全景圖像與GIS集成技術研究

李石磊，杜明義，劉艷巍，于曉坡

(北京建筑工程學院“現代城市測繪”國家測繪地理信息局重點實驗室，北京 100044)

1 引言

目前GIS技術發展迅速，已經在社會生活中的各個領域得到了廣泛應用。但傳統二維地圖只對處于三維空間中的各種地理對象全部進行向二維平面投影的簡化處理，導致第三維方向(即垂直方向)上的幾何位置信息、空間拓撲信息和部分語義信息的損失，不能完整地反映客觀世界，同時二維地圖的抽象多義性，給我們認識空間信息帶來了一定的困難［1］。而傳統的三維地圖一般采用對空間實體進行構建三維模型達到三維的效果。但建立三維模型工作量大、建設周期長、制作成本高、不利于在網絡上傳輸。

而使用全景圖像構建出的三維場景具有真實性強、對播放設備要求低、開發周期短、交互性強、畫面質量高等特征，并且它以占98%網絡播放市場的Flash播放器為載體，對真實場景拍攝捕捉，可以觀看整個場景空間的所有圖像信息，無視覺死角，用戶可通過鼠標任意放大縮小、隨意拖動，以多角度、全方位和動態的形式體現在地圖上，使人們在查詢GIS空間信息的同時提供圖文并茂的空間位置上地理實體的信息。本文以北京市西城區城市運行管理系統影像管理平臺開發為例，全面闡述全景影像與GIS的集成的實現方法。

2 全景圖像

2.1 全景圖像的定義及分類

全景圖像是一種全新的圖像組織模式，指視點固定，視線向任意方向運動時所觀察到的圖像，它記錄了虛擬相機運動時從各個方向上所能獲得的圖像，可描述完整的周圍環境信息［2］。

根據全景圖像分辨率的不同，可以把全景圖像分為單分辨率全景圖像和多分辨率全景圖像。利用數碼相機單次采集的圖像就是單分辨率全景圖像;而通過改變焦距多次采集的圖像是多分辨率全景圖像，多分辨率圖像比單分辨圖像具有更好的不同尺度的分辨率。而根據圖像投影方式的不同，全景圖像可以分為柱面、球面和多面體全景圖像三大類，這三類圖像分別把視點空間看做是圓柱體、球體和多面體［3－4］。

(1)柱面全景圖像

該全景圖像在水平方向的視角是360°，但由于沒有上端和下端兩部分場景，用戶不能在垂直方向進行觀看，所以柱面全景圖像垂直視角小于180°。

(2)球面全景圖像

把普通照相機拍攝到的圖像經過拼接形成一個球體的形狀，即是球面全景圖像，其視角是全視角(即360*180)。

(3)立方體全景圖像

以景物中心作為固定點來觀察整個地理空間中的實體場景，并將周圍場景的圖像信息記錄在以該點為中心的立方體上，即是立方體全景圖像。立方體全景圖像是由6幅廣角為90°的圖像組成。

因柱面全景圖像垂直方向視角受到限制，雖然立方體全景圖像在構建虛擬環境時速度和質量都較高，但是其圖像的獲取較為困難，鑒于以上原因本文以球面全景圖像為例，結合現有項目的開發來闡述與GIS的集成。

2.2 球面全景圖像的投影原理

球面全景圖的投影是將魚眼照片上的點映射到球面模型上(如圖1所示)，所有的投影線都是與球面垂直的，所以沒有如傳統平面圖像中的光軸［5］，球面視圖中每個可見的空間點，在球面投影中都能被展現出來。

圖1 球面投影

如圖1所示，球的半徑為f，假設相機位于球體中心，相機投影的方向由極角θ(如圖1，相機視線與Z軸的夾角)和方位角φ(如圖1，相機視線在XY平面內的投影與X軸的夾角)來決定。在球面投影中，球面坐標系與相機坐標系是一樣的。如果P在世界坐標系中的坐標為:

由此，我們可以通過該公式算出全景圖像上任意點在該球面中的投影點p的坐標。

2.3 全景圖像的制作

全景圖像的制作過程主要有三步:首先拍攝所需要的全景圖像，其次將圖像按照一定的投影方式進行投影，最后拼接成全景圖像。全景圖像的制作流程如圖2所示。

(1)全景圖像的拍攝

普通相機拍攝球面全景圖像時，首先把相機固定在三腳架上，以相機的鏡頭為旋轉中心，分別以世界坐標系中的X軸和Y軸為旋轉軸，旋轉相機進行拍攝。具體可以采用如下:首先將相機向上仰起60°，平轉相機一周進行拍攝;然后平放相機，再平轉相機一周進行拍攝;最后將相機向下傾斜60°，平轉相機一周進行拍攝。通過上述方法就可以完整地采樣視點空間中的所有景物信息。也可以利用專業的全景照相機進行拍攝［7］。處理好的全景圖像如圖3所示。

圖2 全景圖像制作流程

圖3 全景圖像

(2)全景圖像生成

如果是普通設備采集到的圖像，需要經過全景拼接和圖像融合才能得到全景圖像。全景圖像拼接首先對拍攝到的照片進行投影，使它們按照一定的投影方式投影到統一的參考系中，參考系有立方體、圓柱形、球形等，這樣投影過的照片就有了統一的空間參考;其次，提取和匹配重疊區域的特征點，通過重疊的特征點對圖像重疊區域進行融合;最后，如果拍攝過程中有噪聲點以及光線強弱不均勻等原因造成的圖像丟失，還要通過圖像處理軟件(例如Photoshop)對圖像缺失部分進行修復等。如果開發中需要對全景圖像進行切片，還應執行對圖片的切片操作以及處理圖片間的過渡效果等。

如果是專用設備采集到的全景圖像，需要制定適用于全景圖像、空間定位數據以及GIS地圖數據一體化處理的流程與規范，例如空間定位數據與道路數據的容錯尺度規定與擬合算法、GPS點的抽稀和內插、每個GPS點的視線角度計算、道路交叉口的多方向全景數據調度、根據時間匹配原則對GPS數據與全景數據進行選取等［8］。

3 全景圖像與GIS的集成

3.1 全景圖像數據預處理

全景圖像與GIS集成前，我們需要對全景圖像數據進行數據預處理，全景圖像預處理是指對全景圖像的空間數據和屬性數據進行分類、編輯、存儲以及建立全景圖像數據庫的過程。全景圖像數據主要包括空間數據和非空間數據，空間數據主要包括全景圖像空間位置信息，非空間信息主要包括全景圖像的編號、采集時間、采集地點以及各種文檔和報表等。全景圖像數據結構表設計如表1所示。

全景圖像數據表結構 表1

由于本文研究的全景圖像具有GIS空間地理位置信息，全景圖像數據存儲采用SQL Server 2005對數據進行分類管理，即將全景圖像的屬性文件與時空數據分開存儲，用中間鍵進行關聯。全景圖像數據存儲結構如圖4所示。

圖4 全景圖像數據庫數據存儲結構

此外，在對全景圖像數據進行分類、編輯時，要選擇合適的存儲數據類型來組織數據。常用的數據存儲文件類型有二進制文件、文本文件、XML文件等。由于XML文件是一種嚴格的標記文件，層次性強、表現直觀，本文采用XML文件組織全景圖像數據，以Flex為開發平臺，來實現基于球面三維場景的實現。

3.2 利用Papervision3D實現基于球面三維場景

本文以Eclipse作為開發環境，使用Flex和Papervision3D技術來完成球面全景圖像三維場景的顯示。Papervision3D是基于ActionScript的開源項目，目的在于實現絢麗美觀、功能強大的Flash3DWeb應用程序，是著名的Flash3D免費開源引擎。同時，Tween－Lite類也是ActionScript開源項目中的一個類庫，它是一個快速的、高效的緩動引擎，實現對象隨時間推移模糊、漸變、旋轉等多個屬性的功能，用它對全景圖像播放時進行美化。

Papervision3D成像主要元素是3D對象(Display-Object3D)，攝像機(Camera)，材質(Material)，場景(Scene)，視點(Viewport)，渲染引擎(Render)等。Papervision3D成像示意圖如圖5所示。

圖5 Papervision3D成像示意圖

實現基于Papervision3D全景圖像的展示，首先要對全景圖像進行動態渲染，即將全景圖像作為紋理應用于Papervision3D創建的球面對象(Sphere)上，Papervision3D創建的球面是一個虛擬的場景，在此虛擬場景里可以定義視點的位置，場景的大小，瀏覽的方式以及加載的順序等，具體過程如圖6:創建一個球Sphere對象;將全景圖像作為Sphere對象的紋理給球體添加紋理材質，即創建了一個有紋理的立體球;在球體中心放置鏡頭，設置鼠標與虛擬場景的交互動作，用鼠標來控制鏡頭的視角，即可實現全景圖像與用戶的漫游式交互。

圖6 基于papervision3D的全景圖像渲染過程

全景圖像通過papervision3D渲染展示后，我們在開發過程就可以以全景圖像名稱組成的XML文件作為參數將全景圖像與GIS二維地圖關聯起來。

3.3 全景圖像與GIS集成關鍵技術

本文結合現有項目，以北京市西城區ArcGIS數據作為底圖數據，以 ArcGIS9.3、ArcGIS Server9.3、IIS6.0、SQL Server2005、Tomcat6.0、Ladybug3、Adobe Flash Builder 4 為技術手段來闡述全景圖像與GIS集成的關鍵技術。

首先，Ladybug3全景相機采集的全景圖片是由圖片和屬性文件組成。其全景圖片的命名方式也具有一定的特點，形如“20120726－X－39.123－Y－116.452－1236001.jpg”，其中名稱中“20120726”是相機采集的時間，“X－39.123－Y－116.452”為相機采集地理空間實體的地理坐標，“1236001”為采集圖片的流水編號;除此以外，還有一個屬性文件，此文件詳細記錄了相機采集的時間、坐標、流水號、采集的距離、相機的設置參數等。

其次，將全集相機采集的全景圖片的屬性信息和空間信息存入到數據庫SQL Server2005。由于SQL Server2005是關系型數據庫，不能滿足存儲GIS空間拓撲關系的需要，這里我們采用分別存儲，即將全景圖片的屬性信息和空間信息分開存儲，然后用中間鍵進行關聯。

再次，處理地圖底圖數據，發布基于ArcGIS Server9.3 for Flex的地圖服務。這里我們將北京市西城區的底圖數據用ArcGIS9.3處理后，如圖7所示。

圖7 處理后的GIS底圖

圖7中，我們可以看到全景線(可以選擇性顯示)，即圖中每個點便對應一張全景圖像。之后將其保存成.mxd格式文檔，用ArcGIS Server9.3將處理好的地圖發布成Mapping地圖服務，這樣我們就可以將地圖在B/S架構的環境中進行調用。發布后的地圖服務包括地圖底圖服務(如圖8)和單圖層服務(如圖9)。

圖8 地圖底圖服務

圖9 單圖層服務

最后，我們將Ladybug3全景相機中的屬性文件組織成XML文件，本XML文件包含圖片名稱、圖片采集地理坐標、圖片采集時間、圖片流水號，將其發布在IIS6.0下面，以提供WebService服務。此時，以Adobe Flash Builder 4作為開發平臺，分別調用已發布好的地圖服務和屬性文件，準備將GIS與全景圖像結合。

全景圖像與GIS結合，分成單點全景影像與GIS的結合和連續全景與GIS的結合。無論單點全景影像還是連續全景影像，與GIS結合的方式有兩種:一是利用地理坐標與GIS結合，二是利用全景圖像拍攝的時間作為時間軸與GIS結合。全景圖像、papervision3D、GIS三者的關系如圖10所示。

圖10 全景圖像、papersion3D、GIS三者的結合的關系

在基于全景圖的三維場景做好的基礎上，確定三維場景所在的地理位置，然后在GIS提供的二維地圖上根據場景的地理坐標添加三維實景場景，這樣全景圖像就與GIS二維地圖對應了起來，就實現了定位到地圖上的某一點直接查看該點的全景圖像，如圖11所示。

圖11 全景圖像與GIS二維地圖關聯

另外，在全景圖像與GIS結合過程中，由于全景點在拓撲道路上并不是連續的點(如圖12)，而是一個個相鄰的單獨點，為了保障全景圖像的連續性播放，需要讓按照一定距離進行采集全景圖像的相鄰路段在拍攝全景圖像時具有一定的重合度，并以此種方式在路段上連續推進采集。例如線段1～2間顯示全景1的數據，從點2到點3顯示點2的數據，這樣在播放中便能使全景圖像連續。

圖12 拓撲道路上的全景點

如果以全景圖像的拍攝時間作為時間軸來連續播放全景圖像，我們可以將全景圖像的拍攝時間作為GIS與papervision3D展示的橋梁，以這種方式來展示在GIS項目開發和應用中重點關注的對象。但此種方法不容易與GIS空間信息相關聯，如果要與GIS二維地圖位置信息相關聯，得將全景圖像相應的位置建立時間與位置的屬性表，實現以拍攝時間和定位位置信息相關聯。按照時間播放全景圖像如圖13所示。

圖13 以時間順序播放全景圖像

4 結語

本文以全景圖像在北京市西城區城市運行管理系統影像管理平臺中的開發為例，闡述了全景影像的制作、全景影像的展示、與GIS的集成以及全景影像在GIS中的應用，文章最后展示了利用此技術將北京市街景(它也是球面全景圖像)應用到已開發系統中的實例，實現了北京市西城區主要道路和著名景點的全景圖像全覆蓋。全景圖像與GIS的集成解決了傳統二維地圖中可視化的缺陷，更利于以B/S模式在網絡上傳輸，提供給人們身臨其境的三維效果，豐富了GIS應用查詢方式。

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