增強現實電子地圖的設計與實現研究

孫海永

摘 ? 要：AR與電子地圖的結合是拓展電子地圖表達方式的一種全新探索，兩者結合將會對電子地圖表達和用戶的認知產生重大影響。本文探討了增強現實電子地圖總體架構設計思路，提出了增強現實電子地圖應用模式設計和數據模型設計，并開發實現了原型系統，給出了導航的用戶界面示意，相信對從事相關研究的同行能有所裨益。

關鍵詞：增強現實 ?電子地圖 ?導航 ?數據模型

中圖分類號：P283.7 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-098X（2020）04（c）-0133-03

近年來，隨著地圖學理論和科學技術的快速發展，電子地圖與虛擬現實、全景圖技術、增強現實等新技術的結合研究越來越受到學者的關注。一方面是用戶對電子地圖的需求不斷增多，在地圖表現形式上，用戶不再滿足傳統電子地圖的表現形式，而是更加追求地圖表達的個性化;在地圖功能上，用戶對地圖的需求不再局限于單一的查詢與瀏覽，而是注重定位、路線規劃、導航和周邊環境搜索等位置服務;從人機交互角度，用戶不滿足于人與地圖的單向交互，而更加關注人、地圖、環境三者的交互。另一方面，虛擬現實、全景圖技術、增強現實等技術的發展，為地圖表現形式多樣化、功能豐富化、交互人性化提供了技術支撐。增強現實（Augmented Reality，AR）作為一種致力于將虛擬世界與現實世界融合的新技術，其在地圖表達和人、地圖、環境融合的方面有無可比擬的優勢，因此，越來越多地圖學者投入到電子地圖與增強現實結合的研究中。

AR 致力于真實環境信息和虛擬世界信息的“無縫”集成，能隨著用戶位置和視線方向的變化，變換相應的場景信息，實現虛擬信息與真實環境的融合，帶給用戶超越現實的感官體驗。目前AR 的研究范圍主要側重于技術本身，例如視覺增強技術、聽覺增強技術等，而從用戶認知角度的AR 研究相對較少。

AR與電子地圖的結合是拓展電子地圖表達方式的一種全新探索，兩者結合將會對電子地圖表達和用戶的認知產生重大影響。而電子地圖的位置服務在增強現實環境下也將會給用戶帶來全新的體驗，用戶與環境間交互將更頻繁，利于增強空間感知和人機交互的能動性。

1 ?增強現實電子地圖數據構成

不同于傳統的電子地圖，增強現實電子地圖一般不是成品地圖，而是一種直接反映客觀世界的可視化窗口。地圖數據是地圖內容的數據支撐。從地圖數據來源角度分析，增強現實電子地圖數據主要包括地圖底圖數據、真實環境數據和模型數據，如圖1所示。

1.1 地圖底圖數據

地圖底圖數據是指最基本的地物外形數據和部分相關附加信息（例如道路名稱，河流名稱等），包含幾何數據和屬性數據。其中，幾何數據主要用于描述地理實體的空間分布，即定位特征;屬性數據用于描述地理實體或現象的種類、質量和數量等特點，即定性特征。

1.2 真實環境數據

真實環境數據主要包括應用場景的實時位姿數據、真實圖像數據、POI 數據和場景數據。

（1）實時位姿數據：由 GPS 和方向傳感器等設備獲取的位姿數據，其中位置數據可用于確定用戶的實時位置，并配合地圖底圖要素確定用戶位置與整體的空間位置關系，姿態數據是利用傳感器記錄用戶的視角變化數據，用于確定用戶的視角范圍，并為視角信息呈現提供數據基礎。

（2）真實圖像數據：利用攝像頭獲取的真實環境數據，主要用于與地理數據的融合。

（3）POI 數據：POI 來源于地理信息系統里的專業術語，主要是指具有空間位置和屬性且與人們日常生活密切相關的地理實體數據。POI 數據是增強現實電子地圖重要的增強信息之一，POI 將現實世界中的地理實體以及空間位置以特殊的方式在地圖上進行呈現，是地圖數據中緊貼用戶需求的數據，例如醫療單位、教育機構、餐飲、娛樂、金融、購物等。

在增強現實電子地圖中，POI 數據主要分為基礎POI和增值POI。其中，基礎POI是指較長時間段內位置和屬性信息相對固定的POI 數據，例如機場、車站、名勝古跡等。增值POI是指變化相對頻繁的POI數據，其變化主要包括位置信息、屬性信息，例如小餐館、商場內的商鋪等，增值POI 需要地圖數據更新的支持，其對用戶有重要的實用價值。

（4）場景數據：場景數據是指在具體應用環境下，需要特殊提示的信息，例如在旅游景點范圍內，可以加入景點的簡介信息或者景點多媒體資料，例如視頻、音頻等，這樣既豐富了地圖內容，使地圖更具個性化，又體現了景點的詳細信息，滿足用戶游覽的需求。在增強現實電子地圖中，場景數據主要有道路、景點和商場等信息。

1.3 模型數據

模型數據是指構成地圖符號的數據，包括圖形圖像數據、文本數據、3D 模型數據和多媒體數據等，相當于一個符號數據庫，是增強要素符號顯示的數據基礎。

2 ?增強現實電子地圖總體架構設計

增強現實地圖平臺主要包括用戶層，服務層和數據層。其中，用戶層主要是客戶端設備，其主要用于增強現實電子地圖平臺的展示;服務層主要包括地圖服務調度引擎、虛實融合注冊中心和傳統web服務器，GIS調度引擎用于地圖數據的渲染和地圖處理，虛實融合注冊中心用于進行坐標虛實融合的匹配計算，web 服務器用于地圖符號的處理與數據運算;數據層主要用于提供地圖數據以及地圖界面符號及標注數據。平臺設計總體架構如圖2所示。

2.1 Client客戶端

Client客戶端主要包括兩部分內容：一是位置信息和真實環境信息的獲取;二是將服務器返回的信息進行地圖功能展示。此次系統選用Android平臺作為客戶端。

2.2 地圖服務調度引擎

Map Server是一種基于胖服務器端/瘦客戶端模式的實時地圖發布系統，通過客戶端發送數據請求，服務器端實時的處理空間數據，并將生成的數據返回至客戶端。增強現實地圖平臺采用Open Layer和百度API 來實現地圖服務引擎，地圖服務引擎主要負責地圖查詢、地圖分析等功能。

2.3 虛實融合注冊中心

虛實融合注冊中心是為了計算實景坐標和視景坐標之間的對應關系，為實現 AR 效果提供數學基礎，建立虛擬空間和現實空間之間的聯系。虛實坐標融合的準確性取決于地理目標模型的特征點和屬性信息投影到真實場景圖像上的準確性。虛實融合注冊中心采用Wikitude SDK 來解決虛實坐標的轉換與融合問題。

3 ?增強現實電子地圖應用模式設計

根據其應用場景的不同，平臺按從宏觀到微觀的應用場景將其分為四種應用模式：全局模式，導航模式，臨近模式和室內模式。

全局模式主要從整體的角度出發，多以電子地圖的方式進行顯示，主要描述了用戶位置與全局的位置關系。其主要功能包括在電子地圖中的用戶定位，位置查詢，路線規劃等。

可以從整體了解用戶自身的位置，所處環境，整體路線，主要是為了方便用戶進行選擇，提高查詢效率;導航模式是增強現實電子地圖平臺的核心模塊之一，其主要功能包括增強現實界層疊加，路線導航，實時定位，信息提示等;臨近探索模式主要描述自身位置或者目的地附近一定范圍的地理環境，具有較弱的目的性。一般認為，臨近探索模式適用于復雜城市環境下用戶對周圍環境的探索行為。室內模式主要適用于室內情況，其主要功能包括基于標識的室內定位和室內圖像的識別等。

4 ?數據模型設計

與傳統地圖不同，增強現實電子地圖平臺設計的數據構成復雜，屬性多樣，對數據模型設計的適用性、易操作性要求較高。從模塊上劃分，主要分為三類數據，即基礎地圖數據、增強現實符號和模型數據、其他關系數據。其中基礎地圖數據主要用于地圖的顯示和查詢，可直接使用Mapserver 的 GIS 引擎進行數據訪問;增強現實符號和模型數據涉及多模式下增強信息的顯示;關系數據主要是指結構化的數據，其中包括提示信息和其他輔助信息等。

該平臺對應的數據模型中，依據其主要的應用模式，定義了如下主要數據模型：

（1）POI 數據。主要是用于臨近模式增強信息的顯示，包括 POI位置數據和屬性數據。

（2）導航數據。主要是當用戶進行導航時，所需要的路線信息和路線的增強數據，例如，路程、時間、路況等數據。

（3）增強符號。主要是指用于增強顯示的符號數據，包括POI符號數據、路線符號、3D模型數據以及多媒體數據等。

（4）用戶數據。主要是指用戶位置以及周圍環境的實時數據，包括真實環境數據和實時位姿數據。

核心數據模型間相互關系可用圖3所示關聯結構描述。

5 ?用戶界面設計

用戶界面主要用于呈現增強現實電子地圖的效果及功能，其主要界面元素包括實景界面、電子地圖界面、方位視角、定位縮略圖以及增強元素和增強符號。其中，實景界面主要是指利用手機攝像頭獲取的真實視角環境;電子地圖界面用于路線的規劃和整體環境的認知;方位視角描述了用戶當前的朝向以及視角范圍，并且可以記錄一定范圍內，該朝向上的地圖數據;定位縮略圖主要是指用戶在地圖中的位置;增強元素和增強符號主要由計算機生成的輔助信息，用于和真實環境的融合，以達到增強認知的目的。

導航模式顯示界面主要是在實景中疊加與導航相關的信息，以及相關的路線提示，其界面效果如圖4。

6 ?結語

隨著增強現實技術的成熟和可穿戴設備的廣泛應用，增強現實電子地圖的各類應用劇增，這不僅拓展了傳統的地圖信息傳輸方式，還豐富了電子地圖的表達內容，增強現實電子地圖已經成為電子地圖一個重要的研究方向。本文設計了增強現實電子地圖原型系統，詳細闡述了系統的框架設計、數據模型設計、應用模式設計等內容，最后進行了系統效果的驗證。

參考文獻

[1] 陳科，黃天勇，楊林波，等.AR技術在GIS可視化中的應用及方法研究[J].測繪與空間地理信息，2011（6）：66-69.

[2] 常勇，施闖.基于增強現實的空間信息三維可視化及空間分析[J].系統仿真學報，2007（9）：16-18.

[3] 常勇，何宗宜.戶外增強現實技術及其在地下管網3維可視化中的應用[J].測繪通報，2005（11）：44-48.