車載式地理信息快速采集及數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)研究

宋 珂馬 磊丁林可劉怡真朱 茵

（1.河南省地圖院，河南 鄭州450008；2.河南七彩數(shù)字制圖有限公司，河南 鄭州450008）

車載式地理信息快速采集及數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)研究

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（1.河南省地圖院，河南 鄭州450008；2.河南七彩數(shù)字制圖有限公司，河南 鄭州450008）

本文主要研究新近發(fā)展的網(wǎng)絡(luò)視頻錄像技術(shù)，快速采集城市地理信息，以滿足當(dāng)前數(shù)字城市建設(shè)的需要。系統(tǒng)集成了NVR、IPC、GPS，從硬件設(shè)備和軟件程序兩個(gè)方面進(jìn)行研究，設(shè)計(jì)并開發(fā)出一種新的軟件及設(shè)備，進(jìn)一步提高當(dāng)前地理信息采集的工作效率和技術(shù)水準(zhǔn)。

網(wǎng)絡(luò)視頻錄像機(jī)；網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)；全球定位系統(tǒng)

1 引言

隨著數(shù)字城市的不斷發(fā)展，城市地理信息的獲取、管理和更新成為數(shù)字城市工程的關(guān)鍵，其空間信息和屬性信息是和諧社會(huì)可持續(xù)發(fā)展的基本信息資源。為了進(jìn)一步提高當(dāng)前地理信息采集的工作效率和技術(shù)水準(zhǔn)，本文從硬件設(shè)備和軟件程序兩個(gè)方面進(jìn)行研究，開發(fā)并設(shè)計(jì)出一種新的軟件及設(shè)備，以滿足地理信息調(diào)繪工作的快捷性和實(shí)用需要。

車載式地理信息快速采集及數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)是通過(guò)在汽車上安裝地理信息快速采集設(shè)備（網(wǎng)絡(luò)視頻錄像機(jī)NVR、網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)IPC、全球定位系統(tǒng)GPS）,在行駛過(guò)程中完成對(duì)道路兩邊街景的地理信息采集，并在后期對(duì)采集回來(lái)的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，最終實(shí)現(xiàn)車載導(dǎo)航電子地圖和數(shù)字城市地理空間框架所需數(shù)據(jù)的要求。系統(tǒng)集成了新近發(fā)展的多種傳感器，可以實(shí)時(shí)地完成車載GPS定位數(shù)據(jù)、網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)IPC影像數(shù)據(jù)的采集，相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理軟件具有如下功能：糾正時(shí)間后的GPS數(shù)據(jù)，提供載體的地理位置、時(shí)間，經(jīng)緯度坐標(biāo)；網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)IPC拍攝的影像數(shù)據(jù)，提供建筑物的距離、高度或?qū)挾龋痪W(wǎng)絡(luò)視頻錄像機(jī)NVR，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)接收網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)設(shè)備傳輸?shù)臄?shù)字視頻碼流，進(jìn)行存儲(chǔ)、管理[1]。

2 系統(tǒng)總體方案

本文設(shè)計(jì)一種車載式地理信息快速采集及數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，將新近發(fā)展的網(wǎng)絡(luò)視頻錄像機(jī)NVR、網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)IPC、GPS集成于一體，并開發(fā)多源信息復(fù)合處理軟件，在數(shù)據(jù)采集過(guò)程中，各傳感器在系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理軟件控制下對(duì)城市街景的空間數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)進(jìn)行同步采集與同時(shí)存儲(chǔ)，然后，對(duì)不同的數(shù)據(jù)進(jìn)行后期的數(shù)據(jù)內(nèi)業(yè)處理，是自主研發(fā)的先進(jìn)的移動(dòng)測(cè)繪系統(tǒng)[2，3]。

作為移動(dòng)測(cè)繪系統(tǒng)，車載式地理信息快速采集及數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)是一種高度集成化、自動(dòng)化的數(shù)據(jù)獲取方式，是建立數(shù)字城市最具有發(fā)展?jié)摿Φ囊环N數(shù)據(jù)獲取手段。它不僅用于數(shù)字城市地理空間框架的構(gòu)建，而且可用于導(dǎo)航電子地圖建設(shè)、高速公路外業(yè)調(diào)繪等。該系統(tǒng)能在較短的時(shí)間內(nèi)測(cè)繪各種對(duì)象，因而成為更新地理信息空間數(shù)據(jù)庫(kù)的重要手段。本文主要研究新近發(fā)展的多種傳感器的集成技術(shù)，從地面快速采集城市地理信息，以滿足數(shù)字城市地理空間框架建設(shè)的需要[1],工作流程如圖1所示。

3 系統(tǒng)硬件構(gòu)成

圖1 城市地理信息快速采集系統(tǒng)工作流程圖

系統(tǒng)硬件主要由NVR、IPC、GPS三種傳感器,視頻采集控制器以及汽車構(gòu)成，作業(yè)示意框圖如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)構(gòu)成示意圖

系統(tǒng)以汽車為運(yùn)載平臺(tái)，車內(nèi)緊靠駕駛室設(shè)立寬敞的工作臺(tái)，其上安置NVR、網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)和筆記本電腦，車頂安裝堅(jiān)固支架，各支架均使用優(yōu)質(zhì)鋼管，牢固安置GPS和5個(gè)網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)。攝像機(jī)方向分別朝向正前方、左、左上、右、右上，以對(duì)城市道路兩邊的街景及高層建筑物上部攝像，所有控制線路均與車內(nèi)系統(tǒng)視頻采集控制器相連接[1]。

3.1 網(wǎng)絡(luò)視頻錄像機(jī)

NVR（Network Video Recorder）是網(wǎng)絡(luò)視頻錄像機(jī)，是一類視頻錄像設(shè)備，主要功能是通過(guò)網(wǎng)絡(luò)接收網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)IPC設(shè)備傳輸?shù)臄?shù)字視頻碼流，并進(jìn)行存儲(chǔ)、管理，從而實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化帶來(lái)的分布式架構(gòu)優(yōu)勢(shì)。在內(nèi)業(yè)編輯過(guò)程中，通過(guò)NVR，可以同時(shí)觀看、瀏覽、回放、存儲(chǔ)多個(gè)網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)，實(shí)現(xiàn)對(duì)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳送過(guò)來(lái)的數(shù)字視頻的記錄、編輯。

3.2 網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)

IPC(IP Camera)是網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)，是一種由傳統(tǒng)攝像機(jī)與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)結(jié)合所產(chǎn)生的新一代攝像機(jī)，是一種可生產(chǎn)數(shù)字視頻流，并將視頻流通過(guò)有線或無(wú)線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行傳輸?shù)臄z像機(jī)。本系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)IPC，用以獲取影像數(shù)據(jù)，其基本工作原理是：5個(gè)網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)以一定的俯仰角，對(duì)道路兩邊的地理信息連續(xù)不間斷地進(jìn)行監(jiān)控及錄像，提供建筑物的距離、高度或?qū)挾龋跀?shù)據(jù)處理軟件里以通道的形式進(jìn)行回放、瀏覽、存儲(chǔ)和管理。

3.3 GPS

GPS(Global Positioning System)是全球定位系統(tǒng)，車載GPS按照一定頻率接收信號(hào)，記錄汽車行駛軌跡，在數(shù)據(jù)采集過(guò)程中實(shí)時(shí)提供目標(biāo)位置數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)獲取車載GPS的經(jīng)緯度和時(shí)間。時(shí)間同步是移動(dòng)載體多傳感器集成系統(tǒng)的基本要求，由于各個(gè)傳感器的數(shù)據(jù)采樣頻率各不相同，要對(duì)不同采集頻率的傳感器獲取的數(shù)據(jù)進(jìn)行內(nèi)插或外推，保持?jǐn)?shù)據(jù)采集時(shí)間序列同步。本系統(tǒng)分析了GPS數(shù)據(jù)后處理定位、定姿的精度，通過(guò)時(shí)間糾正解決多傳感器之間的時(shí)間不同步問(wèn)題[3-5]。

4 數(shù)據(jù)處理軟件

本著高效、實(shí)用的原則，項(xiàng)目開發(fā)了一個(gè)高度集成化的地理信息采集系統(tǒng)軟件，安裝在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)里，包括外業(yè)信息采集、外業(yè)信息核查、內(nèi)業(yè)編輯工作區(qū)和系統(tǒng)設(shè)置模塊。

4.1 外業(yè)信息采集模塊

外業(yè)信息采集模塊是外業(yè)視頻采集的控制器，主要功能是：對(duì)各傳感器進(jìn)行參數(shù)設(shè)置、啟動(dòng)和關(guān)閉操作，以及對(duì)傳感器采集的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸和記錄，所采集的數(shù)據(jù)包括網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)錄制的視頻文件、GPS定位的偽距觀測(cè)量和導(dǎo)航電文。

系統(tǒng)的工作原理是：車輛以一定速度沿道路前進(jìn)，GPS觀測(cè)并記錄傳感器的位置和姿態(tài)數(shù)據(jù)，網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)同時(shí)對(duì)城市道路及其兩側(cè)的街景等三維場(chǎng)景進(jìn)行自動(dòng)快速采集，所有的傳感器都受控于計(jì)算機(jī)系統(tǒng)[6]。

該模塊用于監(jiān)控外業(yè)調(diào)繪實(shí)時(shí)進(jìn)展，在目標(biāo)調(diào)繪區(qū)域保證不重復(fù)調(diào)繪，也不漏掉重要信息。

4.2 內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理模塊

在多種傳感器集成的車載移動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)中，GPS實(shí)時(shí)提供平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)軌跡與方位參數(shù)，網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)以人工設(shè)定的各種參數(shù)連續(xù)進(jìn)行攝像，網(wǎng)絡(luò)視頻錄像機(jī)接收IPC設(shè)備傳輸?shù)臄?shù)字視頻碼流，并進(jìn)行存儲(chǔ)、管理。在內(nèi)業(yè)處理中，利用GPS導(dǎo)航系統(tǒng)為影像傳感器提供高精度的位置和姿態(tài)數(shù)據(jù)，快速恢復(fù)出城市街區(qū)的場(chǎng)景模型，保證每個(gè)傳感器得到的信息是在同一坐標(biāo)系下的描述即空間配準(zhǔn)，保證各個(gè)傳感器之間的數(shù)據(jù)應(yīng)該在時(shí)間上對(duì)齊即時(shí)間配準(zhǔn)，所獲取的城市三維目標(biāo)信息滿足當(dāng)前數(shù)字城市地理信息框架建設(shè)的需要[6，7]。

在內(nèi)業(yè)編輯區(qū)里，通過(guò)觀看、瀏覽、回放外業(yè)采集回來(lái)的視頻，依據(jù)當(dāng)?shù)氐臄?shù)字正射影像，把不同通道里顯示出來(lái)的圖像信息，經(jīng)過(guò)時(shí)間糾正后，在電子地圖上完成添加、修改、刪除、編輯poi和地名地址等工作，并補(bǔ)充必要的屬性信息，如圖3所示。

宋珂(1986-)，女，漢族，本科，助理工程師，主要從事測(cè)繪地理信息工程及相關(guān)工作。E-mail:115425735@qq.com