基于PGIS平台的定点全景地图建库技术研究

向煜 ，唐德彬，易佳，张建，白宝玉

(1.重庆数字城市科技有限公司，重庆 400020;2.重庆市公安局科技信息化处，重庆 401147)

1 引言

“警用地理信息基础平台”(Police Geographic Information System，简称PGIS平台)是公安信息化的重要基础设施，它以公安信息网络为基础，以警用电子地图为核心，以地理信息技术为支撑，以信息共享和综合利用为目标，实现了公安基础信息基于空间电子地图的可视化管理［1］。警用电子地图主要以传统的4D形式，即数字高程模型(DEM)、数字正射影像(DOM)、数字线划地图(DLG)和数字栅格地图(DRG)来表现，这些数据在信息表现形式上比较传统，多以点、线、面等方式来描述物体的信息和环境概貌，很难表现人文、环境、资源等信息，对使用者来讲也缺乏临场感，无法完全满足公安应急处理、设施管理等业务应用。因此，警用电子地图需要更丰富的可视化的地理信息作为数据基础，才能发挥警用地理信息的核心决策支持能力。

全景地图是一种以地面近景影像直接反映空间地物的地图，它融合了全景技术和地理信息技术，以一种完全真实的方式来展现空间信息［2］。在全景影像表达的世界里，包含大量地理的、环境的、经济的、社会的、人文的信息以及可供挖掘的知识，有强烈的立体感和沉浸感，能给人以身临其境的感觉［3］。相比传统的平面二维地图，全景地图是关联公安业务专用地理信息的更好媒介，可搭建满足公安业务需要的全要素、全纹理、富信息、可视化的警用地理信息系统数据平台，使警用台账信息、地图与影像有机结合，更好支持公安五要素管理、突发事件决策指挥、交通设施管理等要求。全景地图主要包括定点全景地图和连续全景地图，定点全景地图是指利用全景技术模拟展示固定视点360°视角的全景影像的电子地图。本文基于PGIS平台，针对定点全景地图，提出了一种全景影像地图建库技术，该技术在PGIS原有空间数据库基础上进行改造，实现三维全景地图服务，为公安行业各业务警种提供了一种全新的应用模式。

2 PGIS平台数据库改造

PGIS平台原有警用地理信息数据库遵循公安部《警用地理信息基础平台与系统建设规范》，包括警用基础地理信息数据库、警用公共地理信息数据库、业务专用地理信息数据库。为实现全景地图与警用地理信息数据库的集成应用，需在PGIS平台警用地理信息数据库中增加全景地图数据库，全景地图数据库以数据集的方式存储在警用地理信息数据库中，主要包括全景定位点层、全景影像图片层、热点层等，组织结构如图1所示。

全景定位点层主要存储拍摄全景影像时具体的空间位置坐标、名称及拍摄时间等信息。全景影像存放在特定的文件夹下，文件夹以GUID编码命名，全景影像图片层主要记录存放全景影像图片的文件夹名称，并通过GUID编码与全景定位点层实现信息关联。热点层主要存储POI(兴趣点)在全景影像图片位置，并通过内部编码与各警用业务图层实现关联。

图1 数据组织结构图

3 建库流程

3.1 全景影像现场采集

外业采集设备主要包括单反数码相机、鱼眼镜头、全景云台、三脚架等。本次研究中，我们采用佳能550D和适马 8 mm镜头进行拍摄。拍摄时首先将相机安装在全景云台上，并将全景云台固定在三角支架上。在拍摄过程中，通过GPS设备获取该点的空间位置坐标，云台按顺时针旋转，每60°拍摄一张，然后正对天空拍摄一张照片，共拍摄7张图像。旋转时尽量避免镜头的偏斜和俯仰，所拍场景中周围的光照环境尽量保持一致，最好不含有运动元素，相邻两张图像要保证部分重叠区域。拍摄过程分为测光和正式拍摄两个过程。测光过程通过获得各个方向的快门值进而计算出平均快门值。拍摄过程使用平均快门值，从而保证各个方向照片明暗适中。拍摄时主要注意相机焦距的变化、光照的影响、场景中物体的变化等问题。拍摄的图像质量直接影响后面的拼接的图像质量。

图2 建库流程

3.2 影像预处理

由于全景图像在拍摄时各个方向的光线强度存在差异，因此，拍摄后的全景图像需经过预处理后才能进行影像拼接。全景图像预处理工作主要借助专业的图像处理工具完成，如Photoshop、Illustrator等。预处理工作主要包括平滑处理、锐化处理、对比度拉伸处理等［4］。

平滑处理的目的是为了减少噪声对后期图像拼接处理的影响。一个较好的去噪平滑处理方法应该既能消除图像噪声，又不使图像边缘轮廓和线条变模糊。处理方法视其噪声本身的特性而定，常见的处理方法有均值滤波、中值滤波、高斯滤波等方法。锐化处理的目的是补偿图像的轮廓，增强图像的边缘和灰度突变部分，使图像变得更加清晰。影像锐化处理通常使用梯度法、拉普拉斯算法、Robert算法等方法。对比度拉伸处理主要针对拍摄图像整体偏暗或偏亮的情况，它的主要思想是提高图像处理时灰度级的动态范围，通常采用直方图统计，灰度变换等方法。

3.3 影像拼接

影像拼接就是把现场拍摄的不同角度的鱼眼图像合成一张360°视角的全景图像。全景图像使用矩形球面全景投影，长宽分别为 5 600像素和 2 800像素。图像拼接过程大致分为以下4步:影像畸变校正、图像配准、图像融合、摄影盲区处理。

影像畸变校正处理的目的是纠正鱼眼镜头在拍摄时产生的严重变形。鱼眼镜头是一种短焦距、大视场的摄像镜头，其视角越大，所成图像的畸变越严重。影像畸变校正处理中，通过构建畸变校正模型，将径向失真、中心偏移和非正交失真进行校正，为后续图片拼接奠定基础。

图像配准通过建立匹配模型，自动识别出7张鱼眼图像中相邻两张之间重叠部分的匹配点，以此来确定7张照片的相对位置和角度关系。由于外界影响，获取的图像在做匹配时，图像间的匹配只能做到某种程度的相似，不可能满足完全匹配，因此需要人工设置部分匹配点。两幅图像或者多幅图像中图像配准质量的好坏，直接影响到拼接的成功率。

图像融合在图像配准后，针对图像重叠区域的强度和颜色不连续进行处理，使拼接后的影像最大限度地与原始图像接近，失真尽可能小，且没有明显的拼接线。

由于拍摄方法的限制，上述方法拼接出来的全景影像存在摄影盲区，即全景影像在旋转到地上时，会出现一个“黑洞”，需通过专用图像处理工具对其进行修补。实际工作时，我们事先做好一张通用的图片专门用于填补对地方向的“黑洞”。

3.4 全景影像空间化

将完成拼接的全景影像按其GPS坐标上图，地图坐标使用WGS－84。完善全景定位点层、全景影像图片层的相关信息，保证地图每一个点能通过ID值与定点全景影像图片文件进行关联。

3.5 热点关联

空间化后全景影像可以呈现真实的环境，但是无法与具体公安管理对象设施进行关联。通过热点关联对单张全景影像进行打点标注，将各业务警种关心的具体管理对象与全景影像中的物体进行关联。热点关联主要通过完善热点层信息来实现。

3.6 数据质检

数据的质检主要工作是检查实景影像拼接是否正确，图像质量是否清晰以及空间点位是否正确。检查合格标准为:①图像清晰;②实景影像拼接无错乱;③根据要求进行了补天或补地;④在拼接边界无明显图像接边线和变形;⑤每一张实景影像都有对应的空间坐标点对应;⑥热点关联正确。

数据质检借助图像处理工具，如Photoshop，进行检查，检查不合格的影像需重新拼接或修改，如果无法修改，则需要重新采集数据。

3.7 影像发布

经过质检的全景影像通过服务的方式发布，供PGIS平台的各业务应用调用。

4 关键技术探讨

通过上述建库流程可以看出影像畸变校正、影像拼接、热点关联是定点全景建库过程中的关键技术，以下对这三种技术进行深入探讨。

4.1 影像畸变校正技术

本次研究中，我们的定点全景影像是通过鱼眼镜头拍摄的。鱼眼镜头是一种短焦距、大视场的摄像镜头，由光学成像原理可知，焦距越短，视角越大，所成图像产生的畸交也就越大，鱼眼图像畸变严重。影像畸变校正技术首先解决图像的轮廓提取，图像的轮廓的提取在校正中至关重要，直接影响校正结果。本次研究中，我们针对鱼眼图像轮廓提取的采用了一种改进的扫描线逼近算法，基于鱼眼图像有效区域中像素行(列)的极限亮度差远远大于有效区域之外像素行(列)的极限亮度差这一特性，通过控制阈值的选取对鱼眼圆形有效区域圆心和半径进行修正和优化，确定鱼眼图像有效区域的外切正方形，从而确定鱼眼图像的圆形轮廓。该技术的处理结果与鱼眼图像内部的黑色像素点无关，因而能有效克服传统统计算法的不足。完成图像的轮廓提取后，我们采用球面坐标定位校正对鱼眼图像扭曲变形进行校正。依据鱼眼镜头的成像原理，用球面的经纬线近似的表示鱼眼图像中景物的变形。在对图像准确定位的基础上，依据扭曲变形校正的图像坐标映射关系，对图像颜色信息进行重投影［5］，从而实现了鱼眼图像的扭曲变形校正。

4.2 全景影像拼接技术

定点全景影像中，采集的原始影像每一帧由多幅图像构成，需要对这些图像进行自动拼接，形成单幅全景影像，支撑业务应用。具体实现时，先导入多幅图像，并将经过畸变校正的图像划分为多个图像匹配块，通过影像匹配算法和人工干预的方式识别出图像之间同名像点，由匹配的同名像点信息计算转换关系，从而确定整个全景图像序列。在每个图像块的自动拼接中，将图像映射到同一个球面上，通过迭代法求取图像欧拉角等参数，最后对球面映射后的平面展开图用多分辨率样条法进行图像融合，生成单幅全景图，拼接效果如图3所示。

图3 全景影像拼接效果图

4.3 热点关联技术

普通的全景影像可以呈现真实的环境，但是无法与具体公安管理对象设施进行关联。热点关联技术可以把实景图像与具体设施的数据库属性进行关联，不仅可以为各警种提供真实的图像信息，还可以从与图像关联的热点获得这些设施的属性信息，给人“所见即所得”的体验。其实现原理是通过建立以全景影像图西南角为原点的像平面坐标，记录热点在像平面坐标的位置，实现全景影像图片上物体与业务属性表记录的一一对应，同时通过像平面坐标与球面坐标的转换，实现热点的正确显示。在全景地图中，热点以小图标形式显示，点击时，动态显示热点的具体信息。

5 应用情况

本文提出的定点全景地图建库技术已成功应用于重庆市公安局PGIS平台升级改造中。集成了全景地图的PGIS平台为突发事件应急指挥、交巡警设施管理、消防设施管理等公安业务警种提供了一种全新的应用模式。以应急指挥事件为例:在制定抓捕行动中，专案组通过使用集成全景地图的PGIS平台，利用二维地图和卫星影像圈定嫌犯的大概藏匿区域，同时通过查看全景影像，可以快速掌握嫌疑人周围的建筑物、通道、路口信息，实现远程现场勘察和辅助决策预案，极大提高了应急处置效率。

6 结语

图4 应急指挥应用

定点全景地图是三维全景与二维地图结合而创建的地图，它能提供每个特定地理位置的360°真实场景，实现全景漫游、全景搜索和全景分享等功能。本文通过对PGIS平台数据库进行改造，实现了在PGIS平台中存储定点全景影像，并结合实际应用，详细介绍了定点全景地图的建库流程、关键技术和应用情况。基于全景地图的警用地理信息系统可实现地理信息数据的可视、可读、可写、可画、可量、可链接、可挖掘等一系列功能，在“人”、“地”、“物”、“事”和“组织”等公安五要素管理、突发事件决策指挥、交巡警设施管理、消防设施管理等各方面都有着二维地图不可比拟的优势，可以预测，未来全景技术和地理信息系统必将走向融合，并为警用地理信息系统建设发挥更大的作用。

［1］贺日兴，孙丕龙.PGIS在公安业务中的应用——警用地理信息平台及其建设部署模式［J］.警察技术，2011(3):3～7.

［2］李海亭，张淼，彭清山.城市地理信息系统中的全景地图技术研究［J］.城市勘测，2011(3):39～43.

［3］朱圣，罗再谦，龙川.数字全景地图技术及在规划管理中应用的研究［J］.城市勘测，2012(1):37～41.

［4］孙美莲.基于鱼眼镜头的全方位图像的校正和增强［D］.天津:天津理工大学，2012:13～26.

［5］李艳丽.全景图生成技术研究［D］.济南:山东大学，2007:11～30.