地理国情AR“纸智图”的研究与实现

王晓庆，丁鹏辉，刘祥明，杨 燕，王 玮，李颜伶

（1.青岛市勘察测绘研究院，山东 青岛 266033；2.自然资源部地图文化与创意工程技术创新中心，山东 青岛 266033；3.青海省地理信息中心，青海 西宁 810001；4.青海省地理空间信息技术与应用重点实验室，青海 西宁 810001）

第一次全国地理国情普查首次对我国陆地国土范围内的地表自然和人文地理要素进行了普查，获取了由12个一级类、58个二级类和135个三级类共2.6亿个图斑构成的海量地理国情数据，初步摸清了我国地理国情家底，为开展常态化地理国情监测奠定了基础[1]。本次普查数据成果种类多、形式多样、数据量大，如何有效利用这些数据成果，提升地理国情信息对政府、企业和公众的服务能力，成为当前迫切需要探讨的问题[2]。

传统纸质地图作为地理信息的载体和重要的测绘成果，具有总览性强、便于携带、无需外设等优点，但与电子地图等新型地图相比，纸质地图存在诸多缺陷：受幅面限制，信息载负量有限；更新周期长，一经出版不可更改；静态的信息呈现方式缺乏交互和动态效果[3]。在互联网等新技术的冲击下，传统纸质地图市场受到很大影响，如何迎接挑战、开拓创新，也亟待研究与探索。

本文提出“地图+增强现实（AR）”的模式应用于地理国情普查成果应用创新，努力推进传统纸质地图与科学新技术的跨界融合，符合“十三五”国家战略性新型产业发展规划的要求。为了真正实现地理国情普查数据服务于政府、企业和公众的目标，同时探索传统纸质地图的转型升级，本文开展了地理国情AR纸智图的研究和建设工作。

1 研究内容与工作思路

1.1 研究内容

“纸智图”即以纸质地图为载体，利用图像识别、智能码识别、电路感应等科技手段，以虚实融合、纸电互动、点触发声等多种方式实现纸质地图与计算机、手机等各种终端的互通功能，达到“纸”与“智”的交互融合。纸智图拆除了横亘在纸图与数据内容之间的屏障，使纸图和数字内容真正融为一体，提升纸图的表现力和适用性，本文的研究工作即属于纸智图中的AR系列地图产品。

本文致力于研究并总结一套地理国情AR纸智图关键技术体系，采用“地图+AR”的模式，建设融合增强现实、地理信息、多媒体等多种技术于一身的科技地图产品，并以青海省为例探索国情专题数据和地理标识在配套纸图上的表达方法和制图特点，研究国情多源数据在虚实融合场景中的综合表达和可视化技术，形成地理国情普查成果应用的新模式、新方法。

本文建设的地理国情AR纸智图系统包括配套专题地图和APP两个部分，国情专题地图作为媒介，移动端APP将各类普查监测数据、地理信息框架数据、统计分析数据通过一图关联，实现各种信息资源的聚合。用户随手一拍，即可看到国情信息以虚实融合的方式呈现在眼前，实现纸图与移动终端的有机互通，多维度全方位的提供国情专题的深度应用，为宏观决策提供数据信息和决策支持。

1.2 工作思路

研究建设工作分为地理国情AR纸图编制和移动端软件开发两个部分。在内容上移动端应用程序与地理国情专题图互通有无，实现对地理国情普查数据的有效覆盖，能够真实有效的体现本次国情普查成果，工作思路如图1所示。

图1 研究工作思路图

两部分工作是相辅相成的，需要统一进行总体规划设计，在整合基础测绘成果、国情普查成果、国情监测成果等数据内容后，一方面进行专题纸图的设计和编制，探索配套纸图的专题数据和地理标识的表达方法；另一方面进行移动端数据制作和建库、素材设计，实现国情多源数据的综合表达；同时研究多源数据在虚实融合场景中的可视化技术，制定技术方案并进行APP功能开发与建设，最终实现以国情专题纸图为媒介的增强现实可视化应用。

2 关键技术及实现

2.1 总体技术原理

增强现实（AR）是一种在虚拟现实技术基础上发展起来的新型计算机应用和人机交互技术，它借助计算机和可视化技术将虚拟的信息应用到真实世界, 对人的视觉系统进行景象增强或扩张[4-5]。增强现实技术实现了虚实融合，并提供更加自然的人机交互能力，为人们体验和认知周围世界提供了全新的模式[6]。

本文构建的地理国情AR纸智图，技术原理如图2所示，将增强现实技术应用于地理国情专题纸图，通过智能移动终端摄像头捕捉专题图视频影像，并在视频画面中的对应位置叠加各种虚拟的数字层信息，实现专题图增强表达可视化，将丰富的数字内容以虚实融合的方式展示给用户，为国情专题图拓展实景信息、地理信息和多媒体资讯等信息。

图2 技术原理图

2.2 配套专题纸图的编制及技术特点

青海省第一次地理国情普查数据成果是本文配套专题纸图编制的基础数据来源，数据类型为文件地理数据库（*.gdb），坐标系为2000国家大地坐标系，高程基准为1985国家高程基准，主图采用1∶1 200 000比例尺，附图采用1∶4 000 000比例尺。

1）“一主三附”分级设计理念。针对青海省国情专题数据量比较大的特点，本文配套专题纸图图面采用“一主三附”的设计理念，“地表覆盖”为主图，配以“政区”、“地貌”、“地势”三个附图，使地图效果均衡、和谐、美观。

主图区“地表覆盖图”图反映的是青海省自然地理要素的基本情况，重点突出表示关于地表覆盖中耕地、林地、草地、居民地、水域、荒漠与裸露地等地类图斑在制图区域的位置、范围、面积等空间分布状况；附图部分的“政区图”、“地貌图”、“地势图”表示了各自的专题内容。

“一主三附”分级设计有利于APP程序构建纸质地图图像的瓦片金字塔模型[7]，依据摄像范围不同，实现瓦片对应区域的地理国情普查和监测的数字信息在摄像头画面中的定位分级显示，从而增加程序对数据的负载量，提升交互的友好性。

2）视觉对比原则。本文配套专题纸图设计过程中使用视觉对比原则，采用质底法、分级别设色等地图的表示方法凸显专题内容，运用不同的颜色来反映不同地类的特征属性，使专题数据清晰、美观[8]。经Vuforia官网测试，本文编制的青海省地理国情专题纸图识别率达到最高级别五颗星，智能移动终端拍摄该图后，APP程序可以快速识别拍摄区域，并加载相应的数字信息。

3）地理标识补色表达。本文配套专题纸图中其他地理要素标识颜色与专题面具有补色关系，利用颜色的互补对立产生视觉冲突，形成地图结构的视觉层次感[9]。通过色彩的明暗、冷暖，面积的大小，距离的远近，形态的动、静等多方面色彩因素来达到对立又统一的视觉效果，使图面色彩关系更加统一、协调，主题更加鲜明、突出。

2.3 跨平台可视化解决方案

本文提出了一个涉及Unity3D平台和Android/iOS操作系统的跨平台综合解决方案，采用新版本的Vuforia SDK[10]，搭建一款针对Android和iOS移动终端的用于地理国情专题地图的应用软件，实现多源数据的增强现实可视化应用，方案如图3所示。

图3 跨平台可视化方案

汇总地理国情普查和监测数据，将数据内容分为政区、地形地貌、地表覆盖、交通、水域、热点区域监测六大专题。组建包括国情专题数据、影像数据、图片、文字、音频、视频等多类数据的数据库，根据需要将数字信息导入Unity3D平台，存为本地或网络数据库，为增强现实应用提供数据支持。

利用Vuforia SDK，构建增强现实跟踪、AR纸图识别、数据可视化渲染功能入口，采用C#语言进行动作脚本编辑，引入Unity3D和Android、iOS的消息机制，建立通信的接口函数，实时调取存于本地或网络中的地理国情数据，将各类数字信息快速可视化渲染到实景当中，实现配套专题纸图与国情多源数据的虚实融合和无缝对接。

2.4 国情多源数据分类可视化表达

本文建设地理国情AR纸智图涉及到的数据包括国情普查成果数据（点、线、面）、统计分析数据、遥感影像数据、青海省地理现状图片、文字、音频、视频等，其种类多、形式多样、数据量大，实现国情多源数据在虚实融合场景中的分类表达也是本文的研究重点。

1）点注记动态标注。青海省地理国情AR纸智图涉及到多种点状矢量数据的应用，例如县驻地点、省州最高、最低点等。如图4a所示，本文采用动态注记的方式进行摄像头可视范围内的动态加载[11]，程序对专题图识别后，自动根据摄像头拍摄的图面范围进行数据的检索，并实时更新到实景画面中，同时手动查询功能可以辅助关键字检索。

2）线、面数据的自定义显示。对于地表覆盖、交通、水域等专题数据，本文采用了自定义显示的表现方式。如图4b所示，结合图例设置动态复选框，可对其代表的数据层进行勾选，所选图层可以单独显示在识别图上，实现在一个页面上对多个图层分层查看的自定义效果。

3）统计分析数据的可视化表达。本文建设的APP程序对地理国情指标要素，如数量、长度、面积等，进行实时数理统计，采用饼状图、柱状图、折线图等方式进行直观表达。以地表覆盖为例，如图4c所示，程序从数据库中调取青海省及各州市地表覆盖数据，借助Graph Maker插件，实时绘制饼状统计图以体现不同类型地表覆盖占比，再将饼状图准确叠加在所拍摄实景中专题图的对应位置，实现了统计分析数据在虚实融合场景下的直观可视化表达，有助于客观准确的揭示各类要素分布规律及相互联系。

4）遥感影像辅助动态监测成果展示。热点区域监测专题呈现青海湖流域、三江源综合实验区等热点区域专项生态监测成果。以青海湖流域为例，利用青海湖历年影像数据，对湖面面积和沙岛变化监测情况进行动态展示。首先基于遥感影像提取青海湖湖面数据，描绘出水涯线，再以帧动画形式动态播放历年影像，配合水涯线不断变化体现青海湖历年水位和沙岛变化的情况[12]。如图4e所示，动态播放的历年影像、历年湖面面积和面积变化趋势统计图协同作用，全面、详实的反映监测情况，为该区域的资源利用与生态保护提供数据和决策支持。

5）图文详情信息呈现。针对普查报告和技术文档成果中诸多文字、图表等数据资料，本文采用详情信息界面进行呈现。以政区专题要求呈现青海省各州、市地理国情普查公告信息为例，如图4d所示，本文将成果信息分为区域概况、地形地貌、自然地理和人文地理四部分，内容采用文字、统计图表、现状图片相结合的方式，图文并茂地呈现国情详细信息内容。当普查报告内容更新时，即可实时更新程序内容，提升了APP程序应用的灵活性。

图4 国情多源数据可视化表达（审图号为青S(2018)078号）

3 成 果

本文完成了青海省地理国情AR纸智图的研究和建设工作。该成果针对青海省地理国情专题地图，以增强现实为可视化方式实现地理国情普查数据的有效覆盖，对六大专题的国情普查和监测成果进行呈现，实现了国情专题图的高效识别、国情专题内容的实景叠加、专题和子专题切换、国情要素信息动态检索、各类数据统计分析、历年数据动态监测等实用性功能，可充分发挥地图决策视角的作用，是一款便捷、高效的管理决策工具。

4 结 语

本文采用“地图+AR”的模式，将AR技术应用于地理国情专题地图呈现过程中，研究并总结了一套地理国情AR纸智图关键技术体系，以青海省国情普查数据为基础，借助数理统计和空间分析手段，以增强现实为可视化方式形成科技地图产品，实现国情普查成果的汇总及创新科技转化。以虚实融合的方式实现了配套专题纸图与移动终端的互通功能，不但保持了地图的宏观整体统一性，还拓展了数字信息的丰富实用性，弥补了传统二维平面纸质地图的不足，促进了纸质地图应用的转型升级。