户外增强现实GIS的应用研究
第一章绪论
1.1论文的研究背景及意义
目前，传统的GIS应用主要是基于二维地图，其查询分析结果主要以二维符号形式显示在地图上，需要人主动参与辨别标识物在真实世界中的位置。由于直观性不强，对于地理知识较弱的人们在判别上有一定的难度，甚至专业人员在复杂的环境下判别也会有一定的困难。近些年来，随着3DGIS、VRGIS的发展，通过建立真实环境的三维虚拟模型代替二维地图，在标识物辨别的直观性上取得了较大进步，极大促进了GIS的可视化发展。但是三维虚拟模型的创建在人力、物力上耗费巨大，同时对承载GIS应用的系统硬件要求也较高，以及同真实世界景象相比无论是在颜色、光泽还是材质等特性上都有一定的差异，无法逼真的还原真实世界。其实真实世界景象本身就是一个复杂极致的三维空间地图;，如果把真实世界景象作为GIS应用操作的地图;，查询分析出的结果以虚拟信息的方式显示在真实世界景象上，并以一定的交互方式通过虚拟空间地理信息与真实世界景象进行交互，将会极大提高GIS的应用体验。
这种假设随着增强现实技术的出现得以实现。增强现实技术是在虚拟现实技术，研究的基础上发展起来的一个新兴研究方向。它通过将计算机产生的图形或者、文字注释等虚拟信息有机地融合到使用者所看到的真实世界景象中，从而对人的视觉系统进行景象增强或扩张从用户的角度来说，当使用者打开增强现实应用后，就会看到摄像头所拍摄的真实世界视频流，同时在视频流里面我们还可以看见相关虚拟图形和文字注释信息叠加在真实物体上，无论使用者如何走动，虚拟信息都会通过相应的坐标变换以正确的叠加在真实物体上。
1.2国内外研究现状
国内外地理研究学者们从20世纪90年代开始，将增强现实技术与众不同的信息表述方式和真实感的表述效果引入地学研究，做出了大量的研究工作。
1.2.1国外研究现状
在国外方面，学者们在增强现实与GIS结合的应用研究上进行了较早的探索，Grnrae等人把空间超媒体与GIS以及GPS位置服务系统相结合，利用AR技术构建了一个3D空间超媒体原型系统，并认为AR是空间超媒体的必须媒介之一。HIT Lab的研究人员Hedley等人认为未来AR技术可以作为GIS的新界面。
国外学者对增强现实与GIS结合的应用研究，主要根据户内和户外两种结合方式集中在GIS空间信息的三维注册及可视化应用等方面。户内结合的研究应用主要集中在室内地图或者沙盘上的地理要素增强显示（如显示山川、河流、等高线等地理要素的增强现实显示）、室内规划以及动态蔓延模拟等方面。如美国加州大学戴维斯分校研究小组采用inect感应器和放映机，实现了一个使用现实增强技术的沙箱;。该沙箱;根据感应器所收集到的数据（使用者的动作、沙子的形态）将相应的地形、地貌以及水流画面叠加到沙箱上去，给人亦真亦幻的感觉。Ghadirian等人在户内通过建立GIS数据库与真实全景视频影像序列之间的联系，把虚拟变化模型叠加在视频影像之上，对澳大利亚维多利亚省卡集挂山谷植物生长动态蔓延的过程进行了模拟。
由于两者的户内结合釆用基于视觉跟踪的图像注册方式，该注册方式虽然注册精度高、注册稳定，但在户外应用受限，致使其应用范围并不广，学者们在这方面的研究也相对较少，主要采用基于传感器的图像注册方式集中在户外结合的研究上。
人类的活动离不开自然环境，处在一个陌生的环境中，经常会无法正确的辨认自己的方位，通过增强现实和GIS的结合，可以正确的将导航信息叠加在真实景象中，帮助我们快速的辨别方位以及找到目的地。
第二章基于传感器的摄像机位置和姿态跟踪
摄像机位置和姿态跟踪主要目的是进行图像注册，考虑到增强现实与地理信息系统的户外结合应用范围较广，而且不受地理环境的限制，将釆用传感器来获取摄像机的位置和姿态数据。目前以智能手机移动终端为例，基本上都内嵌有GPS、数字罗盘、加速度等传感器，利用这些传感器获取的数据经过计算可以准确的获取设备当前的位置和姿态。本章将主要介绍如何利用GPS、数字罗盘、加速度等传感器计算出摄像机的位置和姿态数据。
2.1摄像机位置数据计算
摄像机的位置信息包括经度、讳度和高程，这些数据可以通过GPS传感器获取。GPS起始于1958年美国军方的一个项目，1964年投入使用，20世纪70年代，美国陆海空三军联合研制了新一代卫星定位系统GPS。主要目的是为陆海空三大领提供实时、全天候和全球性的导航服务，并用于情报收集、核爆监测和应急通讯等一些军事目的，经过20余年的研究实验，1994年，全球覆盖率高达94%的24颗GPS卫星星座己布设完成。
随着GPS发展至今，GPS有军用GPS和民用GPS之分，一般智能终端内置的GPS传感器均为民用GPS，该GPS传感器只有接收功能，没有发射功能，其定位精度可达10米左右，可用于一般车船等的概略导航。移动终端GPS精度可以通过连续卫星导航服务提高，也可以通过网络运营商提供的辅助定位功能提高。GPS定位的基本原理是根据高速运动的卫星瞬间位置作为已知的起算数据，釆用空间距离后方交会的方法，确定待测点的位置。理想现实下3颗卫星就可以确定用户的位置信息，包括经讳度坐标和高程值，但是由于卫星钟和GPS接收机的时钟有一定的误差，所以需要引入第四颗卫星来降低误差。
如图2-1所示，假设t时刻在地面待测点上安置GPS接收机，可以测定GPS信号到达接收机的时间，再加上接收机所接收到的卫星星历等其它数据可以确定以下四个方程式
2.2摄像机姿态数据的计算
由于摄像机内嵌在智能手机内部，因此摄像机的姿态数据和智能手机姿态数据相同，该姿态数据包括摄像机的朝向、前后俯仰、左右倾斜，摄像机的朝向可以通过数字罗盘传感器计算获取，前后俯仰、左右倾斜可以通过加速度传感器计算获取。
根据上述三个传感器的读数计算出的数据坐标系统均由智能手机设备定义，该设备的坐标系统固定到设备，并随着设备的移动而移动。以windows phone智能手机为例，如图2-2所示，当手机竖直放立时，X轴表示水平方向，其中向右为X轴的正方向；Y轴表示竖直方向，其中从手机的底部到上部为Y轴的正方向；Z轴表示垂直手机屏幕的方，其中从前面到后面表示Z轴正方。
2.2.1摄像机朝向的计算
摄像机的朝向可以通过数字罗盘的读数计算，数字罗盘也叫做电子罗盘，是利用磁阻传感器获取与地球磁场的夹角来确定北极方向的一种电子仪器，在现代技术条件中作为导航仪器或姿态传感器已被广泛应用与传统指针式和平衡结构罗盘相比具有能耗低、体积小、重量轻、精度高、可微型化的优点，其输出信号通过处理可以实现数字显示，不仅可以用来指向，其数字信号可直接送到自动舵，进行船舶等的控制操纵。
第三章增强现实地理信息系统的图像注册方法..........15
3.1相关坐标系的定义........15
3.2图像注册方法........15
3.2.1虚拟物体坐标系到世界坐标系的转换..........16
第四章增强现实GIS的空间地理数据集成方法.........25
4.1空间地理数据的获取策略...........25
4.2面向服务的空间地理数据集成技术........27
第五章基于传感器的增强现实GIS原型系统的设计与实现.........37
5.1Windows Phone系统及开发简介........37
5.1.1Windows Phone系统简介.......37
第五章基于传感器的増强现实GIS原型系统的设计与实现
本章主要结合以上研究内容，在Windows Phone智能手机上设计并实现了一款基于传感器的增强现GIS原型系统。
5.1Windows Phone系统及开发简介
5.1.1Windows Phone系统简介
WP操作系统是基于微软嵌入式操作系统Windows CE6的一个派生系统。Windows CE提供了一个32位的内核，它是为嵌入式设备而设计的。它提供了一个系统服务的集合，包括内存管理、网络和连接管理、输入输出、以及图形化。另一方面，Windows Phone系列的操作系统是构建在CE内核之上的，并且又添加了许多特定的系统服务以及一个针对移动手机的应用程序框架。
WP应用程序框架中共包括层3（自下而上：硬件层、内核层和用户层。所有.NET框架下的应用程序在用户层中运行，而操作系统内核、驱动和系统服务均在内核层中执行。与Winddows Mobile6.5的系统架构相比较，在Winddows Mobile6.5上可以开发原生应用程序和托管应用程序在上只能够开发托管应用程序并且所有托管应用程序只能够使用Sliverlight、XNA和手机应用程序编程接口所提供的一些特性（如部分硬件的使用权限），除此之外，托管应用程序内部无法访问其他任何资源。
第六章总结与展望
增强现实技术作为一种信息可视化手段，弥补了传统GIS的空间地理数据显示的直观性不强、缺乏与真实世界的交互等缺点；而作为空间地理数据存储、管理、分析等专业化工具的GIS，为增强现实技术提供了丰富的数据显示内容。两者的结合提高了GIS的应用体验，也拓宽了增强现实技术的应用范围。本文主要对两者的户外结合进行了以下研究内容：
（1）外增强现实GIS的虚实融合实现方法。文中详细研究了如何根据GPS、数字罗盘、加速度等传感器获取设备的位置和姿态数据的原理和方法，并利用获取的位置和姿态数据实现了增强现实GIS的图像注册功能，在此期间提出了一种用于坐标到世界坐标系的转换方法。
（2）增强现实GIS的空间地理数据集成方法。针对GIS空间地理数据存在多源异构等特点，分析了多源异构的原因，结合增强现实GIS的特点，提出了三层架构模式的空间地理数据获取策略，并论述了一种增强现实GIS空间地理数据的集成方法面向服务的空间地理数据集成，同时给出了增强现实GIS的空间地理数据的集成框架。
（3）设计并实现了一个原型系统。结合以上研究方法与内容，在Windows Phone智能手机上设计并实现了一个增强现实GIS原型系统。详细给出了功能模块设计、系统工作流程、核心功能模块的编程实现等。
由于时间、资金以及研究水平有限等，本文研究在以下几个方面有待改进：
（1）本文在第三章中提出的GPS坐标到世界坐标中的转换方法计算得出的经纬度转换系数只适用于本地，因为不同地区的经纬度变化度其距离变化并不相同；同时由于GPS测量点数量较少，导致转换系数存在一定的误差。下一步应该研究一种通用的坐标转换方法并提高转换系数的准确率。
（2）在三维虚拟茶壶叠加实验过程中，为求方便，本文省去了从真实世界中实时获取坐标以及转化的过程，而是假设真实景象GPS坐标己经转换到了世界坐标系中，下一步应该通过GPS实时转换进行三维虚拟物体的叠加实验。
（3）系统设计方面只是设计并实现了一个原型系统，空间地理数据的信息量相对较少，同时在三维虚拟物体的增强现实显示方面只是以三维虚拟茶壶的显示为例。下一步应将加强对空间地理数据三维虚拟模型的创建和显示方面的研究。
参考文献（略）