增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)電子地圖的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)研究

孫海永

摘 ? 要：AR與電子地圖的結(jié)合是拓展電子地圖表達(dá)方式的一種全新探索，兩者結(jié)合將會對電子地圖表達(dá)和用戶的認(rèn)知產(chǎn)生重大影響。本文探討了增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)電子地圖總體架構(gòu)設(shè)計(jì)思路，提出了增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)電子地圖應(yīng)用模式設(shè)計(jì)和數(shù)據(jù)模型設(shè)計(jì)，并開發(fā)實(shí)現(xiàn)了原型系統(tǒng)，給出了導(dǎo)航的用戶界面示意，相信對從事相關(guān)研究的同行能有所裨益。

關(guān)鍵詞：增強(qiáng)現(xiàn)實(shí) ?電子地圖 ?導(dǎo)航 ?數(shù)據(jù)模型

中圖分類號：P283.7 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-098X（2020）04（c）-0133-03

近年來，隨著地圖學(xué)理論和科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，電子地圖與虛擬現(xiàn)實(shí)、全景圖技術(shù)、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)等新技術(shù)的結(jié)合研究越來越受到學(xué)者的關(guān)注。一方面是用戶對電子地圖的需求不斷增多，在地圖表現(xiàn)形式上，用戶不再滿足傳統(tǒng)電子地圖的表現(xiàn)形式，而是更加追求地圖表達(dá)的個性化;在地圖功能上，用戶對地圖的需求不再局限于單一的查詢與瀏覽，而是注重定位、路線規(guī)劃、導(dǎo)航和周邊環(huán)境搜索等位置服務(wù);從人機(jī)交互角度，用戶不滿足于人與地圖的單向交互，而更加關(guān)注人、地圖、環(huán)境三者的交互。另一方面，虛擬現(xiàn)實(shí)、全景圖技術(shù)、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)等技術(shù)的發(fā)展，為地圖表現(xiàn)形式多樣化、功能豐富化、交互人性化提供了技術(shù)支撐。增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（Augmented Reality，AR）作為一種致力于將虛擬世界與現(xiàn)實(shí)世界融合的新技術(shù)，其在地圖表達(dá)和人、地圖、環(huán)境融合的方面有無可比擬的優(yōu)勢，因此，越來越多地圖學(xué)者投入到電子地圖與增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)結(jié)合的研究中。

AR 致力于真實(shí)環(huán)境信息和虛擬世界信息的“無縫”集成，能隨著用戶位置和視線方向的變化，變換相應(yīng)的場景信息，實(shí)現(xiàn)虛擬信息與真實(shí)環(huán)境的融合，帶給用戶超越現(xiàn)實(shí)的感官體驗(yàn)。目前AR 的研究范圍主要側(cè)重于技術(shù)本身，例如視覺增強(qiáng)技術(shù)、聽覺增強(qiáng)技術(shù)等，而從用戶認(rèn)知角度的AR 研究相對較少。

AR與電子地圖的結(jié)合是拓展電子地圖表達(dá)方式的一種全新探索，兩者結(jié)合將會對電子地圖表達(dá)和用戶的認(rèn)知產(chǎn)生重大影響。而電子地圖的位置服務(wù)在增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)環(huán)境下也將會給用戶帶來全新的體驗(yàn)，用戶與環(huán)境間交互將更頻繁，利于增強(qiáng)空間感知和人機(jī)交互的能動性。

1 ?增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)電子地圖數(shù)據(jù)構(gòu)成

不同于傳統(tǒng)的電子地圖，增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)電子地圖一般不是成品地圖，而是一種直接反映客觀世界的可視化窗口。地圖數(shù)據(jù)是地圖內(nèi)容的數(shù)據(jù)支撐。從地圖數(shù)據(jù)來源角度分析，增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)電子地圖數(shù)據(jù)主要包括地圖底圖數(shù)據(jù)、真實(shí)環(huán)境數(shù)據(jù)和模型數(shù)據(jù)，如圖1所示。

1.1 地圖底圖數(shù)據(jù)

地圖底圖數(shù)據(jù)是指最基本的地物外形數(shù)據(jù)和部分相關(guān)附加信息（例如道路名稱，河流名稱等），包含幾何數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)。其中，幾何數(shù)據(jù)主要用于描述地理實(shí)體的空間分布，即定位特征;屬性數(shù)據(jù)用于描述地理實(shí)體或現(xiàn)象的種類、質(zhì)量和數(shù)量等特點(diǎn)，即定性特征。

1.2 真實(shí)環(huán)境數(shù)據(jù)

真實(shí)環(huán)境數(shù)據(jù)主要包括應(yīng)用場景的實(shí)時位姿數(shù)據(jù)、真實(shí)圖像數(shù)據(jù)、POI 數(shù)據(jù)和場景數(shù)據(jù)。

（1）實(shí)時位姿數(shù)據(jù)：由 GPS 和方向傳感器等設(shè)備獲取的位姿數(shù)據(jù)，其中位置數(shù)據(jù)可用于確定用戶的實(shí)時位置，并配合地圖底圖要素確定用戶位置與整體的空間位置關(guān)系，姿態(tài)數(shù)據(jù)是利用傳感器記錄用戶的視角變化數(shù)據(jù)，用于確定用戶的視角范圍，并為視角信息呈現(xiàn)提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

（2）真實(shí)圖像數(shù)據(jù)：利用攝像頭獲取的真實(shí)環(huán)境數(shù)據(jù)，主要用于與地理數(shù)據(jù)的融合。

（3）POI 數(shù)據(jù)：POI 來源于地理信息系統(tǒng)里的專業(yè)術(shù)語，主要是指具有空間位置和屬性且與人們?nèi)粘Ｉ蠲芮邢嚓P(guān)的地理實(shí)體數(shù)據(jù)。POI 數(shù)據(jù)是增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)電子地圖重要的增強(qiáng)信息之一，POI 將現(xiàn)實(shí)世界中的地理實(shí)體以及空間位置以特殊的方式在地圖上進(jìn)行呈現(xiàn)，是地圖數(shù)據(jù)中緊貼用戶需求的數(shù)據(jù)，例如醫(yī)療單位、教育機(jī)構(gòu)、餐飲、娛樂、金融、購物等。

在增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)電子地圖中，POI 數(shù)據(jù)主要分為基礎(chǔ)POI和增值POI。其中，基礎(chǔ)POI是指較長時間段內(nèi)位置和屬性信息相對固定的POI 數(shù)據(jù)，例如機(jī)場、車站、名勝古跡等。增值POI是指變化相對頻繁的POI數(shù)據(jù)，其變化主要包括位置信息、屬性信息，例如小餐館、商場內(nèi)的商鋪等，增值POI 需要地圖數(shù)據(jù)更新的支持，其對用戶有重要的實(shí)用價值。

（4）場景數(shù)據(jù)：場景數(shù)據(jù)是指在具體應(yīng)用環(huán)境下，需要特殊提示的信息，例如在旅游景點(diǎn)范圍內(nèi)，可以加入景點(diǎn)的簡介信息或者景點(diǎn)多媒體資料，例如視頻、音頻等，這樣既豐富了地圖內(nèi)容，使地圖更具個性化，又體現(xiàn)了景點(diǎn)的詳細(xì)信息，滿足用戶游覽的需求。在增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)電子地圖中，場景數(shù)據(jù)主要有道路、景點(diǎn)和商場等信息。

1.3 模型數(shù)據(jù)

模型數(shù)據(jù)是指構(gòu)成地圖符號的數(shù)據(jù)，包括圖形圖像數(shù)據(jù)、文本數(shù)據(jù)、3D 模型數(shù)據(jù)和多媒體數(shù)據(jù)等，相當(dāng)于一個符號數(shù)據(jù)庫，是增強(qiáng)要素符號顯示的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

2 ?增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)電子地圖總體架構(gòu)設(shè)計(jì)

增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)地圖平臺主要包括用戶層，服務(wù)層和數(shù)據(jù)層。其中，用戶層主要是客戶端設(shè)備，其主要用于增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)電子地圖平臺的展示;服務(wù)層主要包括地圖服務(wù)調(diào)度引擎、虛實(shí)融合注冊中心和傳統(tǒng)web服務(wù)器，GIS調(diào)度引擎用于地圖數(shù)據(jù)的渲染和地圖處理，虛實(shí)融合注冊中心用于進(jìn)行坐標(biāo)虛實(shí)融合的匹配計(jì)算，web 服務(wù)器用于地圖符號的處理與數(shù)據(jù)運(yùn)算;數(shù)據(jù)層主要用于提供地圖數(shù)據(jù)以及地圖界面符號及標(biāo)注數(shù)據(jù)。平臺設(shè)計(jì)總體架構(gòu)如圖2所示。

2.1 Client客戶端

Client客戶端主要包括兩部分內(nèi)容：一是位置信息和真實(shí)環(huán)境信息的獲取;二是將服務(wù)器返回的信息進(jìn)行地圖功能展示。此次系統(tǒng)選用Android平臺作為客戶端。

2.2 地圖服務(wù)調(diào)度引擎

Map Server是一種基于胖服務(wù)器端/瘦客戶端模式的實(shí)時地圖發(fā)布系統(tǒng)，通過客戶端發(fā)送數(shù)據(jù)請求，服務(wù)器端實(shí)時的處理空間數(shù)據(jù)，并將生成的數(shù)據(jù)返回至客戶端。增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)地圖平臺采用Open Layer和百度API 來實(shí)現(xiàn)地圖服務(wù)引擎，地圖服務(wù)引擎主要負(fù)責(zé)地圖查詢、地圖分析等功能。

2.3 虛實(shí)融合注冊中心

虛實(shí)融合注冊中心是為了計(jì)算實(shí)景坐標(biāo)和視景坐標(biāo)之間的對應(yīng)關(guān)系，為實(shí)現(xiàn) AR 效果提供數(shù)學(xué)基礎(chǔ)，建立虛擬空間和現(xiàn)實(shí)空間之間的聯(lián)系。虛實(shí)坐標(biāo)融合的準(zhǔn)確性取決于地理目標(biāo)模型的特征點(diǎn)和屬性信息投影到真實(shí)場景圖像上的準(zhǔn)確性。虛實(shí)融合注冊中心采用Wikitude SDK 來解決虛實(shí)坐標(biāo)的轉(zhuǎn)換與融合問題。

3 ?增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)電子地圖應(yīng)用模式設(shè)計(jì)

根據(jù)其應(yīng)用場景的不同，平臺按從宏觀到微觀的應(yīng)用場景將其分為四種應(yīng)用模式：全局模式，導(dǎo)航模式，臨近模式和室內(nèi)模式。

全局模式主要從整體的角度出發(fā)，多以電子地圖的方式進(jìn)行顯示，主要描述了用戶位置與全局的位置關(guān)系。其主要功能包括在電子地圖中的用戶定位，位置查詢，路線規(guī)劃等。

可以從整體了解用戶自身的位置，所處環(huán)境，整體路線，主要是為了方便用戶進(jìn)行選擇，提高查詢效率;導(dǎo)航模式是增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)電子地圖平臺的核心模塊之一，其主要功能包括增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)界層疊加，路線導(dǎo)航，實(shí)時定位，信息提示等;臨近探索模式主要描述自身位置或者目的地附近一定范圍的地理環(huán)境，具有較弱的目的性。一般認(rèn)為，臨近探索模式適用于復(fù)雜城市環(huán)境下用戶對周圍環(huán)境的探索行為。室內(nèi)模式主要適用于室內(nèi)情況，其主要功能包括基于標(biāo)識的室內(nèi)定位和室內(nèi)圖像的識別等。

4 ?數(shù)據(jù)模型設(shè)計(jì)

與傳統(tǒng)地圖不同，增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)電子地圖平臺設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)構(gòu)成復(fù)雜，屬性多樣，對數(shù)據(jù)模型設(shè)計(jì)的適用性、易操作性要求較高。從模塊上劃分，主要分為三類數(shù)據(jù)，即基礎(chǔ)地圖數(shù)據(jù)、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)符號和模型數(shù)據(jù)、其他關(guān)系數(shù)據(jù)。其中基礎(chǔ)地圖數(shù)據(jù)主要用于地圖的顯示和查詢，可直接使用Mapserver 的 GIS 引擎進(jìn)行數(shù)據(jù)訪問;增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)符號和模型數(shù)據(jù)涉及多模式下增強(qiáng)信息的顯示;關(guān)系數(shù)據(jù)主要是指結(jié)構(gòu)化的數(shù)據(jù)，其中包括提示信息和其他輔助信息等。

該平臺對應(yīng)的數(shù)據(jù)模型中，依據(jù)其主要的應(yīng)用模式，定義了如下主要數(shù)據(jù)模型：

（1）POI 數(shù)據(jù)。主要是用于臨近模式增強(qiáng)信息的顯示，包括 POI位置數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)。

（2）導(dǎo)航數(shù)據(jù)。主要是當(dāng)用戶進(jìn)行導(dǎo)航時，所需要的路線信息和路線的增強(qiáng)數(shù)據(jù)，例如，路程、時間、路況等數(shù)據(jù)。

（3）增強(qiáng)符號。主要是指用于增強(qiáng)顯示的符號數(shù)據(jù)，包括POI符號數(shù)據(jù)、路線符號、3D模型數(shù)據(jù)以及多媒體數(shù)據(jù)等。

（4）用戶數(shù)據(jù)。主要是指用戶位置以及周圍環(huán)境的實(shí)時數(shù)據(jù)，包括真實(shí)環(huán)境數(shù)據(jù)和實(shí)時位姿數(shù)據(jù)。

核心數(shù)據(jù)模型間相互關(guān)系可用圖3所示關(guān)聯(lián)結(jié)構(gòu)描述。

5 ?用戶界面設(shè)計(jì)

用戶界面主要用于呈現(xiàn)增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)電子地圖的效果及功能，其主要界面元素包括實(shí)景界面、電子地圖界面、方位視角、定位縮略圖以及增強(qiáng)元素和增強(qiáng)符號。其中，實(shí)景界面主要是指利用手機(jī)攝像頭獲取的真實(shí)視角環(huán)境;電子地圖界面用于路線的規(guī)劃和整體環(huán)境的認(rèn)知;方位視角描述了用戶當(dāng)前的朝向以及視角范圍，并且可以記錄一定范圍內(nèi)，該朝向上的地圖數(shù)據(jù);定位縮略圖主要是指用戶在地圖中的位置;增強(qiáng)元素和增強(qiáng)符號主要由計(jì)算機(jī)生成的輔助信息，用于和真實(shí)環(huán)境的融合，以達(dá)到增強(qiáng)認(rèn)知的目的。

導(dǎo)航模式顯示界面主要是在實(shí)景中疊加與導(dǎo)航相關(guān)的信息，以及相關(guān)的路線提示，其界面效果如圖4。

6 ?結(jié)語

隨著增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)的成熟和可穿戴設(shè)備的廣泛應(yīng)用，增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)電子地圖的各類應(yīng)用劇增，這不僅拓展了傳統(tǒng)的地圖信息傳輸方式，還豐富了電子地圖的表達(dá)內(nèi)容，增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)電子地圖已經(jīng)成為電子地圖一個重要的研究方向。本文設(shè)計(jì)了增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)電子地圖原型系統(tǒng)，詳細(xì)闡述了系統(tǒng)的框架設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)模型設(shè)計(jì)、應(yīng)用模式設(shè)計(jì)等內(nèi)容，最后進(jìn)行了系統(tǒng)效果的驗(yàn)證。

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