太原市全景地圖數(shù)據(jù)采集與發(fā)布

張春梅，楊志敏，張義明，李海亭，譚仁春

(武漢市測繪研究院，湖北武漢 430022)

太原市全景地圖數(shù)據(jù)采集與發(fā)布

張春梅?，楊志敏，張義明，李海亭，譚仁春

(武漢市測繪研究院，湖北武漢 430022)

結(jié)合武漢市測繪研究院承擔(dān)的全景工程項(xiàng)目《太原市全景地圖數(shù)據(jù)采集與發(fā)布》的數(shù)據(jù)生產(chǎn)與發(fā)布，詳細(xì)介紹了全景地圖的外業(yè)數(shù)據(jù)采集、內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理與建庫等全景數(shù)據(jù)制作過程以及成品全景地圖數(shù)據(jù)的發(fā)布流程。

全景地圖；數(shù)據(jù)采集；數(shù)據(jù)處理；圖像拼接；地圖發(fā)布

1 引 言

全景地圖是數(shù)字城市的重要組成部分，它是利用最新的圖像三維技術(shù)——三維全景(panorama)與二維電子地圖結(jié)合而創(chuàng)建的地圖。高清全景地圖采用拼接而成的全景圖像幫助人們實(shí)現(xiàn)對身臨其境的虛擬漫游及交互的渴望，把電子地圖所擁有的優(yōu)越位置查詢能力和全景所提供的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)結(jié)合起來，給人們平常的生活、出行等提供極大的便利，已成為最具實(shí)用價(jià)值和效益的地理信息產(chǎn)品之一。

2 全景數(shù)據(jù)生產(chǎn)

太原市全景地圖數(shù)據(jù)采集與發(fā)布項(xiàng)目主要是采集太原市主要道路的全景數(shù)據(jù)，并根據(jù)全景地圖的制作要求，制作并發(fā)布太原市全景地圖。

2.1 準(zhǔn)備工作

項(xiàng)目正式生產(chǎn)前有必要對程序開發(fā)人員、外業(yè)全景地圖數(shù)據(jù)采集人員、內(nèi)業(yè)全景數(shù)據(jù)處理人員、成品全景地圖數(shù)據(jù)發(fā)布人員進(jìn)行專業(yè)的培訓(xùn)。

2.2 生產(chǎn)流程

太原市全景地圖數(shù)據(jù)采集與發(fā)布項(xiàng)目的作業(yè)流程為:首先對全景照片進(jìn)行同步采集，然后對拍攝的原始照片進(jìn)行數(shù)據(jù)處理(數(shù)據(jù)處理包括全景照片處理和GPS數(shù)據(jù)處理兩個(gè)部分)，再對全景照片預(yù)處理后進(jìn)行拼接，將拼接生成的立方體全景建立時(shí)空數(shù)據(jù)庫，并在時(shí)空數(shù)據(jù)模型基礎(chǔ)上進(jìn)行發(fā)布。太原市全景地圖數(shù)據(jù)外業(yè)采集、內(nèi)業(yè)處理與數(shù)據(jù)發(fā)布流程的圖如圖1所示。

2.3 外業(yè)采集

太原市全景地圖數(shù)據(jù)的采集分為兩個(gè)部分:全景圖像數(shù)據(jù)采集和全景坐標(biāo)數(shù)據(jù)采集。全景地圖的數(shù)據(jù)采集不同于常規(guī)的測量數(shù)據(jù)采集，它需要在采集全景圖像的同時(shí)采集拍攝點(diǎn)的空間坐標(biāo)和時(shí)間信息，因此全景數(shù)據(jù)不但具有空間維的屬性，同時(shí)還具有時(shí)間維的屬性。數(shù)據(jù)采集包括全景圖像數(shù)據(jù)的自動(dòng)化采集、基于GPRS的CORS網(wǎng)絡(luò)差分實(shí)施坐標(biāo)采集和基于SNTP協(xié)議的高精度局域網(wǎng)時(shí)間校時(shí)三個(gè)方面內(nèi)容。

太原市全景地圖數(shù)據(jù)采集采用維思全景數(shù)據(jù)采集軟件，該軟件具有高度集成、操作簡易、采集圖像清晰等特點(diǎn)，為用戶提供圖形化界面，一體化數(shù)據(jù)采集。其界面如圖2所示:

GPS接收機(jī)通過GPRS接受CORS數(shù)據(jù)中心的差分信號(hào)，將處理后的GPS的GPGGA(Global Positioning System Fix Data，GPS固定數(shù)據(jù)輸出語句)和GPZDA (Date＆Time，UTC時(shí)間和日期)數(shù)據(jù)通過串口發(fā)送到時(shí)間服務(wù)器。時(shí)間服務(wù)器將GPGGA所包含的坐標(biāo)信息予以記錄的同時(shí)將高精度的GPZDA時(shí)間信息予以更新時(shí)間服務(wù)器的本機(jī)時(shí)間。

連接全景采集器的終端使用SNTP協(xié)議不斷查詢時(shí)間服務(wù)器的本機(jī)時(shí)間，將獲取的最新時(shí)間更新終端本機(jī)時(shí)間，完成終端、時(shí)間服務(wù)器、GPS接收機(jī)三者的時(shí)間統(tǒng)一。SNTP協(xié)議包含一個(gè)64 bit的協(xié)調(diào)世界時(shí)(UTC)時(shí)間戳，時(shí)間分辨率時(shí)200 ps，并可以提供1 ms～50 ms的時(shí)間精度(依賴網(wǎng)絡(luò)負(fù)載)。在局域網(wǎng)的環(huán)境下，時(shí)間精度可以穩(wěn)定在3 ms以內(nèi)。

終端根據(jù)設(shè)置好的相機(jī)拍照參數(shù)，按照指定開始拍照時(shí)間和拍照時(shí)間間隔進(jìn)行循環(huán)拍照。外業(yè)采集的全景數(shù)據(jù)包括圖像數(shù)據(jù)(.jpg)和與之對應(yīng)的GPS數(shù)據(jù)(.txt)兩種數(shù)據(jù)。

圖1 太原市全景地圖數(shù)據(jù)生產(chǎn)流程圖

圖2 太原全景數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)軟件

2.4 內(nèi)業(yè)處理

全景地圖的內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理包括全景圖像數(shù)據(jù)的自動(dòng)化拼接、全景圖像數(shù)據(jù)和與之相對應(yīng)的GPS空間位置數(shù)據(jù)的一體化處理兩大部分。全景圖像的自動(dòng)化拼接是全景數(shù)據(jù)處理的核心組成部分。全景圖的自動(dòng)生成過程主要包括圖像序列獲取、選取投影模型、圖像配準(zhǔn)、圖像融合四個(gè)部分。本項(xiàng)目在圖片的自動(dòng)拼接這一過程中，采用了全景自動(dòng)化拼接軟件——維思全景軟件V1.0。此軟件采用了特征信息的圖像拼接和多分辨率樣條融合算法，具有自動(dòng)化程度高，可靠度高的特點(diǎn)，能高效完成太原市全景地圖數(shù)據(jù)自動(dòng)拼接任務(wù)。

全景地圖數(shù)據(jù)主要包括全景圖像數(shù)據(jù)和與之匹配的GPS空間點(diǎn)位置數(shù)據(jù)兩種。實(shí)現(xiàn)這兩種數(shù)據(jù)的自動(dòng)化和一體化處理過程是建設(shè)基于時(shí)空數(shù)據(jù)模型的全景地圖數(shù)據(jù)庫的基礎(chǔ)，是全景數(shù)據(jù)處理的重要組成部分。全景數(shù)據(jù)一體化處理主要有文件名處理、文件剔除、GPS數(shù)據(jù)預(yù)處理、GPS數(shù)據(jù)與照片匹配、GPS數(shù)據(jù)抽稀與再匹配、視角計(jì)算、道路交叉口處理、鏡像變換等8個(gè)步驟。

拼接好的全景圖如圖3所示。

圖3 拼接后的立方體全景圖像

2.5 數(shù)據(jù)建庫

太原市全景地圖數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)中應(yīng)用了基于對象的時(shí)空數(shù)據(jù)模型。全景數(shù)據(jù)的采集多數(shù)沿道路進(jìn)行，因此道路的時(shí)空變化是全景數(shù)據(jù)模型設(shè)計(jì)的重要影響因素。道路的時(shí)空變化非常復(fù)雜，包括新增、消失、合并、分離等多種情況。例如，道路合并情況如圖4所示。

圖4 道路合并變更

采用基于段對象的道路全景時(shí)空數(shù)據(jù)模型，其基本思想是將城市道路根據(jù)交叉口切分成最小的“段”單元，然后對“段”對象進(jìn)行時(shí)空數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，該方法能較合理地實(shí)現(xiàn)全景數(shù)據(jù)的組織與管理。每一個(gè)“段”對象都具有自己獨(dú)立的時(shí)間戳和全景照片數(shù)據(jù)，這樣，在道路發(fā)生變更過程中，數(shù)據(jù)冗余更少。

太原市全景GPS庫和圖片庫數(shù)據(jù)表結(jié)構(gòu)如表1、表2所示。

太原市GPS數(shù)據(jù)庫表結(jié)構(gòu) 表1

太原市全景圖片數(shù)據(jù)庫表結(jié)構(gòu) 表2

2.6 數(shù)據(jù)發(fā)布

太原市全景地圖的發(fā)布是采用基于Web 2.0的富客戶端技術(shù)，以滿足用戶的交互需求和提升全景瀏覽的效率。在高清全景地圖制作過程中，首先將拼合并經(jīng)過鏡像變換的全景圖像紋理映射到立方體，將視點(diǎn)置于立方體中心位置，然后通過不間斷的變換視點(diǎn)實(shí)現(xiàn)場景的平滑漫游效果。當(dāng)視點(diǎn)發(fā)生位置變換的同時(shí)，將地理位置數(shù)據(jù)同步與電子地圖進(jìn)行通訊，實(shí)現(xiàn)全景瀏覽器與電子地圖的位置匹配。同樣，當(dāng)用戶在電子地圖上平移視點(diǎn)時(shí)，位置信息同步傳輸至全景瀏覽器。

太原市全景地圖數(shù)據(jù)的發(fā)布將按設(shè)計(jì)的發(fā)布流程，分批次將內(nèi)業(yè)處理完的成果數(shù)據(jù)庫進(jìn)行發(fā)布。全景地圖系統(tǒng)的發(fā)布效果圖如圖4所示。

圖4 全景地圖系統(tǒng)的發(fā)布效果圖

3 數(shù)據(jù)質(zhì)量控制

在太原市全景數(shù)據(jù)的采集與建庫生產(chǎn)過程中，數(shù)據(jù)質(zhì)量控制主要從外業(yè)數(shù)據(jù)采集控制和內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理質(zhì)量控制兩個(gè)方面進(jìn)行。

3.1 外業(yè)采集的質(zhì)量控制

在項(xiàng)目實(shí)施過程中有時(shí)候會(huì)出現(xiàn)全景數(shù)據(jù)位置坐標(biāo)缺失情況。發(fā)生這種缺失現(xiàn)象的根本原因是GPS接收機(jī)只接收到不足4顆GPS衛(wèi)星的信號(hào)，以致無法解算出當(dāng)前坐標(biāo)位置。在生產(chǎn)過程中，用以下幾種方法來避免出現(xiàn)這種現(xiàn)象:

(1)盡量保持?jǐn)?shù)據(jù)采集車在道路的中心線處平穩(wěn)勻速行駛，避免道路兩側(cè)的高層建筑對GPS信號(hào)的遮擋；

(2)選擇光線均勻，日照充分的時(shí)間段進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，同時(shí)注意避開中午GPS信號(hào)不穩(wěn)定的時(shí)段；

(3)對于全景數(shù)據(jù)位置坐標(biāo)缺失比較嚴(yán)重的部分道路，選擇不同時(shí)段進(jìn)行重新采集；

(4)GPS接收機(jī)可采用抗多路徑效應(yīng)的零相位中心外接天線；

(5)增加一臺(tái)IMU(Inertialmeasurement unit，慣性導(dǎo)航單元)和全景采集器中的GPS接收機(jī)協(xié)同工作，在GPS接收機(jī)無法解算坐標(biāo)的情況下，IMU能夠單獨(dú)進(jìn)行導(dǎo)航，待GPS接收機(jī)重新解算出坐標(biāo)后，再與IMU進(jìn)行組合導(dǎo)航。

3.2 內(nèi)業(yè)處理的質(zhì)量控制

在全景數(shù)據(jù)處理的過程中，會(huì)出現(xiàn)全景圖片拼接錯(cuò)位的情況。這種情況產(chǎn)生的主要原因是由于道路復(fù)雜的采集環(huán)境，造成同一拼接組的采集相片的成像參數(shù)有差異，使拼接圖片的過程中，維思全景軟件無法有效獲取影像控制點(diǎn)，或者控制點(diǎn)獲取錯(cuò)誤，最終造成圖片拼接錯(cuò)位。可以用如下方法來避免出現(xiàn)這種現(xiàn)象:

(1)在全景數(shù)據(jù)的處理過程中，根據(jù)天氣，日照情況，批量調(diào)節(jié)原始采集照片數(shù)據(jù)的成像參數(shù)，使同組拼接照片的參數(shù)保持一個(gè)相對一致的水平，以保證數(shù)據(jù)拼接質(zhì)量；

(2)在全景數(shù)據(jù)的處理過程中，進(jìn)行人工干預(yù)，人工匹配控制點(diǎn)，采用坐標(biāo)補(bǔ)齊和抽稀的方式對其進(jìn)行處理，以保證拼接圖片的質(zhì)量。

3.3 數(shù)據(jù)質(zhì)量檢查

質(zhì)量檢查采取軟件自動(dòng)檢查、人機(jī)交互檢查等多種方法。除了常規(guī)數(shù)據(jù)檢查內(nèi)容以外，還需檢查:

(1)數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)是否正確；

(2)屬性信息是否完整正確；(3)圖層結(jié)構(gòu)是否完整正確；(4)軟件計(jì)算閥值與原始數(shù)據(jù)差值是否在允許范圍內(nèi)。

4 結(jié) 論

全景地圖是近年來地理信息系統(tǒng)發(fā)展的一個(gè)熱點(diǎn)方向，它實(shí)現(xiàn)了基于圖像的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，給人以身臨其境的感受。同時(shí)，全景地圖也是數(shù)字城市建設(shè)的重要組成部分，它不僅對政府監(jiān)管部門在道路養(yǎng)護(hù)、城市管理以及安保任務(wù)執(zhí)行等方面具有輔助作用，同時(shí)還能為社會(huì)公眾的出行提供便利。建立基于時(shí)空數(shù)據(jù)模型的城市實(shí)景數(shù)據(jù)庫，可以對不同時(shí)代的城市面貌起到較好地記錄作用，對分析城市變化，研究城市發(fā)展進(jìn)程具有重要意義。

[1] 李海亭，彭清山，王閃等.數(shù)字城市中的全景地圖系統(tǒng)建設(shè)方法研究[J].城市勘測，2011，3 39～43.

[2] 李艷麗.全景圖生成技術(shù)研究[D].2007，11～30.

[3] 李怡靜，張劍清.多視點(diǎn)全景圖與平滑漫游的研究與實(shí)現(xiàn)[J].計(jì)算機(jī)工程，2009，35(12):187～191.

[4] 安維華，付永剛.采用分段插值的球狀全景圖自動(dòng)拼接方法[J].計(jì)算機(jī)工程與應(yīng)用，2009，45(13):34～37.

[5] 雷震，李東，吳玲達(dá).基于粒子群優(yōu)化和互信息量的全景圖拼接算法[J].計(jì)算機(jī)仿真，2009，26(4):256～258.

Taiyuan City Panoram ic M ap Data Acquisition and Release

Zhang Chunmei，Yang Zhimin，Zhang Yiming，Li Haiting，Tan Renchun (Wuhan Geomatic Institute，Wuhan 430022，China)

Combining panoramicmap data production ofmarket project“Taiyuan City Panoramic Map Data Acquisition and Release”，the whole processing of panoramic map production，include data acquisition，data processing，database building，panoramic map release etc，are introduced in detail.

panoramic map；data acquisition；data processing；image stitching；map publishing

1672-8262(2013)04-29-04

P208.1，P283.49

A

2013—01—23

張春梅(1973—)，女，工程師，主要從事電子地圖數(shù)據(jù)處理、建庫與發(fā)布。

精密工程與工業(yè)測量國家測繪地理信息局重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放基金項(xiàng)目(PF2011-26)