增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)地圖研究與應(yīng)用

　　摘要：隨著數(shù)字地圖技術(shù)的不斷革新，產(chǎn)生了將虛擬信息與真實(shí)世界融合的新型地圖技術(shù)，即增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)(augmentedreality，AR)地圖。從可視化、定位、測(cè)繪、分析幾個(gè)方面闡述了AR地圖的關(guān)鍵技術(shù)，介紹了AR地圖的空間映射原理和可視化效果，提出了結(jié)合視覺定位和慣導(dǎo)定位的cm級(jí)室內(nèi)定位方法，實(shí)現(xiàn)了基于AR地圖的AR導(dǎo)航、AR測(cè)量、AR目標(biāo)采集、AR地理圍欄等關(guān)鍵技術(shù)并將其應(yīng)用于AR智慧園區(qū)與AR室內(nèi)場(chǎng)館。

　　關(guān)鍵詞：增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)(augmentedreality，AR)地圖;AR測(cè)量;室內(nèi)定位;地圖智能

　　增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)(augmentedreality，AR)技術(shù)與地圖 和GIS技術(shù)的結(jié)合是近些年開始的。Ghadirian等[1]通過(guò)建立GIS數(shù)據(jù)庫(kù)與真實(shí)全景視頻影像序列之間的聯(lián)系，成功模擬了澳大利亞維多利亞州卡集洼(Cudgewa)山谷野草的動(dòng)態(tài)蔓延過(guò)程。杜清運(yùn)等[2]提出室外增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)地理信息系統(tǒng)(outdooraug-mentedrealitygeographicinformationsystem，OARGIS)理論，并指出其意義在于將移動(dòng)計(jì)算與AR技術(shù)運(yùn)用到傳統(tǒng)的空間信息服務(wù)中，改變了傳統(tǒng)的基于位置的服務(wù)機(jī)制，將人和真實(shí)世界與數(shù)字世界通過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳輸無(wú)縫地結(jié)合起來(lái)，實(shí)現(xiàn)超越時(shí)間和空間局限性的互動(dòng)，從而改變數(shù)字世界和真實(shí)世界的交互模式。

　　地圖論文范例：數(shù)字地面模型在地圖制圖中的應(yīng)用

　　Waldman[3]首次定義了AR地圖，即一種在真實(shí)環(huán)境中添加興趣點(diǎn)(pointofinte-rest，POI)數(shù)據(jù)的地圖應(yīng)用。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)的地學(xué)科學(xué)家也在研究AR技術(shù)在多媒體空間數(shù)據(jù)可視化、城市規(guī)劃等領(lǐng)域的應(yīng)用，比如將AR技術(shù)應(yīng)用于文物古跡的數(shù)字重建、戶外移動(dòng)GIS系統(tǒng)的設(shè)計(jì)等。

　　1AR地圖關(guān)鍵技術(shù)

　　AR地圖是以視頻空間化為基礎(chǔ)，通過(guò)計(jì)算機(jī)視覺技術(shù)，融合虛擬和現(xiàn)實(shí)進(jìn)行實(shí)時(shí)地理信息可視化和智能地理分析的地圖。AR地圖具有以下特點(diǎn)：①視頻空間化，視頻場(chǎng)景任意像素與真實(shí)地理位置之間可以相互轉(zhuǎn)換;②多維信息實(shí)時(shí)融合，除了實(shí)時(shí)視頻信息以外，還可疊加二三維空間要素以及傳感器和多媒體信息等;③真實(shí)場(chǎng)景虛擬交互[4]，通過(guò)手勢(shì)、語(yǔ)音與真實(shí)場(chǎng)景中疊加的虛擬目標(biāo)進(jìn)行實(shí)時(shí)交互;④智能地理分析，地圖與人工智能(artificialintelligence，AI)技術(shù)的融合，幫助用戶智能識(shí)別文字、車輛、行人等多種目標(biāo)，輔助用戶進(jìn)行路徑導(dǎo)航、危險(xiǎn)避讓、目標(biāo)理解等行為決策。

　　AR技術(shù)廣泛運(yùn)用了多種技術(shù)手段，其中同步定位與地圖繪制(simultaneouslocalizationandmapping，SLAM)和慣性測(cè)量單元(inertialmea-surementunit，IMU)是AR技術(shù)的核心基礎(chǔ)。當(dāng)前主流的AR開發(fā)平臺(tái)有華為的AREngine、谷歌的ARCore、蘋果的ARkit以及香港科技大學(xué)的VINS(visual-inertialsystem)。AR地圖技術(shù)是在AR技術(shù)的基礎(chǔ)上，融合AI技術(shù)和三維GIS技術(shù)，對(duì)傳統(tǒng)測(cè)繪數(shù)據(jù)、多媒體數(shù)據(jù)以及傳感信息數(shù)據(jù)進(jìn)行新型地圖空間可視化表達(dá)、空間定位、地圖測(cè)量與空間分析的技術(shù)。為了能夠更好地進(jìn)行智能地理分析，AR地圖技術(shù)還需要計(jì)算機(jī)視覺和機(jī)器學(xué)習(xí)等技術(shù)的支撐。

　　1.1AR地圖可視化

　　AR地圖的一個(gè)重要特點(diǎn)是以視頻為底圖，經(jīng)過(guò)坐標(biāo)的精確匹配后，將視頻圖像和二三維地理空間信息進(jìn)行實(shí)時(shí)融合顯示，達(dá)到增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的效果。因此，視頻空間坐標(biāo)系、地理空間要素可視化、多媒體要素投放與交互、視頻特效與視頻增強(qiáng)是AR地圖可視化的關(guān)鍵技術(shù)。

　　1)視頻空間坐標(biāo)系

　　AR地圖支持多樣的視頻來(lái)源，比如固定攝像頭、移動(dòng)設(shè)備、車載、無(wú)人機(jī)等。為了使視頻數(shù)據(jù)具有空間地理信息，需要將像素坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為空間坐標(biāo)，標(biāo)定視頻的地理范圍。其中，O點(diǎn)為攝像頭點(diǎn)位，AB為拍攝到的地面范圍，A′B′為對(duì)應(yīng)的相片，C為相片中點(diǎn)。已知攝像機(jī)的地理坐標(biāo)(x，y，h)、方位角、俯仰角、垂直視場(chǎng)角α、水平視場(chǎng)角β，可以根據(jù)三角函數(shù)關(guān)系求得相片中點(diǎn)C的地理坐標(biāo)及A′B′的實(shí)際距離。獲取到相片的像素大小后，可以根據(jù)像素大小與實(shí)際距離的對(duì)應(yīng)關(guān)系求得每個(gè)像素對(duì)應(yīng)的實(shí)際距離，進(jìn)而求得相片上任一點(diǎn)P′的地理坐標(biāo)[5]。動(dòng)態(tài)視頻坐標(biāo)系主要根據(jù)立體視覺技術(shù)和多視圖幾何原理進(jìn)行計(jì)算。手機(jī)、無(wú)人機(jī)等移動(dòng)攝像頭通過(guò)兩個(gè)以上位置的攝像就可以動(dòng)態(tài)計(jì)算視頻空間坐標(biāo)[6]。另外，由于光學(xué)鏡頭在空氣中有折射，還需考慮相機(jī)畸變糾正等，本文不作詳細(xì)闡述。

　　2)地理空間要素可視化基于視頻空間坐標(biāo)系，二三維地圖上的空間要素都可以在AR地圖里進(jìn)行疊加顯示，比如點(diǎn)、線、面、注記、影像、POI等二維地理要素，以及地形、精模、白模、管線、紋理、骨骼動(dòng)畫、三維粒子、傾斜攝影模型、點(diǎn)云、建筑信息模型(buildinginformationmodeling，BIM)數(shù)據(jù)等三維空間地理要素。AR地圖除了可以按照相應(yīng)比例疊加空間要素外，還能以AR電子沙盤的方式展示地理空間數(shù)據(jù)，比如，AR景區(qū)沙盤把景區(qū)的全貌投射到桌子上進(jìn)行直觀展示，還有地形沙盤、應(yīng)急沙盤、人防沙盤等。

　　3)多媒體要素投放與交互AR地圖可以把多媒體信息疊加在現(xiàn)實(shí)空間中，包括聲音、圖片、視頻、網(wǎng)頁(yè)、統(tǒng)計(jì)圖表等。比如，用戶可以在道路、建筑、商業(yè)、餐飲等真實(shí)設(shè)施的實(shí)時(shí)視頻上，將網(wǎng)頁(yè)作為一個(gè)空間對(duì)象，通過(guò)修改三維空間位置、透明度和可見距離等參數(shù)進(jìn)行多媒體信息投放。投放的網(wǎng)頁(yè)具有瀏覽、搜索等交互操作功能。除多媒體信息外，還可以將傳感器信息疊加到真實(shí)世界中，如溫度、濕度、剩余電量及聲音分貝等。

　　4)視頻特效與視頻增強(qiáng)隨著混合現(xiàn)實(shí)(mixedreality，MR)技術(shù)的發(fā)展，對(duì)視頻本身的增強(qiáng)也成為AR地圖可視化的一個(gè)研究方向，比如可以在視頻中增加落花、落葉、云、閃電、雨雪等天氣特效。AR視頻特效可以應(yīng)用于天氣預(yù)報(bào)、火災(zāi)模擬、應(yīng)急演練等多種場(chǎng)景，還可以用于模糊車牌和人臉、建筑老化過(guò)程推演、土地用途變更模擬、規(guī)劃方案對(duì)比等多個(gè)方面。

　　1.2AR空間定位技術(shù)

　　本文主要介紹基于AR技術(shù)的慣導(dǎo)定位和視覺定位技術(shù)。

　　1)AR慣導(dǎo)定位。AR慣導(dǎo)定位是基于IMU和SLAM融合的視覺慣性系統(tǒng)的定位方法，定位精度在10～30cm之間，不需要部署端，沒(méi)有外接設(shè)備，但要手動(dòng)確定起點(diǎn)且不能中斷。SLAM是計(jì)算機(jī)視覺室內(nèi)定位的基礎(chǔ)，其目標(biāo)是在沒(méi)有任何先驗(yàn)知識(shí)的情況下，根據(jù)傳感器數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)構(gòu)建周圍環(huán)境地圖，同時(shí)根據(jù)這個(gè)地圖進(jìn)行自身定位。IMU是測(cè)量物體三軸姿態(tài)角以及加速度的裝置，在導(dǎo)航中有重要應(yīng)用價(jià)值。AR慣導(dǎo)定位采用的是相對(duì)坐標(biāo)，通常以(0，0)為起點(diǎn)，要進(jìn)行導(dǎo)航應(yīng)用就需要跟地圖的坐標(biāo)進(jìn)行匹配，得到絕對(duì)坐標(biāo)。為了解決AR慣導(dǎo)定位起點(diǎn)的絕對(duì)坐標(biāo)定位問(wèn)題，可以采用圖片定位進(jìn)行輔助。先將精確的地圖坐標(biāo)生成二維碼圖片，然后將圖片貼在地面上，通過(guò)掃描二維碼確定坐標(biāo)和方向。慣導(dǎo)定位還有誤差累計(jì)的問(wèn)題，每隔50m貼一個(gè)二維碼圖片進(jìn)行坐標(biāo)校正，就可以解決這個(gè)問(wèn)題。

　　2)AR視覺定位。AR視覺定位是基于計(jì)算機(jī)視覺識(shí)別特征點(diǎn)實(shí)時(shí)匹配的一種智能定位方法。優(yōu)點(diǎn)是定位精度高，通常為2～5cm，無(wú)需外接設(shè)備，可實(shí)時(shí)定位;缺點(diǎn)是需要預(yù)先采集全局特征三維點(diǎn)云，同時(shí)會(huì)受移動(dòng)目標(biāo)干擾，存在一定的不確定性，不適合人流較多的區(qū)域。

　　1.3AR地圖測(cè)繪

　　傳統(tǒng)地圖測(cè)繪通過(guò)經(jīng)緯儀、水準(zhǔn)儀、全站儀、室內(nèi)測(cè)圖背包等設(shè)備進(jìn)行測(cè)角、測(cè)距、測(cè)高，再經(jīng)過(guò)手工展點(diǎn)、清繪等來(lái)完成地圖繪制。這些設(shè)備通常比較笨重，操作較為復(fù)雜，且測(cè)量周期長(zhǎng)。AR地圖測(cè)繪融合了AR空間定位技術(shù)，僅需一部具備AR功能的手機(jī)就可以完成地圖數(shù)據(jù)采集和地圖制圖。

　　1.4AR地圖分析

　　AR地圖分析結(jié)合了視頻目標(biāo)識(shí)別、遙感影像分類與檢測(cè)以及矢量數(shù)據(jù)空間分析的特點(diǎn)，應(yīng)用廣泛。

　　1)AR目標(biāo)感知。AR目標(biāo)感知包括AR目標(biāo)識(shí)別、AR目標(biāo)分類和AR目標(biāo)采集。AR目標(biāo)識(shí)別：AI深度學(xué)習(xí)方法的出現(xiàn)，使計(jì)算機(jī)通過(guò)樣本訓(xùn)練快速擁有目標(biāo)識(shí)別的能力(如行人、自行車、機(jī)動(dòng)車的識(shí)別)，識(shí)別目標(biāo)后用AR可視化的方式可以直觀展現(xiàn)目標(biāo)的特性。AR目標(biāo)分類：目標(biāo)分類是AI目標(biāo)識(shí)別的另一種應(yīng)用場(chǎng)景，如城管執(zhí)法分類不僅需要準(zhǔn)確識(shí)別出目標(biāo)，還要對(duì)照系統(tǒng)的分類標(biāo)準(zhǔn)對(duì)目標(biāo)進(jìn)行歸類。AR目標(biāo)采集：智慧城市治理離不開城市部件(如井蓋、下水篦子、交通標(biāo)志等)的管理。一個(gè)城市的部件多達(dá)上億，網(wǎng)格員每天上報(bào)城市部件時(shí)，需要先拍照再手動(dòng)填寫部件位置、類型等信息，工作繁瑣。AR目標(biāo)采集自動(dòng)填寫目標(biāo)信息，可以大幅提高工作效率。

　　2)AR立體分析。單目相機(jī)通過(guò)視頻多幀影像建立立體相對(duì)，就可以快速重建3D系統(tǒng)。手機(jī)雙目、多目攝像頭的出現(xiàn)讓AR立體分析變得更加簡(jiǎn)單，激光攝像頭的出現(xiàn)則讓立體識(shí)別更加精準(zhǔn)。深度探測(cè)與遮擋：深度圖是AR立體分析的基礎(chǔ)，可通過(guò)圖像深度估計(jì)的方法生成。根據(jù)現(xiàn)實(shí)圖像中物體深度的分析結(jié)果可對(duì)虛擬的模型與現(xiàn)實(shí)世界進(jìn)行遮擋處理，使AR可視化效果更加逼真。AR立體識(shí)別：基于圖片的AI識(shí)別已經(jīng)不能完全滿足需求，如人臉識(shí)別時(shí)可通過(guò)照片而非真實(shí)人臉進(jìn)行識(shí)別欺騙，完成手機(jī)解鎖。AR立體識(shí)別能更加準(zhǔn)確地識(shí)別物體的空間信息。AR視覺重建：AR視覺重建是通過(guò)手機(jī)攝像頭實(shí)時(shí)生成三維模型的方法。無(wú)人機(jī)傾斜攝影建模只適用于室外環(huán)境，基于手機(jī)+激光攝像頭的視覺重建方案可以較好地應(yīng)用于室內(nèi)場(chǎng)景。

　　2AR地圖的應(yīng)用

　　隨著智慧城市建設(shè)目標(biāo)的進(jìn)一步細(xì)化，AR地圖技術(shù)的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，比如各類AR智慧園區(qū)、AR室內(nèi)場(chǎng)館、AR管線巡檢、AR智能執(zhí)法、AR城市治理等。

　　1)AR智慧園區(qū)。AR智慧園區(qū)是指通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)、人工智能、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)等技術(shù)對(duì)園區(qū)構(gòu)建統(tǒng)一的平臺(tái)進(jìn)行智能化管理，包括智能化應(yīng)用、綠色節(jié)能管理、政務(wù)辦公服務(wù)等。AR地圖與信息系統(tǒng)的掛接可以實(shí)現(xiàn)園區(qū)的智慧化管理。AR智慧園區(qū)包括AR樓宇管理、AR人員管理、AR車輛管理、AR路燈管理、AR消防管理、AR 綠化管理等智能化應(yīng)用，能很好地提升園區(qū)物業(yè)管理工作效率。

　　2)AR室內(nèi)場(chǎng)館。AR室內(nèi)場(chǎng)館是AR地圖的典型應(yīng)用，包括圖書館、博物館、展覽館、科技館、購(gòu)物中心、大型展廳等場(chǎng)景。通過(guò)AR地圖可以對(duì)場(chǎng)館進(jìn)行直觀的AR展示和虛擬交互。AR室內(nèi)場(chǎng)館包括AR地圖制作、AR場(chǎng)館沙盤、AR物品展示、AR虛擬導(dǎo)游、AR實(shí)景導(dǎo)航等多個(gè)應(yīng)用，極大地提高了參觀效率和趣味性。

　　3結(jié)束語(yǔ)

　　本文研究的AR地圖關(guān)鍵技術(shù)已經(jīng)在Super-MapGIS10i(2020)軟件中實(shí)現(xiàn)，并應(yīng)用到了多個(gè)領(lǐng)域。目前AR地圖的研究與應(yīng)用還在起步階段，隨著AR眼鏡、全息投影設(shè)備、智能汽車的逐漸普及和5G、物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)的發(fā)展，AR地圖技術(shù)也將進(jìn)一步完善，應(yīng)用也會(huì)越來(lái)越深入，越來(lái)越有價(jià)值。

　　參考文獻(xiàn)

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　　作者：龐靜1，2陳國(guó)雄1，2宋關(guān)福1，2，3張欣1

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