基于全景影像的二三维地图系统研究

张 岳

（浙江省第二测绘院，浙江杭州310012）

0 引言

随着时代的进步，人们对地理信息成果的要求已不再简单地停留在符号、文字和数字上，而是上升到了空间信息的高度。人们不仅希望可以准确无误地到达目的地，更希望看到实景画面，享受优良的用户体验。360°数字街景影像等新型地图使地图应用逐渐由宏观走向微观，由抽象概括走向形象具体，真正实现了“人视角”的地图浏览体验，为用户提供了更加真实准确、更富画面细节的地图服务。

360°数字街景影像以高清晰度的影像来直接反映空间物体以及自然环境的原貌，它既包含了传统目标地物信息，又包括了与之有着物理相关性的各种自然和社会信息。对于公众而言，影像是客观世界的最直观和最真实的写照，也是无需专业知识判读、最容易理解的“数字城市”，可直接回答公众对有关城市地理信息方面的问题。因此，数字街景影像是一种记录城市真实影像的、珍贵的基础资料。

1 全景地图介绍

1.1 全景的特点

全景是一种高性价比的虚拟现实解决方案。三维全景是用真实的照片来得到三维立体的效果，这是普通图片和三维建模无法做到的。360°全景影像和普通图片都可以起到展示和记录的作用，但是普通图片的视角范围有限，无立体感，而360°全景不但有360°的视角，更可以带来三维立体的感觉，让观察者能够沉浸其中。三维建模的立体感和沉浸感无疑比360°全景更强，但是三维建模的制作需要大量的人力物力，制作过程中对建筑物模型的采集会有取舍，360°全景的采集和制作相对三维建模来说非常简便，数据量小，系统要求低，适合在各种终端设备上观看。所以360°全景不但可以全方位地记录某时某地的现场情况，更可以将某个地方的实景用三维立体的方式表现出来，这样高性价比的展示方式和记录手段是普通图片和三维建模根本无法做到的。当需要真实、直观、全面地再现场景，用于记录或者展示时，全景影像无疑是最好的选择。

相对于真三维建模的数据，三维实景图像虚拟现实具有很多优势和特点，表1是实景三维系统与真三维模型虚拟现实的比较。

表1 实景三维系统与三维模型虚拟现实比较Table 1 Comparison of real 3D system and virtual reality by 3D model

1.2 全景与二三维地图的结合

全景影像数据采集的时间短，处理的速度较快，全景的浏览方式具有三维的视觉效果，并且有全方位的立体图片，具有完全的真实性，目前较多的应用是作为场景的展示，而缺少相关的分析应用等；二维地图具有规则化采集的信息，对信息有过滤，只采集必要的地理要素，便于分析和应用；三维具有可量测性，具有立体信息，可以任意变换视角。全景与二三维地图的结合可以集中三者的优点，全方位地展现现实的场景。

2 全景数据采集与处理

2.1 采集设备

全景数据采集系统采用最新全景视觉成像系统Ladybug 3相机，具有较高分辨率（500万像素）、实时（15 fps）全景视频获取特性，6个CCD来达到80%的全方位球面成像，能够在车辆行驶过程中快速采集道路两侧的高像素360°全景球面图像，生成全方位立体的实景可视化影像数据。

完整的采集设备由街景车、LADY BUG全景摄像机、天宝GPS等主要设备连接便携式笔记本沿街扫描采集。设备的后期处理时，对各个方向的影像进行拼接，同步匹配连接GPS采集的经纬度的点位信息，形成带位置信息的全景影像。

2.2 数据采集

全景视频流数据的采集要考虑多种条件，采集时间、天气、车辆状况等对视频影像数据质量有直接影响。全景数据采集条件与普通摄像机拍照有许多相同或相似之处，光线的明暗程度、拍摄时各类地物或人的遮挡会影响后期影像数据的应用范围。一般选择全景视频的采集时间为早上6-9点，这个时间段内街道上的行人车辆比较少，对拍摄的遮挡较少，光线不会太强烈，不会引起相机的过度曝光，照片的质量相对较好。一般选择在晴天或者多云的天气，能见度好，可以将沿街的地物较为清晰完整地拍摄下来。另外车辆的行驶速度应控制在30～40 km/h左右，确保拍摄影像的质量。同时，全景采集系统GPS设备应处于车外，避免由于GPS信号太弱而采集不到坐标点位数据。GPS是外接设备，最后采集的全景影像的坐标精度与GPS本身精度直接相关。

图1 全景图片效果图Fig.1 Panoramic view

2.3 全景数据处理

采集完的全景数据是视频流的形式，为了方便应用，需要对视频流形式的数据进行格式转换，提取对应的GPS点位的数据，去除敏感信息等。

（1）全景图像转换：将逐帧的视频数据转化为全景模式的通用的图片格式，并导出每帧对应的GPS点位数据。

（2）去除图像敏感信息：全景图像拍摄了所在位置能拍摄到的所有信息，可能包含个人隐私、涉及国家或政府安全的信息，需进行脱密处理。这一过程需要利用图像的模式识别等技术，对人脸、车牌等其他敏感信息进行去除或者模糊化处理。

（3）图像预处理：对全景图片调整其色彩平衡、亮度等，达到最好的视觉效果。

（4）转为为适合网络发布的格式：转化为通用的FLASH格式，适合网络发布。

3 地图数据发布

基于全景数据采集系统的特点和优势，浙江省第二测绘院在杭州市采集了部分数据，在新昌数字城市中应用该采集系统进行数据的采集，并将采集的数据结合三维平台进行发布和应用。

（1）已采集杭州部分道路街景数据（德胜高架至机场高速公路），实现了以视频流结合二维地图的方式进行展示。

（2）在新昌数字城市项目中，建设街景系统，实现新昌县开发区7 km2范围内街景影像与二、三维地图的联动，更好地展现了真实环境（见图2）。

图2 新昌三维街景影像浏览系统Fig.2 Browsing system of Xinchang three-dimensional scene image

新昌三维街景影像浏览系统包括二维地图、三维地图和全景地图三个部分。二维地图一般以地图服务的形式来进行发布，真三维的场景则需要高效的三维引擎，将DEM与DOM生成的大场景与真三维建筑、绿化、小品、道路等模型数据在三维引擎当中快速地展现，三维引擎一般也能支持调用标准的二维电子地图的服务，全景最为普遍的展示方式即为FLASH播放器的全景浏览方式。利用三维引擎的二次开发，以插件的形式将二三维地图在浏览器上进行展示，同时在当中加入全景点的数据展示，即构成了二三维全景地图系统。

4 结论与展望

三维引擎中引入了全景数据，不仅可以更加真实地进行场景的展示，同时系统还具有一些基本空间分析功能，兼具有二维地图的快速浏览、POI查询功能等。同时全景数据可以作为城市的历史影像库，对以后城市的发展变化更具有参考性。

地图影像除了基本的基于点对点的内嵌于二三维地图的方式外，还可以有更多表现方式，如增加交互的按钮等，直接以视频流的方式进行网络方式的浏览。实现二三维地图的联动，与更多的GIS系统相结合，互相补充。

全景数据的应用方向将会越来越广，拓展应用方向主要有下列几个方面：

（1）与智能安防管理系统相结合的拓展应用：通过与实时视频摄像头数据的结合，基于地理位置信息能够观察到摄像头实地的“三维球面全景”影像，并通过标注、链接功能，根据实地位置，直接对全景摄像头数据进行调研，让监控管理更加便捷、直接、有效。

（2）与数字城市管理系统相结合的拓展应用：全景影像与传统二维电子地图的结合很好地弥补了其他信息有限的不足，只需要通过简单的基于API接口的开发就可以实现从二维信息管理到三维信息管理的跨越，为城市管理提供重要的数据支撑。

（3）与智能手机结合的街道实景查看拓展应用：安卓（Android）手机系统目前已成为智能手机的主流操作系统，其强大的软件应用功能已得到市场的检验和认可。随着3G网络的普及和移动互联网时代的来临，用户可以随时随地通过手机查看和浏览城市陌生地点街道实景，十分方便。

（4）为城管、公安、交通、应急、招商引资、旅游服务等提供所需要的实景化的业务专题数据，并可进行标注、查询和统计分析，更好地满足行业管理与决策上的高层次应用。

（5）实景化信息共享平台根据客观实际环境，可以统一建设，多行业应用共享，以及统一进行维护与更新。

（6）真实地记录城市的发展变迁，打造城市影像博物馆，为城市的管理和规划发展提供参考和历史依据。

通过全景影像数据的一次生产，能够无限次挖掘应用，潜力十分巨大，可以为城市安防、城管、交通、应急、个人位置服务等领域提供二维地图所不能比拟的信息容量，服务于人们的工作和生活。

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