基于激光全景的增强位置服务

来源:《测绘通报》 作者:余建伟,杨晶,龚书林 2016-06-30
分享至:

 

1. 中山大学地理科学与规划学院,广东广州 511400;2. 广州中海达卫星导航技术股份有限公司,广东广州511400;3.武汉海达数云技术有限公司,湖北武汉 430023


一、引言

目前基于位置的地理信息服务载体大多数依赖于二维、三维地图或是借助手机摄像头提供的现实场景,其中,二维地图的形式通常是将现实的世界缩略到纸质或电子屏幕上,这种表达方式一般定位精度低、抽象、不直观,特别是具备三维的空间信息难于在其上面进行定位和标注,所能承载的属性信息有限;基于三维模型的表达方式,虽然比二维地图更直观,也相对真实,但是对于大范围三维场景的渲染与交互对设备和带宽要求很高,另一方面,三维模型数据的采集、构建所需要花费的成本也较高,依据目前的技术手段和人工成本导致三维模型为载体的形式难于大规模推广;另外,以手机的位置触发虽然借助摄像头提供增强现实的场景,在实景上提供信息服务能够在一定程度上改善表现的效果,但需要用户所处的实际位置,不利于O2O(线上线下)、规划性活动(同时异地)类别的服务开展,导致与周围场景互动性差等限制。由此可见,目前基于二维、三维地图和手机摄像头的位置服务都有一定的局限性,所以急需一种新的信息载体作为媒介来表现多维的信息。

随着传感设备、定位手段和定位精度的发展,促使移动测量技术已成为当今测绘界最为前沿的技术之一,它是一种集三维激光扫描设备(LS)、卫星定位模块(GNSS)、惯性导航装置(IMU)、里程计、360o全景相机等多种传感器同步集成于一体的系统,集成了全球卫星定位、惯性导航、图像处理、摄影测量、地理信息及集成控制等技术,通过采集空间信息和实景影像,由卫星及惯性定位装置确定实景影像的位置姿态等测量参数,能在高速行驶或航行状态下快速获取地物的表面高清影像和高密度三维激光点云。同时,凭借高清晰影像和影像匹配后的高密度三维激光点云作为支撑,能够建立道路沿线地物的3D模型,利用抽象的激光面片来识别全景中建筑物的墙面、路面、广告牌等信息,并对用户的操作做出实时反馈,如定位、跳转、量测等,可见,激光全景已成为一种新的空间信息媒介。激光全景可以作为增强现实(Augmented Reality,AR)一种有效的补充,能够通过PC或移动终端借助Web为用户提供不限时、不限地的全息的位置信息服务。


二、增强位置服务方案

激光全景以一种全新的信息载体和表现形式,丰富了地理信息的承载与展现的途径,结合写实的影像,三维定位的优势,使得空间信息更可触、可感。激光点云与全景影像能够有效融合的基础是实现激光点云与全景影像的高精度匹配,配准后的激光全景能够以影像为主体,激光点云作为支撑,借助点云融合后的影像可以实现精确的定位,使二维的影像具备了三维空间层次,以此来开展位置服务应用将更可靠、更精细。

另一方面,基于位置的地理信息服务主要根据用户当前的位置提供合适的服务,强调用户位置与信息间的联系,同时,确保选取的信息也能够满足用户的需求。如何从海量、复杂、冗余的信息资源中过滤无用信息,选取用户关注的信息,甚至考虑用户的个性化特征,为用户推荐个性化的信息是未来智能位置服务的趋势。同时,选取后的信息如何通过更有效的增强表达方式,依托激光全景这种新的媒介,帮助用户能够借助线上平台更高效、更便捷、更显著的获取关注信息是基于激光全景的地理信息增强要解决的问题。

目前,中海达主要从事地面三维激光扫描仪和移动三维测量系统的生产、研发,同时,围绕三维激光产品和三维实景开展一系列的行业应用,主要包括智能交通、数字城管、数字园林、智慧城市,室内导航等领域,其中激光全景一方面能够作为应用中的成果数据,另一方面也可以作为上述地理信息服务中的信息载体,借助视觉增强的可视化方案,能够提高上述应用服务的质量和效率。下文将阐述下基于激光全景的增强位置服务的技术流程和关键技术。

2.1技术流程

本文阐述的增强位置信息服务主要是借助移动三维测量系统获取的点云和全景数据为基础,利用全景影像与激光点云通过高精度匹配算法生成的激光全景作为位置应用服务中信息的载体,依托具体的位置服务信息,在激光全景中叠加或设置需要显示的图层,也可以通过信息过滤、信息检索或信息推荐算法对信息内容进行选取,删除冗余信息,保留用户关注的信息,然后利用不同的可视化增强策略,对叠加或者选取的信息进行优化处理,为不同的位置服务应用提供视觉增强后的信息和服务。

其总体技术流程如下图所示:


图1 基于激光全景的增强位置服务技术流程

2.2关键技术

(1)球面全景影像与三维激光点云配准

车载移动三维激光系统中激光扫描仪、全景相机在运动中的位置关系不恒定、采集时间不能精确同步导致了不能直接匹配,同时,激光点云和光学全景影像在数据表现形式和属性上均有很大差异,因此传统的遥感影像配准方法不能完全适用于这两类数据的配准。本文利用POS与激光扫描仪的标定获取高精度点云信息,借助GPS/IMU和相机间的姿态关系获取全景影像中心姿态参数,通过车载POS获取全景影像投影中心的位置值,采用共线条件方程描述全景投影中心、全景影像的像点和同名激光点,利用方程解算拟合来两者的匹配参数。

全景影像与三维激光扫描点云的配准,包括以下步骤:

1)通过激光扫描仪和POS系统间的标定获取两者间的姿态参数关系,从而可以获得行驶过程中,激光点云的精确初值。

2)用单位球体的三维结构模拟球面全景影像,将球面全景影像的像素坐标(u,v)首先转换为球面极坐标(qj),然后将球面全景影像的球面极坐标转换为三维直角坐标(x,y,z);

3)在球面全景影像中选取三个以上的分别位于不同平面上的点作为控制点,同时与之对应的在点云中选取上述控制点,根据控制点在球面全景影像中的坐标以及在点云中的坐标,即可计算得出球面全景影像在点云中的姿态参数(φ,ω,κ),以及球面全景影像的光心在点云中的位置坐标(Xc,Yc,Zc),从而将球面全景影像在点云中进行配准;

4)以球面全景影像的光心位置坐标(Xc,Yc,Zc)为原点,搜索空间范围内的点云,将搜索到的每一个点至光心的距离值d均转化为RGB值,将转化后的RGB值以图片格式存储,得到球面全景影像的深度图;

5)当需要在球面全景影像上测量时,将鼠标移动到需要测量的目标点位置,此时读取目标点的像素坐标(u,v)以及球面极坐标(qj),根据姿态参数(φ,ω,κ)以及像素坐标(u,v)计算目标点在球面全景影像的深度图中的像素坐标(u′,v′),读取此像素中的RGB值,并将其转化为距离值d,最后根据距离值d和角度坐标(qj),即可计算得出目标点的三维坐标(x,,y,z)。

(2)位置服务中信息的可视增强

基于位置的服务中,系统能够提供用户感兴趣的地理信息,并能够以准确地、高效的方式表现出来,便于用户感知是一个复杂的过程。因此,我们需要了解哪些信息与移动用户相关联,以及关联程度,同时,以合理、突出的表现形式来区分不关注的信息,引起用户的视线。基于位置的服务中,主要包含两种方式,一种是借助手机、平板等移动终端提供实时的服务,另一种形式是,通过线上查询,线下实施的模式,即O2O的服务。前一种方式,用户通常处于运动状态,用户的注意会分散在不同的活动过程中,不可能长时间的集中于设备的图形上,因此,考虑移动中用户注意力的特点,合理的设计注意力策略,在用户注意力集中时突出重要信息。后一种方式,为了保证能有效的帮助用户获取关注度高的信息,同样要采用视觉增强的效果。

提高用户的注意集中程度,如可以提高界面设计上的字体对比、颜色对比等,将用户注意力吸引到界面中的关键部分,否则就会导致用户注意力不集中,无法快速搜索和加工认知对象。可视化增强中通常利用视觉变量来吸引用户的注意力,例如符号的大小、色彩的对比、亮度的改变等,同时,动态的视觉变量,如闪烁、几何变换、多媒体展现形式等也能吸引用户的关注。认知增强方面,通过抽象化的二维图形结合激光全景,或典型地物来提高用户的注意力。


三、示范应用

3.1数字城管

传统的数字城管主要借助点、线、面的二维部件信息进行管理,通过空间位置的关联,将上述城市部件信息与激光全景相结合,让用户更加直观的了解城管部件、门前三包、广告牌等要素信息,同时,借助激光全景API可以与现有的城管业务平台进行有效对接,实现无缝集成,借助激光全景可定位、可量测的特点,利用二维部件与激光全景叠加,采用二维或三维符号化的可视增强手段对城管部件进行展示,在激光全景上能够进行距离和面积量测,从而更好地满足城市管理与决策需求。



3.2地下综合管廊

地下综合管廊建设与管理不仅有利于解决城市交通拥堵问题,还极大方便了电力、通讯、燃气、供热、供排水等市政设施的维护和检修,能够有效的对它们实施统一规划、设计、建设和管理,是保障城市运行的重要基础设施和“生命线”。借助城市激光全景数据和城市地下管廊平台的无缝集成,在实景平台上对地下管廊进行增强现实显示和交互,使平常不可见的信息在激光全景上可见,将极大程度改善显示效果,提高综合管理效率。



3.3高精度导航

传统的车载导航都是借助二维地图,只在重要路口处提供图片或动画信息,很难做到对车辆进行车道级别的引导。移动测量系统,特别是搭载了高密度激光器和高精度惯导的车载设备,能够获取高质量的激光点云和高清晰影像,借助本文提到的点云与影像的高精度匹配算法,得到行驶道路匹配后的激光全景,在此基础上,结合车辆高精度的定位设备,能够为车辆提供车道级的高精度导航服务,提高导航质量和用户体验。



3.4智慧景区

借助地面扫描仪或者移动测量系统,能够对旅游景区进行扫描,获取景区的点云及影像数据,通过实景生产工具完成三维实景建模,利用中海达自主研发的三维展示平台进行发布展示,在激光全景上能够对景区场景进行浏览、跳转,在重要的场景或文物(例如:杜甫雕像)可加载说明文字、音频、视频等信息,提供交互式的信息增强服务,用户借助手机或者网站能够浏览景区的实景信息,并提供一定的可视化交互,实现在线旅游的目的。



四、结束语

随着全景相机、地面三维激光扫描仪、移动三维测量系统等新型测绘装备的发展,加强了获取高精度数据的能力,丰富了数据成果形式,同时,加上定位精度的提高,促使基于位置的地理信息服务的向多元化方向发展,与城管、交通、出行服务等领域的结合也更紧密。借助激光全景这种新的信息载体,突破传统基于位置的地理信息服务中固有的二维或三维电子地图显示,以高精度的点云与高清影像作支撑,增加可定位、可量测的属性,同时,利用信息检索与推荐规则,结合视觉增强手段为用户提供更人性化的信息内容和可视化效果,从效率、效用和用户满意度方面增强位置服务的可用性,将有利于智能位置服务的开展。