便攜式小型移動全景地理國情調繪核查技術研究

王海銀，劉鵬超，胡振彪

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

應用工程研究中心青島市海陸地理信息集成與應用重點實驗室，山東 青島 266033)

WANG Haiyin,LIU Pengchao,HU Zhenbiao

便攜式小型移動全景地理國情調繪核查技術研究

王海銀1,2，劉鵬超1,2，胡振彪1,2

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

應用工程研究中心青島市海陸地理信息集成與應用重點實驗室，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：地理國情調繪核查關系到地理國情普查的可靠性和現勢性，目前地理國情調繪核查以人工外業為主。本文提出了一種便攜式小型移動全景調繪核查技術，以車載或人工背負攜帶式對地理國情調繪核查進行全過程360°實景記錄，通過手持GPS終端實現全景影像自動地理參考；進一步與正射影像關聯進行地理國情普查要素的室內核查與調繪，提高地理國情調繪核查乃至質檢的效率和質量；另外在其他調查類業務中也具有很好的應用前景。

引文格式： 王海銀，劉鵬超，胡振彪. 便攜式小型移動全景地理國情調繪核查技術研究[J].測繪通報，2015(9)：109-112.DOI:10.13474/j.cnki.11-2246.2015.0293

關鍵詞：地理國情普查；核查；調繪；全景

中圖分類號：P208

文獻標識碼：B

文章編號：0494-0911(2015)09-0109-04

收稿日期：2015-01-16

基金項目：電子信息產業發展基金項目“海陸一體三維地理信息共享服務系統研發及應用示范”(工信部財〔2012〕407號)

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

一、引言

地理國情普查是一項重大的國情國力調查，是掌握地表自然、生態及人類活動基本情況的基礎性工作。地理國情外業調繪與核查通過對內業分類與判譯的地理國情要素和地表覆蓋分類成果，以及內業無法定性的類型、邊界和屬性進行實地核實確認和補調，是地理國情普查工作十分重要的環節，是保證地理國情普查數據質量的關鍵環節[1-3]。

當前，地理國情普查外業核查與調繪是帶GPS、相機、羅盤等定位定姿和照相傳感器進行核查、調繪和解譯樣本采集，如基于ArcGIS的地理國情普查外業調繪核查系統、基于平板電腦的Geoway Fielder數碼調繪系統、中海達地理國情普查系統調繪寶等[4-10]，此外，承擔地理國情普查任務的單位結合自身生產條件，也推出了各種服務于地理國情外業核查和調繪的系統或設備。這些系統或設備以人工實地作業為主，且該工序工作內容多，影像拍攝質量和角度要求嚴格，使得外業操作復雜，對作業員要求高，且勞動強度大，直接影響作業效率和成果質量[6-10]。

地理國情普查的外業調繪和核查工作需保證細致無遺漏，同一地區經常進行多次調查核查工作，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、地理單元名稱等要素和相關屬性，導致外業調查、內業判定工作負擔較重，且易造成遺漏。集成GPS定位設備和MEMS定姿傳感器的360°全景系統可在載體快速移動狀態下實現對周邊地理環境的全視角全息采集，可用于街景與地理信息采集更新，如信息測繪、智慧城市、道路交通、城市管理、園林綠化和智慧旅游等領域。

本文針對地理國情普查外業核查和調繪，提出了一種便攜式小型移動全景調繪核查技術，在外業調繪核查人員工作的同時，以車載或人工背負攜帶式對地理國情調繪核查進行全過程360°實景記錄，采集國情普查路線上的全景資料，并記錄采集點坐標信息和采集路線軌跡信息，并進一步利用配套軟件與正射影像關聯，快速查詢瀏覽到外業場景360°實景資料，進行地理國情普查要素的室內核查調繪和解譯樣本采集，可提高地理國情調繪核查的效率和質量，具有很好的應用前景。

二、便攜式小型移動全景系統

便攜式小型移動全景系統采用5臺寬角鏡頭的相機在水平方向拼接成360°全景，且配置羅盤和WiFi設備，通過智能移動終端控制相機的拍攝參數，同時以智能移動終端獲取的GPS為全景影像提供位置坐標，其工作原理如圖1所示。

由圖1可知，需要5個相機在同一個時刻觸發曝光拍攝，通過一個同步控制板以一分5路的方式直接連接控制單個相機的快門，智能手機則通過WiFi連接同步控制板，由智能移動終端上開發的應用APP將相機拍攝參數、拍攝信號發送到同步控制板，實現基于智能移動終端的多相機同步采集。在給同步控制板發送相機拍攝信息的同時，智能移動終端同步獲取該時刻的GPS位置坐標和羅盤的姿態參數，并通過后續地理參考處理，為每一個全景影像關聯上位置和姿態參數，以便將全景影像導入到地理國情普查內業處理系統，進行核查、調繪及樣本采集。

綜合考慮設備的重量和影像質量，本文設計的移動全景系統采用運動型GoPro Hero3+相機。該相機重量不到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，單幀影像可以達到12 MP像素，同時具有64 GB的MicroSD擴展內存，日光下采集的影像品質效果較好。采用5臺GoPro Hero3+相機，水平環繞排列，各相機垂直放置，相鄰相機拍攝夾角為72°。整套移動全景系統設備重量在1 kg以內，輕便穩定，拆卸簡單，可方便安裝在車頂、對中桿上，甚至可以安裝在頭盔上，攜帶方便，使用時只需要一個智能移動終端，如圖2所示。

圖1　便攜式小型移動全景系統工作原理

圖2　便攜式小型移動全景系統組成

三、基于便攜式小型移動全景系統的地理國情調繪和核查

1. 總體技術框架

便攜式小型移動全景系統將多相機全景設備、羅盤與智能移動終端無縫集成，充分利用智能移動終端的定位功能，實現帶位置和姿態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進行空間關聯，實現多視角全景影像與DOM的聯合采集、核查、調繪與解譯樣本的裁切建庫，其技術框架如圖3所示。

基于便攜式移動全景系統的地理國情核查調繪包括數據采集、數據處理和普查應用3個環節。外業數據采集采用本文設計的移動全景系統，融入到當前地理國情外業核查和調繪流程；數據處理完成全景影像拼接與地理參考處理；普查應用立足于全景影像與DOM的空間關聯，通過全景影像與DOM按照位置與視場角的查詢瀏覽，實現地理國情普查要素的核實、補繪和樣本裁切等。

圖3　技術框架

2. 外業數據獲取

基于本文的便攜式移動全景系統進行外業數據采集，不改變現有的地理國情普查外業流程，可因地制宜地將全景系統搭載在車頂或安裝到對中桿上(如圖4所示)，也可以將全景相機當作樣本采集的相機單獨使用，用作全景影像采集控制的APP可以安裝到個人智能手機或外業平板電腦上，進行外業數據獲取。

完成外業數據采集后，可以將數據從相機和移動終端中拷貝至內業處理計算機，通過資料整理將分散存儲在不同位置的圖像按照拍攝時間或順序進行提取和整理，同一點位拍攝的5張圖像放在同一目錄下，按照統一的規則命名。

3. 數據處理

數據處理包括兩個內容，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、勻光勻色和拼接融合處理等。影像配準將同一場景的多幅圖像，通過一些相似性度量來獲取圖像間的變換參數，使不同的圖像序列變化到同一坐標系下，并且在像素層上得到最佳的匹配。在進行全景拼接時，需要對不同視角、不同光照條件下的影像進行勻光勻色處理，最后通過拼接融合，得到色彩均衡、無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拼接處理流程和要求進行定制修改和開發。

圖4　便攜式小型移動全景系統組成

全景影像地理參考根據拼接好的全景影像、對應的拍攝信息、拍攝時間與GPS位置、羅盤姿態進行地理關聯。需要指出的是，羅盤姿態受環境影響較大，尤其是航向，在車載情況下可以利用前后全景的兩個GPS位置點，按照坐標反算計算航向[12]，與羅盤輸出的航向信息進行相互驗證。

圖5　全景影像拼接

4. 多視角全景影像普查應用

將具有地理參考的全景影像與DOM進行空間關聯后，可以進行一體化內業判繪、補繪和樣本裁切制作，主要包括全景影像發布、空間查詢和視角查詢等，方便進行地理要素的補繪、核查和樣本制作。

1) 全景影像發布。采用Tomcat 6.0架設Web應用服務器發布全景瀏覽器及全景成果圖片，采用開源的PostgreSQL 9.1數據庫搭建其他拍攝信息表，采用PostGIS存儲空間信息坐標及軌跡，同時也能直接支撐輕量級的空間查詢。

前端全景影像顯示封裝成一個插件，可以做成基于ArcGIS Desktop 10.1的Addin插件，將全景資料成果與內業判讀軟件相結合，實現全景影像到內業解譯編輯工作的導入。

2) 全景影像空間查詢。根據在DOM上面點擊或框選的位置，可以查詢到對應的全景影像，并可以進行單幀瀏覽和連續瀏覽。單幀瀏覽具體到一副全景影像時，可以支持放大、縮小、漫游等(如圖6所示)。根據瀏覽的全景影像輔助內業判讀地類，采集車道數、地理單元名稱等要素和相關屬性。

3)按視角查詢全景影像。對于每一幅全景影像，可以按照絕對航向對當前視角的全景影像局部進行查詢，實現全景影像方位與DOM的視角范圍對應關聯，以此從局部全景影像上進行對應DOM視場范圍的照片樣本的裁切、對應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情普查應用中，可以實現多視角影像一體化內業核查、判繪和補繪。作業人員可以結合遙感影像解譯樣本、地理國情要素數據、地表覆蓋分類數據進行檢核和判讀，同時可以從全景影像上裁剪制作任意視場角度的照片樣本，是一種經濟、方便、可行的地理國情核查調繪方式。全景影像資料也可以作為地理國情成果數據的一個重要補充，為后續質量檢查、統計分析和成果應用提供全新的成果。

圖7　按視角全景影像查詢

四、結論及建議

本文提出并研究開發了一種低成本小型移動全景系統，設計了基于小型移動全景系統的地理國情核查調繪的技術框架，開發了相應的軟件并能夠與地理國情普查內業軟件無縫集成。該系統可以方便安裝、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業數據實現聯動，輔助內業判讀地類、國情要素采集和外業檢查，減少外業檢查工作量，增大檢查覆蓋面，具有廣泛的應用前景。但目前仍需要進一步研究本系統中獲取的全景影像在特定要素自動采集及全景影像地理國情監測中的深入應用。

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