城市地理信息系統(tǒng)中的全景地圖技術(shù)研究

應(yīng) 蕾

浙江省第一測繪院，浙江杭州 310012

隨著我國科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展和進(jìn)步，數(shù)字化的時(shí)代已經(jīng)到來，而城市地理信息系統(tǒng)中的全景地圖技術(shù)就是利用數(shù)字化的科技手段來實(shí)現(xiàn)平面數(shù)字圖像向三維立體空間轉(zhuǎn)換的一種高新科技，能夠給用戶帶來一種真實(shí)性、立體性的擬真交互性體驗(yàn)。全景地圖技術(shù)研究是一種融合數(shù)字圖像處理技術(shù)、空間定位技術(shù)、數(shù)字電路以及互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)于一體的綜合性學(xué)科研究，其目的就是要實(shí)現(xiàn)二維技術(shù)向三維全景與二維地圖的結(jié)合，為人們的生活和出行提供便利條件。

1 城市信息系統(tǒng)中全景地圖體驗(yàn)的好處

1.1 真實(shí)性

在城市地理信息系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)全景地圖技術(shù)研究，用戶只要打開地圖，就能實(shí)現(xiàn)全景瀏覽，能夠利用全景地圖找到城市的各個(gè)景點(diǎn)、酒店、商場，而且非常的真實(shí)和清晰，這樣用戶就可以根據(jù)自己的需要在地圖上漫步，在真實(shí)的體驗(yàn)中展示自我，各取所需。

1.2 立體性

全景地圖技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)景觀的立體感，讓用戶通過地圖來實(shí)現(xiàn)一種圖中暢游的感覺，能夠把城市的各種信息以擬真的形式出現(xiàn)，用戶可以跟著前進(jìn)的箭頭，緩緩步行在城市街道中，而且對(duì)于自己所需要的景點(diǎn)信息還能夠進(jìn)行角度的轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)360°全方位的全景景觀，而且在這種視角的轉(zhuǎn)換中還能夠搜索到每個(gè)細(xì)節(jié)，并能放大。假如你想住酒店，就可以利用全景地圖走進(jìn)酒店、查看餐廳、室內(nèi)環(huán)境以及各種布局、陳設(shè)，讓用戶足不出戶就能達(dá)到立體化的查詢，既快捷又方便，即使是對(duì)于一座陌生的城市，即使是“路癡”也不會(huì)迷路。

2 城市信息系統(tǒng)中全景地圖技術(shù)的現(xiàn)狀分析

雖然城市地理信息系統(tǒng)中全景地圖技術(shù)的應(yīng)用為人們提供了更加方便和全面的路程條件，但它在我國的發(fā)展較晚，其全景技術(shù)也是在近年來才得到重視和關(guān)注的。在整個(gè)全景地圖的研發(fā)過程中，有兩項(xiàng)關(guān)鍵性的技術(shù)是不容忽視的，即全景技術(shù)和電子地圖發(fā)布技術(shù)。簡單的說，全景技術(shù)就是攝影技術(shù)的一次升華，是對(duì)于圖像虛擬技術(shù)的一次防真性進(jìn)步，實(shí)現(xiàn)了二維攝影技術(shù)的真實(shí)性的二維效果。在我們傳統(tǒng)的攝影技術(shù)中是無法實(shí)現(xiàn)360°全角度的三維效果的，而全景技術(shù)則是在傳統(tǒng)攝影技術(shù)的基礎(chǔ)上運(yùn)用電子地圖的設(shè)計(jì)，數(shù)據(jù)庫建設(shè)以及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的輔助，來實(shí)現(xiàn)全景技術(shù)的開發(fā)和研究。而電子地圖發(fā)布技術(shù)則是在對(duì)各個(gè)地圖圖塊進(jìn)行拼接、切割等等處理之后，再根據(jù)各個(gè)用戶的需求來進(jìn)行地圖的預(yù)生成，最后根據(jù)用戶的請求來進(jìn)行拼接而實(shí)現(xiàn)。

當(dāng)前應(yīng)用最為廣泛的全景地圖系統(tǒng)采集設(shè)備主要有Ladybug系列產(chǎn)品，它是由Point Grey公司研制的，還有一種就是Dodeca 2360產(chǎn)品，這是由Zmmersive Media公司研發(fā)的。其中Ladybug可以實(shí)現(xiàn)水平方向以及頂部多個(gè)圖像的傳感功能，達(dá)到多幅圖片同時(shí)采集，但它在圖片采集過程中也存在著很大的弊端和不足之處。比如說，場景采集的不全面性、拼接效果不佳以及重疊區(qū)域較少，尤其是底部圖像無法得到顯現(xiàn)更是其最大的缺點(diǎn)之所在。而Dodeca 2360產(chǎn)品與Ladybug相比較，其采集圖像的效果更好、質(zhì)量更高，并且還能夠?qū)崿F(xiàn)全景視頻輸出功能，但它的價(jià)值卻非常的昂貴，而且還無法實(shí)現(xiàn)與空間數(shù)據(jù)的一體化處理及發(fā)布。

3 全景地圖技術(shù)的深入研究

3.1 對(duì)采集器的研究

全景采集器是由數(shù)碼相機(jī)、時(shí)間同步器、接收機(jī)以及護(hù)罩構(gòu)成的。要想達(dá)到全景技術(shù)的數(shù)據(jù)采集，就必須要依靠采集器來實(shí)現(xiàn)，所以說全景采集器是全景地圖技術(shù)中的核心部分。但是全景采集器的缺點(diǎn)就是其圖像傳感器成像點(diǎn)相距的非常近，特別適用于短線的攝影及測量采集工作，而對(duì)于全景地圖技術(shù)中的景點(diǎn)、街道等區(qū)域的景物拍攝，因?yàn)楣ぷ髁看螅杉男畔⒘恳卜浅６唷Ｔ趯?duì)于采集器的設(shè)計(jì)方面就要進(jìn)行全面的考慮，比如說對(duì)于那些攝影路線較長的景點(diǎn)可以在設(shè)計(jì)上采用拼接的效果，而且為了更進(jìn)一步提高所拍攝景物的GPS信號(hào)，還可以添加相應(yīng)的加速計(jì)或陀螺儀等設(shè)備。如果是車載的采集器進(jìn)行全景地圖采集工作，就必須要滿足一些特定的條件要求：一是水平視域角度的要求。其全景相機(jī)的拍攝水平視域角度之和必須要大于360°，而且兩個(gè)相鄰的相機(jī)之間還要保證留有重疊的區(qū)域，以保證畫面的完整性。二是垂直角度的要求。全景相機(jī)的垂直拍攝角度要達(dá)到180°，這樣才能拍攝到全方位的景觀。三是相鄰相機(jī)要求的視角之關(guān)必須要相等。四是接收機(jī)的位置要處于相機(jī)的焦點(diǎn)重心之位。五是采集器必須要能夠有效的防震和防抖，這樣才能保證拍攝畫面的清晰度。比如說在進(jìn)行全景的拍攝過程中，為了達(dá)到其180°的垂直拍攝效果可以采用魚眼鏡頭來作為全景圖像的采集器，因?yàn)轸~眼鏡頭比普通鏡頭的廣角更大，更有利于全景技術(shù)的實(shí)現(xiàn)。

另外，時(shí)間同步器和控制系統(tǒng)更是實(shí)現(xiàn)全景技術(shù)的重要保障，它不但可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)與GPS定位數(shù)據(jù)的一致性，而且還能夠綜合利用網(wǎng)絡(luò)時(shí)間來實(shí)現(xiàn)各項(xiàng)技術(shù)的同步進(jìn)行，達(dá)到全景地圖技術(shù)的有效性。具體來講，一是要為全景圖像采集實(shí)現(xiàn)時(shí)間的統(tǒng)一性。這就要求在其C/S的設(shè)計(jì)上入手，要在局域網(wǎng)布置一臺(tái)時(shí)間服務(wù)器，并利用串口數(shù)據(jù)通信來獲取時(shí)間信息，這樣才能保證采集設(shè)備時(shí)間的準(zhǔn)確性。二是要實(shí)現(xiàn)全景圖像采集的同步性，可以利用多線程技術(shù)進(jìn)行全景圖像的采集程序編寫。三是為了實(shí)現(xiàn)固定時(shí)間間隔時(shí)全景數(shù)據(jù)采集的不間斷性，可以采用系統(tǒng)所提供的一種高精度的定時(shí)器，這種定時(shí)器誤差只有1ms，既保證了數(shù)據(jù)的采集質(zhì)量，也提高了數(shù)據(jù)采集的效果。而且這種定時(shí)器還可以設(shè)置時(shí)間間隔點(diǎn)，達(dá)到景觀與位置的對(duì)應(yīng)性。

3.2 全景地圖技術(shù)中的拼接研究

全景技術(shù)從根本上講就是一種把圖像進(jìn)行虛擬以后實(shí)現(xiàn)全景圖片庫的拼接。當(dāng)前所采用的鏡頭大多都是魚眼鏡頭，它不但可以實(shí)現(xiàn)大視角的拍攝，而且還能夠使拍攝的圖像更加的清晰。把全景圖片進(jìn)行無縫拼接之后，再投影到相應(yīng)的多面體上，如果這時(shí)視點(diǎn)就是多面體的中心點(diǎn)，那么在這個(gè)點(diǎn)所能夠看到的景觀就是它的真實(shí)場景。全景圖像的拼接過程主要是由選取圖像序列的獲取、投影模型的選取、圖像配準(zhǔn)以及圖像整合四個(gè)流程。其中投影模型的選取與網(wǎng)絡(luò)環(huán)境和全景應(yīng)用特點(diǎn)相關(guān)。

4 全景地圖的信息處理及系統(tǒng)發(fā)布研究

4.1 數(shù)據(jù)處理分析

全景地圖的數(shù)據(jù)分析在整個(gè)全景地圖技術(shù)中起著非常重要的作用，它首先要制定全景圖像和空間定位數(shù)據(jù)，以達(dá)到與電子地圖的規(guī)范性對(duì)接，而且還要保證數(shù)據(jù)處理過程中算法設(shè)計(jì)的合理性，確保各個(gè)數(shù)據(jù)的匹配性。其數(shù)據(jù)的處理流程通常為：一是要進(jìn)行圖像拼接，只有實(shí)現(xiàn)全景圖片的無縫拼接，才能令地圖技術(shù)更具有完整性，這就要求相鄰圖像的重疊性一定要好，因?yàn)樵趫D形拼接時(shí)就是要通過這些重疊部分的相同性來確定他們的具體位置的。二是進(jìn)行GPS數(shù)據(jù)的內(nèi)插工作。可以運(yùn)用計(jì)算運(yùn)載工具的方向和速度對(duì)GPS數(shù)據(jù)進(jìn)行內(nèi)插。但是如果沒有安裝慣導(dǎo)設(shè)備，就只能采用線性內(nèi)插法來進(jìn)行處理了。三是要對(duì)GPS數(shù)據(jù)進(jìn)行再匹配。因?yàn)樵谶M(jìn)行拍攝的過程中很可能會(huì)遇到各種意外情況或紅綠燈現(xiàn)象，這就需要對(duì)內(nèi)插后的數(shù)據(jù)進(jìn)行抽稀，保留全景圖像所需要的文件。四是進(jìn)行視角的計(jì)算，因?yàn)槿暗貓D的拍攝過程通常都是沿著道路的方向前進(jìn)的，但用戶的需求卻并不是如此的單一，只有計(jì)算出視角的正切值，才能滿足用戶的需求。五是當(dāng)出現(xiàn)道路交叉情況時(shí)，為了保證全景的真實(shí)性效果，就要對(duì)這些交叉路口進(jìn)行單獨(dú)的計(jì)算。六是要達(dá)到全景圖像投影到多面體內(nèi)部的目的，就要將圖像進(jìn)行鏡像的變換。

4.2 系統(tǒng)分布分析

在全景地圖系統(tǒng)制作完畢之后，用戶就可以進(jìn)行全景式的瀏覽與觀察，其發(fā)布軟件的設(shè)計(jì)流程見圖1。

圖1 全景地圖系統(tǒng)設(shè)計(jì)

5 結(jié)語

總而言之，城市地理信息系統(tǒng)中全景地圖技術(shù)的研究已經(jīng)成為近年來城市發(fā)展的一個(gè)熱點(diǎn)，它不但可以實(shí)現(xiàn)圖像虛擬現(xiàn)實(shí)的技術(shù)，而且還能夠?yàn)槿藗兊纳詈统鲂袔砗艽蟮谋憷麠l件，并且能夠?qū)崿F(xiàn)政府部門對(duì)道路養(yǎng)護(hù)、城市規(guī)劃等方面的管理，實(shí)現(xiàn)城市面貌的改變，成為為人民服務(wù)的一個(gè)有利工具。

[1] 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.

[2] 黃超杰. 城市地理信息系統(tǒng)中的全景地圖技術(shù)[J]. 城市地理，2017（4X）.

[3] 周平. 城市地理信息系統(tǒng)中若干問題研究[D]. 大連理工大學(xué)，2004.