劉詩雨 李澤鳴* 張力晗 段薈澤 劉忠博

(沈陽工學(xué)院能源與水利學(xué)院,遼寧 撫順113122)

1 概述

經(jīng)濟(jì)全球化推動(dòng)人類社會(huì)科學(xué)技術(shù)快速發(fā)展,據(jù)美國Zenith 研究報(bào)告指出,到2018 下半年中國使用智能手機(jī)用戶數(shù)量將超過13 億人次,位居世界第一[1,2]。2020 年,5G 時(shí)代的到來更是將人們對智能手機(jī)的需求提升到了新的層次[3]。其中,導(dǎo)航定位服務(wù)作為手機(jī)用戶使用最頻繁的功能,對其定位精度和智能服務(wù)的要求愈發(fā)嚴(yán)苛。因此,研發(fā)高精度導(dǎo)航定位平臺(tái),提供便捷化、智能化的位置信息服務(wù)勢在必行。

經(jīng)歷十余年的發(fā)展,隨著全球定位系統(tǒng)技術(shù)的大規(guī)模普及,如今只需要擁有一臺(tái)智能手機(jī),便可以在陌生國度、陌生城市甚至陌生的街道里獲得滿足需求的位置信息,可實(shí)現(xiàn)輕松地找到通往目的地的最佳路徑。因此,為適應(yīng)數(shù)字化校園建設(shè)的要求,利用三維技術(shù)開發(fā)校園范圍內(nèi)高精度導(dǎo)航定位系統(tǒng)極具實(shí)踐意義。

現(xiàn)如今高校的占地總面積越來越大,建筑物種類及數(shù)量越來越多,校內(nèi)的道路縱橫交錯(cuò)、錯(cuò)綜復(fù)雜,給在校師生以及來訪者帶來極大地不便。以沈陽工學(xué)院為例,校園中每兩個(gè)建筑物之間的路線并不唯一,為輔助師生及校外來訪者尋找最合適的路線,更加快速、準(zhǔn)確地獲得目的地信息,本研究研發(fā)了智慧校園高精度定位系統(tǒng)。本系統(tǒng)基于Android 操作平臺(tái),結(jié)合3D 攝影測量技術(shù),利用百度地圖API 接口和Dijkstra 最短路徑算法進(jìn)行研發(fā)。

2 關(guān)鍵技術(shù)研究

2.1 傾斜攝影與三維實(shí)景建模

近年來,傾斜攝影技術(shù)是測繪領(lǐng)域發(fā)展起來的一項(xiàng)高新技術(shù)[4,5]。該技術(shù)能夠采集地面物體的高度、經(jīng)緯度以及多角度高分辨率影像的信息,突破了以往從垂直角度拍攝只能獲得正射影像的限制[6,7]。

以沈陽工學(xué)院為例,進(jìn)行內(nèi)業(yè)與外業(yè)交互操作。在外業(yè)進(jìn)行3D 攝影測量飛行準(zhǔn)備時(shí),應(yīng)選擇對本次測量最有利的氣象條件,并盡可能的減少或避免地表植被和其他覆蓋物對攝影和測圖的不良影響。飛行過程中既要保證充足的光照度,又要避免過大的陰影。攝影時(shí)要選擇視野遮擋小并且無信號(hào)干擾,更要遠(yuǎn)離高層建筑物且人群較少的地點(diǎn)作為無人機(jī)的起降場地,以確保儀器安全和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。布設(shè)像控點(diǎn),像控點(diǎn)測量是使用RTK 進(jìn)行的。內(nèi)業(yè)中主要進(jìn)行空中三角測量加密計(jì)算,反復(fù)操作,直到控制點(diǎn)變綠,像素控制在0.6 內(nèi),第三到n 次空中三角計(jì)算。利用控制點(diǎn)時(shí),所有影像進(jìn)行精準(zhǔn)刺點(diǎn),完成空間后方交會(huì)與精準(zhǔn)相對定向。利用空間前方交會(huì),進(jìn)行絕對定向完成建模,最終得到高精度的三維實(shí)景模型。

2.2 最短路徑算法

2.2.1 計(jì)算任意兩點(diǎn)距離

設(shè)一個(gè)點(diǎn)P 的緯度和經(jīng)度分別為(αp,δp),另一個(gè)點(diǎn)Q的緯度和經(jīng)度分別為(αq,δq)。以0 度經(jīng)線為基準(zhǔn),東經(jīng)為正值,西經(jīng)為負(fù)值,北緯取( 90°- 當(dāng)前緯度),南緯取(90°+當(dāng)前緯度),則經(jīng)過上述處理過的兩點(diǎn)為(αp',δp')和(αq',δq'),由球面計(jì)算公式可以推導(dǎo)出P 點(diǎn)與Q 點(diǎn)之間的距離Dpq可以表示為:

其中,R 取值為6371km(既地球平均半徑)。

2.2.2 最短路徑算法

本系統(tǒng)的最短路徑算計(jì)算方法采用迪杰斯特拉(Dijkstra)算法,該算法是以不斷地進(jìn)行對頂點(diǎn)標(biāo)號(hào)來實(shí)現(xiàn)對最短路徑搜索的[8,9]。算法開始后,每次標(biāo)號(hào)一個(gè)頂點(diǎn),標(biāo)號(hào)的值即為從給定源點(diǎn)到該點(diǎn)的最短路徑權(quán)值。在所有與固定源點(diǎn)有邊相連的頂點(diǎn)中找到離源點(diǎn)最近的頂點(diǎn),遞歸地設(shè)已找到當(dāng)前最短路徑的一部分- 由與源點(diǎn)距離最短的n 個(gè)結(jié)點(diǎn)和相應(yīng)的n 條最短路徑構(gòu)成,此時(shí),這n 個(gè)結(jié)點(diǎn)到源點(diǎn)的最短路徑權(quán)值將會(huì)成為它們各自的永久標(biāo)號(hào)[10-11]。

以沈陽工學(xué)院為例:以求源樓為源點(diǎn),計(jì)算求源樓到(圖書館、求實(shí)樓、校史館、體育場)的最短路徑,如圖1 所示。線上所標(biāo)注為相鄰線段之間的距離,即權(quán)值(注:此圖只為示意圖,目視長度與相鄰距離并不對等)。以線相鄰線段之間的距離作為權(quán)值,在線上標(biāo)注出來。Dijkstra 算法在案例中具體實(shí)現(xiàn)如下[1]:

(1)在計(jì)算圖1 中的最短路徑時(shí),需要指定起點(diǎn)s(求源樓),從頂點(diǎn)s 開始計(jì)算；

圖1 沈陽工學(xué)院Dijkstra 路網(wǎng)示意圖(部分)

(2)引進(jìn)兩個(gè)集合S 和U。其中,S 記錄已求出的最短路徑頂點(diǎn)以及相應(yīng)最短路徑的長度；U 記錄還未求出最短路徑的頂點(diǎn)以及其到起點(diǎn)s 的距離。初始時(shí),S 中只包含起點(diǎn)s；U 中則為除s 之外的全部頂點(diǎn)且U 中頂點(diǎn)路徑是s 到這些頂點(diǎn)的距離；

(3)從U 中找出最短距離路徑的頂點(diǎn)將其加入到S 中；

(4)更新U 中的頂點(diǎn)和頂點(diǎn)對應(yīng)的路徑；

(5)重復(fù)(3)～(4)操作,直到遍歷完所有頂點(diǎn)。

3 系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)以沈陽工學(xué)院為例,調(diào)查了本校師生對校園導(dǎo)航的需求并整理獲得預(yù)期要實(shí)現(xiàn)的功能,主要包括導(dǎo)航信息的獲取、用戶個(gè)人賬號(hào)登錄、校園二維、三維地圖實(shí)景信息查看等,并向用戶提供實(shí)時(shí)定位功能,即無論用戶在校園任何位置,都能通過該系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)精準(zhǔn)定位；另外,系統(tǒng)還提供臨近位置的提醒功能,可以讓用戶及時(shí)獲取自己的所在地變化信息和周邊信息；最后,提供最佳路徑選擇服務(wù),用戶通過選擇當(dāng)前位置與目的地,系統(tǒng)將自動(dòng)選擇一條通往目的地的最佳路徑,為用戶提供便利,極大地減少了用戶的行程時(shí)間。

3.1 功能設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)為了滿足校園師生的日常需求,設(shè)計(jì)了以下功能:導(dǎo)航信息獲取、實(shí)時(shí)定位服務(wù)、臨近位置提醒、周邊信息搜索、最優(yōu)路線規(guī)劃等功能。

3.2 實(shí)時(shí)定位服務(wù)

該系統(tǒng)可以隨時(shí)通過手機(jī)無線網(wǎng)絡(luò)對用戶當(dāng)前的所在位置進(jìn)行基站定位,向用戶提供當(dāng)前所在位置的精準(zhǔn)坐標(biāo),該位置信息會(huì)以功能區(qū)名稱的形式顯示在用戶手機(jī)的地圖上,然后用戶可根據(jù)自己的需要,獲取不同地點(diǎn)和功能區(qū)的位置信息。例如周邊教學(xué)樓的名稱、道路的名稱和超市等。系統(tǒng)將呈現(xiàn)兩種形式地圖供用戶選擇:

3.2.1 交通線路圖(包含每條道路的名稱,用戶所在方位),主要提供線狀路徑,方便用戶對所需路線進(jìn)行篩選；

3.2.2 三維立體地圖,顯示周邊建筑物群及名稱(求源樓和博思樓等),方便用戶對周圍功能區(qū)信息進(jìn)行獲取。該地圖形式是通過使用大疆Phantom 4 Pro 無人機(jī)采集校園主要教學(xué)樓的正射影像與傾斜影像,再將影像導(dǎo)入到Context Capture Center Engine 軟件與Context Capture Center Master 中進(jìn)行照片對齊,匹配影像同名特征點(diǎn),生成密集點(diǎn)云數(shù)據(jù)。然后按照影像處理的一般流程,依次進(jìn)行三維重建、計(jì)算三角點(diǎn)顏色和紋理映射操作等,最終得到高精度的三維實(shí)景模型,如圖2 所示。

圖2 實(shí)時(shí)定位圖

3.3 最優(yōu)路徑規(guī)劃

此功能區(qū)別于其他大尺度定位服務(wù)系統(tǒng),基于定位信息獲取不同功能區(qū)的感興趣點(diǎn)(Points of Interest,POI)。當(dāng)用戶提供所需路徑的起止點(diǎn)時(shí),系統(tǒng)會(huì)根據(jù)起點(diǎn)和終點(diǎn)的位置進(jìn)行路線規(guī)劃,結(jié)合百度地圖API 接口和Dijkstra 最短路徑算法,向用戶提供能夠到達(dá)目的地的最佳路線。

4 結(jié)論與討論

本研究在實(shí)現(xiàn)校園導(dǎo)航過程中主要針對校園特色進(jìn)行了設(shè)計(jì),利用三維模型更直觀的讓用戶了解到校園內(nèi)部環(huán)境與布局情況,利用Dijkstra 算法可以較快且精準(zhǔn)的計(jì)算最短路徑。通過本系統(tǒng)的實(shí)踐研發(fā),加強(qiáng)了學(xué)校信息化建設(shè)。該系統(tǒng)為校內(nèi)師生和外訪人員提供了一個(gè)全新的信息化服務(wù)平臺(tái),并打造了一個(gè)對外宣傳學(xué)校的媒介,提升了學(xué)校知名度,為學(xué)校的信息化建設(shè)提供助力。在系統(tǒng)的研發(fā)過程中,既提升了學(xué)生的團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力,也增加了學(xué)生的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。

在對本系統(tǒng)進(jìn)行成果調(diào)研時(shí)發(fā)現(xiàn)以下問題:

(1)Android 手機(jī)續(xù)航問題一直是人們的詬病,因此在校園導(dǎo)航系統(tǒng)的功耗上,應(yīng)改善功耗問題,使系統(tǒng)減少對手機(jī)正常續(xù)航的影響。

(2)在運(yùn)行速度上,應(yīng)優(yōu)化后臺(tái)系統(tǒng),減少數(shù)據(jù)冗余,如對重復(fù)區(qū)域影像適當(dāng)舍棄等,使校園導(dǎo)航系統(tǒng)運(yùn)行更加流暢和穩(wěn)定。

(3)本系統(tǒng)建立的校園虛擬環(huán)境只是簡單的三維全景,與真正的三維空間還有較大差距,今后仍需進(jìn)一步研究,將虛擬三維校園環(huán)境設(shè)計(jì)得更加逼真,更符合校園規(guī)劃要求且實(shí)用價(jià)值更高。