數字全景地圖技術及在規劃管理中應用的研究

朱圣，羅再謙，龍川

(重慶數字城市科技有限公司，重慶 400020)

1 引言

隨著互聯網技術的飛速發展，全景技術已經被廣泛認可。Google街景就是一個典型的例子。全景的一個最大的特點就是直觀和真實。眾所周知，傳統4D數據是對地理特征的數學抽象，通過點、線、面簡化紛繁復雜的現實世界，其存在的問題:抽象的東西不容易被大眾所理解;觀測點都是自上而下，容易引起普通用戶空間錯亂。而全景技術基于圖片或視頻，給人直觀的感覺，并且觀測點也與普通人的觀察位置一致，所以更容易被人接受。傳統4D產品適合描述宏觀世界，而全景技術適合描述微觀世界，全景技術作為4D產品的有益補充，逐漸得到3S行業的廣泛關注。目前，全景技術在國內大多用于展覽展示類項目，沒有發揮其巨大的潛力，把全景技術與3S、機器視覺、3D、移動測量等前沿技術結合，賦予全景空間、時間等屬性，可以挖掘全景技術中更多的增值應用點。本文主要以重慶數字城市科技有限公司研發的數字全景地圖(Digital Panorama Map，DPM)產品為對象，探討數字全景地圖的核心技術，并結合規劃管理行業，探討該技術在規劃行業的應用點。

2 發展現狀

全景技術發端于上世紀90年代末，當時數碼照相技術的發展，全景技術逐步走入了人們的視野。由于最初的全景技術只用于展示，目的是為用戶提供更大視野的照片，從定位上嚴重制約了全景技術的發展。隨著3D技術和機器視覺技術的發展，并不斷的與全景技術融合，極大的拓展了全景技術的外延和內涵，使得全景技術在3S的應用上取得了質的飛躍。以DLG、DRG、DEM、DOM為代表4D數據產品已成為3S行業數據應用的主流，而且在今后若干年它們仍將占據主導地位。但在數字全景地圖上，除了有少數企業進行跟進外，目前可以說是一個新興領域。國外的Google、Microsoft采用自主研發或收購方式建立起軟硬件平臺，其目標在于獲得全球街面數據，為其網站提供增值服務。國內的城市吧、立得、武漢市測繪研究院等公司或研究機構也一直從事這方面的研究。

全景攝像機，作為全景采集的核心部件，目前并沒有一個統一的行業規范，比如PointGray的Ladybug系列產品，Immersive Media公司的Dodeca 2360產品以及國內的武漢市測繪研究院等單位聯合研制的全景采集設備。這些設備一個共同的特點就是通過多張同光心的照片拼接成球面、立方體或柱面投影的全景照片。采集平臺方面，一些采集平臺集成了激光雷達、慣導單元、速度傳感器等設備。軟件方面，部分產品實現了全景的移動測量功能。大部分產品還只是使用全景與地圖結合的簡單展示功能。一些產品通過把全景與激光點云疊加，快速進行現場數據調查。

3 關鍵技術

DPM涉及數據采集、數據加工、數據建庫、數據發布等環節。下面對各個環節中的核心技術分別討論。

3.1 采集平臺

最簡單的DPM采集平臺涉及:Ladybug 3.0全景攝像機，GPS接收機，移動圖形工作站。

PointGray公司的Ladybug 3.0全景攝像機是全景采集的核心部件。該產品集成度高，安裝靈活方便，適合便攜式安裝部署。該產品使用6個工業相機，水平面5個相機均勻分布，另外一個相機正對天空。每個相機使用魚眼鏡頭，可以保證相鄰相機有部分視野重疊。Ladybug采集的全景以流的形式寫入硬盤，流中每幀包含6張JPEG圖片，沒有實現幀間壓縮。

DPM還至少采集GPS數據，可以接入符合NMEA－0183協議的所有GPS終端。為了提高移動測量的精度，在DPMV2中，同時集成陀螺儀和車速傳感器。在獲得GPS、車速和航向角速度后，很容易恢復全景平臺采集數據的線路。線路上的點可以與Ladybug采集的視頻幀通過時間同步。

采集平臺安裝在移動車輛上，并以 30 km/h～40 km/h速度移動，采集的全景數據以PGR格式存儲，若以16FPS的幀率采集數據，則磁盤IO為60 MB/s，必須配備移動圖形工作站并配置RADI0或使用固態硬盤才能保證寫入時無幀丟失。

3.2 數據轉換

Ladybug 3.0采集的原始數據沒有進行幀間壓縮，保存的是每一個相機同時拍攝的6張JPEG照片。Ladybug使用流技術把這6張圖片保存在一組PGR文件中。因PGR文件非常大，并且保存的是單張圖片的信息，所以該數據基本上很難使用。因此數據轉換的主要工作是視頻轉換，主要步驟是:

(1)打開PGR文件，初始化寫視頻，i:=0;

(2)讀取PGR第i幀，并把6張圖片分離出來;

(3)在3D場景中，把同一幀的6張圖片分別映射到球面的一部分，建立球面投影模型;

(4)把球面投影再次映射到平面，從而獲得單幀的球面投影圖片;

(5)把該圖片寫入視頻文件;

(6)如果PGR結束，則結束;否則i:=i+1，并跳轉到(1)。

數據轉換另一項工作就是GPS坐標的入庫，并且GPS坐標要與視頻幀進行關聯，這樣才能把視頻的每一幀映射到空間上去。

3.3 可量測連續全景數據

因為單幀全景采集時，各個攝像頭的中心位于同一點，因此無法形成視差，故在同一幀中，無法實現移動測量。如圖1所示，我們在兩個不同的地點觀察同一個物體，每一個球體表示一張全景圖片，球心表示全景攝像機中心，兩個球心與物體的連線必然交匯于物體上，使用射線交匯法來解決移動測量，需要知道連續全景影像每一幀的三維坐標和三軸旋轉角度，這6個參數就構成攝像機向量，用(x，y，z，α，β，γ)表示。圖 1中第一個全景圖片采集的位姿為(x，y，z，α，β，γ)，第二個全景圖片發生了偏移(△x，△y，△z，△α，△β，△γ)。在使用車速傳感器和陀螺儀傳感器后，(△x，△y，△z，△α，△β，△γ)獲得的數據很精確，因此使用兩個全景圖片測量獲得的相對誤差較小，絕對誤差由(x，y，z，α，β，γ)決定。

圖1 基于全景圖片的移動測量

另外，在移動測量中，行駛方向兩側部分最容易形成視差，一般使用全景兩側部分進行移動量測。從O到O1航向發生變化，會引起∠OPO1的較大變化，而俯仰和測滾角度的變化不會引起∠OPO1太大變化。高程z不影響平面測量，因此，影響汽車行駛方向兩側移動測量誤差的最大因素是x，y和α的精度。航向數據α可以通過陀螺儀獲得很高的精度。從GPS獲得的x，y的精度成為影響移動測量精度的關鍵因素。一般使用RTK或慣導單元獲取較高精度的x，y值，從而提高移動測量精度。

3.4 城市影像時空建庫

采集的全景數據保存了連續全景影像的空間坐標和時間屬性。城市影像建庫的目的是把所有全景視頻線路在邏輯上打斷為原子路段，然后通過拓撲路網進行關聯，從而建立起基于道路的視頻拓撲。

傳統的以Arc和Node為基礎的分析路網可以解決路網連通性分析，最短路徑分析等功能。在建立全景視頻拓撲后，分析對象成為連續的全景視頻數據。可以實現全景數據導航功能，在道路交叉口，在全景中顯示導航箭頭(見圖2)。還可以實現歷史數據對比，基于同一條Arc對應的多段視頻，可以在同一個窗口中同步播放，從而達到歷史對比的目的(見圖3)。這些功能都基于全景視頻數據與拓撲路網的融合。

城市影像庫賦予了全景數據新的內涵，與傳統4D數據產品一樣，城市影像庫也是記錄城市變遷的重要數據，可以作為一種歷史數據長期保存。

圖2 全景視頻導航

圖3 歷史數據對比

3.5 B/S端二次開發組件

連續全景影像的B/S端二次開發組件提供全景流媒體播放器功能。圖4給出了發布系統框架圖。全景瀏覽器基于Flex開發，提供與其他地圖客戶端組件集成的JavaScript接口。后臺通過流媒體服務器向全景瀏覽器提供全景視頻服務，全景播放器下載線路坐標的XML文件獲得視頻與空間的對應關系;通過下載拓撲數據獲得視頻邏輯分段與原子路段的對應關系;全景瀏覽器提供API接口與地圖組件交互。全景播放器的核心功能由對應的API提供JavaScript接口。主要功能包括:

圖4 B/S二次開發框架

播放器功能:播放、暫停、視頻拖動;

全景瀏覽功能:360°全景觀看與操作、全景局部放大、縮小;

地圖交互接口:顯示全景的位置與視口范圍，在地圖中改變全景播放位置，空間跳轉接口;

內置功能:視頻導航、歷史數據對比;

測量功能:輔助面點測量;輔助面面積測量;輔助面長度測量;快速距離測量;跨幀測量;

3D模型功能:3D模型CG融合。

熱點功能:熱點新建與編輯功能;熱點瀏覽功能;熱點查詢功能;

其他輔助:亮度、飽和度調整。

4 DPM在規劃管理中的應用探討

DPM作為一種虛擬現實技術，其特點是可與多個行業的具體業務需求結合，下面以規劃管理行業為例，探討DPM在該行業中的應用點。

4.1 街面整治中的應用

DPM技術可以展示街面現狀，可以用于主干道綜合整治改造。其包括5方面內容:房屋立面、架空線下地、市政設施、綠化和店招廣告整治。下面重點介紹房屋立面整治。房屋立面整治主要是根據設計的視覺效果對其外立面進行粉刷。DPM可代替現場調查工作，從預先采集的全景視頻中，根據視覺效果，可以方便地發現需要整改的范圍(見圖5)，并通過移動測量，計算出整改的長度或面積，可以作為房屋立面整治預算編制的初步依據。全景數據加工后獲得的立面圖(見圖6)，可以作為街面整治的設計參考資料。

圖5 代替現場調查

圖6 街道立面圖

在立面整治過程中，可以從定期采集的全景數據中監控工程進度，并評估整治后的效果，對整治方案進行調整。在房屋立面整治后，可以通過DPM的歷史數據對比功能進行整治效果評價。

4.2 市政設施可視化管理

因為DPM數據是可量測的，該數據中蘊含了世界坐標，只要獲得市政設施的坐標，就可以在全景數據中把該市政設施的點位可視化地標識出來，通過與屬性關聯，可以很容易的建立相應的應用系統。

DPM提供的熱點功能可以很容易實現該功能。首先使用移動測量技術，在全景中標定市政設施的空間位置，然后與其屬性關聯。屬性信息可以數據庫表，也可以是圖片，文本等信息，具體如何應用，可以根據應用需求靈活設置。

圖7 市政設置與熱點的關聯

如圖7所示，打開顯示熱點的功能，全景中會加載當前全景空間位置附近的熱點，用戶通過點擊市政設施對應的熱點可以方便的查詢其屬性。該功能類似GIS系統的空間查詢，也可以通過屬性查詢，把全景視頻快速定位到指定的熱點或市政設施。

4.3 規劃業務

在規劃應用上，最主要還是將全景攝像的兩個特點(360°無死角瀏覽、移動測量)應用到規劃行業中。結合數字全景地圖特點，主要可以在規劃一書兩證業務、批后監察、總平與分層審查、三維方案審批等業務中進行應用。下面就選取其中的幾個點:

(1)批后監察

通過數字全景地圖采集的在建項目影像，可以為規劃監察提供信息化工具，輔助規劃監察人員了解到項目違規情況。如圖8所示，監察人員可以通過移動測量功能，對比方案中的道路開口，然后與數字全景地圖中測量到的4.6 m的道路開口進行對比，發現項目是否違規。

圖8 道路開口寬度違規檢查

(2)總平與分層平面圖

數字全景地圖也支持在室內進行全景采集，并能夠做到室內的360°瀏覽和量測。如圖9所示，結合規劃業務，業務人員可以在全景中測量出入口、消火栓等重點關注物件的尺寸和相對位置，是否與設計相吻合，從而輔助業務人做出正確的判斷。現有的數據采集方式一般不會采集如門框高度，消火栓尺寸等信息，而數字全景技術可以一次完成周邊可視范圍內的各種物件的尺寸信息采集。

圖9 總平與分層平面圖

(3)全景與三維模型疊加

通過數字全景地圖能夠在相當短的時間獲得街面的實景數據，通過其與項目的三維模型整合，可以方便、快捷的得到建設該項目后實景照片，便于規劃管理部門進行決策。如圖10所示，模型可以是建筑、交通設施、綠化設施，電力設施，通訊設施等。

圖10 全景中融合三維模型

該方法較直接進行三維仿真，可以解決背景模型的采集成本問題，但也存在加載大型三維模型的技術難題。

5 總結及發展趨勢

全景技術一般應用于展覽展示，把全景技術與移動測量結合，解決了全景視頻數據采集，加工，建庫、展示環節中的一些關鍵性問題，賦予全景技術新的生命力。我們使用成熟的全景視頻采集攝像頭，集成了GPS等傳感器作為采集平臺;在視頻轉換過程中，對6個攝像頭采集的圖片進行拼接生產球面投影的全景視頻，同時獲得每一幀關聯的坐標;通過全景視頻時空建庫，把全景視頻與路網融合，以提供空間查詢與時間查詢的能力;通過移動測量技術，使全景視頻成為可量測的數據;最后介紹了前端B/S全景播放器組件，提供一系列功能API接口，可以與傳統GIS系統進行集成。

本文還就DPM技術與規劃管理的一些業務進行探討，DPM的最大特點就是360°無死角與移動測量，這兩個特點很容易與規劃管理的業務進行關聯，比如街面立面整治，可以在方案、設計、評估效果等環節對整治工作進行輔助。基于移動測量的熱點功能很容易與市政設施管理結合，通過所見即所得的方式對市政設施進行查詢和管理。最后，就規劃業務的三個點，我們結合DPM的移動測量相關功能進行分析，發現DPM具備一定的應用性。

DPM作為一種新興技術，它的潛力還在不斷被挖掘，也有很多技術難題需要解決，比如海量大文件的存儲;在移動過程中如何獲得清晰度非常高的圖像;超高分辨率視頻的網絡帶寬問題。

［1］CH/Z 1002－2009.可量測實景影像［S］.

［2］GB/T 12979－2008.近景攝影測量規范［S］.

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