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1、 浅谈中国地理增强现实及其地图学意义 一 引言我们正处在一个信息通信技术（ICT）高速发展和应用的时代，这个时代的典型特征是计算设备的不断演化，基础来自计算的移动化、便携化和穿戴式趋势，从个人数字助理、智能手机、智能眼镜到增强现实头盔，计算机不断小型化，各类传统硬件在不断与计算机集成，形成了高度智能的移动终端。这个硬件可以以一体化的方式和计算功能结合，形成功能各异的智能硬件。二 智能硬件智能硬件是继智能手机之后的一种新业态。它通过软硬件结合，对传统设备进行改造，使其智能化。以智能手机、智能眼镜和增强现实头盔的出现为特征，其发展主线是计算机在实现可穿戴的基础上完成了手持及穿戴设备的智能化，这些智
2、能化的设备大大扩展了信息的采集、处理、交互和显示能力，为地理增强现实的实现提供了重要的基础。当前主要的智能硬件种类如下。（一）网络设备网络设备指智能硬件中负责无线联网的设备集，如3G/4G、WIFI和蓝牙适配器等。网络设备是智能硬件与云端或远程数据库保持连接的基础，网络设备确保移动的智能硬件成为庞大数字网络的一部分，实现移动数据的上传和远程数据的调用。（二）传感设备传感设备指内嵌在智能硬件中的各类感应装置，包括能够实现视觉、听觉、动觉感应的摄像头、麦克风、电子陀螺、电子指南针、导航定位设备、加速度感应器和光感应器等，它们是智能硬件感知用户及其周围世界状态和行为的基础，随着移动和感知行为，能够产
3、生与用户和周围环境相关的移动大数据。（三）交互设备交互设备实际上是传感设备中专门负责实现计算机和用户相互感知的部分。在新型传感设备的支持下，可以实现多模式的人机交互，即可以通过视觉、听觉、触觉和动觉等感知通道实现人机信息的交换。交互设备主要包括触摸屏、麦克风、摄像头、三维鼠标和电子陀螺等输入设备和屏幕、马达、喇叭等输出设备。（四）其他辅助设备为了实现智能硬件的便携化和可穿戴，还需要其他的辅助设备，如智能眼镜和头盔的固定装置等。在所有的信息交互通道中，视觉信息的作用是最为显著的，因此作为视觉信息输入的摄像头和作为视觉输出设备的显示器就显得尤为重要。摄像头的主要功能是通过光电转换和模数转化直接获取
4、真实世界的数字影像，是智能硬件直接感知世界的主要通道；而显示器则是让人以最直观的方式获得机器显示的视觉信息，从需要手持阅读屏幕的智能手机，到把屏幕放入人的视野的智能眼镜，再到将屏幕透明融合叠加到视平面上，技术的进步大大改变了人看屏幕的方式，也为屏幕数字信息与真实世界影像信息的视觉无缝融合提供了可能。三 地理增强现实增强现实（AR）是一种介于真实环境和虚拟环境之间的中间状态，是将虚拟信息融合叠加到用户看到的真实世界影像上的一种技术，实现数字三维模型或其他实况影像与真实世界的混合现实，达到以数字信息增强真实世界信息的目的。其基本原理是把图形、声音和其他感知增强实时叠加到真实环境上，图形会随着用户观
5、察视点的改变而相应改变，实现在用户视场中虚拟和真实世界在几何位置、视觉效果和时序同步上的精确融合。地理增强现实（Geo-AR）是增强现实技术在地理学领域中的应用，和普通增强现实技术相比具有如下特点。（一）涵盖地理空间尺度的增强场景普通的增强现实主要是针对室内或日常空间，以及一些专门应用场景，如游戏等。地理增强现实除了室内或日常空间的地理应用外，主要是中观尺度的大场景地理应用，以城市空间和中观一览空间应用为主，因而对增强现实系统的户外无标定图像注册能力提出了独特的要求。（二）自适应的户外图像注册一般增强现实系统在室内空间可以采用相机标定、高精度位置及姿态确定来实现虚拟信息和真实影像之间的精确匹配
6、，而在以户外应用为主的地理应用中，不需要预先相机标定、能够克服定位误差的自适应户外图像注册能力就显得特别重要。（三）空间数据库的支持地理增强现实所采用的虚拟信息均来源于空间数据库，其显示和分析处理是完整的地图数据处理任务，因此地理增强现实系统应该具备将多维空间信息与真实世界影像无缝融合显示的能力，同时还要能够获取、处理和分析空间数据，并将其显示在增强现实环境中。（四）地理增强现实应用模式地理增强现实服务于地理应用，因而具有独特的应用模式，也是地理增强现实上述特点的综合反映。四 地理增强现实的地图学意义地理增强现实的发展对于ICT时代的地图学具有划时代的重要意义。如果说地图的移动化实现了电子地图
7、的贴身化服务，那么地理增强现实技术支持下的地图服务会将地图融入用户的视野，用符号化的地图去增强用户对世界的观察能力，给用户装备上“千里眼”和“顺风耳”，特别是能够增强那些原本观察和感知不到的信息。（一）联系三元世界的新型地图三元世界是指真实世界、认知世界和数字世界。真实世界就是存在于我们周围的一切事物所构成的世界；认知世界是存在于用户大脑中的真实世界的认知模型，包括历史习得知识和即时认识结果；数字世界就是存在于数据库中的数字模型，是人类已知知识的数字表达。这三个世界是我们在地理应用场景中频繁涉及的领域，通常的地理任务是用户将看到的真实世界和数字世界加以对比分析，再与自己的认知世界已有的知识结构
8、相结合，获得新的结论，服务于空间相关决策活动。地理增强现实前所未有地将真实世界的活动影像与数据库的知识世界在无缝融合的基础上呈现给用户的视场，使得用户不仅能够观察真实世界，还能够在真实世界的影像上看到以空间位置为锚点的知识世界图像或精致视觉融合的虚实一体的增强图像，三个世界在用户的感知系统中连贯运用，大大提高用户的空间认知和决策能力。（二）嵌入真实的新型地图传统的数字地图是虚拟的，主要追求真实世界状态和过程在计算机中的完美表达。地理增强现实是一个数字地图新的使用环境，它重新关注真实世界，是在真实世界环境中为人提供嵌入的地图服务，一切符号化的数据最终都是叠加在真实世界影像上的。从地理虚拟现实到地
9、理增强现实，突出了地理信息服务从虚拟空间服务到虚实结合空间服务的转化，而移动用户所在的真实环境与相关数字世界的融合就是嵌入在真实世界中的新型地图服务模式。（三）新型的地图范式一般认为，不同的地图范式是对人的认知过程不同环节进行辅助的。大体上，认知的前半个过程如感觉和知觉系统主要是获取生动的、直观的物理刺激，从而为之后的认知过程提供素材。相对于思维过程中更需要以抽象图形和符号为基础的静态地图辅助工具，人在感知阶段更趋向于接受直观丰富的多维动态地图。地理增强现实系统正是一种辅助感觉和知觉两个认知过程的地图范式。这种新型地图范式的特点是以真实影像与视频为基础，以三维动态的方式表达，以描述室内空间或可
10、观察空间为主，追求移动过程中的免打扰服务，要求实时、自然的交互、处理与渲染过程。（四）移动中的地图服务地理增强现实提供的是一种全新的地图，一切都叠加在视觉影像上而非通常的纸媒上，移动中的地图服务是其重要特点。移动会导致场景的变化和服务需求的变化，同时也为传感设备提供新的感知对象和环境。即时感知、处理和渲染在移动中实现，并成为地理增强现实的服务内容。也就是说，虚拟和现实的结合，实现了远程数据库的历史知识与即时感知和处理得到的现实知识的融合，移动是其中的关键因素。（五）新的地图使用方式地理增强现实提供了空前的人机交互方式。首先，智能硬件本身就是传感器，能够实现位置、姿态、视觉、听觉、动觉、重力和光
11、的实时感应，越来越多的穿戴式移动设备可以感知人体本身，诸如智能眼镜、智能手表、电子腕带等能够对用户的眼动、虹膜、运动状态、手势、姿态直至血压、脉搏等进行实时感知，用户与智能硬件之间的紧密程度前所未有，用户在有意无意间都在与计算机进行多模式交互，人机交互体验良好。智能硬件的感知不仅可以产生理性的科学数据，也可以产生用户相关的感性数据，这些数据都满足大数据的特征，新型的人机关系是时空大数据的重要来源。（六）地图新内容地理增强现实地图的几何与日常空间紧密相关，这里影像和视频成为类似于传统地理基础底图的空间参考系统，远程主要是传统三维模型及相关数据库数据，智能硬件感知系统实时实地获取地理空间相关数据，
12、可以与远程数据库进行联合分析，也可以通过多用户数据的共享集成支持群集智能。同时，历史数据与预测数据作为虚拟数据的一部分，可以与真实影像相结合，使用户在真实场景中跨越时间限制，观察历史或未来的场景。多媒体和新媒体数据等任何其他来源数据也可以成为虚实融合显示的对象。（七）地图新型叠置地理增强现实的本质是一种新的叠置方式，即一切需要被看到的都可以叠加在真实世界影像上，因而产生了不同的几何、投影、符号、渲染和分析潜力。不仅视觉能够叠加，任何可以被传感器获取或从远程数据库调用的信息均能叠加显示。使不可见变得可见、使本不可感知的变得可见，这也是地理增强现实的独特作用。五 结论地理增强现实作为一种新型的地理信息服务技术，相较于传统的地图服务模式产生巨大的变化。受技术推动，地图的范式也面临提升的需求。尽管基于增强现实系统的地图范式不能代替所有的服务模式，但随着新型增强现实硬件的不断成熟和广泛应用，将符号化的空间信息以地图的方式嵌入用户视野中的真实场景，必然成为未来地图服务的重要方向。-全文完-
