融入AR地图技术的桌面GIS及其应用

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增强现实(Agmented Reality,简称AR)技术,是利用虚拟世界来加强现实,增强人们对现实世界的感知能力与交互能力。视频是感知环境动态变化的重要信息承载体之一。视频作为一种普适化的公众媒体资源,已经不仅仅是一种视觉产品,视频所具有的空间、时间、信息丰富、内容多样、表达内容真实等特性,让其成为了一类天然的地理空间信息数据。


超图桌面GIS产品SuperMap iDesktopX 10i(以下简称“iDesktopX”),结合AR、AI、视频等技术,提供视频接入、视频地图(又称AR地图)、视频目标识别等功能,并得到了一些应用实践。本文将阐述iDesktopX中融入的AR地图技术,并将以案例的方式体现AR地图技术在应用上的实现。


AR地图主要技术


在GIS领域,一般侧重静态场景的表达,较少关注动态目标与场景。视频,则侧重图像空间,较少关注地理空间。将视频与GIS结合起来,可同时表达地理空间和实时动态场景,在统一的地理参考下,可对视频和地图数据进行管理与分析。


在同时表达地理空间和实时动态场景的目标下,iDesktopX主要实现了视频接入、视频定位、AR地图、视频量算、视频AI目标识别五个技术点。


  • 视频接入


道路摄像头监控视频是交通信息最重要的来源,然而视频的格式、获取方式非常多样化。如何高效地管理视频,更好地让其服务于智能交通监控,成为现阶段亟需解决的问题。


iDesktopX支持接入道路摄像头、无人机、摄影机、手机等设备拍摄的实时视频流数据,以及使用SuperMap iMobile App拍摄带有AI检测结果的视频,视频自带目标物的类型和数量等信息,可以在桌面实时查看视频监控内容,便于了解路段的车流量、行车次序、违章等情况。


▲图1 接入SuperMap iMobile拍摄的AI视频流


  • 视频定位


视频及摄像头都具有空间地理信息,视频结合GIS数据进行制图、分析前,需将其坐标信息转换为实际地理空间的坐标系,标定视频范围。iDesktopX提供了视频坐标与地图坐标实时转换的能力,当监控球机拍摄角度转动、焦距倍数变化时,可根据摄像头方位角、俯仰角、视场角等参数,实时对视频、地理围栏数据进行坐标转换,避免费时、费力的手动调整与换算。


视频定位的实现技术如下图2所示:O点为摄像头点位,AB为拍摄到的地面范围,A'B'为对应的相片,C为相片中点。已知摄像机的地理坐标(x,y,h)、方位角、俯仰角γ、垂直视场角α、水平视场角β,可以根据三角函数关系求得相片中点C的地理坐标及A'B'的实际距离。在获取到相片的像素大小后,可以根据像素大小与实际距离的对应关系求得每个像素对应的实际距离,进而求得相片上任一点P'的地理坐标。


▲图2 基于三角函数的视频定位原理


  • AR地图


AR地图是一种新型地图表达形式,以实时视频流数据为基础,按照一定的数学法则,通过视频定位技术统一视频和地图坐标系之后,可叠加点、线、面、三维模型、管线、地形、影像、空中路标等GIS矢量和栅格数据,进行增强显示,丰富地图信息。


同时,iDesktopX支持在视频中绘制点、线、面、文本矢量对象,便于在进行地理围栏分析时,绘制围栏区域;还支持修改对象风格,有助于区别、突出对象类型。


  • 视频量算


基于视频定位与投放技术,提供小于1%误差精度的视频距离、面积量算功能,可以准确地量算视频中的距离,例如:交通堵塞时,可准确量算堵车距离;在重要高速路口收费站处,可量算每个收费窗口的排队车辆长度,智能地给后续车辆推荐排队窗口。


  • 视频AI目标识别


视频与AI目标识别技术结合,采用TensorFlow框架,对视频中的目标进行深度学习、模型训练,在视频播放的同时,可从视频中自动识别目标的类型,获取目标物的数量、位置、车牌号等信息。


iDesktopX提供80种目标物类型,例如汽车、公交车、火车、红绿灯、行人、水杯、笔记本等交通以及生活用品目标,同时,支持设置不同目标物标识框的风格,便于区分目标类型。视频目标识别可应用于实时监控道路交通的拥挤度,例如机动车流量、非机动车流量、人流量的拥挤度,下图为视频汽车、公交车、非机动车的识别结果。


▲图3 智能识别道路摄像头中的交通目标


基于AR地图的地理围栏实时告警系统


城市公交专用车道是专门为公交车设置的独立路权车道,是保障城市内部道路通畅、缓解高峰时段出行压力的底线措施。地理围栏是基于移动位置服务的一项技术,它是在实体道路中圈出一个虚拟的地理区域,当目标进入或离开这片区域时,系统可以自动通知和告警。通过iDesktopX,搭建基于AR地图和AI的地理围栏实时告警系统。本系统具有全局监控、地理围栏分析、AI目标识别统计、摄像头实时调整四个特点。


  • 全局监控


系统可接入全区域的道路监控摄像头视频,任意切换重点关注道路的实时视频,查看道路的车流量、行车秩序等信息,同时可接入无人机、手机等联网设备的视频画面,实现高低立体监控效果。据此可对重点区域进行全局监测,在监测画面上鸟瞰整个监测区域的道路、建筑物、标志物等,若发现突发事件,还可立即切换至突发事件最近摄像头视频,进行快速调看,实现了交通数据多元化的监测。


  • 地理围栏分析


系统接入的道路监控视频流数据,可与已有的地理围栏数据进行叠加显示,也可在视频中直接绘制地理围栏数据,并基于地理围栏数据对视频流数据进行分析。系统在获取车辆的实际位置后,与公交专用车道围栏进行地理查询,实时检测非法驶入公交车道的车辆、非机动车的详细信息,统计违规车辆的类型及数量,记录相关违规信息并给出告警。


▲图4 地理围栏实时告警系统


  • AI目标识别统计


系统可自动检测视频中的目标物类型,并实时统计其数量,便于了解道路机动车与非机动车的车流量,以及交通拥堵情况,对于车流量较大、交通拥堵的路段,可调配交警进行交通疏导。同时,系统还可以对不同时段非法在公交车道内行驶的车辆进行统计分析,方便道路管理者了解非法行驶车辆的分布规律,更好的进行道路交通管理。


  • 摄像头实时调整


当某监控摄像头的拍摄角度和区域发生改变时,可调整视频方位角、俯仰角等参数,实时调整视频拍摄的实际范围,智能地转换地理围栏数据坐标,避免出现视频与地理围栏数据坐标不匹配,需手动转换会重新绘制地理围栏的情况。


总结


随着城市化进程的加快,未来城市中的人和车会越来越多,但是治理交通拥堵不能仅仅依靠增加或拓宽道路来改善,还需要借助科技手段。


iDesktopX将GIS与AI技术结合,多维度、动静结合地对车流、人流分布情况进行把控,可及时监测道路上的突发状况并作出相应的应对措施,减少突发事件的损失,同时,还可在一定程度上预测未来交通态势,辅助交通问题的快速解决和交通部署的优化,构建更加智能、高效、有序的城市交通监管系统。


由于视频本身的特点以及它在许多领域中具有的广阔应用前景和发展潜力,视频与GIS系统的集成应用已成为当前国际上一个研究热点和新兴产业生长点。同时,也需要解决视频与地理空间统一表达、流数据组织与管理、视频地理分析、视频虚实融合可视化等一些技术难题。SuperMap iDesktopX 10i中,主要实现了AR地图技术与桌面GIS的融合,在后续的版本中,将会做更深层次的技术探索。


撰文 | 端产品研发中心 秦丽娟


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