便攜式小型移動(dòng)全景地理國(guó)情調(diào)繪核查技術(shù)研究

王海銀，劉鵬超，胡振彪

(1. 青島市勘察測(cè)繪研究院，山東 青島 266033； 2. 山東省海陸地理信息集成與

應(yīng)用工程研究中心青島市海陸地理信息集成與應(yīng)用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 青島 266033)

WANG Haiyin,LIU Pengchao,HU Zhenbiao

便攜式小型移動(dòng)全景地理國(guó)情調(diào)繪核查技術(shù)研究

王海銀1,2，劉鵬超1,2，胡振彪1,2

(1. 青島市勘察測(cè)繪研究院，山東 青島 266033； 2. 山東省海陸地理信息集成與

應(yīng)用工程研究中心青島市海陸地理信息集成與應(yīng)用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 青島 266033)

Research on Portable Mobile Panoramic System for Geography Condition Investigation and Verification

WANG Haiyin,LIU Pengchao,HU Zhenbiao

摘要：地理國(guó)情調(diào)繪核查關(guān)系到地理國(guó)情普查的可靠性和現(xiàn)勢(shì)性，目前地理國(guó)情調(diào)繪核查以人工外業(yè)為主。本文提出了一種便攜式小型移動(dòng)全景調(diào)繪核查技術(shù)，以車載或人工背負(fù)攜帶式對(duì)地理國(guó)情調(diào)繪核查進(jìn)行全過程360°實(shí)景記錄，通過手持GPS終端實(shí)現(xiàn)全景影像自動(dòng)地理參考；進(jìn)一步與正射影像關(guān)聯(lián)進(jìn)行地理國(guó)情普查要素的室內(nèi)核查與調(diào)繪，提高地理國(guó)情調(diào)繪核查乃至質(zhì)檢的效率和質(zhì)量；另外在其他調(diào)查類業(yè)務(wù)中也具有很好的應(yīng)用前景。

引文格式： 王海銀，劉鵬超，胡振彪. 便攜式小型移動(dòng)全景地理國(guó)情調(diào)繪核查技術(shù)研究[J].測(cè)繪通報(bào)，2015(9)：109-112.DOI:10.13474/j.cnki.11-2246.2015.0293

關(guān)鍵詞：地理國(guó)情普查；核查；調(diào)繪；全景

中圖分類號(hào)：P208

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：0494-0911(2015)09-0109-04

收稿日期：2015-01-16

基金項(xiàng)目：電子信息產(chǎn)業(yè)發(fā)展基金項(xiàng)目“海陸一體三維地理信息共享服務(wù)系統(tǒng)研發(fā)及應(yīng)用示范”(工信部財(cái)〔2012〕407號(hào))

作者簡(jiǎn)介：王海銀(1975—)，男，高級(jí)工程師，主要從事地理信息軟件開發(fā)及技術(shù)管理等工作。E-mail:why@qdkcy.com.cn

一、引言

地理國(guó)情普查是一項(xiàng)重大的國(guó)情國(guó)力調(diào)查，是掌握地表自然、生態(tài)及人類活動(dòng)基本情況的基礎(chǔ)性工作。地理國(guó)情外業(yè)調(diào)繪與核查通過對(duì)內(nèi)業(yè)分類與判譯的地理國(guó)情要素和地表覆蓋分類成果，以及內(nèi)業(yè)無(wú)法定性的類型、邊界和屬性進(jìn)行實(shí)地核實(shí)確認(rèn)和補(bǔ)調(diào)，是地理國(guó)情普查工作十分重要的環(huán)節(jié)，是保證地理國(guó)情普查數(shù)據(jù)質(zhì)量的關(guān)鍵環(huán)節(jié)[1-3]。

當(dāng)前，地理國(guó)情普查外業(yè)核查與調(diào)繪是帶GPS、相機(jī)、羅盤等定位定姿和照相傳感器進(jìn)行核查、調(diào)繪和解譯樣本采集，如基于ArcGIS的地理國(guó)情普查外業(yè)調(diào)繪核查系統(tǒng)、基于平板電腦的Geoway Fielder數(shù)碼調(diào)繪系統(tǒng)、中海達(dá)地理國(guó)情普查系統(tǒng)調(diào)繪寶等[4-10]，此外，承擔(dān)地理國(guó)情普查任務(wù)的單位結(jié)合自身生產(chǎn)條件，也推出了各種服務(wù)于地理國(guó)情外業(yè)核查和調(diào)繪的系統(tǒng)或設(shè)備。這些系統(tǒng)或設(shè)備以人工實(shí)地作業(yè)為主，且該工序工作內(nèi)容多，影像拍攝質(zhì)量和角度要求嚴(yán)格，使得外業(yè)操作復(fù)雜，對(duì)作業(yè)員要求高，且勞動(dòng)強(qiáng)度大，直接影響作業(yè)效率和成果質(zhì)量[6-10]。

地理國(guó)情普查的外業(yè)調(diào)繪和核查工作需保證細(xì)致無(wú)遺漏，同一地區(qū)經(jīng)常進(jìn)行多次調(diào)查核查工作，影響整體普查工作的效率和速度。通過人工拍攝照片的方式采集道路車道數(shù)、地理單元名稱等要素和相關(guān)屬性，導(dǎo)致外業(yè)調(diào)查、內(nèi)業(yè)判定工作負(fù)擔(dān)較重，且易造成遺漏。集成GPS定位設(shè)備和MEMS定姿傳感器的360°全景系統(tǒng)可在載體快速移動(dòng)狀態(tài)下實(shí)現(xiàn)對(duì)周邊地理環(huán)境的全視角全息采集，可用于街景與地理信息采集更新，如信息測(cè)繪、智慧城市、道路交通、城市管理、園林綠化和智慧旅游等領(lǐng)域。

本文針對(duì)地理國(guó)情普查外業(yè)核查和調(diào)繪，提出了一種便攜式小型移動(dòng)全景調(diào)繪核查技術(shù)，在外業(yè)調(diào)繪核查人員工作的同時(shí)，以車載或人工背負(fù)攜帶式對(duì)地理國(guó)情調(diào)繪核查進(jìn)行全過程360°實(shí)景記錄，采集國(guó)情普查路線上的全景資料，并記錄采集點(diǎn)坐標(biāo)信息和采集路線軌跡信息，并進(jìn)一步利用配套軟件與正射影像關(guān)聯(lián)，快速查詢?yōu)g覽到外業(yè)場(chǎng)景360°實(shí)景資料，進(jìn)行地理國(guó)情普查要素的室內(nèi)核查調(diào)繪和解譯樣本采集，可提高地理國(guó)情調(diào)繪核查的效率和質(zhì)量，具有很好的應(yīng)用前景。

二、便攜式小型移動(dòng)全景系統(tǒng)

便攜式小型移動(dòng)全景系統(tǒng)采用5臺(tái)寬角鏡頭的相機(jī)在水平方向拼接成360°全景，且配置羅盤和WiFi設(shè)備，通過智能移動(dòng)終端控制相機(jī)的拍攝參數(shù)，同時(shí)以智能移動(dòng)終端獲取的GPS為全景影像提供位置坐標(biāo)，其工作原理如圖1所示。

由圖1可知，需要5個(gè)相機(jī)在同一個(gè)時(shí)刻觸發(fā)曝光拍攝，通過一個(gè)同步控制板以一分5路的方式直接連接控制單個(gè)相機(jī)的快門，智能手機(jī)則通過WiFi連接同步控制板，由智能移動(dòng)終端上開發(fā)的應(yīng)用APP將相機(jī)拍攝參數(shù)、拍攝信號(hào)發(fā)送到同步控制板，實(shí)現(xiàn)基于智能移動(dòng)終端的多相機(jī)同步采集。在給同步控制板發(fā)送相機(jī)拍攝信息的同時(shí)，智能移動(dòng)終端同步獲取該時(shí)刻的GPS位置坐標(biāo)和羅盤的姿態(tài)參數(shù)，并通過后續(xù)地理參考處理，為每一個(gè)全景影像關(guān)聯(lián)上位置和姿態(tài)參數(shù)，以便將全景影像導(dǎo)入到地理國(guó)情普查內(nèi)業(yè)處理系統(tǒng)，進(jìn)行核查、調(diào)繪及樣本采集。

綜合考慮設(shè)備的重量和影像質(zhì)量，本文設(shè)計(jì)的移動(dòng)全景系統(tǒng)采用運(yùn)動(dòng)型GoPro Hero3+相機(jī)。該相機(jī)重量不到50 g，配備超廣角鏡頭，支持拍攝12 Fps的4 K、30 Fps的2.7 K或48 Fps的1080 P HD視頻，單幀影像可以達(dá)到12 MP像素，同時(shí)具有64 GB的MicroSD擴(kuò)展內(nèi)存，日光下采集的影像品質(zhì)效果較好。采用5臺(tái)GoPro Hero3+相機(jī)，水平環(huán)繞排列，各相機(jī)垂直放置，相鄰相機(jī)拍攝夾角為72°。整套移動(dòng)全景系統(tǒng)設(shè)備重量在1 kg以內(nèi)，輕便穩(wěn)定，拆卸簡(jiǎn)單，可方便安裝在車頂、對(duì)中桿上，甚至可以安裝在頭盔上，攜帶方便，使用時(shí)只需要一個(gè)智能移動(dòng)終端，如圖2所示。

圖1　便攜式小型移動(dòng)全景系統(tǒng)工作原理

圖2　便攜式小型移動(dòng)全景系統(tǒng)組成

三、基于便攜式小型移動(dòng)全景系統(tǒng)的地理國(guó)情調(diào)繪和核查

1. 總體技術(shù)框架

便攜式小型移動(dòng)全景系統(tǒng)將多相機(jī)全景設(shè)備、羅盤與智能移動(dòng)終端無(wú)縫集成，充分利用智能移動(dòng)終端的定位功能，實(shí)現(xiàn)帶位置和姿態(tài)的多視角影像一體化同步采集，通過多視角影像全景拼接與全景影像地理參考處理，將全景影像與DOM進(jìn)行空間關(guān)聯(lián)，實(shí)現(xiàn)多視角全景影像與DOM的聯(lián)合采集、核查、調(diào)繪與解譯樣本的裁切建庫(kù)，其技術(shù)框架如圖3所示。

基于便攜式移動(dòng)全景系統(tǒng)的地理國(guó)情核查調(diào)繪包括數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理和普查應(yīng)用3個(gè)環(huán)節(jié)。外業(yè)數(shù)據(jù)采集采用本文設(shè)計(jì)的移動(dòng)全景系統(tǒng)，融入到當(dāng)前地理國(guó)情外業(yè)核查和調(diào)繪流程；數(shù)據(jù)處理完成全景影像拼接與地理參考處理；普查應(yīng)用立足于全景影像與DOM的空間關(guān)聯(lián)，通過全景影像與DOM按照位置與視場(chǎng)角的查詢?yōu)g覽，實(shí)現(xiàn)地理國(guó)情普查要素的核實(shí)、補(bǔ)繪和樣本裁切等。

圖3　技術(shù)框架

2. 外業(yè)數(shù)據(jù)獲取

基于本文的便攜式移動(dòng)全景系統(tǒng)進(jìn)行外業(yè)數(shù)據(jù)采集，不改變現(xiàn)有的地理國(guó)情普查外業(yè)流程，可因地制宜地將全景系統(tǒng)搭載在車頂或安裝到對(duì)中桿上(如圖4所示)，也可以將全景相機(jī)當(dāng)作樣本采集的相機(jī)單獨(dú)使用，用作全景影像采集控制的APP可以安裝到個(gè)人智能手機(jī)或外業(yè)平板電腦上，進(jìn)行外業(yè)數(shù)據(jù)獲取。

完成外業(yè)數(shù)據(jù)采集后，可以將數(shù)據(jù)從相機(jī)和移動(dòng)終端中拷貝至內(nèi)業(yè)處理計(jì)算機(jī)，通過資料整理將分散存儲(chǔ)在不同位置的圖像按照拍攝時(shí)間或順序進(jìn)行提取和整理，同一點(diǎn)位拍攝的5張圖像放在同一目錄下，按照統(tǒng)一的規(guī)則命名。

3. 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)處理包括兩個(gè)內(nèi)容，即全景影像拼接處理和全景影像地理參考處理。

全景影像拼接要完成不同視角的影像配準(zhǔn)、勻光勻色和拼接融合處理等。影像配準(zhǔn)將同一場(chǎng)景的多幅圖像，通過一些相似性度量來(lái)獲取圖像間的變換參數(shù)，使不同的圖像序列變化到同一坐標(biāo)系下，并且在像素層上得到最佳的匹配。在進(jìn)行全景拼接時(shí)，需要對(duì)不同視角、不同光照條件下的影像進(jìn)行勻光勻色處理，最后通過拼接融合，得到色彩均衡、無(wú)明顯拼接縫的全景影像[11]。全景影像拼接處理可以采用商業(yè)軟件如Autopano Giga、PTGui，也可以采用開源軟件如Hugin(如圖5所示)。采用開源軟件可以根據(jù)拼接處理流程和要求進(jìn)行定制修改和開發(fā)。

圖4　便攜式小型移動(dòng)全景系統(tǒng)組成

全景影像地理參考根據(jù)拼接好的全景影像、對(duì)應(yīng)的拍攝信息、拍攝時(shí)間與GPS位置、羅盤姿態(tài)進(jìn)行地理關(guān)聯(lián)。需要指出的是，羅盤姿態(tài)受環(huán)境影響較大，尤其是航向，在車載情況下可以利用前后全景的兩個(gè)GPS位置點(diǎn)，按照坐標(biāo)反算計(jì)算航向[12]，與羅盤輸出的航向信息進(jìn)行相互驗(yàn)證。

圖5　全景影像拼接

4. 多視角全景影像普查應(yīng)用

將具有地理參考的全景影像與DOM進(jìn)行空間關(guān)聯(lián)后，可以進(jìn)行一體化內(nèi)業(yè)判繪、補(bǔ)繪和樣本裁切制作，主要包括全景影像發(fā)布、空間查詢和視角查詢等，方便進(jìn)行地理要素的補(bǔ)繪、核查和樣本制作。

1) 全景影像發(fā)布。采用Tomcat 6.0架設(shè)Web應(yīng)用服務(wù)器發(fā)布全景瀏覽器及全景成果圖片，采用開源的PostgreSQL 9.1數(shù)據(jù)庫(kù)搭建其他拍攝信息表，采用PostGIS存儲(chǔ)空間信息坐標(biāo)及軌跡，同時(shí)也能直接支撐輕量級(jí)的空間查詢。

前端全景影像顯示封裝成一個(gè)插件，可以做成基于ArcGIS Desktop 10.1的Addin插件，將全景資料成果與內(nèi)業(yè)判讀軟件相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)全景影像到內(nèi)業(yè)解譯編輯工作的導(dǎo)入。

2) 全景影像空間查詢。根據(jù)在DOM上面點(diǎn)擊或框選的位置，可以查詢到對(duì)應(yīng)的全景影像，并可以進(jìn)行單幀瀏覽和連續(xù)瀏覽。單幀瀏覽具體到一副全景影像時(shí)，可以支持放大、縮小、漫游等(如圖6所示)。根據(jù)瀏覽的全景影像輔助內(nèi)業(yè)判讀地類，采集車道數(shù)、地理單元名稱等要素和相關(guān)屬性。

3)按視角查詢?nèi)坝跋?。?duì)于每一幅全景影像，可以按照絕對(duì)航向?qū)Ξ?dāng)前視角的全景影像局部進(jìn)行查詢，實(shí)現(xiàn)全景影像方位與DOM的視角范圍對(duì)應(yīng)關(guān)聯(lián)，以此從局部全景影像上進(jìn)行對(duì)應(yīng)DOM視場(chǎng)范圍的照片樣本的裁切、對(duì)應(yīng)遙感影像樣本的裁切制作(如圖7所示)。

圖6　全景影像空間查詢

將多視角的全景影像引入到地理國(guó)情普查應(yīng)用中，可以實(shí)現(xiàn)多視角影像一體化內(nèi)業(yè)核查、判繪和補(bǔ)繪。作業(yè)人員可以結(jié)合遙感影像解譯樣本、地理國(guó)情要素?cái)?shù)據(jù)、地表覆蓋分類數(shù)據(jù)進(jìn)行檢核和判讀，同時(shí)可以從全景影像上裁剪制作任意視場(chǎng)角度的照片樣本，是一種經(jīng)濟(jì)、方便、可行的地理國(guó)情核查調(diào)繪方式。全景影像資料也可以作為地理國(guó)情成果數(shù)據(jù)的一個(gè)重要補(bǔ)充，為后續(xù)質(zhì)量檢查、統(tǒng)計(jì)分析和成果應(yīng)用提供全新的成果。

圖7　按視角全景影像查詢

四、結(jié)論及建議

本文提出并研究開發(fā)了一種低成本小型移動(dòng)全景系統(tǒng)，設(shè)計(jì)了基于小型移動(dòng)全景系統(tǒng)的地理國(guó)情核查調(diào)繪的技術(shù)框架，開發(fā)了相應(yīng)的軟件并能夠與地理國(guó)情普查內(nèi)業(yè)軟件無(wú)縫集成。該系統(tǒng)可以方便安裝、便攜使用，能夠用于地表覆蓋分類采集，拍攝的全景畫面可與內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)聯(lián)動(dòng)，輔助內(nèi)業(yè)判讀地類、國(guó)情要素采集和外業(yè)檢查，減少外業(yè)檢查工作量，增大檢查覆蓋面，具有廣泛的應(yīng)用前景。但目前仍需要進(jìn)一步研究本系統(tǒng)中獲取的全景影像在特定要素自動(dòng)采集及全景影像地理國(guó)情監(jiān)測(cè)中的深入應(yīng)用。

參考文獻(xiàn)：

[1]狄琳. 建立新國(guó)家地理格網(wǎng)服務(wù)地理國(guó)情監(jiān)測(cè)初探[J].測(cè)繪通報(bào),2011(12):1-2.

[2]阮于洲. 對(duì)地理國(guó)情監(jiān)測(cè)工作的若干思考[J]. 測(cè)繪通報(bào), 2014(3)：131-134.

[3]李德仁, 眭海剛, 單杰. 論地理國(guó)情監(jiān)測(cè)的技術(shù)支撐[J]. 武漢大學(xué)學(xué)報(bào)：信息科學(xué)版, 2012,37(5)：505-512.

[4]汪鐵華. 地理國(guó)情普查外業(yè)調(diào)繪核查系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J]. 測(cè)繪與空間地理信息, 2014, 37(6)：157-161.

[5]毛衛(wèi)華, 徐柳華. 地理國(guó)情野外調(diào)繪核查系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J]. 山東國(guó)土資源, 2013, 29(8)：40-46.

[6]測(cè)繪通報(bào). 中海達(dá)全新推出地理國(guó)情普查系統(tǒng)調(diào)繪寶[J]. 測(cè)繪通報(bào), 2013(9):18.

[7]吳滿意, 王占宏, 楊新海. 地理國(guó)情外業(yè)核查數(shù)碼調(diào)繪系統(tǒng)的模塊設(shè)計(jì)研究[J]. 測(cè)繪技術(shù)裝備, 2013(3)：16-18.

[8]林賢斌, 楊樹松, 張麗，等. 基于高精度工業(yè)平板的地理國(guó)情普查外業(yè)調(diào)繪解決方案[J]. 測(cè)繪通報(bào), 2013(9):132-133.

[9]劉達(dá), 曹鵬, 李德元. 國(guó)情監(jiān)測(cè)數(shù)字調(diào)繪核查系統(tǒng)的研發(fā)與應(yīng)用[J]. 測(cè)繪與空間地理信息, 2014, 37(6)：29-31.

[10]夏正清, 謝艷玲.基于ArcPad的地理國(guó)情普查外業(yè)調(diào)查系統(tǒng)開發(fā)[J].測(cè)繪與空間地理信息, 2014, 37(6)：101-104.

[11]王會(huì)峰, 劉上乾, 汪大寶，等. 旋轉(zhuǎn)掃描序列圖像的全景圖拼接方法[J]. 光學(xué)學(xué)報(bào), 2009, 29(5):1211-1215.

[12]蔣竅,李杰, 劉俊，等.基于單片機(jī)的GPS/MEMS陀螺儀航向角實(shí)時(shí)測(cè)量系統(tǒng)[J]. 傳感技術(shù)學(xué)報(bào), 2011, 24(6):919-922.

[13]陳俊勇.地理國(guó)情監(jiān)測(cè)的學(xué)習(xí)札記[J].測(cè)繪學(xué)報(bào),2012,41(5):633-635.