具有實時定位與增強現實能力的便攜式管線地理空間信息系統的設計與實現

黃華東，鄧曉紅，周亮，嚴建國，李冉，畢京學

(1.南京市城市地下管線數字化管理中心，江蘇 南京 210029； 2.中國科學院上海天文臺，上海 200030；3.中國礦業大學，江蘇 徐州 221116)

具有實時定位與增強現實能力的便攜式管線地理空間信息系統的設計與實現

黃華東1*，鄧曉紅1，周亮1，嚴建國1，李冉2，畢京學3

(1.南京市城市地下管線數字化管理中心，江蘇 南京 210029； 2.中國科學院上海天文臺，上海 200030；3.中國礦業大學，江蘇 徐州 221116)

基于iPad設計并開發了一套軟硬件相結合的管線信息系統，通過藍牙數據傳輸裝置將iPad與GNSS接收機相連接，借助CORS完成高精度實時定位，通過iPad攝像頭獲取所在位置實際影像并投射在顯示屏幕中，利用移動網絡調取管線數據庫服務器中對應的周圍管線平面位置、埋深、高程、材質、權屬單位等詳細屬性，以綜合管線圖的方式疊加在顯示屏幕中，在設置了各圖層及實時位置點的關系與透明度之后，實現了增強現實的效果。該系統可在實時定位與增強現實的基礎上實現管線信息的查詢、統計、長度量算、面積量算等功能。

管線；移動終端；實時定位；增強現實

1 引 言

城市管線作為輸送能量、傳遞信息和排污減澇等功能的重要載體，是城市基礎設施的重要組成部分，是城市賴以生存和發展的基礎[1，2]。然而，城市的快速發展使城市管線變得更加錯綜復雜，由于城市管線絕大多數埋設在地下，處于“看不見摸不著”的狀態，因此經常出現由現場挖掘施工等原因導致的路面塌陷、管線泄漏爆炸、馬路拉鏈等問題和現象[3]。因此，本文基于iPad設計開發了一套軟硬件相結合的管線地理空間信息系統，由GNSS接收機、iPad、藍牙數據傳輸裝置、服務器和移動通信網絡組成，充分利用了移動終端易攜帶、處理性能強、擴展性好的優勢，連接GNSS接收機及CORS網絡解決了現有移動終端定位精度差的問題，通過移動通信網絡獲取管線數據庫中相應位置的管線平面位置、埋深、高程、材質和權屬等信息，以攝像頭采集的實際影像為現實場景進行增強現實處理，可實現管線信息的查詢、統計、長度和面積量算等功能，通過實際影像與虛擬管線圖的結合，以更為直觀的方式展示了所在位置周圍地下管線詳細分布與屬性。

2 系統體系結構

該系統主要由運行支持層、數據層、傳輸層、感知層和應用層五部分組成(體系結構如圖1所示)[4，5]。運行支持層是該系統搭建的基礎，包括施行的管線數據標準和探測技術規范，iOS操作系統以及基于ArcGIS Desktop、ArcGIS Server、Oracle、Windows Server、Microsoft.Net Framework、SilverLight開發的地下管線地理空間信息系統(PC端)、管線數據庫、管線服務器；數據層中的現狀及歷史管線數據庫通過地下管線探測普查、動態維護(竣工測量匯交、現場巡查等方式)、地形圖提取及數據融合等方式獲得，地形數據庫通過地形圖測繪獲得[6]；傳輸層為該系統運行使用的數據傳輸方式，主要包括GNSS接收機與CORS網之間、移動終端與管線服務器之間的移動網絡，GNSS接收機與藍牙數據傳輸裝置之間的數據線以及藍牙數據傳輸裝置與移動終端之間的藍牙通信；感知層包括移動終端集成的攝像頭、陀螺儀和觸摸屏等，可實現實時影像的獲取與展示，移動終端姿態的判斷與各種操作的互動；該系統以Xcode工具進行開發，實現了應用層中底圖顯示、管線屬性查詢、長度量算、距離量算、藍牙設置等功能，管線信息查詢界面如圖2所示。

圖1 系統體系結構

3 高精度實時定位

現有移動終端的定位方式主要有移動基站定位、A-GPS定位、Wi-Fi定位或者通過本身GPS模塊進行定位。移動基站定位精度在百米或千米級；Wi-Fi定位只能在具有熱點的區域進行，適用于室內定位，技術也未完全成熟；移動終端內置GPS模塊定位或A-GPS定位精度也只能在十米級；各廠商定制的工業級平板雖然對GPS模塊與算法進行改進，但是由于設備便攜性的限制，定位精度也不理想。隨著對定位精度要求的不斷提高，我們可以借鑒測繪中利用GNSS接收機接收到的GPS星歷結合發播的差分改正數信息，實現高精度實時定位[7，8]。利用GPS進行定位，就是根據已知的衛星軌道信息和用戶的觀測資料，通過數據處理來確定接收機的位置，在實際操作中，通過接收機接收到GPS廣播星歷，同時接收地面利用廣泛分布的CORS網數據的解算星歷改正數，結合星歷及其改正數便能夠大幅提高定位精度。基于該原理現開發了一種GNSS接收機串口轉藍牙數據傳輸裝置，用于將GNSS接收機中數據通過串口輸出到該裝置，再以藍牙通信方式傳輸到移動終端中。定位信息的傳輸流程如圖3所示，首先將接收機設置為串口輸出GGA數據，接入CORS網開始測量，通過接收到的衛星星歷及CORS網解算的差分改正信息解算出高精度坐標，接收機會通過串口與連接的數據線將坐標數據傳輸至藍牙數據傳輸模塊，最后以藍牙通信的方式將坐標數據傳輸至已經配對的移動終端。通過此方法，解決了移動終端定位精度差的問題，使便攜式移動終端定位精度達到專業測繪儀器同等精度的水平。

圖3 定位信息傳輸流程圖

本文設計的高精度實時定位框架如圖4所示：其中1為全球定位導航系統的空間部分，發送用于導航定位的衛星信號；2為全球定位導航系統的控制部分，用于監測和控制衛星運行，解算衛星星歷；3為CORS系統的地面參考站，負責采集導航衛星觀測數據并傳輸至數據處理中心；4為CORS系統的數據處理與控制中心，在接收參考站數據后進行處理，實時向用戶提供載波相位、偽距、改正數等信息；5為GNSS接收機，用于測量所在位置點的高精度位置坐標；6為串口轉藍牙數據傳輸裝置，用于將高精度坐標傳輸至便攜式移動終端；7為所測管點或管線；8為便攜式移動終端，配合攝像頭、陀螺儀等硬件獲取所在位置的實際影像；9為管線數據庫及服務器，用于向移動終端發送所在位置的管線地理空間信息。

圖4 便攜式移動終端高精度實時定位框架圖

4 增強現實的實現

移動終端一般具有攝像頭、陀螺儀、顯示器、高性能處理器等硬件配置，具備了增強現實技術開發所具備的條件。增強現實通過虛擬場景與現實場景的疊加，可以使關注的信息更直觀地展現出來，帶來全新的用戶體驗。為實現增強現實的顯示效果，本文將獲取的實際影像顯示在屏幕中，形成動態影像層，作為現實場景。在獲取高精度實時坐標后，以點的形式將所在位置顯示在屏幕中；調取管線數據庫中對應位置的管線數據后，以管線圖的方式疊加顯示在屏幕中，形成綜合管線信息層，作為虛擬場景。通過調節各圖層的關系與透明度，使虛擬場景疊加于實際場景之上，最終形成增強現實的顯示效果。界面圖層設計如圖5所示。

圖5 增強現實效果界面圖層設計

5 實驗案例

該系統可在高精度實時定位與增強現實效果的基礎上進行管線信息的查詢，長度量算，面積量算等操作。實際效果如圖6所示，圖中展示了所在位置的管點信息，周圍地下管線的分布、走向與詳細屬性(有三條污水管道與污水窨井相連接，點擊相應管線可查詢管線的起點埋深、終點埋深、起點高程、終點高程等信息，如圖2所示)。

圖6 增強現實效果展示

6 結論與展望

該系統可替代現有利用紙質圖紙進行現場勘測的作業方式，自動定位、自動調取管線圖與屬性，并通過增強現實效果顯示的方式具有直觀、準確、快捷、高效的顯著優勢[9]。在管線施工建設時使用，可減少挖斷、碰斷地下管線的情況。該系統也可為管線的新改建、管線規劃、管線管理、管線養護、管線巡查、輔助決策、城鄉建設、應急救援等領域提供管線信息保障。

專業測繪儀器的引入，使得便攜式移動終端可真正應用在測繪領域之中。配合軟件的開發，在地籍測量、地形圖測繪、水準測量、管線探測等工作中，可將測繪儀器采集的數據傳輸到移動終端實時進行處理，優化現有測繪的流程，減輕工作強度，提高工作效率，實現內外業一體化作業。利用移動終端的移動通訊功能，與服務器進行數據傳輸，服務器實時進行處理與存儲，實現測繪作業的云計算與云服務。

[1] 丁鵬輝，李志剛，董紹環等. 城市地下管線信息系統關鍵技術研究[J]. 測繪通報，2015(11)：92～95.

[2] 畢天平，周京春. 昆明三維地下管線系統應用與研究[J]. 測繪通報，2014(2)：93～96.

[3] 王冠. 基于Android系統和手機平臺的增強現實的研究與應用[D]. 北京：北京工業大學，2012.

[4] 周國眾，夏青. 移動位置服務中增強現實技術的應用[J]. 測繪工程，2012(5)：63～68.

[5] 尹志永，沈飛飛，徐運等. 基于iPad的管線數據采集系統設計與應用[J]. 測繪與空間地理信息，2013(3)：83～85.

[6] 郭鵬，夏吉祥，王超. 基于Android平臺的地下管線數據移動采集軟件設計與實現[J]. 地理信息世界，2014(4)：74～77.

[7] 畢京學，甄杰，郭英. Android手機GPS和A-GPS定位精度分析[J]. 測繪通報，2016(7)：10～13.

[8] 畢京學，郭英，張鼎凱等. 基于CORS的高精度實時坐標轉換方法探究[J]. 測繪科學，2015(1)：98～101.

[9] 盧清超，宋智麗. 基于PDA+GPS的地下管線采集系統設計與實現[A]. 江蘇省測繪學會2007學術年會論文集[C]. 2008.

[10] DB 3201/T 257-2015. 南京市管線數據標準[S].

[11] DB 3201/T 258-2015. 南京市管線探測技術規程[S].

Design and Implementation of a Mobile Pipeline Information System with Real-time Positioning and Augmented Reality

Huang Huadong1，Deng Xiaohong1，Zhou Liang1，Yan Jianguo1，Li ran2，Bi Jingxue3

(1.Nanjing Underground Pipeline Data-Managing Center，Nanjing 210029，China； 2.Shanghai Astronomical Observatory，Chinese Academy of Sciences，Shanghai 200030，China； 3.China University of Mining and Technology，Xuzhou 221116，China)

This paper designed a pipeline information system based on iPad platform. The system connects the iPad and the GNSS receiver via bluetooth to accomplish high precision real-time positioning by combining CORS. In practice，it can provide images through iPad camera and retrieves the detailed pipeline information such as location，cover depth，elevation and ownership from database server by mobile network，and all the images and information layers can overlay in one data frame and enhance the reality by setting the transparency and points of interests. In general，the system is not only equipped with basic functions of GIS in iPad， real-time positioning，and augmented reality，but also provide the possibility to obtain the query、Statistics、length measurement、area measurement of pipeline informations.

pipeline；mobile terminal；real-time positioning；augmented reality

1672-8262(2017)02-46-04

P208.2

A

2016—11—08

黃華東(1988—)，男，科員，助理級職稱，主要從事地下管線地理空間信息的獲取、整理與應用。