具有实时定位与增强现实能力的便携式管线地理空间信息系统的设计与实现

黄华东，邓晓红，周亮，严建国，李冉，毕京学

(1.南京市城市地下管线数字化管理中心，江苏 南京 210029； 2.中国科学院上海天文台，上海 200030；3.中国矿业大学，江苏 徐州 221116)

具有实时定位与增强现实能力的便携式管线地理空间信息系统的设计与实现

黄华东1*，邓晓红1，周亮1，严建国1，李冉2，毕京学3

(1.南京市城市地下管线数字化管理中心，江苏 南京 210029； 2.中国科学院上海天文台，上海 200030；3.中国矿业大学，江苏 徐州 221116)

基于iPad设计并开发了一套软硬件相结合的管线信息系统，通过蓝牙数据传输装置将iPad与GNSS接收机相连接，借助CORS完成高精度实时定位，通过iPad摄像头获取所在位置实际影像并投射在显示屏幕中，利用移动网络调取管线数据库服务器中对应的周围管线平面位置、埋深、高程、材质、权属单位等详细属性，以综合管线图的方式叠加在显示屏幕中，在设置了各图层及实时位置点的关系与透明度之后，实现了增强现实的效果。该系统可在实时定位与增强现实的基础上实现管线信息的查询、统计、长度量算、面积量算等功能。

管线；移动终端；实时定位；增强现实

1 引 言

城市管线作为输送能量、传递信息和排污减涝等功能的重要载体，是城市基础设施的重要组成部分，是城市赖以生存和发展的基础[1，2]。然而，城市的快速发展使城市管线变得更加错综复杂，由于城市管线绝大多数埋设在地下，处于“看不见摸不着”的状态，因此经常出现由现场挖掘施工等原因导致的路面塌陷、管线泄漏爆炸、马路拉链等问题和现象[3]。因此，本文基于iPad设计开发了一套软硬件相结合的管线地理空间信息系统，由GNSS接收机、iPad、蓝牙数据传输装置、服务器和移动通信网络组成，充分利用了移动终端易携带、处理性能强、扩展性好的优势，连接GNSS接收机及CORS网络解决了现有移动终端定位精度差的问题，通过移动通信网络获取管线数据库中相应位置的管线平面位置、埋深、高程、材质和权属等信息，以摄像头采集的实际影像为现实场景进行增强现实处理，可实现管线信息的查询、统计、长度和面积量算等功能，通过实际影像与虚拟管线图的结合，以更为直观的方式展示了所在位置周围地下管线详细分布与属性。

2 系统体系结构

该系统主要由运行支持层、数据层、传输层、感知层和应用层五部分组成(体系结构如图1所示)[4，5]。运行支持层是该系统搭建的基础，包括施行的管线数据标准和探测技术规范，iOS操作系统以及基于ArcGIS Desktop、ArcGIS Server、Oracle、Windows Server、Microsoft.Net Framework、SilverLight开发的地下管线地理空间信息系统(PC端)、管线数据库、管线服务器；数据层中的现状及历史管线数据库通过地下管线探测普查、动态维护(竣工测量汇交、现场巡查等方式)、地形图提取及数据融合等方式获得，地形数据库通过地形图测绘获得[6]；传输层为该系统运行使用的数据传输方式，主要包括GNSS接收机与CORS网之间、移动终端与管线服务器之间的移动网络，GNSS接收机与蓝牙数据传输装置之间的数据线以及蓝牙数据传输装置与移动终端之间的蓝牙通信；感知层包括移动终端集成的摄像头、陀螺仪和触摸屏等，可实现实时影像的获取与展示，移动终端姿态的判断与各种操作的互动；该系统以Xcode工具进行开发，实现了应用层中底图显示、管线属性查询、长度量算、距离量算、蓝牙设置等功能，管线信息查询界面如图2所示。

图1 系统体系结构

3 高精度实时定位

现有移动终端的定位方式主要有移动基站定位、A-GPS定位、Wi-Fi定位或者通过本身GPS模块进行定位。移动基站定位精度在百米或千米级；Wi-Fi定位只能在具有热点的区域进行，适用于室内定位，技术也未完全成熟；移动终端内置GPS模块定位或A-GPS定位精度也只能在十米级；各厂商定制的工业级平板虽然对GPS模块与算法进行改进，但是由于设备便携性的限制，定位精度也不理想。随着对定位精度要求的不断提高，我们可以借鉴测绘中利用GNSS接收机接收到的GPS星历结合发播的差分改正数信息，实现高精度实时定位[7，8]。利用GPS进行定位，就是根据已知的卫星轨道信息和用户的观测资料，通过数据处理来确定接收机的位置，在实际操作中，通过接收机接收到GPS广播星历，同时接收地面利用广泛分布的CORS网数据的解算星历改正数，结合星历及其改正数便能够大幅提高定位精度。基于该原理现开发了一种GNSS接收机串口转蓝牙数据传输装置，用于将GNSS接收机中数据通过串口输出到该装置，再以蓝牙通信方式传输到移动终端中。定位信息的传输流程如图3所示，首先将接收机设置为串口输出GGA数据，接入CORS网开始测量，通过接收到的卫星星历及CORS网解算的差分改正信息解算出高精度坐标，接收机会通过串口与连接的数据线将坐标数据传输至蓝牙数据传输模块，最后以蓝牙通信的方式将坐标数据传输至已经配对的移动终端。通过此方法，解决了移动终端定位精度差的问题，使便携式移动终端定位精度达到专业测绘仪器同等精度的水平。

图3 定位信息传输流程图

本文设计的高精度实时定位框架如图4所示：其中1为全球定位导航系统的空间部分，发送用于导航定位的卫星信号；2为全球定位导航系统的控制部分，用于监测和控制卫星运行，解算卫星星历；3为CORS系统的地面参考站，负责采集导航卫星观测数据并传输至数据处理中心；4为CORS系统的数据处理与控制中心，在接收参考站数据后进行处理，实时向用户提供载波相位、伪距、改正数等信息；5为GNSS接收机，用于测量所在位置点的高精度位置坐标；6为串口转蓝牙数据传输装置，用于将高精度坐标传输至便携式移动终端；7为所测管点或管线；8为便携式移动终端，配合摄像头、陀螺仪等硬件获取所在位置的实际影像；9为管线数据库及服务器，用于向移动终端发送所在位置的管线地理空间信息。

图4 便携式移动终端高精度实时定位框架图

4 增强现实的实现

移动终端一般具有摄像头、陀螺仪、显示器、高性能处理器等硬件配置，具备了增强现实技术开发所具备的条件。增强现实通过虚拟场景与现实场景的叠加，可以使关注的信息更直观地展现出来，带来全新的用户体验。为实现增强现实的显示效果，本文将获取的实际影像显示在屏幕中，形成动态影像层，作为现实场景。在获取高精度实时坐标后，以点的形式将所在位置显示在屏幕中；调取管线数据库中对应位置的管线数据后，以管线图的方式叠加显示在屏幕中，形成综合管线信息层，作为虚拟场景。通过调节各图层的关系与透明度，使虚拟场景叠加于实际场景之上，最终形成增强现实的显示效果。界面图层设计如图5所示。

图5 增强现实效果界面图层设计

5 实验案例

该系统可在高精度实时定位与增强现实效果的基础上进行管线信息的查询，长度量算，面积量算等操作。实际效果如图6所示，图中展示了所在位置的管点信息，周围地下管线的分布、走向与详细属性(有三条污水管道与污水窨井相连接，点击相应管线可查询管线的起点埋深、终点埋深、起点高程、终点高程等信息，如图2所示)。

图6 增强现实效果展示

6 结论与展望

该系统可替代现有利用纸质图纸进行现场勘测的作业方式，自动定位、自动调取管线图与属性，并通过增强现实效果显示的方式具有直观、准确、快捷、高效的显著优势[9]。在管线施工建设时使用，可减少挖断、碰断地下管线的情况。该系统也可为管线的新改建、管线规划、管线管理、管线养护、管线巡查、辅助决策、城乡建设、应急救援等领域提供管线信息保障。

专业测绘仪器的引入，使得便携式移动终端可真正应用在测绘领域之中。配合软件的开发，在地籍测量、地形图测绘、水准测量、管线探测等工作中，可将测绘仪器采集的数据传输到移动终端实时进行处理，优化现有测绘的流程，减轻工作强度，提高工作效率，实现内外业一体化作业。利用移动终端的移动通讯功能，与服务器进行数据传输，服务器实时进行处理与存储，实现测绘作业的云计算与云服务。

[1] 丁鹏辉，李志刚，董绍环等. 城市地下管线信息系统关键技术研究[J]. 测绘通报，2015(11)：92～95.

[2] 毕天平，周京春. 昆明三维地下管线系统应用与研究[J]. 测绘通报，2014(2)：93～96.

[3] 王冠. 基于Android系统和手机平台的增强现实的研究与应用[D]. 北京：北京工业大学，2012.

[4] 周国众，夏青. 移动位置服务中增强现实技术的应用[J]. 测绘工程，2012(5)：63～68.

[5] 尹志永，沈飞飞，徐运等. 基于iPad的管线数据采集系统设计与应用[J]. 测绘与空间地理信息，2013(3)：83～85.

[6] 郭鹏，夏吉祥，王超. 基于Android平台的地下管线数据移动采集软件设计与实现[J]. 地理信息世界，2014(4)：74～77.

[7] 毕京学，甄杰，郭英. Android手机GPS和A-GPS定位精度分析[J]. 测绘通报，2016(7)：10～13.

[8] 毕京学，郭英，张鼎凯等. 基于CORS的高精度实时坐标转换方法探究[J]. 测绘科学，2015(1)：98～101.

[9] 卢清超，宋智丽. 基于PDA+GPS的地下管线采集系统设计与实现[A]. 江苏省测绘学会2007学术年会论文集[C]. 2008.

[10] DB 3201/T 257-2015. 南京市管线数据标准[S].

[11] DB 3201/T 258-2015. 南京市管线探测技术规程[S].

Design and Implementation of a Mobile Pipeline Information System with Real-time Positioning and Augmented Reality

Huang Huadong1，Deng Xiaohong1，Zhou Liang1，Yan Jianguo1，Li ran2，Bi Jingxue3

(1.Nanjing Underground Pipeline Data-Managing Center，Nanjing 210029，China； 2.Shanghai Astronomical Observatory，Chinese Academy of Sciences，Shanghai 200030，China； 3.China University of Mining and Technology，Xuzhou 221116，China)

This paper designed a pipeline information system based on iPad platform. The system connects the iPad and the GNSS receiver via bluetooth to accomplish high precision real-time positioning by combining CORS. In practice，it can provide images through iPad camera and retrieves the detailed pipeline information such as location，cover depth，elevation and ownership from database server by mobile network，and all the images and information layers can overlay in one data frame and enhance the reality by setting the transparency and points of interests. In general，the system is not only equipped with basic functions of GIS in iPad， real-time positioning，and augmented reality，but also provide the possibility to obtain the query、Statistics、length measurement、area measurement of pipeline informations.

pipeline；mobile terminal；real-time positioning；augmented reality

1672-8262(2017)02-46-04

P208.2

A

2016—11—08

黄华东(1988—)，男，科员，助理级职称，主要从事地下管线地理空间信息的获取、整理与应用。