基于全景影像的測繪控制點尋點系統研發

黃　鶴，楊軍星，邱冬煒，趙　焰，姜　浩

(北京建筑大學測繪與城市空間信息學院，北京 102616)

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基于全景影像的測繪控制點尋點系統研發

黃鶴，楊軍星，邱冬煒，趙焰，姜浩

(北京建筑大學測繪與城市空間信息學院，北京 102616)

如今測繪地理信息行業蓬勃發展，基礎測繪數據的使用與管理存在很大問題，各大測繪局售給用戶的控制點的地理跨度往往很大，尋找控制點會消耗較多時間，控制點點之記數據難以具有時效性，現有的導航軟件坐標系與控制點的坐標轉換參數未知，用其導航不盡滿意。本文基于全景影像開發了服務器端和手機端應用相結合的控制點尋點系統，使用PostgreSQL管理數據，利用手機的多種傳感器，實現了控制點精確、快速導航，結合全景影像的優秀可視化效果使導航具有更好的用戶體驗。

全景影像；智能手機；最近點算法；控制點導航

測量控制點在城市測繪、空間技術、項目工程中是非常重要的基礎數據，是國民經濟的命脈。控制點往往埋設到視野開闊的位置，控制網更要覆蓋整個項目區域，導致分散且不易查找。如今的點之記也只是粗略記錄大概位置，控制點之間的地理跨度往往很大，隨著時間的推移，點之記的標志也會逐漸模糊以致消失，致使控制點的尋找更是難上加難，給測繪工作帶來了很多不必要的麻煩，浪費了許多寶貴時間。全景影像作為由相機直接拍攝并拼接而成的影像數據，可以360°自由查看某一地點任何方位的場景，在可視化方面可以說最接近實際場景。而如今的各大地圖廠商顯然沒有將全景影像在導航領域的作用發揮出來，只是作為街景來提供一些景觀瀏覽。而如今智能手機已相當普及，如果將全景影像與導航結合，由此形成一個全新的導航系統并應用到智能手機的話肯定會有其用武之地，在尋找控制點過程中可以提供重要的參考依據，實現控制點的快速、精確導航，也會為測繪工作節省很多不必要的時間，提高工作效率。

一、技術和方法

1. 全景相機

因為控制點作為基礎數據，提供精度控制的作用，在一個項目中數據量很小，在空間位置上是一個個獨立的分散點，所以不需要像Google、百度街景那樣一米一個場景，需要測量車來專門進行數據采集，一個簡易的便攜全景相機就可以滿足要求。目前主流的數碼全景相機的成像方式基本分為三大類:折射式多鏡頭組合、折反射系統和旋轉式掃描系統。多鏡頭組合型全景相機由一系列獨立、固定的鏡頭組成，由多個相機拍攝不同方向的影像，再利用軟件拼接為全景影像，該類型相機如LADYBUG等，作為車載相機可以配套GPS、INS的定位系統，拍攝全景的同時可以測得坐標。控制點一般位于視野開闊的地方，如山頂、山丘等，因此需要便攜式全景相機，現今的設備有如谷歌的背包Cartographer，單反相機與旋轉臺的組合等。

本文的全景相機由6個不同朝向的GoPro運動相機組裝而成，拍攝6張影像，使PTGui軟件投影拼接，形成等距圓柱投影，最后使用Krpano全景制作插件進行分割、加工，制作出全景網頁放到服務器或本地分享瀏覽，當尋找控制點的過程中設置一個距離閾值，接近控制點時會自動報警并顯示控制點的全景，為尋找控制點提供依據(如圖1所示)。

2. 控制點全景拍攝

為方便導航需要在控制點周圍拍攝全景為導航提供依據，在距離控制點一定的范圍內拍攝全景，根據用戶不同需求與控制點所在的環境設定相應的閾值、方向、全景數量等，但應滿足一定的規則。如埋設地點應有一張全景，控制點的四周在有道路的方向設定距離閾值，每60°拍攝一張全景，有房屋的方向可以不用拍攝，因為尋找控制點的過程中根本不會經過。如圖2所示。

圖1　全景相機與全景影像

圖2　全景拍攝示例

3. 陀螺儀與方向傳感器

為了用戶更好的體驗，打開全景時的指向應與手機的朝向相一致，手機轉動時全景應轉動相同的角度。如今的智能手機配備有多種傳感器，如陀螺儀、方向傳感器、GPS接收器、磁傳感器等。利用這些傳感器可以方便地控制全景的起始方向、旋轉，為了使用戶打開全景時其方向必須和用戶手持手機的方向相同，首先通過磁傳感器獲取用戶相對于北方向的朝向，然后將全景旋轉到與用戶相同的方向。具體做法是將全景的零方向與北方向重合，在全景中利用手機磁傳感器獲取手機朝向相對于北方向的方位α，最后將全景旋轉α即可。

垂直方向的視野可以通過方向傳感器來獲取，然后旋轉相應角度即可，并結合陀螺儀使用戶旋轉手機的同時，全景也相應地跟著旋轉。此功能也可以用到古建筑遺址保護、工程建設、景區保護中，可以360°檢測同一地點、同一場景隨時間的變化。如在某條舊街拆除之前，對其進行全景拍攝，含有指南針和陀螺儀信息；重建后，可根據GPS位置找到之前的拍攝點，然后實現不同時空的互動。即使用者在之前拍攝的位置轉動身體，同時看到真實世界和設備中的過去世界在相同位置的影像。如果加上谷歌立體紙盒功能則體驗更加豐富。

二、系統研發

1. 最近全景搜索

用戶手持移動設備進行導航時，需要實時監聽用戶位置并標注在地圖上。天地圖SDK的OverLay類提供了onLocationChanged方法可以實時監聽用戶位置并作出響應。當手機位置發生改變時立即搜索最近點全景顯然沒有必要，還會增加運算量，耗費移動設備電量，這對移動設備來說顯然不適用，因此需設置一個導航效果選項，根據導航效果的高低來設置位置移動大小并搜索最近點，或者手動搜索。

目前主流的最近點算法如GeoHash、B樹索引等針對海量數據可以大大減少運算量，提高效率，顯然對于擁有海量數據大型控制點系統是很有必要的。但基層控制點的數量是很有限的，每個全景周圍全景數目不超過10個，用戶購買的控制點更少，顯然對于如今配置過剩的移動設備來說這點運算量微不足道，復雜的算法更沒必要，因此采用遍歷的算法來搜索最近點。具體流程：獲取當前位置p，min S設為最小值變量，全景位置序列為list，初始值min S=S(p,p0),作遍歷循環求出最近點全景ID。

2. 數據組織

控制點點之記在原有數據的基礎上添加全景影像及其位置屬性，方便查詢，為了保證數據的安全性，采用RSA不對稱加密算法，保證用戶購買的控制點數據安全傳輸。數據結構見表1。

表1　點之記數據結構

3. 系統架構與功能實現

總體架構分為兩部分:移動端和服務器端。服務器端總體架設在阿里云ECS，分3大模塊，分別為API、應用門戶站點管理、數據中心庫，用戶管理(包括權限、用戶基本信息)，測繪成果數據批量導入導出、數據編輯(插入、刪除、更新、地圖標記、全景錄入、影像錄入)等。移動App主要分6個模塊，主要用于數據的查詢和控制點的導入導出、控制點路線導航，實現控制點的快速、精確導航，如圖3所示。

三、結論與展望

由于現今導航軟件坐標系與地理坐標系的不統一，點之記給出的坐標又是粗略坐標，控制點的使用、尋找非常困難。針對此問題，測尋控系統充分發揮全景影像的優勢，結合傳統導航，在控制點管理、全景導航方面取得非常大的成功，解決了當下控制點使用過程中遇到的問題，提高了測繪工作效率，為信息化測繪提供了寶貴的經驗。隨著科技的發展，全景影像作為一種新的數據，將得到廣泛應用，與傳統測繪相結合，相信在將來的信息化測繪中將占據一席之地。

圖3　系統架構與App導航

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Research and Development of Surveying and Mapping Control Point Location Tags System Based on Panoramic Image

HUANG He，YANG Junxing，QIU Dongwei，ZHAO Yan，JIANG Hao

10.13474/j.cnki.11-2246.2016.0272.

2016-05-25

北京建筑大學校級實踐教學專項基金(J13-11)；校級教育科學研究項目(Y11-29)；住房和城鄉建設部科技計劃項目(2015-K8-050)

黃鶴(1977—)，男，博士，講師，研究方向為地球形狀及重力場,室內導航定位技術及其應用等。E-mail: huanghe@bucea.edu.cn

P208

B

0494-0911(2016)08-0118-03

引文格式：黃鶴，楊軍星，邱冬煒,等.基于全景影像的測繪控制點尋點系統研發[J].測繪通報，2016(8)：118-120.