一、引 言

地理国情普查是一项重大的国情国力调查，是掌握地表自然、生态及人类活动基本情况的基础性工作。地理国情外业调绘与核查通过对内业分类与判译的地理国情要素和地表覆盖分类成果，以及内业无法定性的类型、边界和属性进行实地核实确认和补调，是地理国情普查工作十分重要的环节，是保证地理国情普查数据质量的关键环节^[1,2,3]。

当前，地理国情普查外业核查与调绘是带GPS、相机、罗盘等定位定姿和照相传感器进行核查、调绘和解译样本采集，如基于ArcGIS的地理国情普查外业调绘核查系统、基于平板电脑的Geoway Fielder数码调绘系统、中海达地理国情普查系统调绘宝等^{[4,5,6,7,8,9,10]}，此外，承担地理国情普查任务的单位结合自身生产条件，也推出了各种服务于地理国情外业核查和调绘的系统或设备。这些系统或设备以人工实地作业为主，且该工序工作内容多，影像拍摄质量和角度要求严格，使得外业操作复杂，对作业员要求高，且劳动强度大，直接影响作业效率和成果质量^[6,7,8,9,10]。

地理国情普查的外业调绘和核查工作需保证细致无遗漏，同一地区经常进行多次调查核查工作，影响整体普查工作的效率和速度。通过人工拍摄照片的方式采集道路车道数、地理单元名称等要素和相关属性，导致外业调查、内业判定工作负担较重，且易造成遗漏。集成GPS定位设备和MEMS定姿传感器的360°全景系统可在载体快速移动状态下实现对周边地理环境的全视角全息采集，可用于街景与地理信息采集更新，如信息测绘、智慧城市、道路交通、城市管理、园林绿化和智慧旅游等领域。

本文针对地理国情普查外业核查和调绘，提出了一种便携式小型移动全景调绘核查技术，在外业调绘核查人员工作的同时，以车载或人工背负携带式对地理国情调绘核查进行全过程360°实景记录，采集国情普查路线上的全景资料，并记录采集点坐标信息和采集路线轨迹信息，并进一步利用配套软件与正射影像关联，快速查询浏览到外业场景360°实景资料，进行地理国情普查要素的室内核查调绘和解译样本采集，可提高地理国情调绘核查的效率和质量，具有很好的应用前景。

便携式小型移动全景系统采用5台宽角镜头的相机在水平方向拼接成360°全景，且配置罗盘和WiFi设备，通过智能移动终端控制相机的拍摄参数，同时以智能移动终端获取的GPS为全景影像提供位置坐标，其工作原理如图 1所示。

图 1 便携式小型移动全景系统工作原理

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由图 1可知，需要5个相机在同一个时刻触发曝光拍摄，通过一个同步控制板以一分5路的方式直接连接控制单个相机的快门，智能手机则通过WiFi连接同步控制板，由智能移动终端上开发的应用APP将相机拍摄参数、拍摄信号发送到同步控制板，实现基于智能移动终端的多相机同步采集。在给同步控制板发送相机拍摄信息的同时，智能移动终端同步获取该时刻的GPS位置坐标和罗盘的姿态参数，并通过后续地理参考处理，为每一个全景影像关联上位置和姿态参数，以便将全景影像导入到地理国情普查内业处理系统，进行核查、调绘及样本采集。

综合考虑设备的重量和影像质量，本文设计的移动全景系统采用运动型GoPro Hero3+相机。该相机重量不到50 g，配备超广角镜头，支持拍摄12 Fps的4 K、30 Fps的2.7 K或48 Fps的1080 P HD视频，单帧影像可以达到12 MP像素，同时具有64 GB的MicroSD扩展内存，日光下采集的影像品质效果较好。采用5台GoPro Hero3+相机，水平环绕排列，各相机垂直放置，相邻相机拍摄夹角为72°。整套移动全景系统设备重量在1 kg以内，轻便稳定，拆卸简单，可方便安装在车顶、对中杆上，甚至可以安装在头盔上，携带方便，使用时只需要一个智能移动终端，如图 2所示。

图 2 便携式小型移动全景系统组成

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便携式小型移动全景系统将多相机全景设备、罗盘与智能移动终端无缝集成，充分利用智能移动终端的定位功能，实现带位置和姿态的多视角影像一体化同步采集，通过多视角影像全景拼接与全景影像地理参考处理，将全景影像与DOM进行空间关联，实现多视角全景影像与DOM的联合采集、核查、调绘与解译样本的裁切建库，其技术框架如图 3所示。

图 3 技术框架

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基于便携式移动全景系统的地理国情核查调绘包括数据采集、数据处理和普查应用3个环节。外业数据采集采用本文设计的移动全景系统，融入到当前地理国情外业核查和调绘流程；数据处理完成全景影像拼接与地理参考处理；普查应用立足于全景影像与DOM的空间关联，通过全景影像与DOM按照位置与视场角的查询浏览，实现地理国情普查要素的核实、补绘和样本裁切等。

基于本文的便携式移动全景系统进行外业数据采集，不改变现有的地理国情普查外业流程，可因地制宜地将全景系统搭载在车顶或安装到对中杆上(如图 4所示)，也可以将全景相机当作样本采集的相机单独使用，用作全景影像采集控制的APP可以安装到个人智能手机或外业平板电脑上，进行外业数据获取。

图 4 便携式小型移动全景系统组成

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完成外业数据采集后，可以将数据从相机和移动终端中拷贝至内业处理计算机，通过资料整理将分散存储在不同位置的图像按照拍摄时间或顺序进行提取和整理，同一点位拍摄的5张图像放在同一目录下，按照统一的规则命名。

数据处理包括两个内容，即全景影像拼接处理和全景影像地理参考处理。

全景影像拼接要完成不同视角的影像配准、匀光匀色和拼接融合处理等。影像配准将同一场景的多幅图像，通过一些相似性度量来获取图像间的变换参数，使不同的图像序列变化到同一坐标系下，并且在像素层上得到最佳的匹配。在进行全景拼接时，需要对不同视角、不同光照条件下的影像进行匀光匀色处理，最后通过拼接融合，得到色彩均衡、无明显拼接缝的全景影像^[11]。全景影像拼接处理可以采用商业软件如Autopano Giga、PTGui，也可以采用开源软件如Hugin(如图 5所示)。采用开源软件可以根据拼接处理流程和要求进行定制修改和开发。

图 5 全景影像拼接

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全景影像地理参考根据拼接好的全景影像、对应的拍摄信息、拍摄时间与GPS位置、罗盘姿态进行地理关联。需要指出的是，罗盘姿态受环境影响较大，尤其是航向，在车载情况下可以利用前后全景的两个GPS位置点，按照坐标反算计算航向^[12]，与罗盘输出的航向信息进行相互验证。

将具有地理参考的全景影像与DOM进行空间关联后，可以进行一体化内业判绘、补绘和样本裁切制作，主要包括全景影像发布、空间查询和视角查询等，方便进行地理要素的补绘、核查和样本制作。

1) 全景影像发布。采用Tomcat6.0架设Web应用服务器发布全景浏览器及全景成果图片，采用开源的Postgre QL9.1数据库搭建其他拍摄信息表，采用PostGIS存储空间信息坐标及轨迹，同时也能直接支撑轻量级的空间查询。

前端全景影像显示封装成一个插件，可以做成基于ArcGIS Desktop 10.1的Addin插件，将全景资料成果与内业判读软件相结合，实现全景影像到内业解译编辑工作的导入。

2) 全景影像空间查询。根据在DOM上面点击或框选的位置，可以查询到对应的全景影像，并可以进行单帧浏览和连续浏览。单帧浏览具体到一副全景影像时，可以支持放大、缩小、漫游等(如图 6所示)。根据浏览的全景影像辅助内业判读地类，采集车道数、地理单元名称等要素和相关属性。

图 6 全景影像空间查询

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3)按视角查询全景影像。对于每一幅全景影像，可以按照绝对航向对当前视角的全景影像局部进行查询，实现全景影像方位与DOM的视角范围对应关联，以此从局部全景影像上进行对应DOM视场范围的照片样本的裁切、对应遥感影像样本的裁切制作(如图 7所示)。

图 7 按视角全景影像查询

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将多视角的全景影像引入到地理国情普查应用中，可以实现多视角影像一体化内业核查、判绘和补绘。作业人员可以结合遥感影像解译样本、地理国情要素数据、地表覆盖分类数据进行检核和判读，同时可以从全景影像上裁剪制作任意视场角度的照片样本，是一种经济、方便、可行的地理国情核查调绘方式。全景影像资料也可以作为地理国情成果数据的一个重要补充，为后续质量检查、统计分析和成果应用提供全新的成果。

本文提出并研究开发了一种低成本小型移动全景系统，设计了基于小型移动全景系统的地理国情核查调绘的技术框架，开发了相应的软件并能够与地理国情普查内业软件无缝集成。该系统可以方便安装、便携使用，能够用于地表覆盖分类采集，拍摄的全景画面可与内业数据实现联动，辅助内业判读地类、国情要素采集和外业检查，减少外业检查工作量，增大检查覆盖面，具有广泛的应用前景。但目前仍需要进一步研究本系统中获取的全景影像在特定要素自动采集及全景影像地理国情监测中的深入应用。