太原市全景地图数据采集与发布

张春梅，杨志敏，张义明，李海亭，谭仁春

(武汉市测绘研究院，湖北武汉 430022)

太原市全景地图数据采集与发布

张春梅∗，杨志敏，张义明，李海亭，谭仁春

(武汉市测绘研究院，湖北武汉 430022)

结合武汉市测绘研究院承担的全景工程项目《太原市全景地图数据采集与发布》的数据生产与发布，详细介绍了全景地图的外业数据采集、内业数据处理与建库等全景数据制作过程以及成品全景地图数据的发布流程。

全景地图；数据采集；数据处理；图像拼接；地图发布

1 引 言

全景地图是数字城市的重要组成部分，它是利用最新的图像三维技术——三维全景(panorama)与二维电子地图结合而创建的地图。高清全景地图采用拼接而成的全景图像帮助人们实现对身临其境的虚拟漫游及交互的渴望，把电子地图所拥有的优越位置查询能力和全景所提供的虚拟现实技术结合起来，给人们平常的生活、出行等提供极大的便利，已成为最具实用价值和效益的地理信息产品之一。

2 全景数据生产

太原市全景地图数据采集与发布项目主要是采集太原市主要道路的全景数据，并根据全景地图的制作要求，制作并发布太原市全景地图。

2.1 准备工作

项目正式生产前有必要对程序开发人员、外业全景地图数据采集人员、内业全景数据处理人员、成品全景地图数据发布人员进行专业的培训。

2.2 生产流程

太原市全景地图数据采集与发布项目的作业流程为:首先对全景照片进行同步采集，然后对拍摄的原始照片进行数据处理(数据处理包括全景照片处理和GPS数据处理两个部分)，再对全景照片预处理后进行拼接，将拼接生成的立方体全景建立时空数据库，并在时空数据模型基础上进行发布。太原市全景地图数据外业采集、内业处理与数据发布流程的图如图1所示。

2.3 外业采集

太原市全景地图数据的采集分为两个部分:全景图像数据采集和全景坐标数据采集。全景地图的数据采集不同于常规的测量数据采集，它需要在采集全景图像的同时采集拍摄点的空间坐标和时间信息，因此全景数据不但具有空间维的属性，同时还具有时间维的属性。数据采集包括全景图像数据的自动化采集、基于GPRS的CORS网络差分实施坐标采集和基于SNTP协议的高精度局域网时间校时三个方面内容。

太原市全景地图数据采集采用维思全景数据采集软件，该软件具有高度集成、操作简易、采集图像清晰等特点，为用户提供图形化界面，一体化数据采集。其界面如图2所示:

GPS接收机通过GPRS接受CORS数据中心的差分信号，将处理后的GPS的GPGGA(Global Positioning System Fix Data，GPS固定数据输出语句)和GPZDA (Date＆Time，UTC时间和日期)数据通过串口发送到时间服务器。时间服务器将GPGGA所包含的坐标信息予以记录的同时将高精度的GPZDA时间信息予以更新时间服务器的本机时间。

连接全景采集器的终端使用SNTP协议不断查询时间服务器的本机时间，将获取的最新时间更新终端本机时间，完成终端、时间服务器、GPS接收机三者的时间统一。SNTP协议包含一个64 bit的协调世界时(UTC)时间戳，时间分辨率时200 ps，并可以提供1 ms～50 ms的时间精度(依赖网络负载)。在局域网的环境下，时间精度可以稳定在3 ms以内。

终端根据设置好的相机拍照参数，按照指定开始拍照时间和拍照时间间隔进行循环拍照。外业采集的全景数据包括图像数据(.jpg)和与之对应的GPS数据(.txt)两种数据。

图1 太原市全景地图数据生产流程图

图2 太原全景数据采集系统软件

2.4 内业处理

全景地图的内业数据处理包括全景图像数据的自动化拼接、全景图像数据和与之相对应的GPS空间位置数据的一体化处理两大部分。全景图像的自动化拼接是全景数据处理的核心组成部分。全景图的自动生成过程主要包括图像序列获取、选取投影模型、图像配准、图像融合四个部分。本项目在图片的自动拼接这一过程中，采用了全景自动化拼接软件——维思全景软件V1.0。此软件采用了特征信息的图像拼接和多分辨率样条融合算法，具有自动化程度高，可靠度高的特点，能高效完成太原市全景地图数据自动拼接任务。

全景地图数据主要包括全景图像数据和与之匹配的GPS空间点位置数据两种。实现这两种数据的自动化和一体化处理过程是建设基于时空数据模型的全景地图数据库的基础，是全景数据处理的重要组成部分。全景数据一体化处理主要有文件名处理、文件剔除、GPS数据预处理、GPS数据与照片匹配、GPS数据抽稀与再匹配、视角计算、道路交叉口处理、镜像变换等8个步骤。

拼接好的全景图如图3所示。

图3 拼接后的立方体全景图像

2.5 数据建库

太原市全景地图数据库设计中应用了基于对象的时空数据模型。全景数据的采集多数沿道路进行，因此道路的时空变化是全景数据模型设计的重要影响因素。道路的时空变化非常复杂，包括新增、消失、合并、分离等多种情况。例如，道路合并情况如图4所示。

图4 道路合并变更

采用基于段对象的道路全景时空数据模型，其基本思想是将城市道路根据交叉口切分成最小的“段”单元，然后对“段”对象进行时空数据结构设计，该方法能较合理地实现全景数据的组织与管理。每一个“段”对象都具有自己独立的时间戳和全景照片数据，这样，在道路发生变更过程中，数据冗余更少。

太原市全景GPS库和图片库数据表结构如表1、表2所示。

太原市GPS数据库表结构 表1

太原市全景图片数据库表结构 表2

2.6 数据发布

太原市全景地图的发布是采用基于Web 2.0的富客户端技术，以满足用户的交互需求和提升全景浏览的效率。在高清全景地图制作过程中，首先将拼合并经过镜像变换的全景图像纹理映射到立方体，将视点置于立方体中心位置，然后通过不间断的变换视点实现场景的平滑漫游效果。当视点发生位置变换的同时，将地理位置数据同步与电子地图进行通讯，实现全景浏览器与电子地图的位置匹配。同样，当用户在电子地图上平移视点时，位置信息同步传输至全景浏览器。

太原市全景地图数据的发布将按设计的发布流程，分批次将内业处理完的成果数据库进行发布。全景地图系统的发布效果图如图4所示。

图4 全景地图系统的发布效果图

3 数据质量控制

在太原市全景数据的采集与建库生产过程中，数据质量控制主要从外业数据采集控制和内业数据处理质量控制两个方面进行。

3.1 外业采集的质量控制

在项目实施过程中有时候会出现全景数据位置坐标缺失情况。发生这种缺失现象的根本原因是GPS接收机只接收到不足4颗GPS卫星的信号，以致无法解算出当前坐标位置。在生产过程中，用以下几种方法来避免出现这种现象:

(1)尽量保持数据采集车在道路的中心线处平稳匀速行驶，避免道路两侧的高层建筑对GPS信号的遮挡；

(2)选择光线均匀，日照充分的时间段进行数据采集，同时注意避开中午GPS信号不稳定的时段；

(3)对于全景数据位置坐标缺失比较严重的部分道路，选择不同时段进行重新采集；

(4)GPS接收机可采用抗多路径效应的零相位中心外接天线；

(5)增加一台IMU(Inertialmeasurement unit，惯性导航单元)和全景采集器中的GPS接收机协同工作，在GPS接收机无法解算坐标的情况下，IMU能够单独进行导航，待GPS接收机重新解算出坐标后，再与IMU进行组合导航。

3.2 内业处理的质量控制

在全景数据处理的过程中，会出现全景图片拼接错位的情况。这种情况产生的主要原因是由于道路复杂的采集环境，造成同一拼接组的采集相片的成像参数有差异，使拼接图片的过程中，维思全景软件无法有效获取影像控制点，或者控制点获取错误，最终造成图片拼接错位。可以用如下方法来避免出现这种现象:

(1)在全景数据的处理过程中，根据天气，日照情况，批量调节原始采集照片数据的成像参数，使同组拼接照片的参数保持一个相对一致的水平，以保证数据拼接质量；

(2)在全景数据的处理过程中，进行人工干预，人工匹配控制点，采用坐标补齐和抽稀的方式对其进行处理，以保证拼接图片的质量。

3.3 数据质量检查

质量检查采取软件自动检查、人机交互检查等多种方法。除了常规数据检查内容以外，还需检查:

(1)数据库结构是否正确；

(2)属性信息是否完整正确；(3)图层结构是否完整正确；(4)软件计算阀值与原始数据差值是否在允许范围内。

4 结 论

全景地图是近年来地理信息系统发展的一个热点方向，它实现了基于图像的虚拟现实技术，给人以身临其境的感受。同时，全景地图也是数字城市建设的重要组成部分，它不仅对政府监管部门在道路养护、城市管理以及安保任务执行等方面具有辅助作用，同时还能为社会公众的出行提供便利。建立基于时空数据模型的城市实景数据库，可以对不同时代的城市面貌起到较好地记录作用，对分析城市变化，研究城市发展进程具有重要意义。

[1] 李海亭，彭清山，王闪等.数字城市中的全景地图系统建设方法研究[J].城市勘测，2011，3 39～43.

[2] 李艳丽.全景图生成技术研究[D].2007，11～30.

[3] 李怡静，张剑清.多视点全景图与平滑漫游的研究与实现[J].计算机工程，2009，35(12):187～191.

[4] 安维华，付永刚.采用分段插值的球状全景图自动拼接方法[J].计算机工程与应用，2009，45(13):34～37.

[5] 雷震，李东，吴玲达.基于粒子群优化和互信息量的全景图拼接算法[J].计算机仿真，2009，26(4):256～258.

Taiyuan City Panoram ic M ap Data Acquisition and Release

Zhang Chunmei，Yang Zhimin，Zhang Yiming，Li Haiting，Tan Renchun (Wuhan Geomatic Institute，Wuhan 430022，China)

Combining panoramicmap data production ofmarket project“Taiyuan City Panoramic Map Data Acquisition and Release”，the whole processing of panoramic map production，include data acquisition，data processing，database building，panoramic map release etc，are introduced in detail.

panoramic map；data acquisition；data processing；image stitching；map publishing

1672-8262(2013)04-29-04

P208.1，P283.49

A

2013—01—23

张春梅(1973—)，女，工程师，主要从事电子地图数据处理、建库与发布。

精密工程与工业测量国家测绘地理信息局重点实验室开放基金项目(PF2011-26)