增强现实电子地图的设计与实现研究

孙海永

摘   要：AR与电子地图的结合是拓展电子地图表达方式的一种全新探索，两者结合将会对电子地图表达和用户的认知产生重大影响。本文探讨了增强现实电子地图总体架构设计思路，提出了增强现实电子地图应用模式设计和数据模型设计，并开发实现了原型系统，给出了导航的用户界面示意，相信对从事相关研究的同行能有所裨益。

关键词：增强现实  电子地图  导航  数据模型

中图分类号：P283.7                                 文献标识码：A                       文章编号：1674-098X（2020）04（c）-0133-03

近年来，随着地图学理论和科学技术的快速发展，电子地图与虚拟现实、全景图技术、增强现实等新技术的结合研究越来越受到学者的关注。一方面是用户对电子地图的需求不断增多，在地图表现形式上，用户不再满足传统电子地图的表现形式，而是更加追求地图表达的个性化;在地图功能上，用户对地图的需求不再局限于单一的查询与浏览，而是注重定位、路线规划、导航和周边环境搜索等位置服务;从人机交互角度，用户不满足于人与地图的单向交互，而更加关注人、地图、环境三者的交互。另一方面，虚拟现实、全景图技术、增强现实等技术的发展，为地图表现形式多样化、功能丰富化、交互人性化提供了技术支撑。增强现实（Augmented Reality，AR）作為一种致力于将虚拟世界与现实世界融合的新技术，其在地图表达和人、地图、环境融合的方面有无可比拟的优势，因此，越来越多地图学者投入到电子地图与增强现实结合的研究中。

AR 致力于真实环境信息和虚拟世界信息的“无缝”集成，能随着用户位置和视线方向的变化，变换相应的场景信息，实现虚拟信息与真实环境的融合，带给用户超越现实的感官体验。目前AR 的研究范围主要侧重于技术本身，例如视觉增强技术、听觉增强技术等，而从用户认知角度的AR 研究相对较少。

AR与电子地图的结合是拓展电子地图表达方式的一种全新探索，两者结合将会对电子地图表达和用户的认知产生重大影响。而电子地图的位置服务在增强现实环境下也将会给用户带来全新的体验，用户与环境间交互将更频繁，利于增强空间感知和人机交互的能动性。

1  增强现实电子地图数据构成

不同于传统的电子地图，增强现实电子地图一般不是成品地图，而是一种直接反映客观世界的可视化窗口。地图数据是地图内容的数据支撑。从地图数据来源角度分析，增强现实电子地图数据主要包括地图底图数据、真实环境数据和模型数据，如图1所示。

1.1 地图底图数据

地图底图数据是指最基本的地物外形数据和部分相关附加信息（例如道路名称，河流名称等），包含几何数据和属性数据。其中，几何数据主要用于描述地理实体的空间分布，即定位特征;属性数据用于描述地理实体或现象的种类、质量和数量等特点，即定性特征。

1.2 真实环境数据

真实环境数据主要包括应用场景的实时位姿数据、真实图像数据、POI 数据和场景数据。

（1）实时位姿数据：由 GPS 和方向传感器等设备获取的位姿数据，其中位置数据可用于确定用户的实时位置，并配合地图底图要素确定用户位置与整体的空间位置关系，姿态数据是利用传感器记录用户的视角变化数据，用于确定用户的视角范围，并为视角信息呈现提供数据基础。

（2）真实图像数据：利用摄像头获取的真实环境数据，主要用于与地理数据的融合。

（3）POI 数据：POI 来源于地理信息系统里的专业术语，主要是指具有空间位置和属性且与人们日常生活密切相关的地理实体数据。POI 数据是增强现实电子地图重要的增强信息之一，POI 将现实世界中的地理实体以及空间位置以特殊的方式在地图上进行呈现，是地图数据中紧贴用户需求的数据，例如医疗单位、教育机构、餐饮、娱乐、金融、购物等。

在增强现实电子地图中，POI 数据主要分为基础POI和增值POI。其中，基础POI是指较长时间段内位置和属性信息相对固定的POI 数据，例如机场、车站、名胜古迹等。增值POI是指变化相对频繁的POI数据，其变化主要包括位置信息、属性信息，例如小餐馆、商场内的商铺等，增值POI 需要地图数据更新的支持，其对用户有重要的实用价值。

（4）场景数据：场景数据是指在具体应用环境下，需要特殊提示的信息，例如在旅游景点范围内，可以加入景点的简介信息或者景点多媒体资料，例如视频、音频等，这样既丰富了地图内容，使地图更具个性化，又体现了景点的详细信息，满足用户游览的需求。在增强现实电子地图中，场景数据主要有道路、景点和商场等信息。

1.3 模型数据

模型数据是指构成地图符号的数据，包括图形图像数据、文本数据、3D 模型数据和多媒体数据等，相当于一个符号数据库，是增强要素符号显示的数据基础。

2  增强现实电子地图总体架构设计

增强现实地图平台主要包括用户层，服务层和数据层。其中，用户层主要是客户端设备，其主要用于增强现实电子地图平台的展示;服务层主要包括地图服务调度引擎、虚实融合注册中心和传统web服务器，GIS调度引擎用于地图数据的渲染和地图处理，虚实融合注册中心用于进行坐标虚实融合的匹配计算，web 服务器用于地图符号的处理与数据运算;数据层主要用于提供地图数据以及地图界面符号及标注数据。平台设计总体架构如图2所示。

2.1 Client客户端

Client客户端主要包括两部分内容：一是位置信息和真实环境信息的获取;二是将服务器返回的信息进行地图功能展示。此次系统选用Android平台作为客户端。

2.2 地图服务调度引擎

Map Server是一种基于胖服务器端/瘦客户端模式的实时地图发布系统，通过客户端发送数据请求，服务器端实时的处理空间数据，并将生成的数据返回至客户端。增强现实地图平台采用Open Layer和百度API 来实现地图服务引擎，地图服务引擎主要负责地图查询、地图分析等功能。

2.3 虚实融合注冊中心

虚实融合注册中心是为了计算实景坐标和视景坐标之间的对应关系，为实现 AR 效果提供数学基础，建立虚拟空间和现实空间之间的联系。虚实坐标融合的准确性取决于地理目标模型的特征点和属性信息投影到真实场景图像上的准确性。虚实融合注册中心采用Wikitude SDK 来解决虚实坐标的转换与融合问题。

3  增强现实电子地图应用模式设计

根据其应用场景的不同，平台按从宏观到微观的应用场景将其分为四种应用模式：全局模式，导航模式，临近模式和室内模式。

全局模式主要从整体的角度出发，多以电子地图的方式进行显示，主要描述了用户位置与全局的位置关系。其主要功能包括在电子地图中的用户定位，位置查询，路线规划等。

可以从整体了解用户自身的位置，所处环境，整体路线，主要是为了方便用户进行选择，提高查询效率;导航模式是增强现实电子地图平台的核心模块之一，其主要功能包括增强现实界层叠加，路线导航，实时定位，信息提示等;临近探索模式主要描述自身位置或者目的地附近一定范围的地理环境，具有较弱的目的性。一般认为，临近探索模式适用于复杂城市环境下用户对周围环境的探索行为。室内模式主要适用于室内情况，其主要功能包括基于标识的室内定位和室内图像的识别等。

4  数据模型设计

与传统地图不同，增强现实电子地图平台设计的数据构成复杂，属性多样，对数据模型设计的适用性、易操作性要求较高。从模块上划分，主要分为三类数据，即基础地图数据、增强现实符号和模型数据、其他关系数据。其中基础地图数据主要用于地图的显示和查询，可直接使用Mapserver 的 GIS 引擎进行数据访问;增强现实符号和模型数据涉及多模式下增强信息的显示;关系数据主要是指结构化的数据，其中包括提示信息和其他辅助信息等。

该平台对应的数据模型中，依据其主要的应用模式，定义了如下主要数据模型：

（1）POI 数据。主要是用于临近模式增强信息的显示，包括 POI位置数据和属性数据。

（2）导航数据。主要是当用户进行导航时，所需要的路线信息和路线的增强数据，例如，路程、时间、路况等数据。

（3）增强符号。主要是指用于增强显示的符号数据，包括POI符号数据、路线符号、3D模型数据以及多媒体数据等。

（4）用户数据。主要是指用户位置以及周围环境的实时数据，包括真实环境数据和实时位姿数据。

核心数据模型间相互关系可用图3所示关联结构描述。

5  用户界面设计

用户界面主要用于呈现增强现实电子地图的效果及功能，其主要界面元素包括实景界面、电子地图界面、方位视角、定位缩略图以及增强元素和增强符号。其中，实景界面主要是指利用手机摄像头获取的真实视角环境;电子地图界面用于路线的规划和整体环境的认知;方位视角描述了用户当前的朝向以及视角范围，并且可以记录一定范围内，该朝向上的地图数据;定位缩略图主要是指用户在地图中的位置;增强元素和增强符号主要由计算机生成的辅助信息，用于和真实环境的融合，以达到增强认知的目的。

导航模式显示界面主要是在实景中叠加与导航相关的信息，以及相关的路线提示，其界面效果如图4。

6  结语

随着增强现实技术的成熟和可穿戴设备的广泛应用，增强现实电子地图的各类应用剧增，这不仅拓展了传统的地图信息传输方式，还丰富了电子地图的表达内容，增强现实电子地图已经成为电子地图一个重要的研究方向。本文设计了增强现实电子地图原型系统，详细阐述了系统的框架设计、数据模型设计、应用模式设计等内容，最后进行了系统效果的验证。

参考文献

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