增强现实地图研究与应用

所属分类：经济论文阅读361次时间：2021-01-24 11:06

本文摘要：摘要：随着数字地图技术的不断革新，产生了将虚拟信息与真实世界融合的新型地图技术，即增强现实(augmentedreality，AR)地图。从可视化、定位、测绘、分析几个方面阐述了AR地图的关键技术，介绍了AR地图的空间映射原理和可视化效果，提出了结合视觉定位和惯

　　摘要：随着数字地图技术的不断革新，产生了将虚拟信息与真实世界融合的新型地图技术，即增强现实(augmentedreality，AR)地图。从可视化、定位、测绘、分析几个方面阐述了AR地图的关键技术，介绍了AR地图的空间映射原理和可视化效果，提出了结合视觉定位和惯导定位的cm级室内定位方法，实现了基于AR地图的AR导航、AR测量、AR目标采集、AR地理围栏等关键技术并将其应用于AR智慧园区与AR室内场馆。

　　关键词：增强现实(augmentedreality，AR)地图;AR测量;室内定位;地图智能

数字地图

　　增强现实(augmentedreality，AR)技术与地图和GIS技术的结合是近些年开始的。Ghadirian等[1]通过建立GIS数据库与真实全景视频影像序列之间的联系，成功模拟了澳大利亚维多利亚州卡集洼(Cudgewa)山谷野草的动态蔓延过程。杜清运等[2]提出室外增强现实地理信息系统(outdooraug-mentedrealitygeographicinformationsystem，OARGIS)理论，并指出其意义在于将移动计算与AR技术运用到传统的空间信息服务中，改变了传统的基于位置的服务机制，将人和真实世界与数字世界通过网络传输无缝地结合起来，实现超越时间和空间局限性的互动，从而改变数字世界和真实世界的交互模式。

　　地图论文范例：数字地面模型在地图制图中的应用

　　Waldman[3]首次定义了AR地图，即一种在真实环境中添加兴趣点(pointofinte-rest，POI)数据的地图应用。近年来，国内的地学科学家也在研究AR技术在多媒体空间数据可视化、城市规划等领域的应用，比如将AR技术应用于文物古迹的数字重建、户外移动GIS系统的设计等。

　　1AR地图关键技术

　　AR地图是以视频空间化为基础，通过计算机视觉技术，融合虚拟和现实进行实时地理信息可视化和智能地理分析的地图。AR地图具有以下特点：①视频空间化，视频场景任意像素与真实地理位置之间可以相互转换;②多维信息实时融合，除了实时视频信息以外，还可叠加二三维空间要素以及传感器和多媒体信息等;③真实场景虚拟交互[4]，通过手势、语音与真实场景中叠加的虚拟目标进行实时交互;④智能地理分析，地图与人工智能(artificialintelligence，AI)技术的融合，帮助用户智能识别文字、车辆、行人等多种目标，辅助用户进行路径导航、危险避让、目标理解等行为决策。

　　AR技术广泛运用了多种技术手段，其中同步定位与地图绘制(simultaneouslocalizationandmapping，SLAM)和惯性测量单元(inertialmea-surementunit，IMU)是AR技术的核心基础。当前主流的AR开发平台有华为的AREngine、谷歌的ARCore、苹果的ARkit以及香港科技大学的VINS(visual-inertialsystem)。AR地图技术是在AR技术的基础上，融合AI技术和三维GIS技术，对传统测绘数据、多媒体数据以及传感信息数据进行新型地图空间可视化表达、空间定位、地图测量与空间分析的技术。为了能够更好地进行智能地理分析，AR地图技术还需要计算机视觉和机器学习等技术的支撑。

　　1.1AR地图可视化

　　AR地图的一个重要特点是以视频为底图，经过坐标的精确匹配后，将视频图像和二三维地理空间信息进行实时融合显示，达到增强现实的效果。因此，视频空间坐标系、地理空间要素可视化、多媒体要素投放与交互、视频特效与视频增强是AR地图可视化的关键技术。

　　1)视频空间坐标系

　　AR地图支持多样的视频来源，比如固定摄像头、移动设备、车载、无人机等。为了使视频数据具有空间地理信息，需要将像素坐标转换为空间坐标，标定视频的地理范围。其中，O点为摄像头点位，AB为拍摄到的地面范围，A′B′为对应的相片，C为相片中点。已知摄像机的地理坐标(x，y，h)、方位角、俯仰角、垂直视场角α、水平视场角β，可以根据三角函数关系求得相片中点C的地理坐标及A′B′的实际距离。获取到相片的像素大小后，可以根据像素大小与实际距离的对应关系求得每个像素对应的实际距离，进而求得相片上任一点P′的地理坐标[5]。动态视频坐标系主要根据立体视觉技术和多视图几何原理进行计算。手机、无人机等移动摄像头通过两个以上位置的摄像就可以动态计算视频空间坐标[6]。另外，由于光学镜头在空气中有折射，还需考虑相机畸变纠正等，本文不作详细阐述。

　　2)地理空间要素可视化基于视频空间坐标系，二三维地图上的空间要素都可以在AR地图里进行叠加显示，比如点、线、面、注记、影像、POI等二维地理要素，以及地形、精模、白模、管线、纹理、骨骼动画、三维粒子、倾斜摄影模型、点云、建筑信息模型(buildinginformationmodeling，BIM)数据等三维空间地理要素。AR地图除了可以按照相应比例叠加空间要素外，还能以AR电子沙盘的方式展示地理空间数据，比如，AR景区沙盘把景区的全貌投射到桌子上进行直观展示，还有地形沙盘、应急沙盘、人防沙盘等。

　　3)多媒体要素投放与交互AR地图可以把多媒体信息叠加在现实空间中，包括声音、图片、视频、网页、统计图表等。比如，用户可以在道路、建筑、商业、餐饮等真实设施的实时视频上，将网页作为一个空间对象，通过修改三维空间位置、透明度和可见距离等参数进行多媒体信息投放。投放的网页具有浏览、搜索等交互操作功能。除多媒体信息外，还可以将传感器信息叠加到真实世界中，如温度、湿度、剩余电量及声音分贝等。

　　4)视频特效与视频增强随着混合现实(mixedreality，MR)技术的发展，对视频本身的增强也成为AR地图可视化的一个研究方向，比如可以在视频中增加落花、落叶、云、闪电、雨雪等天气特效。AR视频特效可以应用于天气预报、火灾模拟、应急演练等多种场景，还可以用于模糊车牌和人脸、建筑老化过程推演、土地用途变更模拟、规划方案对比等多个方面。

　　1.2AR空间定位技术

　　本文主要介绍基于AR技术的惯导定位和视觉定位技术。

　　1)AR惯导定位。AR惯导定位是基于IMU和SLAM融合的视觉惯性系统的定位方法，定位精度在10～30cm之间，不需要部署端，没有外接设备，但要手动确定起点且不能中断。SLAM是计算机视觉室内定位的基础，其目标是在没有任何先验知识的情况下，根据传感器数据实时构建周围环境地图，同时根据这个地图进行自身定位。IMU是测量物体三轴姿态角以及加速度的装置，在导航中有重要应用价值。AR惯导定位采用的是相对坐标，通常以(0，0)为起点，要进行导航应用就需要跟地图的坐标进行匹配，得到绝对坐标。为了解决AR惯导定位起点的绝对坐标定位问题，可以采用图片定位进行辅助。先将精确的地图坐标生成二维码图片，然后将图片贴在地面上，通过扫描二维码确定坐标和方向。惯导定位还有误差累计的问题，每隔50m贴一个二维码图片进行坐标校正，就可以解决这个问题。

　　2)AR视觉定位。AR视觉定位是基于计算机视觉识别特征点实时匹配的一种智能定位方法。优点是定位精度高，通常为2～5cm，无需外接设备，可实时定位;缺点是需要预先采集全局特征三维点云，同时会受移动目标干扰，存在一定的不确定性，不适合人流较多的区域。

　　1.3AR地图测绘

　　传统地图测绘通过经纬仪、水准仪、全站仪、室内测图背包等设备进行测角、测距、测高，再经过手工展点、清绘等来完成地图绘制。这些设备通常比较笨重，操作较为复杂，且测量周期长。AR地图测绘融合了AR空间定位技术，仅需一部具备AR功能的手机就可以完成地图数据采集和地图制图。

　　1.4AR地图分析

　　AR地图分析结合了视频目标识别、遥感影像分类与检测以及矢量数据空间分析的特点，应用广泛。

　　1)AR目标感知。AR目标感知包括AR目标识别、AR目标分类和AR目标采集。AR目标识别：AI深度学习方法的出现，使计算机通过样本训练快速拥有目标识别的能力(如行人、自行车、机动车的识别)，识别目标后用AR可视化的方式可以直观展现目标的特性。AR目标分类：目标分类是AI目标识别的另一种应用场景，如城管执法分类不仅需要准确识别出目标，还要对照系统的分类标准对目标进行归类。AR目标采集：智慧城市治理离不开城市部件(如井盖、下水篦子、交通标志等)的管理。一个城市的部件多达上亿，网格员每天上报城市部件时，需要先拍照再手动填写部件位置、类型等信息，工作繁琐。AR目标采集自动填写目标信息，可以大幅提高工作效率。

　　2)AR立体分析。单目相机通过视频多帧影像建立立体相对，就可以快速重建3D系统。手机双目、多目摄像头的出现让AR立体分析变得更加简单，激光摄像头的出现则让立体识别更加精准。深度探测与遮挡：深度图是AR立体分析的基础，可通过图像深度估计的方法生成。根据现实图像中物体深度的分析结果可对虚拟的模型与现实世界进行遮挡处理，使AR可视化效果更加逼真。AR立体识别：基于图片的AI识别已经不能完全满足需求，如人脸识别时可通过照片而非真实人脸进行识别欺骗，完成手机解锁。AR立体识别能更加准确地识别物体的空间信息。AR视觉重建：AR视觉重建是通过手机摄像头实时生成三维模型的方法。无人机倾斜摄影建模只适用于室外环境，基于手机+激光摄像头的视觉重建方案可以较好地应用于室内场景。

　　2AR地图的应用

　　随着智慧城市建设目标的进一步细化，AR地图技术的应用越来越广泛，比如各类AR智慧园区、AR室内场馆、AR管线巡检、AR智能执法、AR城市治理等。

　　1)AR智慧园区。AR智慧园区是指通过物联网、人工智能、增强现实等技术对园区构建统一的平台进行智能化管理，包括智能化应用、绿色节能管理、政务办公服务等。AR地图与信息系统的挂接可以实现园区的智慧化管理。AR智慧园区包括AR楼宇管理、AR人员管理、AR车辆管理、AR路灯管理、AR消防管理、AR 绿化管理等智能化应用，能很好地提升园区物业管理工作效率。

　　2)AR室内场馆。AR室内场馆是AR地图的典型应用，包括图书馆、博物馆、展览馆、科技馆、购物中心、大型展厅等场景。通过AR地图可以对场馆进行直观的AR展示和虚拟交互。AR室内场馆包括AR地图制作、AR场馆沙盘、AR物品展示、AR虚拟导游、AR实景导航等多个应用，极大地提高了参观效率和趣味性。

　　3结束语

　　本文研究的AR地图关键技术已经在Super-MapGIS10i(2020)软件中实现，并应用到了多个领域。目前AR地图的研究与应用还在起步阶段，随着AR眼镜、全息投影设备、智能汽车的逐渐普及和5G、物联网等技术的发展，AR地图技术也将进一步完善，应用也会越来越深入，越来越有价值。

　　参考文献

　　[1]GhadirianP，BishopID.IntegrationofAugmentedRealityandGIS：ANewApproachtoRealisticLand-scapeVisualisation[J].LandscapeandUrbanPlan-ning，2008，86(3)：226-232

　　[2]杜清运，刘涛.户外增强现实地理信息系统原型设计与实现[J].武汉大学学报·信息科学版，2007，32(11)：1046-1049

　　[3]WaldmanJ.AugmentedRealityMaps：12/705558[P].2011-08-18

　　[4]康雨豪，王玥瑶，高梦泽，等.基于虚拟现实技术的电子地图系统设计[J].测绘地理信息，2018，43(6)：16-18

　　作者：庞静1，2陈国雄1，2宋关福1，2，3张欣1

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