具有實(shí)時(shí)定位與增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)能力的便攜式管線地理空間信息系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

黃華東，鄧曉紅，周亮，嚴(yán)建國，李冉，畢京學(xué)

(1.南京市城市地下管線數(shù)字化管理中心，江蘇 南京 210029； 2.中國科學(xué)院上海天文臺，上海 200030；3.中國礦業(yè)大學(xué)，江蘇 徐州 221116)

具有實(shí)時(shí)定位與增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)能力的便攜式管線地理空間信息系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

黃華東1*，鄧曉紅1，周亮1，嚴(yán)建國1，李冉2，畢京學(xué)3

(1.南京市城市地下管線數(shù)字化管理中心，江蘇 南京 210029； 2.中國科學(xué)院上海天文臺，上海 200030；3.中國礦業(yè)大學(xué)，江蘇 徐州 221116)

基于iPad設(shè)計(jì)并開發(fā)了一套軟硬件相結(jié)合的管線信息系統(tǒng)，通過藍(lán)牙數(shù)據(jù)傳輸裝置將iPad與GNSS接收機(jī)相連接，借助CORS完成高精度實(shí)時(shí)定位，通過iPad攝像頭獲取所在位置實(shí)際影像并投射在顯示屏幕中，利用移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)調(diào)取管線數(shù)據(jù)庫服務(wù)器中對應(yīng)的周圍管線平面位置、埋深、高程、材質(zhì)、權(quán)屬單位等詳細(xì)屬性，以綜合管線圖的方式疊加在顯示屏幕中，在設(shè)置了各圖層及實(shí)時(shí)位置點(diǎn)的關(guān)系與透明度之后，實(shí)現(xiàn)了增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的效果。該系統(tǒng)可在實(shí)時(shí)定位與增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)管線信息的查詢、統(tǒng)計(jì)、長度量算、面積量算等功能。

管線；移動(dòng)終端；實(shí)時(shí)定位；增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)

1 引 言

城市管線作為輸送能量、傳遞信息和排污減澇等功能的重要載體，是城市基礎(chǔ)設(shè)施的重要組成部分，是城市賴以生存和發(fā)展的基礎(chǔ)[1，2]。然而，城市的快速發(fā)展使城市管線變得更加錯(cuò)綜復(fù)雜，由于城市管線絕大多數(shù)埋設(shè)在地下，處于“看不見摸不著”的狀態(tài)，因此經(jīng)常出現(xiàn)由現(xiàn)場挖掘施工等原因?qū)е碌穆访嫠?、管線泄漏爆炸、馬路拉鏈等問題和現(xiàn)象[3]。因此，本文基于iPad設(shè)計(jì)開發(fā)了一套軟硬件相結(jié)合的管線地理空間信息系統(tǒng)，由GNSS接收機(jī)、iPad、藍(lán)牙數(shù)據(jù)傳輸裝置、服務(wù)器和移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)組成，充分利用了移動(dòng)終端易攜帶、處理性能強(qiáng)、擴(kuò)展性好的優(yōu)勢，連接GNSS接收機(jī)及CORS網(wǎng)絡(luò)解決了現(xiàn)有移動(dòng)終端定位精度差的問題，通過移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)獲取管線數(shù)據(jù)庫中相應(yīng)位置的管線平面位置、埋深、高程、材質(zhì)和權(quán)屬等信息，以攝像頭采集的實(shí)際影像為現(xiàn)實(shí)場景進(jìn)行增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)處理，可實(shí)現(xiàn)管線信息的查詢、統(tǒng)計(jì)、長度和面積量算等功能，通過實(shí)際影像與虛擬管線圖的結(jié)合，以更為直觀的方式展示了所在位置周圍地下管線詳細(xì)分布與屬性。

2 系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)

該系統(tǒng)主要由運(yùn)行支持層、數(shù)據(jù)層、傳輸層、感知層和應(yīng)用層五部分組成(體系結(jié)構(gòu)如圖1所示)[4，5]。運(yùn)行支持層是該系統(tǒng)搭建的基礎(chǔ)，包括施行的管線數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)和探測技術(shù)規(guī)范，iOS操作系統(tǒng)以及基于ArcGIS Desktop、ArcGIS Server、Oracle、Windows Server、Microsoft.Net Framework、SilverLight開發(fā)的地下管線地理空間信息系統(tǒng)(PC端)、管線數(shù)據(jù)庫、管線服務(wù)器；數(shù)據(jù)層中的現(xiàn)狀及歷史管線數(shù)據(jù)庫通過地下管線探測普查、動(dòng)態(tài)維護(hù)(竣工測量匯交、現(xiàn)場巡查等方式)、地形圖提取及數(shù)據(jù)融合等方式獲得，地形數(shù)據(jù)庫通過地形圖測繪獲得[6]；傳輸層為該系統(tǒng)運(yùn)行使用的數(shù)據(jù)傳輸方式，主要包括GNSS接收機(jī)與CORS網(wǎng)之間、移動(dòng)終端與管線服務(wù)器之間的移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)，GNSS接收機(jī)與藍(lán)牙數(shù)據(jù)傳輸裝置之間的數(shù)據(jù)線以及藍(lán)牙數(shù)據(jù)傳輸裝置與移動(dòng)終端之間的藍(lán)牙通信；感知層包括移動(dòng)終端集成的攝像頭、陀螺儀和觸摸屏等，可實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)影像的獲取與展示，移動(dòng)終端姿態(tài)的判斷與各種操作的互動(dòng)；該系統(tǒng)以Xcode工具進(jìn)行開發(fā)，實(shí)現(xiàn)了應(yīng)用層中底圖顯示、管線屬性查詢、長度量算、距離量算、藍(lán)牙設(shè)置等功能，管線信息查詢界面如圖2所示。

圖1 系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)

3 高精度實(shí)時(shí)定位

現(xiàn)有移動(dòng)終端的定位方式主要有移動(dòng)基站定位、A-GPS定位、Wi-Fi定位或者通過本身GPS模塊進(jìn)行定位。移動(dòng)基站定位精度在百米或千米級；Wi-Fi定位只能在具有熱點(diǎn)的區(qū)域進(jìn)行，適用于室內(nèi)定位，技術(shù)也未完全成熟；移動(dòng)終端內(nèi)置GPS模塊定位或A-GPS定位精度也只能在十米級；各廠商定制的工業(yè)級平板雖然對GPS模塊與算法進(jìn)行改進(jìn)，但是由于設(shè)備便攜性的限制，定位精度也不理想。隨著對定位精度要求的不斷提高，我們可以借鑒測繪中利用GNSS接收機(jī)接收到的GPS星歷結(jié)合發(fā)播的差分改正數(shù)信息，實(shí)現(xiàn)高精度實(shí)時(shí)定位[7，8]。利用GPS進(jìn)行定位，就是根據(jù)已知的衛(wèi)星軌道信息和用戶的觀測資料，通過數(shù)據(jù)處理來確定接收機(jī)的位置，在實(shí)際操作中，通過接收機(jī)接收到GPS廣播星歷，同時(shí)接收地面利用廣泛分布的CORS網(wǎng)數(shù)據(jù)的解算星歷改正數(shù)，結(jié)合星歷及其改正數(shù)便能夠大幅提高定位精度?；谠撛憩F(xiàn)開發(fā)了一種GNSS接收機(jī)串口轉(zhuǎn)藍(lán)牙數(shù)據(jù)傳輸裝置，用于將GNSS接收機(jī)中數(shù)據(jù)通過串口輸出到該裝置，再以藍(lán)牙通信方式傳輸?shù)揭苿?dòng)終端中。定位信息的傳輸流程如圖3所示，首先將接收機(jī)設(shè)置為串口輸出GGA數(shù)據(jù)，接入CORS網(wǎng)開始測量，通過接收到的衛(wèi)星星歷及CORS網(wǎng)解算的差分改正信息解算出高精度坐標(biāo)，接收機(jī)會通過串口與連接的數(shù)據(jù)線將坐標(biāo)數(shù)據(jù)傳輸至藍(lán)牙數(shù)據(jù)傳輸模塊，最后以藍(lán)牙通信的方式將坐標(biāo)數(shù)據(jù)傳輸至已經(jīng)配對的移動(dòng)終端。通過此方法，解決了移動(dòng)終端定位精度差的問題，使便攜式移動(dòng)終端定位精度達(dá)到專業(yè)測繪儀器同等精度的水平。

圖3 定位信息傳輸流程圖

本文設(shè)計(jì)的高精度實(shí)時(shí)定位框架如圖4所示：其中1為全球定位導(dǎo)航系統(tǒng)的空間部分，發(fā)送用于導(dǎo)航定位的衛(wèi)星信號；2為全球定位導(dǎo)航系統(tǒng)的控制部分，用于監(jiān)測和控制衛(wèi)星運(yùn)行，解算衛(wèi)星星歷；3為CORS系統(tǒng)的地面參考站，負(fù)責(zé)采集導(dǎo)航衛(wèi)星觀測數(shù)據(jù)并傳輸至數(shù)據(jù)處理中心；4為CORS系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理與控制中心，在接收參考站數(shù)據(jù)后進(jìn)行處理，實(shí)時(shí)向用戶提供載波相位、偽距、改正數(shù)等信息；5為GNSS接收機(jī)，用于測量所在位置點(diǎn)的高精度位置坐標(biāo)；6為串口轉(zhuǎn)藍(lán)牙數(shù)據(jù)傳輸裝置，用于將高精度坐標(biāo)傳輸至便攜式移動(dòng)終端；7為所測管點(diǎn)或管線；8為便攜式移動(dòng)終端，配合攝像頭、陀螺儀等硬件獲取所在位置的實(shí)際影像；9為管線數(shù)據(jù)庫及服務(wù)器，用于向移動(dòng)終端發(fā)送所在位置的管線地理空間信息。

圖4 便攜式移動(dòng)終端高精度實(shí)時(shí)定位框架圖

4 增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的實(shí)現(xiàn)

移動(dòng)終端一般具有攝像頭、陀螺儀、顯示器、高性能處理器等硬件配置，具備了增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)開發(fā)所具備的條件。增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)通過虛擬場景與現(xiàn)實(shí)場景的疊加，可以使關(guān)注的信息更直觀地展現(xiàn)出來，帶來全新的用戶體驗(yàn)。為實(shí)現(xiàn)增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的顯示效果，本文將獲取的實(shí)際影像顯示在屏幕中，形成動(dòng)態(tài)影像層，作為現(xiàn)實(shí)場景。在獲取高精度實(shí)時(shí)坐標(biāo)后，以點(diǎn)的形式將所在位置顯示在屏幕中；調(diào)取管線數(shù)據(jù)庫中對應(yīng)位置的管線數(shù)據(jù)后，以管線圖的方式疊加顯示在屏幕中，形成綜合管線信息層，作為虛擬場景。通過調(diào)節(jié)各圖層的關(guān)系與透明度，使虛擬場景疊加于實(shí)際場景之上，最終形成增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的顯示效果。界面圖層設(shè)計(jì)如圖5所示。

圖5 增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)效果界面圖層設(shè)計(jì)

5 實(shí)驗(yàn)案例

該系統(tǒng)可在高精度實(shí)時(shí)定位與增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)效果的基礎(chǔ)上進(jìn)行管線信息的查詢，長度量算，面積量算等操作。實(shí)際效果如圖6所示，圖中展示了所在位置的管點(diǎn)信息，周圍地下管線的分布、走向與詳細(xì)屬性(有三條污水管道與污水窨井相連接，點(diǎn)擊相應(yīng)管線可查詢管線的起點(diǎn)埋深、終點(diǎn)埋深、起點(diǎn)高程、終點(diǎn)高程等信息，如圖2所示)。

圖6 增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)效果展示

6 結(jié)論與展望

該系統(tǒng)可替代現(xiàn)有利用紙質(zhì)圖紙進(jìn)行現(xiàn)場勘測的作業(yè)方式，自動(dòng)定位、自動(dòng)調(diào)取管線圖與屬性，并通過增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)效果顯示的方式具有直觀、準(zhǔn)確、快捷、高效的顯著優(yōu)勢[9]。在管線施工建設(shè)時(shí)使用，可減少挖斷、碰斷地下管線的情況。該系統(tǒng)也可為管線的新改建、管線規(guī)劃、管線管理、管線養(yǎng)護(hù)、管線巡查、輔助決策、城鄉(xiāng)建設(shè)、應(yīng)急救援等領(lǐng)域提供管線信息保障。

專業(yè)測繪儀器的引入，使得便攜式移動(dòng)終端可真正應(yīng)用在測繪領(lǐng)域之中。配合軟件的開發(fā)，在地籍測量、地形圖測繪、水準(zhǔn)測量、管線探測等工作中，可將測繪儀器采集的數(shù)據(jù)傳輸?shù)揭苿?dòng)終端實(shí)時(shí)進(jìn)行處理，優(yōu)化現(xiàn)有測繪的流程，減輕工作強(qiáng)度，提高工作效率，實(shí)現(xiàn)內(nèi)外業(yè)一體化作業(yè)。利用移動(dòng)終端的移動(dòng)通訊功能，與服務(wù)器進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，服務(wù)器實(shí)時(shí)進(jìn)行處理與存儲，實(shí)現(xiàn)測繪作業(yè)的云計(jì)算與云服務(wù)。

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Design and Implementation of a Mobile Pipeline Information System with Real-time Positioning and Augmented Reality

Huang Huadong1，Deng Xiaohong1，Zhou Liang1，Yan Jianguo1，Li ran2，Bi Jingxue3

(1.Nanjing Underground Pipeline Data-Managing Center，Nanjing 210029，China； 2.Shanghai Astronomical Observatory，Chinese Academy of Sciences，Shanghai 200030，China； 3.China University of Mining and Technology，Xuzhou 221116，China)

This paper designed a pipeline information system based on iPad platform. The system connects the iPad and the GNSS receiver via bluetooth to accomplish high precision real-time positioning by combining CORS. In practice，it can provide images through iPad camera and retrieves the detailed pipeline information such as location，cover depth，elevation and ownership from database server by mobile network，and all the images and information layers can overlay in one data frame and enhance the reality by setting the transparency and points of interests. In general，the system is not only equipped with basic functions of GIS in iPad， real-time positioning，and augmented reality，but also provide the possibility to obtain the query、Statistics、length measurement、area measurement of pipeline informations.

pipeline；mobile terminal；real-time positioning；augmented reality

1672-8262(2017)02-46-04

P208.2

A

2016—11—08

黃華東(1988—)，男，科員，助理級職稱，主要從事地下管線地理空間信息的獲取、整理與應(yīng)用。