全景圖增強(qiáng)地理現(xiàn)實(shí)的空間認(rèn)知問(wèn)題

賈奮勵(lì)，陳令羽，宋國(guó)民，張世團(tuán)

(1.信息工程大學(xué) 地理空間信息學(xué)院，河南 鄭州 450001;2.61175部隊(duì)，山東 淄博 255020)

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全景圖增強(qiáng)地理現(xiàn)實(shí)的空間認(rèn)知問(wèn)題

賈奮勵(lì)1，陳令羽1，宋國(guó)民1，張世團(tuán)2

(1.信息工程大學(xué) 地理空間信息學(xué)院，河南 鄭州 450001;2.61175部隊(duì)，山東 淄博 255020)

摘要：基于全景圖的增強(qiáng)地理現(xiàn)實(shí)平臺(tái)是一種新的空間認(rèn)知工具，研究其空間認(rèn)知問(wèn)題是進(jìn)行技術(shù)研究的基礎(chǔ)。文中介紹全景圖增強(qiáng)地理現(xiàn)實(shí)的主要技術(shù)流程和優(yōu)勢(shì)；闡述基于全景圖增強(qiáng)地理現(xiàn)實(shí)進(jìn)行空間認(rèn)知的基礎(chǔ)模型；分析全景圖和地理信息數(shù)據(jù)的信息匹配問(wèn)題，包括比例尺和位置匹配兩個(gè)方面；介紹地理信息在全景圖像上的表達(dá)方式，重點(diǎn)解決增強(qiáng)目標(biāo)和屬性信息的選擇問(wèn)題；最后通過(guò)與街景地圖、虛擬現(xiàn)實(shí)平臺(tái)進(jìn)行空間認(rèn)知比較，得出全景圖增強(qiáng)地理現(xiàn)實(shí)平臺(tái)的有效性和主要適用范圍，表明該平臺(tái)具有獨(dú)特的空間認(rèn)知優(yōu)勢(shì)。

關(guān)鍵詞：全景圖；增強(qiáng)地理現(xiàn)實(shí)；空間認(rèn)知；信息匹配；信息表達(dá)

空間認(rèn)知是人類(lèi)對(duì)現(xiàn)實(shí)或抽象環(huán)境中空間屬性的認(rèn)識(shí)過(guò)程，是根據(jù)本身具有的經(jīng)驗(yàn)，通過(guò)獲取、處理、存儲(chǔ)、傳遞和解譯空間信息，獲取新的空間知識(shí)的手段[1]。空間認(rèn)知研究的是人與系統(tǒng)之間的關(guān)系，是地理信息科學(xué)研究的一個(gè)基本問(wèn)題，如何提高人類(lèi)的空間認(rèn)知能力是地理信息科學(xué)研究的主要目標(biāo)之一。實(shí)地考察、地圖、地理信息系統(tǒng)、虛擬地理環(huán)境以及增強(qiáng)地理現(xiàn)實(shí)等都是人類(lèi)進(jìn)行空間認(rèn)知的工具。增強(qiáng)地理現(xiàn)實(shí)是在虛擬地理環(huán)境的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的，是將虛擬的信息應(yīng)用到真實(shí)世界，把計(jì)算機(jī)生成的虛擬物體、場(chǎng)景或系統(tǒng)提示信息疊加到真實(shí)空間環(huán)境中，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)地理現(xiàn)實(shí)的增強(qiáng)，在經(jīng)濟(jì)和國(guó)防領(lǐng)域得到了廣泛的關(guān)注[2-4]。通常，增強(qiáng)地理現(xiàn)實(shí)技術(shù)需要以透過(guò)式頭盔顯示系統(tǒng)和地理注冊(cè)系統(tǒng)相結(jié)合的形式來(lái)實(shí)現(xiàn)，代價(jià)極其昂貴?；谌皥D的增強(qiáng)地理現(xiàn)實(shí)是一種新的空間認(rèn)知方式，是將全景圖作為真實(shí)地理空間環(huán)境的縮影，通過(guò)將感興趣的屬性信息增強(qiáng)到全景圖上促進(jìn)用戶獲取空間知識(shí)的技術(shù)手段，是增強(qiáng)地理現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的一種簡(jiǎn)化方式，不需要借助特殊設(shè)備，成本極低[5]。分析目前已有的地理信息系統(tǒng)使用經(jīng)驗(yàn)顯示，幾乎所有的地理分析功能都已得到較好的解決，這些軟件和系統(tǒng)的主要功能大同小異，但是用戶體驗(yàn)卻大不相同，其主要原因就是對(duì)空間認(rèn)知規(guī)律的把握程度不一[6]。因此，解決相關(guān)空間認(rèn)知問(wèn)題是基于全景圖進(jìn)行增強(qiáng)地理現(xiàn)實(shí)的理論基礎(chǔ)。

1基于全景圖的增強(qiáng)地理現(xiàn)實(shí)

全景圖是一種運(yùn)用數(shù)碼相機(jī)對(duì)現(xiàn)有場(chǎng)景進(jìn)行多角度環(huán)視拍攝之后，再利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行后期縫合，并加載播放程序來(lái)完成的一種三維虛擬展示技術(shù)[7]。由于其獲取制作流程簡(jiǎn)單，可以360°觀察周?chē)臻g環(huán)境，被廣泛應(yīng)用于谷歌地球、百度地圖等虛擬地理環(huán)境的研究和開(kāi)發(fā)，借助輔助工具還可以進(jìn)行簡(jiǎn)單的量測(cè)[8]。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)以及地學(xué)和相關(guān)領(lǐng)域?qū)W科研究的不斷發(fā)展，空間認(rèn)知的工具也在不斷改變。地圖、現(xiàn)實(shí)資料和數(shù)據(jù)庫(kù)支持下的地理信息系統(tǒng)一般需要對(duì)地理環(huán)境進(jìn)行抽象，空間認(rèn)知的難度較大；環(huán)境信息系統(tǒng)支持下的虛擬地理環(huán)境是對(duì)真實(shí)環(huán)境的簡(jiǎn)化，形象逼真，對(duì)已有目標(biāo)的認(rèn)知較為容易，但是會(huì)損失部分原有信息，而且容易產(chǎn)生認(rèn)知錯(cuò)覺(jué)，而且也僅是逼真；增強(qiáng)地理現(xiàn)實(shí)技術(shù)在真實(shí)世界或?qū)ζ溥M(jìn)行全復(fù)制的抽象空間進(jìn)行，認(rèn)知難度甚至小于實(shí)地考察，更體現(xiàn)了空間認(rèn)知工具適人化和智能化的發(fā)展方向。在全景圖虛擬現(xiàn)實(shí)的基礎(chǔ)上，基于全景圖進(jìn)行增強(qiáng)地理現(xiàn)實(shí)更能滿足人類(lèi)對(duì)空間認(rèn)知的需求，其主要過(guò)程包括地理配準(zhǔn)和屬性信息融合兩部分。地理配準(zhǔn)是在相機(jī)標(biāo)定、全景圖拍攝以及三維重建的基礎(chǔ)上，提取全景圖中的主要目標(biāo)特征并完成與空間地理數(shù)據(jù)的三維位置注冊(cè)；屬性信息融合是根據(jù)目標(biāo)特征和屬性信息的重要程度進(jìn)行分類(lèi)分級(jí)，依據(jù)地理配準(zhǔn)的結(jié)果，將屬性信息繪制到全景圖上，完成基于全景圖的地理現(xiàn)實(shí)增強(qiáng)。

目前利用全景圖進(jìn)行研究應(yīng)用的地理信息系統(tǒng)大多只能顯示興趣點(diǎn)周?chē)沫h(huán)境表征，數(shù)據(jù)和圖像完全分離，不能進(jìn)行空間分析和知識(shí)獲取?；谌皥D的增強(qiáng)地理現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)不僅能顯示主要目標(biāo)的關(guān)鍵屬性信息，還可以進(jìn)行一些必要的空間分析，解決了空間數(shù)據(jù)和全景圖像的融合問(wèn)題。與傳統(tǒng)的空間認(rèn)知工具相比，基于全景圖的增強(qiáng)地理現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)至少體現(xiàn)在以下3個(gè)方面。

1)真實(shí)感更強(qiáng)。與傳統(tǒng)地圖和地理信息系統(tǒng)相比，全景圖像作為真實(shí)世界的縮影，可以更加真實(shí)形象地表達(dá)可視范圍內(nèi)的一切地理空間目標(biāo)。

2)平臺(tái)構(gòu)建更容易。與虛擬地理環(huán)境技術(shù)相比，全景圖增強(qiáng)地理環(huán)境技術(shù)可以無(wú)條件復(fù)制現(xiàn)場(chǎng)包含的所有表面特征，而且不需要進(jìn)行復(fù)雜的環(huán)境建模，實(shí)現(xiàn)效率大幅度提高。

3)成本更低廉。與傳統(tǒng)意義上的增強(qiáng)地理現(xiàn)實(shí)技術(shù)相比，全景圖增強(qiáng)地理現(xiàn)實(shí)不需要復(fù)雜昂貴的傳感器和信息獲取設(shè)備，借助于事先獲取的全景圖像，不用到達(dá)現(xiàn)場(chǎng)也可以完成空間認(rèn)知的過(guò)程，便捷而且廉價(jià)。

2全景圖增強(qiáng)地理現(xiàn)實(shí)空間認(rèn)知的基礎(chǔ)模型

按照地理尺度特征以及心理學(xué)相關(guān)理論，可以將空間分為圖形、街景、環(huán)境和地理空間4個(gè)層次[9]。全景圖是街景的一種，主要通過(guò)人體從一個(gè)觀察點(diǎn)改變視角感知空間信息?；谌皥D進(jìn)行增強(qiáng)地理現(xiàn)實(shí)的空間認(rèn)知范圍主要包括現(xiàn)實(shí)空間、全景圖像空間、地理數(shù)據(jù)空間和認(rèn)知空間4個(gè)內(nèi)容，經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)獲取、信息表達(dá)、信息理解和解譯等多個(gè)過(guò)程，其基礎(chǔ)模型如圖1所示。

圖1　全景圖增強(qiáng)地理現(xiàn)實(shí)空間認(rèn)知的基礎(chǔ)模型

在整個(gè)過(guò)程中，現(xiàn)實(shí)空間是空間認(rèn)知的對(duì)象和數(shù)據(jù)源，通過(guò)拍攝拼接[10-15]和采集處理形成全景圖像空間和地理數(shù)據(jù)空間。兩者相融合，構(gòu)成全景圖的增強(qiáng)地理現(xiàn)實(shí)平臺(tái)，在此過(guò)程中只形成數(shù)據(jù)，包括原始數(shù)據(jù)(原始影像)和經(jīng)過(guò)處理的數(shù)據(jù)兩種(例如描述對(duì)象的屬性數(shù)據(jù))；在此基礎(chǔ)上，刺激人類(lèi)的感知覺(jué)系統(tǒng)，經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)加工，在認(rèn)知空間中形成有用的地理信息；同時(shí)，根據(jù)某一方面的具體需求和已有的經(jīng)驗(yàn)，通過(guò)解譯和理解，在人類(lèi)的大腦中可以形成現(xiàn)實(shí)空間的某種概念化縮影，這種縮影既包含原始空間的信息，又包含先前沒(méi)有的內(nèi)容，即形成了知識(shí)。某種意義上，無(wú)論采用哪種工具，空間認(rèn)知都可以統(tǒng)稱為用戶處理數(shù)據(jù)、提煉信息，最終形成知識(shí)的過(guò)程。在整個(gè)過(guò)程中，數(shù)據(jù)是對(duì)現(xiàn)實(shí)空間的客觀描述，它總是正確的。信息是對(duì)數(shù)據(jù)的處理再獲取，有可能是錯(cuò)誤或者不準(zhǔn)確的。空間認(rèn)知的目的，就是從這些數(shù)據(jù)和信息中最大限度地獲取正確的知識(shí)，以便進(jìn)一步提供合理的情報(bào)和決策。

3全景圖增強(qiáng)地理現(xiàn)實(shí)中的信息匹配

在基于全景圖的增強(qiáng)地理現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)中，信息匹配是影響空間認(rèn)知的主要因素。信息的有效性、準(zhǔn)確性以及實(shí)時(shí)性等對(duì)用戶能否快速準(zhǔn)確地獲取到感興趣的地理信息具有重要的影響。全景圖增強(qiáng)地理現(xiàn)實(shí)中的信息匹配主要包括比例尺匹配和位置匹配兩個(gè)方面。

3.1全景圖像和地理空間數(shù)據(jù)的比例尺匹配

比例尺是地理空間數(shù)據(jù)中的距離與實(shí)地距離的比值，直接影響數(shù)據(jù)的詳細(xì)程度[16]?；谌皥D進(jìn)行地理現(xiàn)實(shí)增強(qiáng)，選擇合適比例尺的地理空間數(shù)據(jù)是首先需要考慮的問(wèn)題。由于全景圖像是近景拍攝，包含的信息具體到單個(gè)建筑物的每個(gè)細(xì)節(jié)，小比例尺的地理空間數(shù)據(jù)不僅在定位精度上難以滿足要求，甚至可能找不到影像中包含的重要目標(biāo)。同時(shí)，地理空間數(shù)據(jù)的比例尺也并不是單純的越大越好，過(guò)大的比例尺會(huì)導(dǎo)致計(jì)算量的增加，致使信息增強(qiáng)過(guò)程中數(shù)據(jù)獲取速度延遲，影響空間認(rèn)知效果，而且還會(huì)造成采集成本的大幅度增加。全景圖像和地理空間數(shù)據(jù)的比例尺匹配，是在考慮全景圖像像素比例尺的基礎(chǔ)上，結(jié)合信息增強(qiáng)的目的，選擇合適的地理空間數(shù)據(jù)比例尺進(jìn)行匹配。像素比例尺指的是圖像上單個(gè)像素能夠代表的實(shí)際距離。不同于正射投影，全景圖成像具有近大遠(yuǎn)小的特點(diǎn)，單視點(diǎn)輻射范圍內(nèi)的特征會(huì)匯聚到一點(diǎn)，因此全景圖像具有明顯的變比例尺特性：視點(diǎn)附近的物體表現(xiàn)的更詳細(xì)，像素比例尺偏大；遠(yuǎn)處的物體表現(xiàn)概略，像素比例尺偏小。

最理想的地理空間數(shù)據(jù)應(yīng)當(dāng)包括全景圖中所有的目標(biāo)特征，這些目標(biāo)在地理空間數(shù)據(jù)中根據(jù)自身的像素比例尺可能表現(xiàn)出依比例尺、半依比例尺或是不依比例尺3種形式，即使全景圖中最小的目標(biāo)，在地理空間數(shù)據(jù)中也應(yīng)該能找到表述其一定屬性的點(diǎn)狀定位符號(hào)信息。實(shí)際上，根據(jù)空間認(rèn)知的目的，并不需要對(duì)所有目標(biāo)進(jìn)行信息增強(qiáng)，一般僅對(duì)部分有價(jià)值的目標(biāo)特征進(jìn)行信息增強(qiáng)。假設(shè)以全景圖中最大目標(biāo)為基元和以最小目標(biāo)基元表示成點(diǎn)狀符號(hào)的地理空間數(shù)據(jù)的比例尺分別為1∶M1和1∶M2，則應(yīng)該選擇1∶M(M∈(M1,M2))比例尺的地理空間數(shù)據(jù)作為增強(qiáng)信息的數(shù)據(jù)庫(kù)。當(dāng)M趨近于M1時(shí)，說(shuō)明僅能增強(qiáng)全景圖像中最重要的目標(biāo)特征；當(dāng)M趨近于M2時(shí)，說(shuō)明其可以增強(qiáng)全景圖像中更多的目標(biāo)特征。

3.2全景圖像和地理空間數(shù)據(jù)的位置匹配

全景圖像和地理空間數(shù)據(jù)的位置匹配是進(jìn)行空間認(rèn)知的基礎(chǔ)。全景圖是進(jìn)行空間認(rèn)知的直接對(duì)象，圖像的拍攝和拼接質(zhì)量好壞直接決定人類(lèi)的視覺(jué)感受效果，影響空間認(rèn)知的功效。由于全景圖是近景成像，在與地理空間進(jìn)行三維注冊(cè)時(shí)精度要求很高，相差一個(gè)像素值計(jì)算得到的實(shí)際地理坐標(biāo)就可能相差很遠(yuǎn)[17]，容易形成錯(cuò)誤的屬性信息表達(dá)，嚴(yán)重影響人類(lèi)的空間認(rèn)知。而且，不同于普通圖像的三維重建，全景圖不能一次成像，需要通過(guò)圖像拼接和投影，更是加大了精確配準(zhǔn)的難度。在這種情況下，借助依托地理空間數(shù)據(jù)形成的目標(biāo)庫(kù)進(jìn)行模糊配準(zhǔn)，可以大大提高三維注冊(cè)的準(zhǔn)確性，如圖2所示。

提取地理空間數(shù)據(jù)中全景圖表達(dá)的空間范圍內(nèi)所包含的所有目標(biāo)，形成目標(biāo)庫(kù)；利用圖像分割原理[18]，在全景圖像中提取出有價(jià)值的特征單元。在此基礎(chǔ)上進(jìn)行空間位置的模糊匹配：首先進(jìn)行計(jì)算匹配。計(jì)算特征單元換算到地理空間中的近似范圍，并在目標(biāo)庫(kù)中尋找地理坐標(biāo)在該范圍內(nèi)的目標(biāo)，形成疑似特征集；然后進(jìn)行二義性匹配。根據(jù)視點(diǎn)位置，計(jì)算其到疑似特征集中所有特征的距離，判斷遮擋關(guān)系，一般認(rèn)為距離最短的為目標(biāo)特征。

由此可見(jiàn)，地理空間數(shù)據(jù)的質(zhì)量，即表達(dá)這些空間目標(biāo)的位置、特征等屬性信息的準(zhǔn)確性、一致性、完整性和三者統(tǒng)一性的程度，以及數(shù)據(jù)適用于不同應(yīng)用的能力，也是影響基于全景圖進(jìn)行地理現(xiàn)實(shí)增強(qiáng)過(guò)程中空間認(rèn)知的一個(gè)重要因素。

4地理信息在全景圖上的表達(dá)

用于增強(qiáng)地理現(xiàn)實(shí)的信息(包括說(shuō)明信息和屬性信息)在全景圖上的表達(dá)方式是影響用戶認(rèn)知效果最直接的因素。全景圖中各種信息的表達(dá)類(lèi)似于地圖注記，首先應(yīng)該是明確對(duì)象的、避免二義性，同時(shí)應(yīng)該注意所屬關(guān)系、清楚、避讓、美觀等基本原則[19]。不同于地圖中僅有幾種顏色的成圖模式，全景圖是對(duì)現(xiàn)實(shí)世界的真實(shí)反映，色彩豐富，信息表達(dá)時(shí)需要注意前后背景色差的比較。一方面，簡(jiǎn)潔、明確的信息表達(dá)方式有助于人類(lèi)快速準(zhǔn)確地進(jìn)行空間認(rèn)知；另一方面，多種屬性共同標(biāo)注地理現(xiàn)實(shí)的信息表達(dá)方式可以幫助人類(lèi)從空間認(rèn)知中獲取更多有價(jià)值的信息。因此，合理的取舍目標(biāo)特征和適當(dāng)有針對(duì)性地繪制屬性信息，用最簡(jiǎn)潔的信息表達(dá)用戶最關(guān)心的內(nèi)容，是在全景圖上進(jìn)行信息表達(dá)的關(guān)鍵。對(duì)全景圖中的地理實(shí)體目標(biāo)進(jìn)行分類(lèi)分級(jí)和地理空間數(shù)據(jù)中對(duì)照目標(biāo)各種信息的等級(jí)劃分，是解決這一問(wèn)題的有效途徑?；趧澐纸Y(jié)果和認(rèn)知目的，可以進(jìn)行重點(diǎn)目標(biāo)的重點(diǎn)加強(qiáng)，減少不必要的信息繪制，使空間認(rèn)知更具有針對(duì)性。

4.1全景圖像中增強(qiáng)目標(biāo)的選擇

增強(qiáng)目標(biāo)的選擇是根據(jù)需求，選擇全景圖像中用戶最感興趣的目標(biāo)進(jìn)行信息增強(qiáng)。選擇的方式有兩種：①直接指定法。用戶具有明顯的空間認(rèn)知對(duì)象，僅關(guān)心全景圖像中的某一個(gè)或某幾個(gè)目標(biāo)特征，不需要對(duì)其他附屬特征進(jìn)行信息增強(qiáng)。②間接判斷法。在沒(méi)有明確的空間認(rèn)知對(duì)象的情況下，根據(jù)視覺(jué)心理學(xué)原理，將圖像上有可能影響觀察者興趣的因素進(jìn)行重要度排序，并以此為標(biāo)準(zhǔn)確定目標(biāo)的重要程度，這些因素主要包括亮度、大小、形狀、紋理、顏色以及方向等。在同等條件下拍攝時(shí)，其他幾個(gè)因素都可以簡(jiǎn)化到大小這一主要因素上。同時(shí)，根據(jù)全景圖增強(qiáng)地理現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的應(yīng)用場(chǎng)景，需要對(duì)可能會(huì)對(duì)其造成特殊影響的目標(biāo)進(jìn)行信息增強(qiáng)。例如，在進(jìn)行車(chē)載導(dǎo)航時(shí)，可視范圍內(nèi)的所有有價(jià)值的道路在目標(biāo)選擇時(shí)的優(yōu)先級(jí)都可能高于路旁無(wú)關(guān)的建筑物。

4.2地理空間數(shù)據(jù)中增強(qiáng)信息的選擇

增強(qiáng)信息的選擇是根據(jù)需求，在地理空間數(shù)據(jù)中選擇用戶針對(duì)特定目標(biāo)最感興趣的信息進(jìn)行地理現(xiàn)實(shí)增強(qiáng)。地理空間數(shù)據(jù)庫(kù)中對(duì)各類(lèi)目標(biāo)的描述詳細(xì)程度不一，其描述的內(nèi)容主要有幾何信息、屬性信息以及相互間的拓?fù)潢P(guān)系等3種，但涉及到的具體細(xì)節(jié)信息很多，以城市道路信息為例，主要屬性就有十幾個(gè)，沒(méi)有必要在全景圖像上全部標(biāo)繪出來(lái)。在基于全景圖進(jìn)行地理現(xiàn)實(shí)增強(qiáng)時(shí)，僅需增強(qiáng)最關(guān)鍵的信息即可，除了直接標(biāo)繪用戶最感興趣的信息外，各種信息的等級(jí)劃分是解決這一問(wèn)題的關(guān)鍵。仍以城市道路為例，根據(jù)用戶的關(guān)心程度，可以將其主要屬性分為四級(jí)：基本級(jí)僅包括道路的名稱；一級(jí)屬性包括駕駛員主要關(guān)心的車(chē)道數(shù)；二級(jí)屬性包含道路的單雙向和路面類(lèi)型；三級(jí)屬性包括道路的里程、起止點(diǎn)以及車(chē)道寬等。根據(jù)道路目標(biāo)在全景圖上呈現(xiàn)出的重要程度，選擇適合等級(jí)的屬性信息進(jìn)行增強(qiáng)。在全景圖上越是重要的目標(biāo)，增強(qiáng)的信息等級(jí)越高；不重要的目標(biāo)特征一般僅需要增強(qiáng)其基本級(jí)的說(shuō)明性信息即可。

5空間認(rèn)知實(shí)驗(yàn)與分析

圖3展示了3種不同認(rèn)知工具對(duì)同一地區(qū)的表現(xiàn)形式。騰訊街景地圖代表了目前全景圖使用最為常見(jiàn)的一種方式，通過(guò)選擇二維矢量地圖上提前設(shè)置的興趣點(diǎn)為視點(diǎn)，展現(xiàn)其全景圖像，是一種實(shí)景地圖服務(wù)，可以使用戶獲得如臨其境的地圖瀏覽體驗(yàn)，如圖3(a)所示。E都市是一種三維實(shí)景模型平臺(tái)，將場(chǎng)景中的主要對(duì)象通過(guò)建模進(jìn)行展示，并標(biāo)注了部分屬性信息，具有一定的真實(shí)感，是一種虛擬地理環(huán)境(VGE)平臺(tái)，如圖3(b)所示。圖3(c)是在騰訊街景上標(biāo)注了一些屬性信息，形成了一種簡(jiǎn)化的基于全景圖的增強(qiáng)地理現(xiàn)實(shí)(全景AR)平臺(tái)。

選取一定樣本的受訪者進(jìn)行空間認(rèn)知實(shí)驗(yàn)，其中對(duì)該區(qū)域熟悉的受訪者和從未到過(guò)該區(qū)域的陌生者各10人，分別記為樣本A和樣本B。

實(shí)驗(yàn)1目標(biāo)識(shí)別

在進(jìn)行目標(biāo)識(shí)別對(duì)比實(shí)驗(yàn)時(shí)，分別對(duì)“嵩山路”、“規(guī)劃委”以及“嵩陽(yáng)飯店”3個(gè)目標(biāo)進(jìn)行識(shí)別，得到的結(jié)果如表1所示。

表1　3種工具目標(biāo)識(shí)別的認(rèn)知比較結(jié)果

注：平均時(shí)間指對(duì)識(shí)別出的單個(gè)目標(biāo)花費(fèi)的時(shí)間

圖3　3種地理信息平臺(tái)的空間認(rèn)知比較

分析表1可以發(fā)現(xiàn)：①對(duì)于樣本A，街景地圖和全景AR的認(rèn)知效率都比較高，優(yōu)于VGE系統(tǒng)。這是由于受訪者對(duì)周?chē)h(huán)境比較熟悉，而全景圖是對(duì)真實(shí)場(chǎng)景的實(shí)拍，根據(jù)用戶的記憶心象很快可以進(jìn)行匹配。VGE系統(tǒng)中的對(duì)象經(jīng)過(guò)了加工的簡(jiǎn)化模擬，需要更多的先驗(yàn)知識(shí)進(jìn)行匹配進(jìn)行目標(biāo)識(shí)別時(shí)。同時(shí)由于標(biāo)注了說(shuō)明信息，全景AR在認(rèn)知效率上遠(yuǎn)優(yōu)于街景地圖。②對(duì)于樣本B，由于對(duì)周?chē)h(huán)境陌生，沒(méi)有形成先驗(yàn)知識(shí)庫(kù)，僅依靠全景圖幾乎難以完成目標(biāo)識(shí)別。VGE系統(tǒng)提供了部分信息可以幫助用戶完成目標(biāo)認(rèn)知，但是效果有限。借助于全景AR，用戶可以在相當(dāng)短的時(shí)間內(nèi)識(shí)別出所有目標(biāo)，快速完成空間認(rèn)知。

實(shí)驗(yàn)2空間判斷

空間判斷包括單個(gè)地理實(shí)體的空間屬性及其周?chē)渌麑?shí)體空間關(guān)系的判斷，主要進(jìn)行地理實(shí)體形狀判斷和空間位置關(guān)系判斷兩方面的比較。地理實(shí)體形狀判斷是根據(jù)3種空間認(rèn)知工具判斷“規(guī)劃委”和“嵩陽(yáng)飯店”遠(yuǎn)近兩個(gè)目標(biāo)的具體形狀。空間位置關(guān)系判斷是以空間另一點(diǎn)為基礎(chǔ)，判斷該點(diǎn)分別到“規(guī)劃委”和“嵩陽(yáng)飯店”兩個(gè)目標(biāo)距離的比值，得到兩組樣本的正確率如表2所示。

分析表2可以發(fā)現(xiàn)：①在進(jìn)行形狀判斷時(shí)，因?yàn)闃颖続中的受訪者已經(jīng)在心中形成了兩者的基本印象，正確率要高于樣本B。總體上VGE平臺(tái)的空間認(rèn)知效果要好于兩種街景平臺(tái)，特別是對(duì)距離較遠(yuǎn)處“嵩陽(yáng)飯店”的判斷。②在進(jìn)行位置關(guān)系判斷時(shí)，VGE平臺(tái)可以進(jìn)行場(chǎng)景的拉近與旋轉(zhuǎn)，無(wú)論受訪者對(duì)場(chǎng)景是否熟悉，其正確率都遠(yuǎn)高于另外兩種。由此可見(jiàn)，由于街景地圖和全景AR只能表示單個(gè)視點(diǎn)的范圍，認(rèn)識(shí)空間明顯小于VGE，在進(jìn)行空間判斷時(shí)具有明顯的不足。

表2　3種工具空間判斷正確率比較　%

按照相似方法進(jìn)行其他方面的認(rèn)知比較，得到結(jié)果如下：①在對(duì)空間單個(gè)對(duì)象進(jìn)行認(rèn)知時(shí)，因?yàn)檫M(jìn)行了信息增強(qiáng)，全景AR可以獲得比另外兩種方式更加理想的效果，獲取更多的目標(biāo)信息。②由于是對(duì)地理現(xiàn)實(shí)空間進(jìn)行的有選擇性的模擬仿真，VGE能夠較為真實(shí)地表現(xiàn)認(rèn)知空間，但又與真實(shí)世界有著明顯不同，很容易產(chǎn)生用戶的感覺(jué)不協(xié)調(diào)，造成空間認(rèn)知的不適應(yīng)。③街景地圖不能進(jìn)行任何量測(cè)，VGE可以較為準(zhǔn)確地獲取任何兩者間的距離和方位，全景AR可以進(jìn)行部分量測(cè)，但是準(zhǔn)確度不高，僅能進(jìn)行簡(jiǎn)單的分析。這主要由全景圖像與地理空間數(shù)據(jù)之間的三維注冊(cè)精度決定。

根據(jù)以上認(rèn)知實(shí)驗(yàn)結(jié)果，可以得到：全景AR技術(shù)有利于用戶的空間認(rèn)知，特別是在用戶需要獲取當(dāng)前可視范圍內(nèi)具體目標(biāo)的詳細(xì)信息時(shí)，可以達(dá)到理想的效果。同時(shí)疊加矢量地圖顯示當(dāng)前位置，更有助于用戶空間方位的判斷，是街景地圖的一種升級(jí)。但其作為增強(qiáng)地理現(xiàn)實(shí)的一種簡(jiǎn)化形式，在臨境感以及空間方位判斷等方面還有待加強(qiáng)，可以通過(guò)其他手段進(jìn)行輔助。

6結(jié)束語(yǔ)

基于全景圖的增強(qiáng)地理現(xiàn)實(shí)平臺(tái)在智能交通、室內(nèi)導(dǎo)航以及目標(biāo)判斷等領(lǐng)域都有著巨大的應(yīng)用前景，是人類(lèi)認(rèn)識(shí)地理現(xiàn)實(shí)空間發(fā)展的一種新工具?？臻g認(rèn)知理論研究是進(jìn)行認(rèn)知工具開(kāi)發(fā)的基礎(chǔ)，通過(guò)分析全景圖增強(qiáng)地理現(xiàn)實(shí)的空間認(rèn)知理論模型以及相關(guān)影響因素和處理方法，體現(xiàn)了人在系統(tǒng)使用中的主導(dǎo)地位，有助于指導(dǎo)其涉及到的各種技術(shù)手段的改進(jìn)，增強(qiáng)平臺(tái)的適用性。

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[責(zé)任編輯：劉文霞]

Spatial cognition by augmenting geographic reality based on panorama

JIA Fenli1,CHEN Lingyu1,SONG Guomin1,ZHANG Shituan2

(1.School of Surveying and Mapping,Information Engineering University,Zhengzhou 450001,China；2.Troops 61175,Zibo 255020,China)

Abstract：It is a new spatial cognitive tool that augmenting geographic reality and its spatial cognitive problems are the basis of the technology research.This paper introduces the main technology and advantages of augmenting geographic reality based on panorama and expounds the basic model of it.Then,this paper analyzes the information matching problems between panorama and geographic information,including scale and location matching,introduces the expression of geographic information in the panoramic,and solves the key problems including augmented target and attribute information.Finally,through the comparison of spatial cognition with street map and VGE,it gets the main scope of application,so which this platform has unique advantages for spatial cognition.

Key words：panorama；augmenting geographic reality；spatial cognition；information matching；information expression

中圖分類(lèi)號(hào)：P208

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1006-7949(2016)04-0001-06

作者簡(jiǎn)介：賈奮勵(lì)(1976-)，女，副教授，博士.

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(41101437，41371382)；國(guó)家863計(jì)劃資助項(xiàng)目(2013AA12A202)

收稿日期：2015-01-27；修回日期：2015-08-16