，無法完全滿足公安應(yīng)急處理、設(shè)施管理等業(yè)務(wù)應(yīng)用。因此，警用電子地圖需要更豐富的可視化的地理信息作為數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，才能發(fā)揮警用地理信息的核心決策支持能力。

全景地圖是一種以地面近景影像直接反映空間地物的地圖，它融合了全景技術(shù)和地理信息技術(shù)，以一種完全真實(shí)的方式來展現(xiàn)空間信息［2］。在全景影像表達(dá)的世界里，包含大量地理的、環(huán)境的、經(jīng)濟(jì)的、社會的、人文的信息以及可供挖掘的知識，有強(qiáng)烈的立體感和沉浸感，能給人以身臨其境的感覺［3］。相比傳統(tǒng)的平面二維地圖，全景地圖是關(guān)聯(lián)公安業(yè)務(wù)專用地理信息的更好媒介，可搭建滿足公安業(yè)務(wù)需要的全要素、全紋理、富信息、可視化的警用地理信息系統(tǒng)數(shù)據(jù)平臺，使警用臺賬信息、地圖與影像有機(jī)結(jié)合，更好支持公安五要素管理、突發(fā)事件決策指揮、交通設(shè)施管理等要求。全景地圖主要包括定點(diǎn)全景地圖和連續(xù)全景地圖，定點(diǎn)全景地圖是指利用全景技術(shù)模擬展示固定視點(diǎn)360°視角的全景影像的電子地圖。本文基于PGIS平臺，針對定點(diǎn)全景地圖，提出了一種全景影像地圖建庫技術(shù)，該技術(shù)在PGIS原有空間數(shù)據(jù)庫基礎(chǔ)上進(jìn)行改造，實(shí)現(xiàn)三維全景地圖服務(wù)，為公安行業(yè)各業(yè)務(wù)警種提供了一種全新的應(yīng)用模式。

2 PGIS平臺數(shù)據(jù)庫改造

PGIS平臺原有警用地理信息數(shù)據(jù)庫遵循公安部《警用地理信息基礎(chǔ)平臺與系統(tǒng)建設(shè)規(guī)范》，包括警用基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)庫、警用公共地理信息數(shù)據(jù)庫、業(yè)務(wù)專用地理信息數(shù)據(jù)庫。為實(shí)現(xiàn)全景地圖與警用地理信息數(shù)據(jù)庫的集成應(yīng)用，需在PGIS平臺警用地理信息數(shù)據(jù)庫中增加全景地圖數(shù)據(jù)庫，全景地圖數(shù)據(jù)庫以數(shù)據(jù)集的方式存儲在警用地理信息數(shù)據(jù)庫中，主要包括全景定位點(diǎn)層、全景影像圖片層、熱點(diǎn)層等，組織結(jié)構(gòu)如圖1所示。

全景定位點(diǎn)層主要存儲拍攝全景影像時具體的空間位置坐標(biāo)、名稱及拍攝時間等信息。全景影像存放在特定的文件夾下，文件夾以GUID編碼命名，全景影像圖片層主要記錄存放全景影像圖片的文件夾名稱，并通過GUID編碼與全景定位點(diǎn)層實(shí)現(xiàn)信息關(guān)聯(lián)。熱點(diǎn)層主要存儲POI(興趣點(diǎn))在全景影像圖片位置，并通過內(nèi)部編碼與各警用業(yè)務(wù)圖層實(shí)現(xiàn)關(guān)聯(lián)。

圖1 數(shù)據(jù)組織結(jié)構(gòu)圖

3 建庫流程

3.1 全景影像現(xiàn)場采集

外業(yè)采集設(shè)備主要包括單反數(shù)碼相機(jī)、魚眼鏡頭、全景云臺、三腳架等。本次研究中，我們采用佳能550D和適馬 8 mm鏡頭進(jìn)行拍攝。拍攝時首先將相機(jī)安裝在全景云臺上，并將全景云臺固定在三角支架上。在拍攝過程中，通過GPS設(shè)備獲取該點(diǎn)的空間位置坐標(biāo)，云臺按順時針旋轉(zhuǎn)，每60°拍攝一張，然后正對天空拍攝一張照片，共拍攝7張圖像。旋轉(zhuǎn)時盡量避免鏡頭的偏斜和俯仰，所拍場景中周圍的光照環(huán)境盡量保持一致，最好不含有運(yùn)動元素，相鄰兩張圖像要保證部分重疊區(qū)域。拍攝過程分為測光和正式拍攝兩個過程。測光過程通過獲得各個方向的快門值進(jìn)而計(jì)算出平均快門值。拍攝過程使用平均快門值，從而保證各個方向照片明暗適中。拍攝時主要注意相機(jī)焦距的變化、光照的影響、場景中物體的變化等問題。拍攝的圖像質(zhì)量直接影響后面的拼接的圖像質(zhì)量。

圖2 建庫流程

3.2 影像預(yù)處理

由于全景圖像在拍攝時各個方向的光線強(qiáng)度存在差異，因此，拍攝后的全景圖像需經(jīng)過預(yù)處理后才能進(jìn)行影像拼接。全景圖像預(yù)處理工作主要借助專業(yè)的圖像處理工具完成，如Photoshop、Illustrator等。預(yù)處理工作主要包括平滑處理、銳化處理、對比度拉伸處理等［4］。

平滑處理的目的是為了減少噪聲對后期圖像拼接處理的影響。一個較好的去噪平滑處理方法應(yīng)該既能消除圖像噪聲，又不使圖像邊緣輪廓和線條變模糊。處理方法視其噪聲本身的特性而定，常見的處理方法有均值濾波、中值濾波、高斯濾波等方法。銳化處理的目的是補(bǔ)償圖像的輪廓，增強(qiáng)圖像的邊緣和灰度突變部分，使圖像變得更加清晰。影像銳化處理通常使用梯度法、拉普拉斯算法、Robert算法等方法。對比度拉伸處理主要針對拍攝圖像整體偏暗或偏亮的情況，它的主要思想是提高圖像處理時灰度級的動態(tài)范圍，通常采用直方圖統(tǒng)計(jì)，灰度變換等方法。

3.3 影像拼接

影像拼接就是把現(xiàn)場拍攝的不同角度的魚眼圖像合成一張360°視角的全景圖像。全景圖像使用矩形球面全景投影，長寬分別為 5 600像素和 2 800像素。圖像拼接過程大致分為以下4步:影像畸變校正、圖像配準(zhǔn)、圖像融合、攝影盲區(qū)處理。

影像畸變校正處理的目的是糾正魚眼鏡頭在拍攝時產(chǎn)生的嚴(yán)重變形。魚眼鏡頭是一種短焦距、大視場的攝像鏡頭，其視角越大，所成圖像的畸變越嚴(yán)重。影像畸變校正處理中，通過構(gòu)建畸變校正模型，將徑向失真、中心偏移和非正交失真進(jìn)行校正，為后續(xù)圖片拼接奠定基礎(chǔ)。

圖像配準(zhǔn)通過建立匹配模型，自動識別出7張魚眼圖像中相鄰兩張之間重疊部分的匹配點(diǎn)，以此來確定7張照片的相對位置和角度關(guān)系。由于外界影響，獲取的圖像在做匹配時，圖像間的匹配只能做到某種程度的相似，不可能滿足完全匹配，因此需要人工設(shè)置部分匹配點(diǎn)。兩幅圖像或者多幅圖像中圖像配準(zhǔn)質(zhì)量的好壞，直接影響到拼接的成功率。

圖像融合在圖像配準(zhǔn)后，針對圖像重疊區(qū)域的強(qiáng)度和顏色不連續(xù)進(jìn)行處理，使拼接后的影像最大限度地與原始圖像接近，失真盡可能小，且沒有明顯的拼接線。

由于拍攝方法的限制，上述方法拼接出來的全景影像存在攝影盲區(qū)，即全景影像在旋轉(zhuǎn)到地上時，會出現(xiàn)一個“黑洞”，需通過專用圖像處理工具對其進(jìn)行修補(bǔ)。實(shí)際工作時，我們事先做好一張通用的圖片專門用于填補(bǔ)對地方向的“黑洞”。

3.4 全景影像空間化

將完成拼接的全景影像按其GPS坐標(biāo)上圖，地圖坐標(biāo)使用WGS－84。完善全景定位點(diǎn)層、全景影像圖片層的相關(guān)信息，保證地圖每一個點(diǎn)能通過ID值與定點(diǎn)全景影像圖片文件進(jìn)行關(guān)聯(lián)。

3.5 熱點(diǎn)關(guān)聯(lián)

空間化后全景影像可以呈現(xiàn)真實(shí)的環(huán)境，但是無法與具體公安管理對象設(shè)施進(jìn)行關(guān)聯(lián)。通過熱點(diǎn)關(guān)聯(lián)對單張全景影像進(jìn)行打點(diǎn)標(biāo)注，將各業(yè)務(wù)警種關(guān)心的具體管理對象與全景影像中的物體進(jìn)行關(guān)聯(lián)。熱點(diǎn)關(guān)聯(lián)主要通過完善熱點(diǎn)層信息來實(shí)現(xiàn)。

3.6 數(shù)據(jù)質(zhì)檢

數(shù)據(jù)的質(zhì)檢主要工作是檢查實(shí)景影像拼接是否正確，圖像質(zhì)量是否清晰以及空間點(diǎn)位是否正確。檢查合格標(biāo)準(zhǔn)為:①圖像清晰;②實(shí)景影像拼接無錯亂;③根據(jù)要求進(jìn)行了補(bǔ)天或補(bǔ)地;④在拼接邊界無明顯圖像接邊線和變形;⑤每一張實(shí)景影像都有對應(yīng)的空間坐標(biāo)點(diǎn)對應(yīng);⑥熱點(diǎn)關(guān)聯(lián)正確。

數(shù)據(jù)質(zhì)檢借助圖像處理工具，如Photoshop，進(jìn)行檢查，檢查不合格的影像需重新拼接或修改，如果無法修改，則需要重新采集數(shù)據(jù)。

3.7 影像發(fā)布

經(jīng)過質(zhì)檢的全景影像通過服務(wù)的方式發(fā)布，供PGIS平臺的各業(yè)務(wù)應(yīng)用調(diào)用。

4 關(guān)鍵技術(shù)探討

通過上述建庫流程可以看出影像畸變校正、影像拼接、熱點(diǎn)關(guān)聯(lián)是定點(diǎn)全景建庫過程中的關(guān)鍵技術(shù)，以下對這三種技術(shù)進(jìn)行深入探討。

4.1 影像畸變校正技術(shù)

本次研究中，我們的定點(diǎn)全景影像是通過魚眼鏡頭拍攝的。魚眼鏡頭是一種短焦距、大視場的攝像鏡頭，由光學(xué)成像原理可知，焦距越短，視角越大，所成圖像產(chǎn)生的畸交也就越大，魚眼圖像畸變嚴(yán)重。影像畸變校正技術(shù)首先解決圖像的輪廓提取，圖像的輪廓的提取在校正中至關(guān)重要，直接影響校正結(jié)果。本次研究中，我們針對魚眼圖像輪廓提取的采用了一種改進(jìn)的掃描線逼近算法，基于魚眼圖像有效區(qū)域中像素行(列)的極限亮度差遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于有效區(qū)域之外像素行(列)的極限亮度差這一特性，通過控制閾值的選取對魚眼圓形有效區(qū)域圓心和半徑進(jìn)行修正和優(yōu)化，確定魚眼圖像有效區(qū)域的外切正方形，從而確定魚眼圖像的圓形輪廓。該技術(shù)的處理結(jié)果與魚眼圖像內(nèi)部的黑色像素點(diǎn)無關(guān)，因而能有效克服傳統(tǒng)統(tǒng)計(jì)算法的不足。完成圖像的輪廓提取后，我們采用球面坐標(biāo)定位校正對魚眼圖像扭曲變形進(jìn)行校正。依據(jù)魚眼鏡頭的成像原理，用球面的經(jīng)緯線近似的表示魚眼圖像中景物的變形。在對圖像準(zhǔn)確定位的基礎(chǔ)上，依據(jù)扭曲變形校正的圖像坐標(biāo)映射關(guān)系，對圖像顏色信息進(jìn)行重投影［5］，從而實(shí)現(xiàn)了魚眼圖像的扭曲變形校正。

4.2 全景影像拼接技術(shù)

定點(diǎn)全景影像中，采集的原始影像每一幀由多幅圖像構(gòu)成，需要對這些圖像進(jìn)行自動拼接，形成單幅全景影像，支撐業(yè)務(wù)應(yīng)用。具體實(shí)現(xiàn)時，先導(dǎo)入多幅圖像，并將經(jīng)過畸變校正的圖像劃分為多個圖像匹配塊，通過影像匹配算法和人工干預(yù)的方式識別出圖像之間同名像點(diǎn)，由匹配的同名像點(diǎn)信息計(jì)算轉(zhuǎn)換關(guān)系，從而確定整個全景圖像序列。在每個圖像塊的自動拼接中，將圖像映射到同一個球面上，通過迭代法求取圖像歐拉角等參數(shù)，最后對球面映射后的平面展開圖用多分辨率樣條法進(jìn)行圖像融合，生成單幅全景圖，拼接效果如圖3所示。

圖3 全景影像拼接效果圖

4.3 熱點(diǎn)關(guān)聯(lián)技術(shù)

普通的全景影像可以呈現(xiàn)真實(shí)的環(huán)境，但是無法與具體公安管理對象設(shè)施進(jìn)行關(guān)聯(lián)。熱點(diǎn)關(guān)聯(lián)技術(shù)可以把實(shí)景圖像與具體設(shè)施的數(shù)據(jù)庫屬性進(jìn)行關(guān)聯(lián)，不僅可以為各警種提供真實(shí)的圖像信息，還可以從與圖像關(guān)聯(lián)的熱點(diǎn)獲得這些設(shè)施的屬性信息，給人“所見即所得”的體驗(yàn)。其實(shí)現(xiàn)原理是通過建立以全景影像圖西南角為原點(diǎn)的像平面坐標(biāo)，記錄熱點(diǎn)在像平面坐標(biāo)的位置，實(shí)現(xiàn)全景影像圖片上物體與業(yè)務(wù)屬性表記錄的一一對應(yīng)，同時通過像平面坐標(biāo)與球面坐標(biāo)的轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)熱點(diǎn)的正確顯示。在全景地圖中，熱點(diǎn)以小圖標(biāo)形式顯示，點(diǎn)擊時，動態(tài)顯示熱點(diǎn)的具體信息。

5 應(yīng)用情況

本文提出的定點(diǎn)全景地圖建庫技術(shù)已成功應(yīng)用于重慶市公安局PGIS平臺升級改造中。集成了全景地圖的PGIS平臺為突發(fā)事件應(yīng)急指揮、交巡警設(shè)施管理、消防設(shè)施管理等公安業(yè)務(wù)警種提供了一種全新的應(yīng)用模式。以應(yīng)急指揮事件為例:在制定抓捕行動中，專案組通過使用集成全景地圖的PGIS平臺，利用二維地圖和衛(wèi)星影像圈定嫌犯的大概藏匿區(qū)域，同時通過查看全景影像，可以快速掌握嫌疑人周圍的建筑物、通道、路口信息，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程現(xiàn)場勘察和輔助決策預(yù)案，極大提高了應(yīng)急處置效率。

6 結(jié)語

圖4 應(yīng)急指揮應(yīng)用

定點(diǎn)全景地圖是三維全景與二維地圖結(jié)合而創(chuàng)建的地圖，它能提供每個特定地理位置的360°真實(shí)場景，實(shí)現(xiàn)全景漫游、全景搜索和全景分享等功能。本文通過對PGIS平臺數(shù)據(jù)庫進(jìn)行改造，實(shí)現(xiàn)了在PGIS平臺中存儲定點(diǎn)全景影像，并結(jié)合實(shí)際應(yīng)用，詳細(xì)介紹了定點(diǎn)全景地圖的建庫流程、關(guān)鍵技術(shù)和應(yīng)用情況。基于全景地圖的警用地理信息系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)地理信息數(shù)據(jù)的可視、可讀、可寫、可畫、可量、可鏈接、可挖掘等一系列功能，在“人”、“地”、“物”、“事”和“組織”等公安五要素管理、突發(fā)事件決策指揮、交巡警設(shè)施管理、消防設(shè)施管理等各方面都有著二維地圖不可比擬的優(yōu)勢，可以預(yù)測，未來全景技術(shù)和地理信息系統(tǒng)必將走向融合，并為警用地理信息系統(tǒng)建設(shè)發(fā)揮更大的作用。

［1］賀日興，孫丕龍.PGIS在公安業(yè)務(wù)中的應(yīng)用——警用地理信息平臺及其建設(shè)部署模式［J］.警察技術(shù)，2011(3):3～7.

［2］李海亭，張淼，彭清山.城市地理信息系統(tǒng)中的全景地圖技術(shù)研究［J］.城市勘測，2011(3):39～43.

［3］朱圣，羅再謙，龍川.數(shù)字全景地圖技術(shù)及在規(guī)劃管理中應(yīng)用的研究［J］.城市勘測，2012(1):37～41.

［4］孫美蓮.基于魚眼鏡頭的全方位圖像的校正和增強(qiáng)［D］.天津:天津理工大學(xué)，2012:13～26.

［5］李艷麗.全景圖生成技術(shù)研究［D］.濟(jì)南:山東大學(xué)，2007:11～30.