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)

結合武漢市測繪研究院承擔的全景工程項目《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——三維全景(panorama)與二維電子地圖結合而創(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)實技術結合起來，給人們平常的生活、出行等提供極大的便利，已成為最具實用價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 準備工作

項目正式生產(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)布人員進行專業(yè)的培訓。

2.2 生產(chǎn)流程

太原市全景地圖數(shù)據(jù)采集與發(fā)布項目的作業(yè)流程為:首先對全景照片進行同步采集，然后對拍攝的原始照片進行數(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)處理兩個部分)，再對全景照片預處理后進行拼接，將拼接生成的立方體全景建立時空數(shù)據(jù)庫，并在時空數(shù)據(jù)模型基礎上進行發(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)的采集分為兩個部分:全景圖像數(shù)據(jù)采集和全景坐標數(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采集拍攝點的空間坐標和時間信息，因此全景數(shù)據(jù)不但具有空間維的屬性，同時還具有時間維的屬性。數(shù)據(jù)采集包括全景圖像數(shù)據(jù)的自動化采集、基于GPRS的CORS網(wǎng)絡差分實施坐標采集和基于SNTP協(xié)議的高精度局域網(wǎng)時間校時三個方面內(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，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接收機通過GPRS接受CORS數(shù)據(jù)中心的差分信號，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時間和日期)數(shù)據(jù)通過串口發(fā)送到時間服務器。時間服務器將GPGGA所包含的坐標信息予以記錄的同時將高精度的GPZDA時間信息予以更新時間服務器的本機時間。

連接全景采集器的終端使用SNTP協(xié)議不斷查詢時間服務器的本機時間，將獲取的最新時間更新終端本機時間，完成終端、時間服務器、GPS接收機三者的時間統(tǒng)一。SNTP協(xié)議包含一個64 bit的協(xié)調(diào)世界時(UTC)時間戳，時間分辨率時200 ps，并可以提供1 ms～50 ms的時間精度(依賴網(wǎng)絡負載)。在局域網(wǎng)的環(huán)境下，時間精度可以穩(wěn)定在3 ms以內(nèi)。

終端根據(jù)設置好的相機拍照參數(shù)，按照指定開始拍照時間和拍照時間間隔進行循環(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)的自動化拼接、全景圖像數(shù)據(jù)和與之相對應的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。全景圖的自動生成過程主要包括圖像序列獲取、選取投影模型、圖像配準、圖像融合四個部分。本項目在圖片的自動拼接這一過程中，采用了全景自動化拼接軟件——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，具有自動化程度高，可靠度高的特點，能高效完成太原市全景地圖數(shù)據(jù)自動拼接任務。

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空間點位置數(shù)據(jù)兩種。實現(xiàn)這兩種數(shù)據(jù)的自動化和一體化處理過程是建設基于時空數(shù)據(jù)模型的全景地圖數(shù)據(jù)庫的基礎，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、視角計算、道路交叉口處理、鏡像變換等8個步驟。

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)庫設計中應用了基于對象的時空數(shù)據(jù)模型。全景數(shù)據(jù)的采集多數(shù)沿道路進行，因此道路的時空變化是全景數(shù)據(jù)模型設計的重要影響因素。道路的時空變化非常復雜，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”對象進行時空數(shù)據(jù)結構設計，該方法能較合理地實現(xiàn)全景數(shù)據(jù)的組織與管理。每一個“段”對象都具有自己獨立的時間戳和全景照片數(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)表結構如表1、表2所示。

太原市GPS數(shù)據(jù)庫表結構 表1

太原市全景圖片數(shù)據(jù)庫表結構 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，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，將視點置于立方體中心位置，然后通過不間斷的變換視點實現(xiàn)場景的平滑漫游效果。當視點發(fā)生位置變換的同時，將地理位置數(shù)據(jù)同步與電子地圖進行通訊，實現(xiàn)全景瀏覽器與電子地圖的位置匹配。同樣，當用戶在電子地圖上平移視點時，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)布將按設計的發(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)量控制兩個方面進行。

3.1 外業(yè)采集的質(zhì)量控制

在項目實施過程中有時候會出現(xiàn)全景數(shù)據(jù)位置坐標缺失情況。發(fā)生這種缺失現(xiàn)象的根本原因是GPS接收機只接收到不足4顆GPS衛(wèi)星的信號，以致無法解算出當前坐標位置。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)盡量保持數(shù)據(jù)采集車在道路的中心線處平穩(wěn)勻速行駛，避免道路兩側的高層建筑對GPS信號的遮擋；

(2)選擇光線均勻，日照充分的時間段進行數(shù)據(jù)采集，同時注意避開中午GPS信號不穩(wěn)定的時段；

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

(4)GPS接收機可采用抗多路徑效應的零相位中心外接天線；

(5)增加一臺IMU(Inertialmeasurement unit，慣性導航單元)和全景采集器中的GPS接收機協(xié)同工作，在GPS接收機無法解算坐標的情況下，IMU能夠單獨進行導航，待GPS接收機重新解算出坐標后，再與IMU進行組合導航。

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，會出現(xiàn)全景圖片拼接錯位的情況。這種情況產(chǎn)生的主要原因是由于道路復雜的采集環(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，或者控制點獲取錯誤，最終造成圖片拼接錯位?？梢杂萌缦路椒▉肀苊獬霈F(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，進行人工干預，人工匹配控制點，采用坐標補齊和抽稀的方式對其進行處理，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檢查、人機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)庫結構是否正確；

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

4 結 論

全景地圖是近年來地理信息系統(tǒng)發(fā)展的一個熱點方向，它實現(xiàn)了基于圖像的虛擬現(xiàn)實技術，給人以身臨其境的感受。同時，全景地圖也是數(shù)字城市建設的重要組成部分，它不僅對政府監(jiān)管部門在道路養(yǎng)護、城市管理以及安保任務執(zhí)行等方面具有輔助作用，同時還能為社會公眾的出行提供便利。建立基于時空數(shù)據(jù)模型的城市實景數(shù)據(jù)庫，可以對不同時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)展進程具有重要意義。

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[5] 雷震，李東，吳玲達.基于粒子群優(yōu)化和互信息量的全景圖拼接算法[J].計算機仿真，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實驗室開放基金項目(PF2011-26)