全景圖增強地理現(xiàn)實的空間認知問題

賈奮勵，陳令羽，宋國民，張世團

(1.信息工程大學 地理空間信息學院，河南 鄭州 450001;2.61175部隊，山東 淄博 255020)

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全景圖增強地理現(xiàn)實的空間認知問題

賈奮勵1，陳令羽1，宋國民1，張世團2

(1.信息工程大學 地理空間信息學院，河南 鄭州 450001;2.61175部隊，山東 淄博 255020)

摘要：基于全景圖的增強地理現(xiàn)實平臺是一種新的空間認知工具，研究其空間認知問題是進行技術研究的基礎。文中介紹全景圖增強地理現(xiàn)實的主要技術流程和優(yōu)勢；闡述基于全景圖增強地理現(xiàn)實進行空間認知的基礎模型；分析全景圖和地理信息數(shù)據(jù)的信息匹配問題，包括比例尺和位置匹配兩個方面；介紹地理信息在全景圖像上的表達方式，重點解決增強目標和屬性信息的選擇問題；最后通過與街景地圖、虛擬現(xiàn)實平臺進行空間認知比較，得出全景圖增強地理現(xiàn)實平臺的有效性和主要適用范圍，表明該平臺具有獨特的空間認知優(yōu)勢。

關鍵詞：全景圖；增強地理現(xiàn)實；空間認知；信息匹配；信息表達

空間認知是人類對現(xiàn)實或抽象環(huán)境中空間屬性的認識過程，是根據(jù)本身具有的經驗，通過獲取、處理、存儲、傳遞和解譯空間信息，獲取新的空間知識的手段[1]。空間認知研究的是人與系統(tǒng)之間的關系，是地理信息科學研究的一個基本問題，如何提高人類的空間認知能力是地理信息科學研究的主要目標之一。實地考察、地圖、地理信息系統(tǒng)、虛擬地理環(huán)境以及增強地理現(xiàn)實等都是人類進行空間認知的工具。增強地理現(xiàn)實是在虛擬地理環(huán)境的基礎上發(fā)展起來的，是將虛擬的信息應用到真實世界，把計算機生成的虛擬物體、場景或系統(tǒng)提示信息疊加到真實空間環(huán)境中，從而實現(xiàn)對地理現(xiàn)實的增強，在經濟和國防領域得到了廣泛的關注[2-4]。通常，增強地理現(xiàn)實技術需要以透過式頭盔顯示系統(tǒng)和地理注冊系統(tǒng)相結合的形式來實現(xiàn)，代價極其昂貴。基于全景圖的增強地理現(xiàn)實是一種新的空間認知方式，是將全景圖作為真實地理空間環(huán)境的縮影，通過將感興趣的屬性信息增強到全景圖上促進用戶獲取空間知識的技術手段，是增強地理現(xiàn)實系統(tǒng)的一種簡化方式，不需要借助特殊設備，成本極低[5]。分析目前已有的地理信息系統(tǒng)使用經驗顯示，幾乎所有的地理分析功能都已得到較好的解決，這些軟件和系統(tǒng)的主要功能大同小異，但是用戶體驗卻大不相同，其主要原因就是對空間認知規(guī)律的把握程度不一[6]。因此，解決相關空間認知問題是基于全景圖進行增強地理現(xiàn)實的理論基礎。

1基于全景圖的增強地理現(xiàn)實

全景圖是一種運用數(shù)碼相機對現(xiàn)有場景進行多角度環(huán)視拍攝之后，再利用計算機進行后期縫合，并加載播放程序來完成的一種三維虛擬展示技術[7]。由于其獲取制作流程簡單，可以360°觀察周圍空間環(huán)境，被廣泛應用于谷歌地球、百度地圖等虛擬地理環(huán)境的研究和開發(fā)，借助輔助工具還可以進行簡單的量測[8]。隨著計算機技術以及地學和相關領域學科研究的不斷發(fā)展，空間認知的工具也在不斷改變。地圖、現(xiàn)實資料和數(shù)據(jù)庫支持下的地理信息系統(tǒng)一般需要對地理環(huán)境進行抽象，空間認知的難度較大；環(huán)境信息系統(tǒng)支持下的虛擬地理環(huán)境是對真實環(huán)境的簡化，形象逼真，對已有目標的認知較為容易，但是會損失部分原有信息，而且容易產生認知錯覺，而且也僅是逼真；增強地理現(xiàn)實技術在真實世界或對其進行全復制的抽象空間進行，認知難度甚至小于實地考察，更體現(xiàn)了空間認知工具適人化和智能化的發(fā)展方向。在全景圖虛擬現(xiàn)實的基礎上，基于全景圖進行增強地理現(xiàn)實更能滿足人類對空間認知的需求，其主要過程包括地理配準和屬性信息融合兩部分。地理配準是在相機標定、全景圖拍攝以及三維重建的基礎上，提取全景圖中的主要目標特征并完成與空間地理數(shù)據(jù)的三維位置注冊；屬性信息融合是根據(jù)目標特征和屬性信息的重要程度進行分類分級，依據(jù)地理配準的結果，將屬性信息繪制到全景圖上，完成基于全景圖的地理現(xiàn)實增強。

目前利用全景圖進行研究應用的地理信息系統(tǒng)大多只能顯示興趣點周圍的環(huán)境表征，數(shù)據(jù)和圖像完全分離，不能進行空間分析和知識獲取。基于全景圖的增強地理現(xiàn)實系統(tǒng)不僅能顯示主要目標的關鍵屬性信息，還可以進行一些必要的空間分析，解決了空間數(shù)據(jù)和全景圖像的融合問題。與傳統(tǒng)的空間認知工具相比，基于全景圖的增強地理現(xiàn)實系統(tǒng)的優(yōu)勢至少體現(xiàn)在以下3個方面。

1)真實感更強。與傳統(tǒng)地圖和地理信息系統(tǒng)相比，全景圖像作為真實世界的縮影，可以更加真實形象地表達可視范圍內的一切地理空間目標。

2)平臺構建更容易。與虛擬地理環(huán)境技術相比，全景圖增強地理環(huán)境技術可以無條件復制現(xiàn)場包含的所有表面特征，而且不需要進行復雜的環(huán)境建模，實現(xiàn)效率大幅度提高。

3)成本更低廉。與傳統(tǒng)意義上的增強地理現(xiàn)實技術相比，全景圖增強地理現(xiàn)實不需要復雜昂貴的傳感器和信息獲取設備，借助于事先獲取的全景圖像，不用到達現(xiàn)場也可以完成空間認知的過程，便捷而且廉價。

2全景圖增強地理現(xiàn)實空間認知的基礎模型

按照地理尺度特征以及心理學相關理論，可以將空間分為圖形、街景、環(huán)境和地理空間4個層次[9]。全景圖是街景的一種，主要通過人體從一個觀察點改變視角感知空間信息。基于全景圖進行增強地理現(xiàn)實的空間認知范圍主要包括現(xiàn)實空間、全景圖像空間、地理數(shù)據(jù)空間和認知空間4個內容，經過數(shù)據(jù)獲取、信息表達、信息理解和解譯等多個過程，其基礎模型如圖1所示。

圖1　全景圖增強地理現(xiàn)實空間認知的基礎模型

在整個過程中，現(xiàn)實空間是空間認知的對象和數(shù)據(jù)源，通過拍攝拼接[10-15]和采集處理形成全景圖像空間和地理數(shù)據(jù)空間。兩者相融合，構成全景圖的增強地理現(xiàn)實平臺，在此過程中只形成數(shù)據(jù)，包括原始數(shù)據(jù)(原始影像)和經過處理的數(shù)據(jù)兩種(例如描述對象的屬性數(shù)據(jù))；在此基礎上，刺激人類的感知覺系統(tǒng)，經過數(shù)據(jù)加工，在認知空間中形成有用的地理信息；同時，根據(jù)某一方面的具體需求和已有的經驗，通過解譯和理解，在人類的大腦中可以形成現(xiàn)實空間的某種概念化縮影，這種縮影既包含原始空間的信息，又包含先前沒有的內容，即形成了知識。某種意義上，無論采用哪種工具，空間認知都可以統(tǒng)稱為用戶處理數(shù)據(jù)、提煉信息，最終形成知識的過程。在整個過程中，數(shù)據(jù)是對現(xiàn)實空間的客觀描述，它總是正確的。信息是對數(shù)據(jù)的處理再獲取，有可能是錯誤或者不準確的。空間認知的目的，就是從這些數(shù)據(jù)和信息中最大限度地獲取正確的知識，以便進一步提供合理的情報和決策。

3全景圖增強地理現(xiàn)實中的信息匹配

在基于全景圖的增強地理現(xiàn)實系統(tǒng)中，信息匹配是影響空間認知的主要因素。信息的有效性、準確性以及實時性等對用戶能否快速準確地獲取到感興趣的地理信息具有重要的影響。全景圖增強地理現(xiàn)實中的信息匹配主要包括比例尺匹配和位置匹配兩個方面。

3.1全景圖像和地理空間數(shù)據(jù)的比例尺匹配

比例尺是地理空間數(shù)據(jù)中的距離與實地距離的比值，直接影響數(shù)據(jù)的詳細程度[16]。基于全景圖進行地理現(xiàn)實增強，選擇合適比例尺的地理空間數(shù)據(jù)是首先需要考慮的問題。由于全景圖像是近景拍攝，包含的信息具體到單個建筑物的每個細節(jié)，小比例尺的地理空間數(shù)據(jù)不僅在定位精度上難以滿足要求，甚至可能找不到影像中包含的重要目標。同時，地理空間數(shù)據(jù)的比例尺也并不是單純的越大越好，過大的比例尺會導致計算量的增加，致使信息增強過程中數(shù)據(jù)獲取速度延遲，影響空間認知效果，而且還會造成采集成本的大幅度增加。全景圖像和地理空間數(shù)據(jù)的比例尺匹配，是在考慮全景圖像像素比例尺的基礎上，結合信息增強的目的，選擇合適的地理空間數(shù)據(jù)比例尺進行匹配。像素比例尺指的是圖像上單個像素能夠代表的實際距離。不同于正射投影，全景圖成像具有近大遠小的特點，單視點輻射范圍內的特征會匯聚到一點，因此全景圖像具有明顯的變比例尺特性：視點附近的物體表現(xiàn)的更詳細，像素比例尺偏大；遠處的物體表現(xiàn)概略，像素比例尺偏小。

最理想的地理空間數(shù)據(jù)應當包括全景圖中所有的目標特征，這些目標在地理空間數(shù)據(jù)中根據(jù)自身的像素比例尺可能表現(xiàn)出依比例尺、半依比例尺或是不依比例尺3種形式，即使全景圖中最小的目標，在地理空間數(shù)據(jù)中也應該能找到表述其一定屬性的點狀定位符號信息。實際上，根據(jù)空間認知的目的，并不需要對所有目標進行信息增強，一般僅對部分有價值的目標特征進行信息增強。假設以全景圖中最大目標為基元和以最小目標基元表示成點狀符號的地理空間數(shù)據(jù)的比例尺分別為1∶M1和1∶M2，則應該選擇1∶M(M∈(M1,M2))比例尺的地理空間數(shù)據(jù)作為增強信息的數(shù)據(jù)庫。當M趨近于M1時，說明僅能增強全景圖像中最重要的目標特征；當M趨近于M2時，說明其可以增強全景圖像中更多的目標特征。

3.2全景圖像和地理空間數(shù)據(jù)的位置匹配

全景圖像和地理空間數(shù)據(jù)的位置匹配是進行空間認知的基礎。全景圖是進行空間認知的直接對象，圖像的拍攝和拼接質量好壞直接決定人類的視覺感受效果，影響空間認知的功效。由于全景圖是近景成像，在與地理空間進行三維注冊時精度要求很高，相差一個像素值計算得到的實際地理坐標就可能相差很遠[17]，容易形成錯誤的屬性信息表達，嚴重影響人類的空間認知。而且，不同于普通圖像的三維重建，全景圖不能一次成像，需要通過圖像拼接和投影，更是加大了精確配準的難度。在這種情況下，借助依托地理空間數(shù)據(jù)形成的目標庫進行模糊配準，可以大大提高三維注冊的準確性，如圖2所示。

提取地理空間數(shù)據(jù)中全景圖表達的空間范圍內所包含的所有目標，形成目標庫；利用圖像分割原理[18]，在全景圖像中提取出有價值的特征單元。在此基礎上進行空間位置的模糊匹配：首先進行計算匹配。計算特征單元換算到地理空間中的近似范圍，并在目標庫中尋找地理坐標在該范圍內的目標，形成疑似特征集；然后進行二義性匹配。根據(jù)視點位置，計算其到疑似特征集中所有特征的距離，判斷遮擋關系，一般認為距離最短的為目標特征。

由此可見，地理空間數(shù)據(jù)的質量，即表達這些空間目標的位置、特征等屬性信息的準確性、一致性、完整性和三者統(tǒng)一性的程度，以及數(shù)據(jù)適用于不同應用的能力，也是影響基于全景圖進行地理現(xiàn)實增強過程中空間認知的一個重要因素。

4地理信息在全景圖上的表達

用于增強地理現(xiàn)實的信息(包括說明信息和屬性信息)在全景圖上的表達方式是影響用戶認知效果最直接的因素。全景圖中各種信息的表達類似于地圖注記，首先應該是明確對象的、避免二義性，同時應該注意所屬關系、清楚、避讓、美觀等基本原則[19]。不同于地圖中僅有幾種顏色的成圖模式，全景圖是對現(xiàn)實世界的真實反映，色彩豐富，信息表達時需要注意前后背景色差的比較。一方面，簡潔、明確的信息表達方式有助于人類快速準確地進行空間認知；另一方面，多種屬性共同標注地理現(xiàn)實的信息表達方式可以幫助人類從空間認知中獲取更多有價值的信息。因此，合理的取舍目標特征和適當有針對性地繪制屬性信息，用最簡潔的信息表達用戶最關心的內容，是在全景圖上進行信息表達的關鍵。對全景圖中的地理實體目標進行分類分級和地理空間數(shù)據(jù)中對照目標各種信息的等級劃分，是解決這一問題的有效途徑。基于劃分結果和認知目的，可以進行重點目標的重點加強，減少不必要的信息繪制，使空間認知更具有針對性。

4.1全景圖像中增強目標的選擇

增強目標的選擇是根據(jù)需求，選擇全景圖像中用戶最感興趣的目標進行信息增強。選擇的方式有兩種：①直接指定法。用戶具有明顯的空間認知對象，僅關心全景圖像中的某一個或某幾個目標特征，不需要對其他附屬特征進行信息增強。②間接判斷法。在沒有明確的空間認知對象的情況下，根據(jù)視覺心理學原理，將圖像上有可能影響觀察者興趣的因素進行重要度排序，并以此為標準確定目標的重要程度，這些因素主要包括亮度、大小、形狀、紋理、顏色以及方向等。在同等條件下拍攝時，其他幾個因素都可以簡化到大小這一主要因素上。同時，根據(jù)全景圖增強地理現(xiàn)實系統(tǒng)的應用場景，需要對可能會對其造成特殊影響的目標進行信息增強。例如，在進行車載導航時，可視范圍內的所有有價值的道路在目標選擇時的優(yōu)先級都可能高于路旁無關的建筑物。

4.2地理空間數(shù)據(jù)中增強信息的選擇

增強信息的選擇是根據(jù)需求，在地理空間數(shù)據(jù)中選擇用戶針對特定目標最感興趣的信息進行地理現(xiàn)實增強。地理空間數(shù)據(jù)庫中對各類目標的描述詳細程度不一，其描述的內容主要有幾何信息、屬性信息以及相互間的拓撲關系等3種，但涉及到的具體細節(jié)信息很多，以城市道路信息為例，主要屬性就有十幾個，沒有必要在全景圖像上全部標繪出來。在基于全景圖進行地理現(xiàn)實增強時，僅需增強最關鍵的信息即可，除了直接標繪用戶最感興趣的信息外，各種信息的等級劃分是解決這一問題的關鍵。仍以城市道路為例，根據(jù)用戶的關心程度，可以將其主要屬性分為四級：基本級僅包括道路的名稱；一級屬性包括駕駛員主要關心的車道數(shù)；二級屬性包含道路的單雙向和路面類型；三級屬性包括道路的里程、起止點以及車道寬等。根據(jù)道路目標在全景圖上呈現(xiàn)出的重要程度，選擇適合等級的屬性信息進行增強。在全景圖上越是重要的目標，增強的信息等級越高；不重要的目標特征一般僅需要增強其基本級的說明性信息即可。

5空間認知實驗與分析

圖3展示了3種不同認知工具對同一地區(qū)的表現(xiàn)形式。騰訊街景地圖代表了目前全景圖使用最為常見的一種方式，通過選擇二維矢量地圖上提前設置的興趣點為視點，展現(xiàn)其全景圖像，是一種實景地圖服務，可以使用戶獲得如臨其境的地圖瀏覽體驗，如圖3(a)所示。E都市是一種三維實景模型平臺，將場景中的主要對象通過建模進行展示，并標注了部分屬性信息，具有一定的真實感，是一種虛擬地理環(huán)境(VGE)平臺，如圖3(b)所示。圖3(c)是在騰訊街景上標注了一些屬性信息，形成了一種簡化的基于全景圖的增強地理現(xiàn)實(全景AR)平臺。

選取一定樣本的受訪者進行空間認知實驗，其中對該區(qū)域熟悉的受訪者和從未到過該區(qū)域的陌生者各10人，分別記為樣本A和樣本B。

實驗1目標識別

在進行目標識別對比實驗時，分別對“嵩山路”、“規(guī)劃委”以及“嵩陽飯店”3個目標進行識別，得到的結果如表1所示。

表1　3種工具目標識別的認知比較結果

注：平均時間指對識別出的單個目標花費的時間

圖3　3種地理信息平臺的空間認知比較

分析表1可以發(fā)現(xiàn)：①對于樣本A，街景地圖和全景AR的認知效率都比較高，優(yōu)于VGE系統(tǒng)。這是由于受訪者對周圍環(huán)境比較熟悉，而全景圖是對真實場景的實拍，根據(jù)用戶的記憶心象很快可以進行匹配。VGE系統(tǒng)中的對象經過了加工的簡化模擬，需要更多的先驗知識進行匹配進行目標識別時。同時由于標注了說明信息，全景AR在認知效率上遠優(yōu)于街景地圖。②對于樣本B，由于對周圍環(huán)境陌生，沒有形成先驗知識庫，僅依靠全景圖幾乎難以完成目標識別。VGE系統(tǒng)提供了部分信息可以幫助用戶完成目標認知，但是效果有限。借助于全景AR，用戶可以在相當短的時間內識別出所有目標，快速完成空間認知。

實驗2空間判斷

空間判斷包括單個地理實體的空間屬性及其周圍其他實體空間關系的判斷，主要進行地理實體形狀判斷和空間位置關系判斷兩方面的比較。地理實體形狀判斷是根據(jù)3種空間認知工具判斷“規(guī)劃委”和“嵩陽飯店”遠近兩個目標的具體形狀。空間位置關系判斷是以空間另一點為基礎，判斷該點分別到“規(guī)劃委”和“嵩陽飯店”兩個目標距離的比值，得到兩組樣本的正確率如表2所示。

分析表2可以發(fā)現(xiàn)：①在進行形狀判斷時，因為樣本A中的受訪者已經在心中形成了兩者的基本印象，正確率要高于樣本B。總體上VGE平臺的空間認知效果要好于兩種街景平臺，特別是對距離較遠處“嵩陽飯店”的判斷。②在進行位置關系判斷時，VGE平臺可以進行場景的拉近與旋轉，無論受訪者對場景是否熟悉，其正確率都遠高于另外兩種。由此可見，由于街景地圖和全景AR只能表示單個視點的范圍，認識空間明顯小于VGE，在進行空間判斷時具有明顯的不足。

表2　3種工具空間判斷正確率比較　%

按照相似方法進行其他方面的認知比較，得到結果如下：①在對空間單個對象進行認知時，因為進行了信息增強，全景AR可以獲得比另外兩種方式更加理想的效果，獲取更多的目標信息。②由于是對地理現(xiàn)實空間進行的有選擇性的模擬仿真，VGE能夠較為真實地表現(xiàn)認知空間，但又與真實世界有著明顯不同，很容易產生用戶的感覺不協(xié)調，造成空間認知的不適應。③街景地圖不能進行任何量測，VGE可以較為準確地獲取任何兩者間的距離和方位，全景AR可以進行部分量測，但是準確度不高，僅能進行簡單的分析。這主要由全景圖像與地理空間數(shù)據(jù)之間的三維注冊精度決定。

根據(jù)以上認知實驗結果，可以得到：全景AR技術有利于用戶的空間認知，特別是在用戶需要獲取當前可視范圍內具體目標的詳細信息時，可以達到理想的效果。同時疊加矢量地圖顯示當前位置，更有助于用戶空間方位的判斷，是街景地圖的一種升級。但其作為增強地理現(xiàn)實的一種簡化形式，在臨境感以及空間方位判斷等方面還有待加強，可以通過其他手段進行輔助。

6結束語

基于全景圖的增強地理現(xiàn)實平臺在智能交通、室內導航以及目標判斷等領域都有著巨大的應用前景，是人類認識地理現(xiàn)實空間發(fā)展的一種新工具。空間認知理論研究是進行認知工具開發(fā)的基礎，通過分析全景圖增強地理現(xiàn)實的空間認知理論模型以及相關影響因素和處理方法，體現(xiàn)了人在系統(tǒng)使用中的主導地位，有助于指導其涉及到的各種技術手段的改進，增強平臺的適用性。

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[責任編輯：劉文霞]

Spatial cognition by augmenting geographic reality based on panorama

JIA Fenli1,CHEN Lingyu1,SONG Guomin1,ZHANG Shituan2

(1.School of Surveying and Mapping,Information Engineering University,Zhengzhou 450001,China；2.Troops 61175,Zibo 255020,China)

Abstract：It is a new spatial cognitive tool that augmenting geographic reality and its spatial cognitive problems are the basis of the technology research.This paper introduces the main technology and advantages of augmenting geographic reality based on panorama and expounds the basic model of it.Then,this paper analyzes the information matching problems between panorama and geographic information,including scale and location matching,introduces the expression of geographic information in the panoramic,and solves the key problems including augmented target and attribute information.Finally,through the comparison of spatial cognition with street map and VGE,it gets the main scope of application,so which this platform has unique advantages for spatial cognition.

Key words：panorama；augmenting geographic reality；spatial cognition；information matching；information expression

中圖分類號：P208

文獻標識碼：A

文章編號：1006-7949(2016)04-0001-06

作者簡介：賈奮勵(1976-)，女，副教授，博士.

基金項目：國家自然科學基金資助項目(41101437，41371382)；國家863計劃資助項目(2013AA12A202)

收稿日期：2015-01-27；修回日期：2015-08-16