黃　鶴，楊軍星，邱冬煒，趙　焰，姜　浩

(北京建筑大學(xué)測(cè)繪與城市空間信息學(xué)院，北京 102616)

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基于全景影像的測(cè)繪控制點(diǎn)尋點(diǎn)系統(tǒng)研發(fā)

黃鶴，楊軍星，邱冬煒，趙焰，姜浩

(北京建筑大學(xué)測(cè)繪與城市空間信息學(xué)院，北京 102616)

如今測(cè)繪地理信息行業(yè)蓬勃發(fā)展，基礎(chǔ)測(cè)繪數(shù)據(jù)的使用與管理存在很大問(wèn)題，各大測(cè)繪局售給用戶的控制點(diǎn)的地理跨度往往很大，尋找控制點(diǎn)會(huì)消耗較多時(shí)間，控制點(diǎn)點(diǎn)之記數(shù)據(jù)難以具有時(shí)效性，現(xiàn)有的導(dǎo)航軟件坐標(biāo)系與控制點(diǎn)的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換參數(shù)未知，用其導(dǎo)航不盡滿意。本文基于全景影像開(kāi)發(fā)了服務(wù)器端和手機(jī)端應(yīng)用相結(jié)合的控制點(diǎn)尋點(diǎn)系統(tǒng)，使用PostgreSQL管理數(shù)據(jù)，利用手機(jī)的多種傳感器，實(shí)現(xiàn)了控制點(diǎn)精確、快速導(dǎo)航，結(jié)合全景影像的優(yōu)秀可視化效果使導(dǎo)航具有更好的用戶體驗(yàn)。

全景影像；智能手機(jī)；最近點(diǎn)算法；控制點(diǎn)導(dǎo)航

測(cè)量控制點(diǎn)在城市測(cè)繪、空間技術(shù)、項(xiàng)目工程中是非常重要的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，是國(guó)民經(jīng)濟(jì)的命脈?？刂泣c(diǎn)往往埋設(shè)到視野開(kāi)闊的位置，控制網(wǎng)更要覆蓋整個(gè)項(xiàng)目區(qū)域，導(dǎo)致分散且不易查找。如今的點(diǎn)之記也只是粗略記錄大概位置，控制點(diǎn)之間的地理跨度往往很大，隨著時(shí)間的推移，點(diǎn)之記的標(biāo)志也會(huì)逐漸模糊以致消失，致使控制點(diǎn)的尋找更是難上加難，給測(cè)繪工作帶來(lái)了很多不必要的麻煩，浪費(fèi)了許多寶貴時(shí)間。全景影像作為由相機(jī)直接拍攝并拼接而成的影像數(shù)據(jù)，可以360°自由查看某一地點(diǎn)任何方位的場(chǎng)景，在可視化方面可以說(shuō)最接近實(shí)際場(chǎng)景。而如今的各大地圖廠商顯然沒(méi)有將全景影像在導(dǎo)航領(lǐng)域的作用發(fā)揮出來(lái)，只是作為街景來(lái)提供一些景觀瀏覽。而如今智能手機(jī)已相當(dāng)普及，如果將全景影像與導(dǎo)航結(jié)合，由此形成一個(gè)全新的導(dǎo)航系統(tǒng)并應(yīng)用到智能手機(jī)的話肯定會(huì)有其用武之地，在尋找控制點(diǎn)過(guò)程中可以提供重要的參考依據(jù)，實(shí)現(xiàn)控制點(diǎn)的快速、精確導(dǎo)航，也會(huì)為測(cè)繪工作節(jié)省很多不必要的時(shí)間，提高工作效率。

一、技術(shù)和方法

1. 全景相機(jī)

因?yàn)榭刂泣c(diǎn)作為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，提供精度控制的作用，在一個(gè)項(xiàng)目中數(shù)據(jù)量很小，在空間位置上是一個(gè)個(gè)獨(dú)立的分散點(diǎn)，所以不需要像Google、百度街景那樣一米一個(gè)場(chǎng)景，需要測(cè)量車(chē)來(lái)專(zhuān)門(mén)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，一個(gè)簡(jiǎn)易的便攜全景相機(jī)就可以滿足要求。目前主流的數(shù)碼全景相機(jī)的成像方式基本分為三大類(lèi):折射式多鏡頭組合、折反射系統(tǒng)和旋轉(zhuǎn)式掃描系統(tǒng)。多鏡頭組合型全景相機(jī)由一系列獨(dú)立、固定的鏡頭組成，由多個(gè)相機(jī)拍攝不同方向的影像，再利用軟件拼接為全景影像，該類(lèi)型相機(jī)如LADYBUG等，作為車(chē)載相機(jī)可以配套GPS、INS的定位系統(tǒng)，拍攝全景的同時(shí)可以測(cè)得坐標(biāo)。控制點(diǎn)一般位于視野開(kāi)闊的地方，如山頂、山丘等，因此需要便攜式全景相機(jī)，現(xiàn)今的設(shè)備有如谷歌的背包Cartographer，單反相機(jī)與旋轉(zhuǎn)臺(tái)的組合等。

本文的全景相機(jī)由6個(gè)不同朝向的GoPro運(yùn)動(dòng)相機(jī)組裝而成，拍攝6張影像，使PTGui軟件投影拼接，形成等距圓柱投影，最后使用Krpano全景制作插件進(jìn)行分割、加工，制作出全景網(wǎng)頁(yè)放到服務(wù)器或本地分享瀏覽，當(dāng)尋找控制點(diǎn)的過(guò)程中設(shè)置一個(gè)距離閾值，接近控制點(diǎn)時(shí)會(huì)自動(dòng)報(bào)警并顯示控制點(diǎn)的全景，為尋找控制點(diǎn)提供依據(jù)(如圖1所示)。

2. 控制點(diǎn)全景拍攝

為方便導(dǎo)航需要在控制點(diǎn)周?chē)臄z全景為導(dǎo)航提供依據(jù)，在距離控制點(diǎn)一定的范圍內(nèi)拍攝全景，根據(jù)用戶不同需求與控制點(diǎn)所在的環(huán)境設(shè)定相應(yīng)的閾值、方向、全景數(shù)量等，但應(yīng)滿足一定的規(guī)則。如埋設(shè)地點(diǎn)應(yīng)有一張全景，控制點(diǎn)的四周在有道路的方向設(shè)定距離閾值，每60°拍攝一張全景，有房屋的方向可以不用拍攝，因?yàn)閷ふ铱刂泣c(diǎn)的過(guò)程中根本不會(huì)經(jīng)過(guò)。如圖2所示。

圖1　全景相機(jī)與全景影像

圖2　全景拍攝示例

3. 陀螺儀與方向傳感器

為了用戶更好的體驗(yàn)，打開(kāi)全景時(shí)的指向應(yīng)與手機(jī)的朝向相一致，手機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)全景應(yīng)轉(zhuǎn)動(dòng)相同的角度。如今的智能手機(jī)配備有多種傳感器，如陀螺儀、方向傳感器、GPS接收器、磁傳感器等。利用這些傳感器可以方便地控制全景的起始方向、旋轉(zhuǎn)，為了使用戶打開(kāi)全景時(shí)其方向必須和用戶手持手機(jī)的方向相同，首先通過(guò)磁傳感器獲取用戶相對(duì)于北方向的朝向，然后將全景旋轉(zhuǎn)到與用戶相同的方向。具體做法是將全景的零方向與北方向重合，在全景中利用手機(jī)磁傳感器獲取手機(jī)朝向相對(duì)于北方向的方位α，最后將全景旋轉(zhuǎn)α即可。

垂直方向的視野可以通過(guò)方向傳感器來(lái)獲取，然后旋轉(zhuǎn)相應(yīng)角度即可，并結(jié)合陀螺儀使用戶旋轉(zhuǎn)手機(jī)的同時(shí)，全景也相應(yīng)地跟著旋轉(zhuǎn)。此功能也可以用到古建筑遺址保護(hù)、工程建設(shè)、景區(qū)保護(hù)中，可以360°檢測(cè)同一地點(diǎn)、同一場(chǎng)景隨時(shí)間的變化。如在某條舊街拆除之前，對(duì)其進(jìn)行全景拍攝，含有指南針和陀螺儀信息；重建后，可根據(jù)GPS位置找到之前的拍攝點(diǎn)，然后實(shí)現(xiàn)不同時(shí)空的互動(dòng)。即使用者在之前拍攝的位置轉(zhuǎn)動(dòng)身體，同時(shí)看到真實(shí)世界和設(shè)備中的過(guò)去世界在相同位置的影像。如果加上谷歌立體紙盒功能則體驗(yàn)更加豐富。

二、系統(tǒng)研發(fā)

1. 最近全景搜索

用戶手持移動(dòng)設(shè)備進(jìn)行導(dǎo)航時(shí)，需要實(shí)時(shí)監(jiān)聽(tīng)用戶位置并標(biāo)注在地圖上。天地圖SDK的OverLay類(lèi)提供了onLocationChanged方法可以實(shí)時(shí)監(jiān)聽(tīng)用戶位置并作出響應(yīng)。當(dāng)手機(jī)位置發(fā)生改變時(shí)立即搜索最近點(diǎn)全景顯然沒(méi)有必要，還會(huì)增加運(yùn)算量，耗費(fèi)移動(dòng)設(shè)備電量，這對(duì)移動(dòng)設(shè)備來(lái)說(shuō)顯然不適用，因此需設(shè)置一個(gè)導(dǎo)航效果選項(xiàng)，根據(jù)導(dǎo)航效果的高低來(lái)設(shè)置位置移動(dòng)大小并搜索最近點(diǎn)，或者手動(dòng)搜索。

目前主流的最近點(diǎn)算法如GeoHash、B樹(shù)索引等針對(duì)海量數(shù)據(jù)可以大大減少運(yùn)算量，提高效率，顯然對(duì)于擁有海量數(shù)據(jù)大型控制點(diǎn)系統(tǒng)是很有必要的。但基層控制點(diǎn)的數(shù)量是很有限的，每個(gè)全景周?chē)皵?shù)目不超過(guò)10個(gè)，用戶購(gòu)買(mǎi)的控制點(diǎn)更少，顯然對(duì)于如今配置過(guò)剩的移動(dòng)設(shè)備來(lái)說(shuō)這點(diǎn)運(yùn)算量微不足道，復(fù)雜的算法更沒(méi)必要，因此采用遍歷的算法來(lái)搜索最近點(diǎn)。具體流程：獲取當(dāng)前位置p，min S設(shè)為最小值變量，全景位置序列為list，初始值min S=S(p,p0),作遍歷循環(huán)求出最近點(diǎn)全景ID。

2. 數(shù)據(jù)組織

控制點(diǎn)點(diǎn)之記在原有數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上添加全景影像及其位置屬性，方便查詢，為了保證數(shù)據(jù)的安全性，采用RSA不對(duì)稱(chēng)加密算法，保證用戶購(gòu)買(mǎi)的控制點(diǎn)數(shù)據(jù)安全傳輸。數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)見(jiàn)表1。

表1　點(diǎn)之記數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

3. 系統(tǒng)架構(gòu)與功能實(shí)現(xiàn)

總體架構(gòu)分為兩部分:移動(dòng)端和服務(wù)器端。服務(wù)器端總體架設(shè)在阿里云ECS，分3大模塊，分別為API、應(yīng)用門(mén)戶站點(diǎn)管理、數(shù)據(jù)中心庫(kù)，用戶管理(包括權(quán)限、用戶基本信息)，測(cè)繪成果數(shù)據(jù)批量導(dǎo)入導(dǎo)出、數(shù)據(jù)編輯(插入、刪除、更新、地圖標(biāo)記、全景錄入、影像錄入)等。移動(dòng)App主要分6個(gè)模塊，主要用于數(shù)據(jù)的查詢和控制點(diǎn)的導(dǎo)入導(dǎo)出、控制點(diǎn)路線導(dǎo)航，實(shí)現(xiàn)控制點(diǎn)的快速、精確導(dǎo)航，如圖3所示。

三、結(jié)論與展望

由于現(xiàn)今導(dǎo)航軟件坐標(biāo)系與地理坐標(biāo)系的不統(tǒng)一，點(diǎn)之記給出的坐標(biāo)又是粗略坐標(biāo)，控制點(diǎn)的使用、尋找非常困難。針對(duì)此問(wèn)題，測(cè)尋控系統(tǒng)充分發(fā)揮全景影像的優(yōu)勢(shì)，結(jié)合傳統(tǒng)導(dǎo)航，在控制點(diǎn)管理、全景導(dǎo)航方面取得非常大的成功，解決了當(dāng)下控制點(diǎn)使用過(guò)程中遇到的問(wèn)題，提高了測(cè)繪工作效率，為信息化測(cè)繪提供了寶貴的經(jīng)驗(yàn)。隨著科技的發(fā)展，全景影像作為一種新的數(shù)據(jù)，將得到廣泛應(yīng)用，與傳統(tǒng)測(cè)繪相結(jié)合，相信在將來(lái)的信息化測(cè)繪中將占據(jù)一席之地。

圖3　系統(tǒng)架構(gòu)與App導(dǎo)航

[1]張志樂(lè), 郭鵬飛, 裘安秋. 組件式GIS技術(shù)管理測(cè)量控制點(diǎn)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J]. 地理空間信息, 2011，9(5):20-22.

[2]蔡欣恩, 唐詩(shī)華, 王睿. 基于Google地圖的測(cè)量控制點(diǎn)成果管理系統(tǒng)[J]. 地理空間信息, 2014，12(5):31-34.

[3]肖海紅, 謝瑞, 王蘭洲,等.GIS支持下的煤田大地測(cè)量控制點(diǎn)成果信息管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J]. 測(cè)繪通報(bào), 2015(9):117-121.

[4]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]. 測(cè)繪通報(bào), 2011(4):71-73.

[5]季順平, 史云. 多鏡頭組合型全景相機(jī)兩種成像模型的定位精度比較[J]. 測(cè)繪學(xué)報(bào), 2014, 43(12):1252-1258.

[6]ZHENGJY,SHIM.MappingCityscapestoCyberSpace[C]∥Proceedingsofthe2003InternationalConferenceonCyberwords.[S.l.]:IEEE,2003.

[7]YOYAMAK,LOGANR,ROSEWAYA,etal.GeographicLocationTagsonDigitalImages[C]∥ProceedingsofACMMultimediaConference.[S.l.]:ACM, 2003.

[8]LIS,HAYASHIA.RobotNavigationinOutdoorEnvironmentsbyUsingGPSInformationandPanoramicViews[C]∥ProceedingsofIEEE/RSJInternationalConferenceonIntelligentRobotsandSystems.[S.l.]:IEEE/RSJ,1998.

[9]ZHENGJY,ZHOUY,SHIM.SceneTunnelsforSeamlessVirtualTour[C]∥ACMConferenceMultimedia.[S.l.]:ACM, 2004.

[10]CHOJS,LEEYW,JUJG,etal.ImplementationofaSurveyedControlPointManagementSystemUsingCDMANetworks[C]∥2010 5thInternationalConferenceonEmbeddedandMultimediaComputing(EMC). [S.l.]:IEEE,2010.

Research and Development of Surveying and Mapping Control Point Location Tags System Based on Panoramic Image

HUANG He，YANG Junxing，QIU Dongwei，ZHAO Yan，JIANG Hao

10.13474/j.cnki.11-2246.2016.0272.

2016-05-25

北京建筑大學(xué)校級(jí)實(shí)踐教學(xué)專(zhuān)項(xiàng)基金(J13-11)；校級(jí)教育科學(xué)研究項(xiàng)目(Y11-29)；住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部科技計(jì)劃項(xiàng)目(2015-K8-050)

黃鶴(1977—)，男，博士，講師，研究方向?yàn)榈厍蛐螤罴爸亓?chǎng),室內(nèi)導(dǎo)航定位技術(shù)及其應(yīng)用等。E-mail: huanghe@bucea.edu.cn

P208

B

0494-0911(2016)08-0118-03

引文格式：黃鶴，楊軍星，邱冬煒,等.基于全景影像的測(cè)繪控制點(diǎn)尋點(diǎn)系統(tǒng)研發(fā)[J].測(cè)繪通報(bào)，2016(8)：118-120.