基于PGIS平臺的定點全景地圖建庫技術研究

向煜 ，唐德彬，易佳，張建，白寶玉

(1.重慶數字城市科技有限公司，重慶 400020;2.重慶市公安局科技信息化處，重慶 401147)

1 引言

“警用地理信息基礎平臺”(Police Geographic Information System，簡稱PGIS平臺)是公安信息化的重要基礎設施，它以公安信息網絡為基礎，以警用電子地圖為核心，以地理信息技術為支撐，以信息共享和綜合利用為目標，實現了公安基礎信息基于空間電子地圖的可視化管理［1］。警用電子地圖主要以傳統的4D形式，即數字高程模型(DEM)、數字正射影像(DOM)、數字線劃地圖(DLG)和數字柵格地圖(DRG)來表現，這些數據在信息表現形式上比較傳統，多以點、線、面等方式來描述物體的信息和環境概貌，很難表現人文、環境、資源等信息，對使用者來講也缺乏臨場感，無法完全滿足公安應急處理、設施管理等業務應用。因此，警用電子地圖需要更豐富的可視化的地理信息作為數據基礎，才能發揮警用地理信息的核心決策支持能力。

全景地圖是一種以地面近景影像直接反映空間地物的地圖，它融合了全景技術和地理信息技術，以一種完全真實的方式來展現空間信息［2］。在全景影像表達的世界里，包含大量地理的、環境的、經濟的、社會的、人文的信息以及可供挖掘的知識，有強烈的立體感和沉浸感，能給人以身臨其境的感覺［3］。相比傳統的平面二維地圖，全景地圖是關聯公安業務專用地理信息的更好媒介，可搭建滿足公安業務需要的全要素、全紋理、富信息、可視化的警用地理信息系統數據平臺，使警用臺賬信息、地圖與影像有機結合，更好支持公安五要素管理、突發事件決策指揮、交通設施管理等要求。全景地圖主要包括定點全景地圖和連續全景地圖，定點全景地圖是指利用全景技術模擬展示固定視點360°視角的全景影像的電子地圖。本文基于PGIS平臺，針對定點全景地圖，提出了一種全景影像地圖建庫技術，該技術在PGIS原有空間數據庫基礎上進行改造，實現三維全景地圖服務，為公安行業各業務警種提供了一種全新的應用模式。

2 PGIS平臺數據庫改造

PGIS平臺原有警用地理信息數據庫遵循公安部《警用地理信息基礎平臺與系統建設規范》，包括警用基礎地理信息數據庫、警用公共地理信息數據庫、業務專用地理信息數據庫。為實現全景地圖與警用地理信息數據庫的集成應用，需在PGIS平臺警用地理信息數據庫中增加全景地圖數據庫，全景地圖數據庫以數據集的方式存儲在警用地理信息數據庫中，主要包括全景定位點層、全景影像圖片層、熱點層等，組織結構如圖1所示。

全景定位點層主要存儲拍攝全景影像時具體的空間位置坐標、名稱及拍攝時間等信息。全景影像存放在特定的文件夾下，文件夾以GUID編碼命名，全景影像圖片層主要記錄存放全景影像圖片的文件夾名稱，并通過GUID編碼與全景定位點層實現信息關聯。熱點層主要存儲POI(興趣點)在全景影像圖片位置，并通過內部編碼與各警用業務圖層實現關聯。

圖1 數據組織結構圖

3 建庫流程

3.1 全景影像現場采集

外業采集設備主要包括單反數碼相機、魚眼鏡頭、全景云臺、三腳架等。本次研究中，我們采用佳能550D和適馬 8 mm鏡頭進行拍攝。拍攝時首先將相機安裝在全景云臺上，并將全景云臺固定在三角支架上。在拍攝過程中，通過GPS設備獲取該點的空間位置坐標，云臺按順時針旋轉，每60°拍攝一張，然后正對天空拍攝一張照片，共拍攝7張圖像。旋轉時盡量避免鏡頭的偏斜和俯仰，所拍場景中周圍的光照環境盡量保持一致，最好不含有運動元素，相鄰兩張圖像要保證部分重疊區域。拍攝過程分為測光和正式拍攝兩個過程。測光過程通過獲得各個方向的快門值進而計算出平均快門值。拍攝過程使用平均快門值，從而保證各個方向照片明暗適中。拍攝時主要注意相機焦距的變化、光照的影響、場景中物體的變化等問題。拍攝的圖像質量直接影響后面的拼接的圖像質量。

圖2 建庫流程

3.2 影像預處理

由于全景圖像在拍攝時各個方向的光線強度存在差異，因此，拍攝后的全景圖像需經過預處理后才能進行影像拼接。全景圖像預處理工作主要借助專業的圖像處理工具完成，如Photoshop、Illustrator等。預處理工作主要包括平滑處理、銳化處理、對比度拉伸處理等［4］。

平滑處理的目的是為了減少噪聲對后期圖像拼接處理的影響。一個較好的去噪平滑處理方法應該既能消除圖像噪聲，又不使圖像邊緣輪廓和線條變模糊。處理方法視其噪聲本身的特性而定，常見的處理方法有均值濾波、中值濾波、高斯濾波等方法。銳化處理的目的是補償圖像的輪廓，增強圖像的邊緣和灰度突變部分，使圖像變得更加清晰。影像銳化處理通常使用梯度法、拉普拉斯算法、Robert算法等方法。對比度拉伸處理主要針對拍攝圖像整體偏暗或偏亮的情況，它的主要思想是提高圖像處理時灰度級的動態范圍，通常采用直方圖統計，灰度變換等方法。

3.3 影像拼接

影像拼接就是把現場拍攝的不同角度的魚眼圖像合成一張360°視角的全景圖像。全景圖像使用矩形球面全景投影，長寬分別為 5 600像素和 2 800像素。圖像拼接過程大致分為以下4步:影像畸變校正、圖像配準、圖像融合、攝影盲區處理。

影像畸變校正處理的目的是糾正魚眼鏡頭在拍攝時產生的嚴重變形。魚眼鏡頭是一種短焦距、大視場的攝像鏡頭，其視角越大，所成圖像的畸變越嚴重。影像畸變校正處理中，通過構建畸變校正模型，將徑向失真、中心偏移和非正交失真進行校正，為后續圖片拼接奠定基礎。

圖像配準通過建立匹配模型，自動識別出7張魚眼圖像中相鄰兩張之間重疊部分的匹配點，以此來確定7張照片的相對位置和角度關系。由于外界影響，獲取的圖像在做匹配時，圖像間的匹配只能做到某種程度的相似，不可能滿足完全匹配，因此需要人工設置部分匹配點。兩幅圖像或者多幅圖像中圖像配準質量的好壞，直接影響到拼接的成功率。

圖像融合在圖像配準后，針對圖像重疊區域的強度和顏色不連續進行處理，使拼接后的影像最大限度地與原始圖像接近，失真盡可能小，且沒有明顯的拼接線。

由于拍攝方法的限制，上述方法拼接出來的全景影像存在攝影盲區，即全景影像在旋轉到地上時，會出現一個“黑洞”，需通過專用圖像處理工具對其進行修補。實際工作時，我們事先做好一張通用的圖片專門用于填補對地方向的“黑洞”。

3.4 全景影像空間化

將完成拼接的全景影像按其GPS坐標上圖，地圖坐標使用WGS－84。完善全景定位點層、全景影像圖片層的相關信息，保證地圖每一個點能通過ID值與定點全景影像圖片文件進行關聯。

3.5 熱點關聯

空間化后全景影像可以呈現真實的環境，但是無法與具體公安管理對象設施進行關聯。通過熱點關聯對單張全景影像進行打點標注，將各業務警種關心的具體管理對象與全景影像中的物體進行關聯。熱點關聯主要通過完善熱點層信息來實現。

3.6 數據質檢

數據的質檢主要工作是檢查實景影像拼接是否正確，圖像質量是否清晰以及空間點位是否正確。檢查合格標準為:①圖像清晰;②實景影像拼接無錯亂;③根據要求進行了補天或補地;④在拼接邊界無明顯圖像接邊線和變形;⑤每一張實景影像都有對應的空間坐標點對應;⑥熱點關聯正確。

數據質檢借助圖像處理工具，如Photoshop，進行檢查，檢查不合格的影像需重新拼接或修改，如果無法修改，則需要重新采集數據。

3.7 影像發布

經過質檢的全景影像通過服務的方式發布，供PGIS平臺的各業務應用調用。

4 關鍵技術探討

通過上述建庫流程可以看出影像畸變校正、影像拼接、熱點關聯是定點全景建庫過程中的關鍵技術，以下對這三種技術進行深入探討。

4.1 影像畸變校正技術

本次研究中，我們的定點全景影像是通過魚眼鏡頭拍攝的。魚眼鏡頭是一種短焦距、大視場的攝像鏡頭，由光學成像原理可知，焦距越短，視角越大，所成圖像產生的畸交也就越大，魚眼圖像畸變嚴重。影像畸變校正技術首先解決圖像的輪廓提取，圖像的輪廓的提取在校正中至關重要，直接影響校正結果。本次研究中，我們針對魚眼圖像輪廓提取的采用了一種改進的掃描線逼近算法，基于魚眼圖像有效區域中像素行(列)的極限亮度差遠遠大于有效區域之外像素行(列)的極限亮度差這一特性，通過控制閾值的選取對魚眼圓形有效區域圓心和半徑進行修正和優化，確定魚眼圖像有效區域的外切正方形，從而確定魚眼圖像的圓形輪廓。該技術的處理結果與魚眼圖像內部的黑色像素點無關，因而能有效克服傳統統計算法的不足。完成圖像的輪廓提取后，我們采用球面坐標定位校正對魚眼圖像扭曲變形進行校正。依據魚眼鏡頭的成像原理，用球面的經緯線近似的表示魚眼圖像中景物的變形。在對圖像準確定位的基礎上，依據扭曲變形校正的圖像坐標映射關系，對圖像顏色信息進行重投影［5］，從而實現了魚眼圖像的扭曲變形校正。

4.2 全景影像拼接技術

定點全景影像中，采集的原始影像每一幀由多幅圖像構成，需要對這些圖像進行自動拼接，形成單幅全景影像，支撐業務應用。具體實現時，先導入多幅圖像，并將經過畸變校正的圖像劃分為多個圖像匹配塊，通過影像匹配算法和人工干預的方式識別出圖像之間同名像點，由匹配的同名像點信息計算轉換關系，從而確定整個全景圖像序列。在每個圖像塊的自動拼接中，將圖像映射到同一個球面上，通過迭代法求取圖像歐拉角等參數，最后對球面映射后的平面展開圖用多分辨率樣條法進行圖像融合，生成單幅全景圖，拼接效果如圖3所示。

圖3 全景影像拼接效果圖

4.3 熱點關聯技術

普通的全景影像可以呈現真實的環境，但是無法與具體公安管理對象設施進行關聯。熱點關聯技術可以把實景圖像與具體設施的數據庫屬性進行關聯，不僅可以為各警種提供真實的圖像信息，還可以從與圖像關聯的熱點獲得這些設施的屬性信息，給人“所見即所得”的體驗。其實現原理是通過建立以全景影像圖西南角為原點的像平面坐標，記錄熱點在像平面坐標的位置，實現全景影像圖片上物體與業務屬性表記錄的一一對應，同時通過像平面坐標與球面坐標的轉換，實現熱點的正確顯示。在全景地圖中，熱點以小圖標形式顯示，點擊時，動態顯示熱點的具體信息。

5 應用情況

本文提出的定點全景地圖建庫技術已成功應用于重慶市公安局PGIS平臺升級改造中。集成了全景地圖的PGIS平臺為突發事件應急指揮、交巡警設施管理、消防設施管理等公安業務警種提供了一種全新的應用模式。以應急指揮事件為例:在制定抓捕行動中，專案組通過使用集成全景地圖的PGIS平臺，利用二維地圖和衛星影像圈定嫌犯的大概藏匿區域，同時通過查看全景影像，可以快速掌握嫌疑人周圍的建筑物、通道、路口信息，實現遠程現場勘察和輔助決策預案，極大提高了應急處置效率。

6 結語

圖4 應急指揮應用

定點全景地圖是三維全景與二維地圖結合而創建的地圖，它能提供每個特定地理位置的360°真實場景，實現全景漫游、全景搜索和全景分享等功能。本文通過對PGIS平臺數據庫進行改造，實現了在PGIS平臺中存儲定點全景影像，并結合實際應用，詳細介紹了定點全景地圖的建庫流程、關鍵技術和應用情況。基于全景地圖的警用地理信息系統可實現地理信息數據的可視、可讀、可寫、可畫、可量、可鏈接、可挖掘等一系列功能，在“人”、“地”、“物”、“事”和“組織”等公安五要素管理、突發事件決策指揮、交巡警設施管理、消防設施管理等各方面都有著二維地圖不可比擬的優勢，可以預測，未來全景技術和地理信息系統必將走向融合，并為警用地理信息系統建設發揮更大的作用。

［1］賀日興，孫丕龍.PGIS在公安業務中的應用——警用地理信息平臺及其建設部署模式［J］.警察技術，2011(3):3～7.

［2］李海亭，張淼，彭清山.城市地理信息系統中的全景地圖技術研究［J］.城市勘測，2011(3):39～43.

［3］朱圣，羅再謙，龍川.數字全景地圖技術及在規劃管理中應用的研究［J］.城市勘測，2012(1):37～41.

［4］孫美蓮.基于魚眼鏡頭的全方位圖像的校正和增強［D］.天津:天津理工大學，2012:13～26.

［5］李艷麗.全景圖生成技術研究［D］.濟南:山東大學，2007:11～30.