基于全景影像的二三維地圖系統(tǒng)研究

張 岳

（浙江省第二測(cè)繪院，浙江杭州310012）

0 引言

隨著時(shí)代的進(jìn)步，人們對(duì)地理信息成果的要求已不再簡(jiǎn)單地停留在符號(hào)、文字和數(shù)字上，而是上升到了空間信息的高度。人們不僅希望可以準(zhǔn)確無(wú)誤地到達(dá)目的地，更希望看到實(shí)景畫面，享受優(yōu)良的用戶體驗(yàn)。360°數(shù)字街景影像等新型地圖使地圖應(yīng)用逐漸由宏觀走向微觀，由抽象概括走向形象具體，真正實(shí)現(xiàn)了“人視角”的地圖瀏覽體驗(yàn)，為用戶提供了更加真實(shí)準(zhǔn)確、更富畫面細(xì)節(jié)的地圖服務(wù)。

360°數(shù)字街景影像以高清晰度的影像來(lái)直接反映空間物體以及自然環(huán)境的原貌，它既包含了傳統(tǒng)目標(biāo)地物信息，又包括了與之有著物理相關(guān)性的各種自然和社會(huì)信息。對(duì)于公眾而言，影像是客觀世界的最直觀和最真實(shí)的寫照，也是無(wú)需專業(yè)知識(shí)判讀、最容易理解的“數(shù)字城市”，可直接回答公眾對(duì)有關(guān)城市地理信息方面的問(wèn)題。因此，數(shù)字街景影像是一種記錄城市真實(shí)影像的、珍貴的基礎(chǔ)資料。

1 全景地圖介紹

1.1 全景的特點(diǎn)

全景是一種高性價(jià)比的虛擬現(xiàn)實(shí)解決方案。三維全景是用真實(shí)的照片來(lái)得到三維立體的效果，這是普通圖片和三維建模無(wú)法做到的。360°全景影像和普通圖片都可以起到展示和記錄的作用，但是普通圖片的視角范圍有限，無(wú)立體感，而360°全景不但有360°的視角，更可以帶來(lái)三維立體的感覺(jué)，讓觀察者能夠沉浸其中。三維建模的立體感和沉浸感無(wú)疑比360°全景更強(qiáng)，但是三維建模的制作需要大量的人力物力，制作過(guò)程中對(duì)建筑物模型的采集會(huì)有取舍，360°全景的采集和制作相對(duì)三維建模來(lái)說(shuō)非常簡(jiǎn)便，數(shù)據(jù)量小，系統(tǒng)要求低，適合在各種終端設(shè)備上觀看。所以360°全景不但可以全方位地記錄某時(shí)某地的現(xiàn)場(chǎng)情況，更可以將某個(gè)地方的實(shí)景用三維立體的方式表現(xiàn)出來(lái)，這樣高性價(jià)比的展示方式和記錄手段是普通圖片和三維建模根本無(wú)法做到的。當(dāng)需要真實(shí)、直觀、全面地再現(xiàn)場(chǎng)景，用于記錄或者展示時(shí)，全景影像無(wú)疑是最好的選擇。

相對(duì)于真三維建模的數(shù)據(jù)，三維實(shí)景圖像虛擬現(xiàn)實(shí)具有很多優(yōu)勢(shì)和特點(diǎn)，表1是實(shí)景三維系統(tǒng)與真三維模型虛擬現(xiàn)實(shí)的比較。

表1 實(shí)景三維系統(tǒng)與三維模型虛擬現(xiàn)實(shí)比較Table 1 Comparison of real 3D system and virtual reality by 3D model

1.2 全景與二三維地圖的結(jié)合

全景影像數(shù)據(jù)采集的時(shí)間短，處理的速度較快，全景的瀏覽方式具有三維的視覺(jué)效果，并且有全方位的立體圖片，具有完全的真實(shí)性，目前較多的應(yīng)用是作為場(chǎng)景的展示，而缺少相關(guān)的分析應(yīng)用等；二維地圖具有規(guī)則化采集的信息，對(duì)信息有過(guò)濾，只采集必要的地理要素，便于分析和應(yīng)用；三維具有可量測(cè)性，具有立體信息，可以任意變換視角。全景與二三維地圖的結(jié)合可以集中三者的優(yōu)點(diǎn)，全方位地展現(xiàn)現(xiàn)實(shí)的場(chǎng)景。

2 全景數(shù)據(jù)采集與處理

2.1 采集設(shè)備

全景數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采用最新全景視覺(jué)成像系統(tǒng)Ladybug 3相機(jī)，具有較高分辨率（500萬(wàn)像素）、實(shí)時(shí)（15 fps）全景視頻獲取特性，6個(gè)CCD來(lái)達(dá)到80%的全方位球面成像，能夠在車輛行駛過(guò)程中快速采集道路兩側(cè)的高像素360°全景球面圖像，生成全方位立體的實(shí)景可視化影像數(shù)據(jù)。

完整的采集設(shè)備由街景車、LADY BUG全景攝像機(jī)、天寶GPS等主要設(shè)備連接便攜式筆記本沿街掃描采集。設(shè)備的后期處理時(shí)，對(duì)各個(gè)方向的影像進(jìn)行拼接，同步匹配連接GPS采集的經(jīng)緯度的點(diǎn)位信息，形成帶位置信息的全景影像。

2.2 數(shù)據(jù)采集

全景視頻流數(shù)據(jù)的采集要考慮多種條件，采集時(shí)間、天氣、車輛狀況等對(duì)視頻影像數(shù)據(jù)質(zhì)量有直接影響。全景數(shù)據(jù)采集條件與普通攝像機(jī)拍照有許多相同或相似之處，光線的明暗程度、拍攝時(shí)各類地物或人的遮擋會(huì)影響后期影像數(shù)據(jù)的應(yīng)用范圍。一般選擇全景視頻的采集時(shí)間為早上6-9點(diǎn)，這個(gè)時(shí)間段內(nèi)街道上的行人車輛比較少，對(duì)拍攝的遮擋較少，光線不會(huì)太強(qiáng)烈，不會(huì)引起相機(jī)的過(guò)度曝光，照片的質(zhì)量相對(duì)較好。一般選擇在晴天或者多云的天氣，能見(jiàn)度好，可以將沿街的地物較為清晰完整地拍攝下來(lái)。另外車輛的行駛速度應(yīng)控制在30～40 km/h左右，確保拍攝影像的質(zhì)量。同時(shí)，全景采集系統(tǒng)GPS設(shè)備應(yīng)處于車外，避免由于GPS信號(hào)太弱而采集不到坐標(biāo)點(diǎn)位數(shù)據(jù)。GPS是外接設(shè)備，最后采集的全景影像的坐標(biāo)精度與GPS本身精度直接相關(guān)。

圖1 全景圖片效果圖Fig.1 Panoramic view

2.3 全景數(shù)據(jù)處理

采集完的全景數(shù)據(jù)是視頻流的形式，為了方便應(yīng)用，需要對(duì)視頻流形式的數(shù)據(jù)進(jìn)行格式轉(zhuǎn)換，提取對(duì)應(yīng)的GPS點(diǎn)位的數(shù)據(jù)，去除敏感信息等。

（1）全景圖像轉(zhuǎn)換：將逐幀的視頻數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為全景模式的通用的圖片格式，并導(dǎo)出每幀對(duì)應(yīng)的GPS點(diǎn)位數(shù)據(jù)。

（2）去除圖像敏感信息：全景圖像拍攝了所在位置能拍攝到的所有信息，可能包含個(gè)人隱私、涉及國(guó)家或政府安全的信息，需進(jìn)行脫密處理。這一過(guò)程需要利用圖像的模式識(shí)別等技術(shù)，對(duì)人臉、車牌等其他敏感信息進(jìn)行去除或者模糊化處理。

（3）圖像預(yù)處理：對(duì)全景圖片調(diào)整其色彩平衡、亮度等，達(dá)到最好的視覺(jué)效果。

（4）轉(zhuǎn)為為適合網(wǎng)絡(luò)發(fā)布的格式：轉(zhuǎn)化為通用的FLASH格式，適合網(wǎng)絡(luò)發(fā)布。

3 地圖數(shù)據(jù)發(fā)布

基于全景數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)，浙江省第二測(cè)繪院在杭州市采集了部分?jǐn)?shù)據(jù)，在新昌數(shù)字城市中應(yīng)用該采集系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集，并將采集的數(shù)據(jù)結(jié)合三維平臺(tái)進(jìn)行發(fā)布和應(yīng)用。

（1）已采集杭州部分道路街景數(shù)據(jù)（德勝高架至機(jī)場(chǎng)高速公路），實(shí)現(xiàn)了以視頻流結(jié)合二維地圖的方式進(jìn)行展示。

（2）在新昌數(shù)字城市項(xiàng)目中，建設(shè)街景系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)新昌縣開(kāi)發(fā)區(qū)7 km2范圍內(nèi)街景影像與二、三維地圖的聯(lián)動(dòng)，更好地展現(xiàn)了真實(shí)環(huán)境（見(jiàn)圖2）。

圖2 新昌三維街景影像瀏覽系統(tǒng)Fig.2 Browsing system of Xinchang three-dimensional scene image

新昌三維街景影像瀏覽系統(tǒng)包括二維地圖、三維地圖和全景地圖三個(gè)部分。二維地圖一般以地圖服務(wù)的形式來(lái)進(jìn)行發(fā)布，真三維的場(chǎng)景則需要高效的三維引擎，將DEM與DOM生成的大場(chǎng)景與真三維建筑、綠化、小品、道路等模型數(shù)據(jù)在三維引擎當(dāng)中快速地展現(xiàn)，三維引擎一般也能支持調(diào)用標(biāo)準(zhǔn)的二維電子地圖的服務(wù)，全景最為普遍的展示方式即為FLASH播放器的全景瀏覽方式。利用三維引擎的二次開(kāi)發(fā)，以插件的形式將二三維地圖在瀏覽器上進(jìn)行展示，同時(shí)在當(dāng)中加入全景點(diǎn)的數(shù)據(jù)展示，即構(gòu)成了二三維全景地圖系統(tǒng)。

4 結(jié)論與展望

三維引擎中引入了全景數(shù)據(jù)，不僅可以更加真實(shí)地進(jìn)行場(chǎng)景的展示，同時(shí)系統(tǒng)還具有一些基本空間分析功能，兼具有二維地圖的快速瀏覽、POI查詢功能等。同時(shí)全景數(shù)據(jù)可以作為城市的歷史影像庫(kù)，對(duì)以后城市的發(fā)展變化更具有參考性。

地圖影像除了基本的基于點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的內(nèi)嵌于二三維地圖的方式外，還可以有更多表現(xiàn)方式，如增加交互的按鈕等，直接以視頻流的方式進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)方式的瀏覽。實(shí)現(xiàn)二三維地圖的聯(lián)動(dòng)，與更多的GIS系統(tǒng)相結(jié)合，互相補(bǔ)充。

全景數(shù)據(jù)的應(yīng)用方向?qū)?huì)越來(lái)越廣，拓展應(yīng)用方向主要有下列幾個(gè)方面：

（1）與智能安防管理系統(tǒng)相結(jié)合的拓展應(yīng)用：通過(guò)與實(shí)時(shí)視頻攝像頭數(shù)據(jù)的結(jié)合，基于地理位置信息能夠觀察到攝像頭實(shí)地的“三維球面全景”影像，并通過(guò)標(biāo)注、鏈接功能，根據(jù)實(shí)地位置，直接對(duì)全景攝像頭數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)研，讓監(jiān)控管理更加便捷、直接、有效。

（2）與數(shù)字城市管理系統(tǒng)相結(jié)合的拓展應(yīng)用：全景影像與傳統(tǒng)二維電子地圖的結(jié)合很好地彌補(bǔ)了其他信息有限的不足，只需要通過(guò)簡(jiǎn)單的基于API接口的開(kāi)發(fā)就可以實(shí)現(xiàn)從二維信息管理到三維信息管理的跨越，為城市管理提供重要的數(shù)據(jù)支撐。

（3）與智能手機(jī)結(jié)合的街道實(shí)景查看拓展應(yīng)用：安卓（Android）手機(jī)系統(tǒng)目前已成為智能手機(jī)的主流操作系統(tǒng)，其強(qiáng)大的軟件應(yīng)用功能已得到市場(chǎng)的檢驗(yàn)和認(rèn)可。隨著3G網(wǎng)絡(luò)的普及和移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代的來(lái)臨，用戶可以隨時(shí)隨地通過(guò)手機(jī)查看和瀏覽城市陌生地點(diǎn)街道實(shí)景，十分方便。

（4）為城管、公安、交通、應(yīng)急、招商引資、旅游服務(wù)等提供所需要的實(shí)景化的業(yè)務(wù)專題數(shù)據(jù)，并可進(jìn)行標(biāo)注、查詢和統(tǒng)計(jì)分析，更好地滿足行業(yè)管理與決策上的高層次應(yīng)用。

（5）實(shí)景化信息共享平臺(tái)根據(jù)客觀實(shí)際環(huán)境，可以統(tǒng)一建設(shè)，多行業(yè)應(yīng)用共享，以及統(tǒng)一進(jìn)行維護(hù)與更新。

（6）真實(shí)地記錄城市的發(fā)展變遷，打造城市影像博物館，為城市的管理和規(guī)劃發(fā)展提供參考和歷史依據(jù)。

通過(guò)全景影像數(shù)據(jù)的一次生產(chǎn)，能夠無(wú)限次挖掘應(yīng)用，潛力十分巨大，可以為城市安防、城管、交通、應(yīng)急、個(gè)人位置服務(wù)等領(lǐng)域提供二維地圖所不能比擬的信息容量，服務(wù)于人們的工作和生活。

[1]胡新月.網(wǎng)絡(luò)地圖服務(wù)進(jìn)入三維全景時(shí)代[J].中國(guó)測(cè)繪，2008.

[2]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(cè)，2011（3）.

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