地理國情AR“紙智圖”的研究與實現

王曉慶，丁鵬輝，劉祥明，楊 燕，王 瑋，李顏伶

（1.青島市勘察測繪研究院，山東 青島 266033；2.自然資源部地圖文化與創意工程技術創新中心，山東 青島 266033；3.青海省地理信息中心，青海 西寧 810001；4.青海省地理空間信息技術與應用重點實驗室，青海 西寧 810001）

第一次全國地理國情普查首次對我國陸地國土范圍內的地表自然和人文地理要素進行了普查，獲取了由12個一級類、58個二級類和135個三級類共2.6億個圖斑構成的海量地理國情數據，初步摸清了我國地理國情家底，為開展常態化地理國情監測奠定了基礎[1]。本次普查數據成果種類多、形式多樣、數據量大，如何有效利用這些數據成果，提升地理國情信息對政府、企業和公眾的服務能力，成為當前迫切需要探討的問題[2]。

傳統紙質地圖作為地理信息的載體和重要的測繪成果，具有總覽性強、便于攜帶、無需外設等優點，但與電子地圖等新型地圖相比，紙質地圖存在諸多缺陷：受幅面限制，信息載負量有限；更新周期長，一經出版不可更改；靜態的信息呈現方式缺乏交互和動態效果[3]。在互聯網等新技術的沖擊下，傳統紙質地圖市場受到很大影響，如何迎接挑戰、開拓創新，也亟待研究與探索。

本文提出“地圖+增強現實（AR）”的模式應用于地理國情普查成果應用創新，努力推進傳統紙質地圖與科學新技術的跨界融合，符合“十三五”國家戰略性新型產業發展規劃的要求。為了真正實現地理國情普查數據服務于政府、企業和公眾的目標，同時探索傳統紙質地圖的轉型升級，本文開展了地理國情AR紙智圖的研究和建設工作。

1 研究內容與工作思路

1.1 研究內容

“紙智圖”即以紙質地圖為載體，利用圖像識別、智能碼識別、電路感應等科技手段，以虛實融合、紙電互動、點觸發聲等多種方式實現紙質地圖與計算機、手機等各種終端的互通功能，達到“紙”與“智”的交互融合。紙智圖拆除了橫亙在紙圖與數據內容之間的屏障，使紙圖和數字內容真正融為一體，提升紙圖的表現力和適用性，本文的研究工作即屬于紙智圖中的AR系列地圖產品。

本文致力于研究并總結一套地理國情AR紙智圖關鍵技術體系，采用“地圖+AR”的模式，建設融合增強現實、地理信息、多媒體等多種技術于一身的科技地圖產品，并以青海省為例探索國情專題數據和地理標識在配套紙圖上的表達方法和制圖特點，研究國情多源數據在虛實融合場景中的綜合表達和可視化技術，形成地理國情普查成果應用的新模式、新方法。

本文建設的地理國情AR紙智圖系統包括配套專題地圖和APP兩個部分，國情專題地圖作為媒介，移動端APP將各類普查監測數據、地理信息框架數據、統計分析數據通過一圖關聯，實現各種信息資源的聚合。用戶隨手一拍，即可看到國情信息以虛實融合的方式呈現在眼前，實現紙圖與移動終端的有機互通，多維度全方位的提供國情專題的深度應用，為宏觀決策提供數據信息和決策支持。

1.2 工作思路

研究建設工作分為地理國情AR紙圖編制和移動端軟件開發兩個部分。在內容上移動端應用程序與地理國情專題圖互通有無，實現對地理國情普查數據的有效覆蓋，能夠真實有效的體現本次國情普查成果，工作思路如圖1所示。

圖1 研究工作思路圖

兩部分工作是相輔相成的，需要統一進行總體規劃設計，在整合基礎測繪成果、國情普查成果、國情監測成果等數據內容后，一方面進行專題紙圖的設計和編制，探索配套紙圖的專題數據和地理標識的表達方法；另一方面進行移動端數據制作和建庫、素材設計，實現國情多源數據的綜合表達；同時研究多源數據在虛實融合場景中的可視化技術，制定技術方案并進行APP功能開發與建設，最終實現以國情專題紙圖為媒介的增強現實可視化應用。

2 關鍵技術及實現

2.1 總體技術原理

增強現實（AR）是一種在虛擬現實技術基礎上發展起來的新型計算機應用和人機交互技術，它借助計算機和可視化技術將虛擬的信息應用到真實世界, 對人的視覺系統進行景象增強或擴張[4-5]。增強現實技術實現了虛實融合，并提供更加自然的人機交互能力，為人們體驗和認知周圍世界提供了全新的模式[6]。

本文構建的地理國情AR紙智圖，技術原理如圖2所示，將增強現實技術應用于地理國情專題紙圖，通過智能移動終端攝像頭捕捉專題圖視頻影像，并在視頻畫面中的對應位置疊加各種虛擬的數字層信息，實現專題圖增強表達可視化，將豐富的數字內容以虛實融合的方式展示給用戶，為國情專題圖拓展實景信息、地理信息和多媒體資訊等信息。

圖2 技術原理圖

2.2 配套專題紙圖的編制及技術特點

青海省第一次地理國情普查數據成果是本文配套專題紙圖編制的基礎數據來源，數據類型為文件地理數據庫（*.gdb），坐標系為2000國家大地坐標系，高程基準為1985國家高程基準，主圖采用1∶1 200 000比例尺，附圖采用1∶4 000 000比例尺。

1）“一主三附”分級設計理念。針對青海省國情專題數據量比較大的特點，本文配套專題紙圖圖面采用“一主三附”的設計理念，“地表覆蓋”為主圖，配以“政區”、“地貌”、“地勢”三個附圖，使地圖效果均衡、和諧、美觀。

主圖區“地表覆蓋圖”圖反映的是青海省自然地理要素的基本情況，重點突出表示關于地表覆蓋中耕地、林地、草地、居民地、水域、荒漠與裸露地等地類圖斑在制圖區域的位置、范圍、面積等空間分布狀況；附圖部分的“政區圖”、“地貌圖”、“地勢圖”表示了各自的專題內容。

“一主三附”分級設計有利于APP程序構建紙質地圖圖像的瓦片金字塔模型[7]，依據攝像范圍不同，實現瓦片對應區域的地理國情普查和監測的數字信息在攝像頭畫面中的定位分級顯示，從而增加程序對數據的負載量，提升交互的友好性。

2）視覺對比原則。本文配套專題紙圖設計過程中使用視覺對比原則，采用質底法、分級別設色等地圖的表示方法凸顯專題內容，運用不同的顏色來反映不同地類的特征屬性，使專題數據清晰、美觀[8]。經Vuforia官網測試，本文編制的青海省地理國情專題紙圖識別率達到最高級別五顆星，智能移動終端拍攝該圖后，APP程序可以快速識別拍攝區域，并加載相應的數字信息。

3）地理標識補色表達。本文配套專題紙圖中其他地理要素標識顏色與專題面具有補色關系，利用顏色的互補對立產生視覺沖突，形成地圖結構的視覺層次感[9]。通過色彩的明暗、冷暖，面積的大小，距離的遠近，形態的動、靜等多方面色彩因素來達到對立又統一的視覺效果，使圖面色彩關系更加統一、協調，主題更加鮮明、突出。

2.3 跨平臺可視化解決方案

本文提出了一個涉及Unity3D平臺和Android/iOS操作系統的跨平臺綜合解決方案，采用新版本的Vuforia SDK[10]，搭建一款針對Android和iOS移動終端的用于地理國情專題地圖的應用軟件，實現多源數據的增強現實可視化應用，方案如圖3所示。

圖3 跨平臺可視化方案

匯總地理國情普查和監測數據，將數據內容分為政區、地形地貌、地表覆蓋、交通、水域、熱點區域監測六大專題。組建包括國情專題數據、影像數據、圖片、文字、音頻、視頻等多類數據的數據庫，根據需要將數字信息導入Unity3D平臺，存為本地或網絡數據庫，為增強現實應用提供數據支持。

利用Vuforia SDK，構建增強現實跟蹤、AR紙圖識別、數據可視化渲染功能入口，采用C#語言進行動作腳本編輯，引入Unity3D和Android、iOS的消息機制，建立通信的接口函數，實時調取存于本地或網絡中的地理國情數據，將各類數字信息快速可視化渲染到實景當中，實現配套專題紙圖與國情多源數據的虛實融合和無縫對接。

2.4 國情多源數據分類可視化表達

本文建設地理國情AR紙智圖涉及到的數據包括國情普查成果數據（點、線、面）、統計分析數據、遙感影像數據、青海省地理現狀圖片、文字、音頻、視頻等，其種類多、形式多樣、數據量大，實現國情多源數據在虛實融合場景中的分類表達也是本文的研究重點。

1）點注記動態標注。青海省地理國情AR紙智圖涉及到多種點狀矢量數據的應用，例如縣駐地點、省州最高、最低點等。如圖4a所示，本文采用動態注記的方式進行攝像頭可視范圍內的動態加載[11]，程序對專題圖識別后，自動根據攝像頭拍攝的圖面范圍進行數據的檢索，并實時更新到實景畫面中，同時手動查詢功能可以輔助關鍵字檢索。

2）線、面數據的自定義顯示。對于地表覆蓋、交通、水域等專題數據，本文采用了自定義顯示的表現方式。如圖4b所示，結合圖例設置動態復選框，可對其代表的數據層進行勾選，所選圖層可以單獨顯示在識別圖上，實現在一個頁面上對多個圖層分層查看的自定義效果。

3）統計分析數據的可視化表達。本文建設的APP程序對地理國情指標要素，如數量、長度、面積等，進行實時數理統計，采用餅狀圖、柱狀圖、折線圖等方式進行直觀表達。以地表覆蓋為例，如圖4c所示，程序從數據庫中調取青海省及各州市地表覆蓋數據，借助Graph Maker插件，實時繪制餅狀統計圖以體現不同類型地表覆蓋占比，再將餅狀圖準確疊加在所拍攝實景中專題圖的對應位置，實現了統計分析數據在虛實融合場景下的直觀可視化表達，有助于客觀準確的揭示各類要素分布規律及相互聯系。

4）遙感影像輔助動態監測成果展示。熱點區域監測專題呈現青海湖流域、三江源綜合實驗區等熱點區域專項生態監測成果。以青海湖流域為例，利用青海湖歷年影像數據，對湖面面積和沙島變化監測情況進行動態展示。首先基于遙感影像提取青海湖湖面數據，描繪出水涯線，再以幀動畫形式動態播放歷年影像，配合水涯線不斷變化體現青海湖歷年水位和沙島變化的情況[12]。如圖4e所示，動態播放的歷年影像、歷年湖面面積和面積變化趨勢統計圖協同作用，全面、詳實的反映監測情況，為該區域的資源利用與生態保護提供數據和決策支持。

5）圖文詳情信息呈現。針對普查報告和技術文檔成果中諸多文字、圖表等數據資料，本文采用詳情信息界面進行呈現。以政區專題要求呈現青海省各州、市地理國情普查公告信息為例，如圖4d所示，本文將成果信息分為區域概況、地形地貌、自然地理和人文地理四部分，內容采用文字、統計圖表、現狀圖片相結合的方式，圖文并茂地呈現國情詳細信息內容。當普查報告內容更新時，即可實時更新程序內容，提升了APP程序應用的靈活性。

圖4 國情多源數據可視化表達（審圖號為青S(2018)078號）

3 成 果

本文完成了青海省地理國情AR紙智圖的研究和建設工作。該成果針對青海省地理國情專題地圖，以增強現實為可視化方式實現地理國情普查數據的有效覆蓋，對六大專題的國情普查和監測成果進行呈現，實現了國情專題圖的高效識別、國情專題內容的實景疊加、專題和子專題切換、國情要素信息動態檢索、各類數據統計分析、歷年數據動態監測等實用性功能，可充分發揮地圖決策視角的作用，是一款便捷、高效的管理決策工具。

4 結 語

本文采用“地圖+AR”的模式，將AR技術應用于地理國情專題地圖呈現過程中，研究并總結了一套地理國情AR紙智圖關鍵技術體系，以青海省國情普查數據為基礎，借助數理統計和空間分析手段，以增強現實為可視化方式形成科技地圖產品，實現國情普查成果的匯總及創新科技轉化。以虛實融合的方式實現了配套專題紙圖與移動終端的互通功能，不但保持了地圖的宏觀整體統一性，還拓展了數字信息的豐富實用性，彌補了傳統二維平面紙質地圖的不足，促進了紙質地圖應用的轉型升級。