2. 武汉大学测绘遥感信息工程国家重点实验室, 湖北 武汉 430079 ;
3. 福建省城乡规划设计研究院, 福建 福州 350003
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随着互联网和通信技术的迅猛发展，移动终端(如智能手机、平板电脑、笔记本电脑等)已成为人们日常工作生活所不可或缺的一部分。作为通信交流、信息查询及娱乐游戏的工具，便携性最高的智能手机普及率更是不断提高。根据Google 2013年8月发布的《中国智能手机使用情况调查报告》，截至2013年7月底，中国城市的智能手机普及率已达47%。与此同时，基于Android、IOS、Windows、黑莓等移动终端操作平台的各种APP更是层出不穷，市场潜力巨大。
作为当今移动通信领域的核心业务，基于位置的服务(location based service，LBS)[1]因其可以通过移动终端设备定位来查询POI(point of interest)信息从而极大地方便和丰富工作、生活及娱乐而备受关注[2-4]。而当前的POI信息大多基于二维地图和遥感影像进行标注表达[5]。该方式较早期的文字表达已有质的提升，但对于一些空间感和方位感相对较差的用户仍存在难度。这是当前阻碍LBS进一步发展的重要原因。
本文尝试性地将增强现实(augmented reality，AR)[6]技术引入到智能终端的LBS应用，希望将虚拟的POI信息和真实场景实时地有机融合起来，让用户以身临其境的方式体验LBS服务，增强用户体验。通过原型系统——天之眼(SkyEye)的研发，证明了本设想的应用价值，也已得到业内同行的一致肯定。
一、 增强现实与基于位置的服务AR也称混合现实，是通过实时地根据镜头的位置及旋转角度计算处理，将虚拟信息叠加到真实场景，使虚拟的物体和真实的环境实时展现于同一个时间的画面或空间，为用户提供超越现实体验的新颖技术[7-10]。
LBS是当前大众使用最为广泛的应用之一，相关APP有百度地图、高德导航、智能公交、大众点评等。而当前大部分LBS展示POI的平台都是二维地图，即使是三维虚拟地球，也是在另外一个虚拟空间维度中，不便于用户的认知和定位。
如果将AR与LBS两项技术结合起来，利用移动终端的GPS定位和电子罗盘，通过LBS的API接口实时查询丰富的POI信息，并与移动终端实时拍摄的真实场景有机融合，高效准确地展示于移动终端显示设备，就可以让用户“看到数据，点到信息”；同时，通过视觉透视法和三维定位计算，将视觉无法直接企及的POI目标直观地展示于显示设备最前端，可大大提高信息展现效果。
二、 天之眼功能模块基于增强现实与LBS两项技术，本文设计了一种基于增强现实的POI移动终端系统——天之眼。该系统融合天地图地图数据充满立体感、方向感的实时拍摄场景及丰富的POI信息，帮助用户轻松愉快地去适应陌生的地理环境。通过天之眼，用户可以直观真实地感受所查询信息与自己的相对位置关系，在哪个方向，距离有多远，并可以通过天地图强大的导航功能顺利到达目的地。
天之眼的主要功能为：
1) 天地图数据的浏览功能，包括平移、漫游、缩放等。
2) 天地图POI信息查询，包括基于类别的查询、基于关键字的查询等。
3) 移动终端上GPS导航功能，包括导航距离计算、具体路线描述等。
4) 基于增强现实技术，通过GPS定位信息将POI信息查询结果融入移动终端实时拍摄场景，为用户提供实时的真实场景中透视式的POI信息浏览功能。
天之眼主要分为地图核心模块和实景核心模块两大部分，如图 1所示。
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| 图 1 天之眼功能模块 |
地图核心模块主要实现地图可视化和相关基础功能：
1) 天地图底图模块：基于天地图安卓版的API实现地图底图调用。
2) 天地图查询模块：基于天地图安卓版的API实现地图查询功能。
3) 天地图导航模块：基于天地图安卓版的API实现地图导航功能。
4) 天地图定位模块：基于天地图安卓版的API实现地图定位功能。
实景核心模块主要实现POI的增强现实展现：
1) POI信息接收模块：接收通过天地图POI接口查询得到的POI信息。
2) POI信息映射模块：将所接收POI信息结合实时位置，定位计算相对距离。
3) POI信息叠加模块：将处理后的POI信息与摄像头拍摄的实现场景叠加。
4) POI信息更新模块：根据用户摄像头方向角度的变化，实时更新POI信息的相对位置。
三、 天之眼技术实现根据功能模块的设计进行天之眼的系统架构设计，如图 2所示。
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| 图 2 天之眼系统架构 |
天之眼包括UI和后台两部分。用户通过天之眼UI可以进行地图数据查看、基于关键字的POI查询、实时定位及导航规划等；天之眼后台则负责与天地图系统和系统所在的移动终端设备进行数据交互。
天之眼使用天地图系统所提供的地理底图、POI信息和导航规划功能。对于移动终端，天之眼主要调用其GPS、罗盘、WiFi及摄像头，为实现AR提供参数。
天之眼最关键的技术部分是POI信息的处理与展示。在获得天地图传输的POI信息列表后，天之眼后台会根据POI的经纬度、高程信息及移动终端的位置计算出两者间的直线距离，并将该POI信息映射成自定义的marker，以待与摄像头拍摄的场景叠加；然后再根据罗盘信息确定当前移动终端所在的方向，将该方向上可显示范围内的POI信息动态展示在屏幕中；随着用户方向变化，POI信息的标注也动态变化，不断地移动进出屏幕。
同时，在搜索雷达上将展示以用户位置为圆心、半径10 km范围内的所有POI信息分布，如图 3所示。
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| 图 3 POI搜索雷达 |
天之眼的开发和运行环境为：
1) 操作系统：MAC OS X 10.8.4。
2) JDK： 1.6.0_51 64位。
3) IDE：ADT Bundle for Mac。
4) 测试移动终端：三星GALAXY Note GT-N7000。
5) 测试系统：安卓系统。
天之眼原型系统调用天地图，其地图显示、POI查询和信息显示的界面如图 4所示。用户可以先定位自己的位置，如图 4(a)所示；再通过类型或关键字查询POI，如图 4(b)所示；最后将POI标注在地图上，如图 4(c)所示。
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| 图 4 地图显示、POI查询和显示 |
完成POI查询后，用户就可进入实景查看模式，如图 5所示。POI将以空间地标加信息框的形式与摄像头拍摄的实时场景叠加，其中空间地标表示POI的位置和方位，信息框显示POI的名称和相对距离。屏幕左上角是POI搜索雷达，其默认显示10 km范围内的POI，屏幕右侧是POI搜索半径控制条，可控制屏幕显示POI范围大小。
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| 图 5 POI实景叠加 |
最后，用户可根据在实景环境中选择目的地，天之眼将通过天地图的导航功能接口进行线路规划，使用户方便快捷地到达，如图 6所示。
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| 图 6 线路导航 |
LBS已成为当前信息服务的一种主流，但在POI信息的展示方面，大多数应用还停留在二维平面地图的基础上，阻碍了空间定位和认知能力相对弱的用户群体的使用，限制了LBS的进一步推广。
本文结合AR和LBS技术，利用天地图平台丰富的POI数据接口，将数字化的POI信息和真实场景无缝地融合起来，以更直观地展示空间信息，提高用户体验。通过天之眼的研发，证明了其具有一定的应用价值。下阶段将进一步考虑引入社交网络技术，从商场商家优惠的角度，开展更丰富的应用研究。
| [1] | 吕志平, 赵冬青, 徐爱民, 等. 位置服务系统(LBS)的构建[J]. 测绘科学 , 2005, 30 (2) : 92–94. |
| [2] | 吴飞. 基于MongoDB的LBS数据管理系统关键技术研究[J]. 测绘通报 , 2014 (7) : 121–124. |
| [3] | 李霖, 王伟, 谭永滨, 等. 导航与LBS关键技术标准化研究进展[J]. 测绘通报 , 2014 (5) : 95–98. |
| [4] | 兀伟, 李朋德, 张坤, 等. 基于位置服务的地理格网编码设计[J]. 测绘通报 , 2013 (2) : 41–44. |
| [5] | YE M, YIN P F, LEE W C, et al. Exploiting Geographical Influence for Collaborative Point-of-Interest Recommendation[C]//Proceedings of the 34th International ACM SIGIR Conference on Research and Development in Information Retrieval. New York:ACM Press, 2011:325-334. |
| [6] | AZUMA R T. A Survey of Augmented Reality[J]. Presence:Teleoperators & Virtual Environments , 1996, 6 (4) : 355–385. |
| [7] | 孙敏, 陈秀万, 张飞舟, 等. 增强现实地理信息系统[J]. 北京大学学报(自然科学版) , 2004, 40 (6) : 906–913. |
| [8] | 姜学智, 李忠华. 国内外虚拟现实技术的研究现状[J]. 辽宁工程技术大学学报(自然科学版) , 2004, 23 (2) : 238–240. |
| [9] | 杜清运, 刘涛. 户外增强现实地理信息系统原型设计与实现[J]. 武汉大学学报(信息科学版) , 2007, 32 (11) : 1046–1049. |
| [10] | 陈科, 葛莹, 杜艳琴. 基于地理数据的增强现实可视化技术探讨[J]. 测绘通报 , 2009 (7) : 22–24. |