CN105516584B - 全景影像采集系统、基于其的测量天际线的装置和方法 - Google Patents

Abstract

一种全景影像采集系统，以及基于其的测量城市天际线的装置和方法，创新性地对城市地理景观领域的天际线进行定量化摄像测量，目的在于以观察者为中心，定点定位并定量测量周边城市空间建筑物实体在人类视觉层面的360度城市天际线轮廓。该全景影像采集系统包括全景影像采集单元，用于采集360度全景静态或动态影像；移动支架，用于支撑所述全景影像采集单元；以及存储和/或数据发送单元，用于将所述全景影像采集单元采集到的影像进行存储或者发送到相配套的接收装置。本发明的装置和方法具有基站架设方便、成本低、精度高、速度快、数据采集便捷、可信度高等特点。

Description

全景影像采集系统、基于其的测量天际线的装置和方法

技术领域

本发明涉及数字摄影测量技术领域，更具体地涉及一种全景影像采集系统、基于其的测量天际线的装置和方法。

背景技术

城市天际线是以天空为背景的一幢或一组建筑物以及其他物体所构成的轮廓线，是三维城市形态叠加后的二维投影。城市天际线给人们展示了一幅广阔的天际景观(多数为可环顾四周的全景景观)，或由许多摩天大厦构成的局部景观。城市天际线作为现代城市形象的重要标识，是城市形态控制的主要标准之一。

现代城市规划中越来越重视城市天际线给人们留下的城市印象，同时也注重在保护古建筑物群时规避周边出现不协调的现代风格建筑物。但是，现有城市天际线的评价方式和标准多基于主观感性和传统美学，并无客观、精确的量化指标。目前，尚没有检索到针对城市天际线进行定量化测量，并形成完整处理思路的有关方法的专利申请。

仅有几篇参考文献描述了城市天际线观测的方法，且主要依赖于个别研究人员以自己为观察者，选择特殊的拍摄地点，通过配备长焦距镜头的单反数码相机来进行图像数据获取。然后利用相关图像处理软件绘制天际线和建筑立面图，依据立面图对天际线进行分析。这种方法所处的观察点不固定、拍摄角度不特定、拍摄参数不特定，其天际线提取的结果很难具有客观性、公正性和可重复性。还有更多以比较不同城市天际线的研究是利用来自于网络、杂志等媒介刊载的照片，从中选出公认的且出现最多的天际线照片作为基础图片进行评比(曹迎春和张玉坤，2013)。其最终的天际线定量化评估结果也因人而异，因照片而异。

一般来说，天际线是城市立体形态的投影，其获取方式涉及视看方向、视点高度和视距等因素，这些因素均会影响天际线形态。因此现有城市天际线获取方式很难提供客观、科学的评测信息。此外，一般的城市天际线定量化测量方法主要针对大尺度的城市天际线测量，通常在距城市特征建筑较远处进行监测，如：海面上、城市外围的开阔地等，这种立面图上的城市天际线不是基于城市观察者的真实视野，与真实环境中的实际观察效果有所不同。

随着我国城市化建设步伐的加快，仅依靠城市天际线研究人员和有关部门提供的天际线监测数据难以满足城市内小尺度天际线监测的要求。目前的城市天际线测量方法也只能完成单一方向的定点拍摄，无法完成对城市内多地区进行高分辨率360度全景图像天际线测量的要求，也无法完成城市内多视点、多方向的天际线并行监测且进行数据存储的要求。

近年来，全球范围内迅速发展并逐步流行的地面近景数字摄影技术，在对采集的离散图像或连续视频进行处理后，可在网络地图中建立起具有三维操纵能力的实景数据空间，提供了一种新型的时空信息组织形式。这种针对多点位、多方向的城市实景进行数据采集的方法无疑将为城市动态变化监测，城市规划和居民生活提供必要的参考及考量依据，也为城市天际线测量提供了技术铺垫。

在常规天际线评价指标中有一个重要的指标是曲折度。一般认为，天际线轮廓的曲折度高，观测者的认知愉悦感也较高(钮心毅和李凯克，2013)。从视觉影响角度分析，天际线轮廓是观测者视野中的一条连续折线，其曲折度可以用天际线轮廓的折线线形来衡量。由于现有方法中提取这种轮廓线的方法多为将基础照片导入AutoCAD软件，通过目视量测和解译，尽可能细地勾绘获得。由于不同照片拍摄参数不同、观察点位不同，这种方法不适用于不同城市、不同观测角度的多观测点天际线轮廓快速提取，尤其是大规模多点观测数据源的批处理。我国快速城市化过程中，急需快速获取城市不同地点的天际线轮廓特征，必须有一套集成度高、标准化程度高城市天际线评测系统。

发明内容

针对上述技术问题，本发明的主要目的在于提供一种基于360度全景影像系统定量化评测城市天际线的装置和方法。

为了实现上述目的，作为本发明的一个方面，本发明提供了一种全景影像采集系统，包括：

全景影像采集单元，用于采集360度全景静态或动态影像；

移动支架，用于支撑所述全景影像采集单元；以及

存储和/或数据发送单元，用于将所述全景影像采集单元采集到的影像进行存储或者发送到相配套的接收装置。

作为本发明的另一个方面，本发明还提供了一种测量城市天际线的方法，包括以下步骤：

步骤1，采集观测点处多个方位的静态影像，将所述静态影像输入软件系统，制作成观测点向上或对天观测形成的360度全景静态影像；

步骤2，以步骤1中获取的360度全景静态影像作为数据源，通过图像处理软件提取观测点处的城市天空面，获取城市构筑物与天空面交界处的边缘线及其锯齿图；

步骤3，将步骤2中划分出的中心球面与城市天空面以矢量数据格式导出，经图像处理软件处理，完成从城市天空面中提取出基于城市观察者视角的城市全景天际线。

其中，在步骤3中所述经图像处理软件处理的步骤进一步包括：

步骤31，计算中心球面与城市天空面的像元数量，利用图像分类软件中的类别像元计算工具，获取中心球面与城市天空面的像元数量；

步骤32，将划分出的中心球面与城市天空面以矢量数据格式导出，并加载到地理信息系统软件平台，利用其面转线工具将面要素转换为线要素，完成从城市天空面中提取出基于所述观察点的城市全景天际线。

步骤33，将所述中心球面转换后得到的观测点可视圆周与城市天际线导入到文件地理数据库中，自动计算所述观测点可视圆周与城市天际线的线要素长度。

作为本发明的再一个方面，本发明还提供了一种采用如上所述全景影像采集系统测量城市天际线的装置，所述装置还包括图像处理系统，用于对所述全景影像采集系统采集到的影像进行图像处理。

其中，所述图像处理系统中的软件执行如上所述的测量城市天际线的方法对影像进行图像处理。

基于上述技术方案可知，本发明的方法具备高时空分辨率、操作简便、低经济负荷、多点并行同时监测、集成度高、室外图像采集与室内图像处理一体化等特点。本发明的基站架设方便、成本低、精度高、速度快、数据采集便捷、可信度高。本发明基于360全景相机获取观测点周边静态全景照片，照片格式为通用的JPEG格式，便于使用图像处理软件处理；全景照片拍摄时的时间、文件大小等元数据信息非常明确。同时配合拍摄记录，可以完整地记录全景照片拍摄时地面十字丝所处的经纬度坐标，海拔高度，以及天气条件等。

附图说明

图1为本发明中采用的监测站的主要构件配置图；

图2为本发明的后期图像处理方法的流程图；

图3为PanoEye软件工作界面8个单摄像头的实景影像；

图4为PanoEye软件工作界面的360柱面投影图；

图5为本发明的基于360全景相机获取的观测点周边的全景照片；

图6为本发明基于遥感图像处理软件提取的天空面(及天空轮廓线)；

图7为中国科学院生态环境研究中心西门口天际线观测点的基础地理信息；

图8为中国科学院生态环境研究中心西门口天际线观测点的遥感影像图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。

本发明公开了一种全新的基于360度全景影像系统定量化评测城市天际线的方法，其技术领域按照国际专利分类表(IPC)应属于G01C11/00摄影测量学，但主要解决的问题应属于城市规划、城市设计或城市景观地理学。可以说，这是一套应用现代全景影像技术，摒弃传统方法中个人主观、随机布设或局部观察等缺陷，创新性地对城市地理景观领域的天际线进行客观、科学、全角度、定量化测量的完整技术方案。其主要依靠360度全景成像技术和面向对象的影像后期处理技术，同时加上采集过程中特殊技巧从而定量获取并评测城市天际线。

本发明的基于360度全景影像系统定量化评测城市天际线的方法包括以下步骤：

首先，建立一套快速获取城市不同观测点全景影像的软硬件体系。目前，多数360度全景图像照片的获取是使用在某一点拍摄的多幅实景图像，通过优异的算法拼接而成。本发明的方法基于360度全景影像系统获取观察点周围360度×180度范围内的城市建筑物信息。如图1所示，本发明的方法所涉及的硬件主要包括：由8个摄像头组成的360度全景摄影机1、气动升降杆式三脚架2、全景相机金属固定转接装置3(164mm)、130万像素1/2.5′CMOS传感器4、M5*50圆头十字螺丝5、1200mm全铝合金制桅杆6、五星胶木螺丝7、桅杆金属滑套8、金属锁紧定位套9、锁紧螺母10、铝合金制可伸缩底托支架11、220V转12V电源适配器12、室外太阳能应急供电系统13、移动终端14、图像处理服务器15、太阳能电池板16、3m长RJ45双绞线17、3m长RJ45双绞线母头18、3m长12V圆孔电源线19、Seagate STDR2000 2TB便携式移动硬盘20、可入地永久性金属十字丝21、激光测距仪22和本发明人自己编写的PanoEye软件23等。

如图1所示，上述23个部件组成了本发明的基于360度全景影像系统测量城市天际线的方法的基础硬件——监测基站，其具体配置方式为：

(1)设定待观测城市街区，选择适宜开展城市天际线观测的安全、稳定、开阔的观测点，之后将在该点设置可入地永久性金属十字丝21；

(2)在电子地图上提取观测点基础地理信息，或采用高精度GPS测量和记录该点地名、街道、经纬度、海拔高度等信息；

(3)将内置了8个130万像素1/2.5′CMOS传感器4的360度全景相机1的机身架设在特殊定制的气动升降杆式三脚架2上；

(4)通过连接处向外导出3m长RJ45双绞线17、3m长RJ45双绞线母头18、3m长12V圆孔电源线19，三条连接线自上而下穿过全景摄相机金属固定转换装置3的两个专用预置开孔；

(5)然后将8摄像头360度全景相机1由上而下垂直插入到全景相机金属固定转接装置3的母头中，并由三颗M5*50圆头十字螺丝5于全景相机金属固定转换装置3的侧面预留孔位进行旋入固定；

(6)将全景摄相机金属固定转换装置3的公头缓慢旋入到位于气动升降杆式三脚架2上端的母头中，插入完成后由三颗特制的大口径螺丝进行固定，完成后360度全景相机具备向上对天空展开观测拍摄的能力；

(7)在气动升降杆式三脚架2的安置过程中，首先需要调整五星胶木螺丝7来控制桅杆金属滑套8在1200mm全铝合金制桅杆6上进行上下调节，直到1200mm全铝合金制桅杆6最下端水平接地底托与地面完美接合为止。桅杆金属滑套8滑动的同时还要对相互呈120°夹角的三个铝合金制可伸缩底托支架11进行伸缩调节，以使三个可伸缩底托支架11和1200mm全铝合金制桅杆6最下端水平接地底托在同一水平面上；

(8)保证8摄像头360度全景相机1最上方摄像头拍摄方向基线的反向延长线与地面垂直，旋转金属锁紧定位套9和锁紧螺母10对三个铝合金制可伸缩底托支架11的长度进行固定，然后将3颗20cm长可入地钢钉21穿过铝合金制可伸缩底托支架11的预留开孔打入地面进行最终固定；

(9)采用激光测距仪调整气动升降杆式三脚架3，使360度全景相机中对天的第8个镜头据观测点可入地永久性金属十字丝21的垂直距离为1500mm(既定观测高度，接近一般人体视觉高度)；

(10)8摄像头360度全景相机1使用220V转12V电源适配器12并由室外太阳能应急供电系统13进行供电。室外太阳能应急供电系统13是一套包括多种供电输出插口、可以使用220V交流电进行快速充电、可以依靠可折叠式太阳能电池板16进行室外充电的供电设备；将全景相机的3m长12V圆孔电源线19和220V转12V电源适配器12以及室外太阳能应急供电系统13串联以后，全景相机即可进入到工作状态；此时将3m长RJ45双绞线母头18通过双水晶头RJ45双绞线17与移动终端14进行连接；

(11)启动PanoEye软件23进行360度全景天际线图像采集工作，将数据接收到移动终端14中，在大规模数据采集过程中，将移动终端14的USB口连接外设Seagate STDR20002TB便携式移动硬盘22进行数据保存及备份。

(12)全景图像采集软件PanoEye具有10种数据显示方式以及3种图像显示配置。显示配置包括PTZ(PanTiltZoom)投影、柱面投影、以及原始图像三种(如图2，3)。全景图像采集软件中截取图像的默认按键为空格键，保存图像的物理路径为“C：\Program Files\PanoEye\pic”。获取的360度全景照片格式为通用的JPEG格式，具有Red(红)、Green(绿)、Blue(蓝)三个光谱波段，便于使用图像处理软件处理。

(13)从视觉影响角度分析，天际线轮廓是观测者视野中的一条连续折线，是城市建筑群和与天空相遇的界线。因此，本发明的软件系统使用面向对象的图像分类软件，对监测站点所获取的JPEG格式全景照片进行信息处理，以提取城市天际线。所采用软件主要包括：面向对象的图像分类软件和地理信息系统软件，其中主要包含后续6步操作。

(14)确认照片适宜分割尺度。在不同尺度下采用多尺度分割方法对城市全景图像进行分割。基于不同物体边界是否分割明确来评判分割效果并确定适宜分割尺度。

(15)提取全景照片中心球面。通过分析适宜尺度下分割得到的各斑块对象在Red(红)、Green(绿)、Blue(蓝)三波段的光谱值差异及亮度值差异，利用赋值运算将色彩单一、亮度较暗的照片背景同包含丰富信息的中心球面区分开。

(16)从中心球面提取城市天空面。基于三波段光谱值差异，选取或构建易于区分天空面与周边建筑、树木等物体的光谱指数。通过试验确定不同物体的斑块对象在各光谱指数的数值区间，进而确定各指数阈值，通过赋值运算完成城市天空面的划分。

(17)计算中心球面与城市天空面的像元数量。利用图像分类软件中的类别像元计算工具，获取中心球面与城市天空面的像元数量。

(18)提取城市天际线。将划分出的中心球面与城市天空面以矢量数据格式导出，并加载到地理信息系统软件平台中。然后利用其面转线工具将面要素转换为线要素，完成从城市天空面中提取出基于城市观察者视角的城市全景天际线。

(19)计算观测点可视圆周与城市天际线的长度。将中心球面转换后得到的观测点可视圆周与城市天际线导入到File Geodatabase(文件地理数据库)中，即可自动计算线要素长度。将所提取得天际线折线长度与可视圆周长的视为曲折度，作为衡量天际线的最终指标。

其中，利用地理信息系统软件平台的栅格数据转矢量数据功能、几何信息分析计算能力，从城市天空面栅格数据中提取出基于城市观察者视角的城市全景天际线，计算该天际线与全景视窗所形成的可视圆周长之比，作为定量化评价观察点天际线质量的曲折度参数。

本发明的方法中进行后期图像技术处理的伪代码如下：

BEGIN

输入全景图像

设定分割尺度

执行分割

if结果满意：

执行下一步

else：

重新选择分割尺度执行分割

设定分类规则

执行分类

if结果满意：

执行下一步

else：

重新设定分类规则执行分类

提取城市天空面

执行面转线

输出城市天际线

END

实际案例：

利用本技术方案对中国科学院生态环境研究中心西门口的天际线进行了定量化分析。该点东侧为成熟的科研办公用地，西侧为待开发建设用地，一条近南北方向的道路从该点西侧，详细基础地理信息见图6。在图7中黄色标识点位设置观测点、拍摄其全景照片，并进行天际线信息提取分析。得出该观察点中心球面的像元数量是281032个，天空面的像元数量是161384个，所以在这张图片中天空的面积比例为57.43％。天际线曲折线长度是4608的单位，观测点可视圆周长是2506的单位，比值为1.839，则该观测点城市天际线指数为1.839。

基于案例的技术要点

需要工作人员3人，移动电源续航能力60分钟。因此，工作时间需预计在约30分钟内，含(1)布设观测点10分钟；(2)实际量测10分钟；(3)解除状态10分钟。通过实践研究认为基于360度全景影像系统的城市天际线观测与量化指标提取应遵从以下规则：

基于天际线图像采集的基本原则，360度全景影像系统城市天际线监测站不应布设在高大建筑物和茂密树冠的底部，也不应布设在其他类似的非透过性遮挡实体的周围2m范围以内，同时应避免将监测基站架设在大功率无线电发射源附近，如信号发射塔、高压输电线路附近等；

基于360度全景影像系统城市天际线监测的现实需求，监测站应布设在周围有标志性建筑的开阔广场或者360度全景天际线具有科考意义的地点；

基于360度全景影像系统城市天际线监测站需要多次移动、长期重复监测的现实需求，监测站应布设在便于到达、维护、检查和地面水平的点位，以保障360度全景影像系统城市天际线监测站有效地进行天际线数据采集；

基于360度全景影像系统城市天际线监测站可能需要长时间在户外进行监测的现实需求，监测站应尽可能布设在日照条件较好的点位，以保障太阳能电池板有充足的阳光照射，防止室外太阳能应急供电系统(15)由于电力不足导致全景摄像系统无法工作；

基于户外天气等可能随时变化的原因，需要对360度全景影像系统城市天际线监测站提供防水保护措施；

基于360全景相机获取的观测点周边的静态全景照片如图4，照片格式为通用的JPEG格式，便于使用图像处理软件处理。全景照片拍摄时的时间、文件大小等元数据信息非常明确。同时配合拍摄记录，可以完整地记录全景照片拍摄时地面十字丝所处的经纬度坐标、海拔高度，以及天气条件等。

以上所述的具体实施案例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种测量城市天际线的方法，包括以下步骤：

步骤1，采集观测点处多个方位的静态影像，将所述静态影像输入全景图像采集软件，制作成观测点向上或对天观测形成的360度全景静态影像；

步骤2，以步骤1中获取的360度全景静态影像作为数据源，提取观测点处的中心球面与城市天空面，具体为，在不同尺度下采用多尺度分割方法对获取的360度全景静态影像进行分割，基于不同物体边界是否分割明确来评判分割效果并确定适宜分割尺度，通过分析适宜尺度下分割得到的各斑块对象在红、绿、蓝三波段的光谱值差异及亮度值差异，利用赋值运算将色彩单一、亮度较暗的360度全景静态影像照片背景同包含丰富信息的中心球面区分开，并基于三波段光谱值差异，选取或构建光谱指数，通过试验确定不同物体的斑块对象在各光谱指数的数值区间，进而确定各指数阈值，通过赋值运算完成城市天空面的划分；

步骤3，获取城市构筑物与天空面交界处的边缘线及其锯齿图，具体为，将步骤2中划分出的中心球面与城市天空面以矢量数据格式导出，并加载到地理信息系统软件平台中，然后利用面转线工具完成从城市天空面中提取出基于城市观察者视角的城市全景天际线。

2.如权利要求1所述的测量城市天际线的方法，其特征在于，在步骤3中还包括利用地理信息系统软件平台的栅格数据转矢量数据功能、几何信息分析计算能力，从城市天空面栅格数据中提取出基于城市观察者视角的城市全景天际线，计算该天际线与全景视窗所形成的可视圆周长之比，作为定量化评价观察点天际线质量的曲折度参数的步骤。

3.如权利要求1所述的测量城市天际线的方法，其特征在于，步骤3进一步包括：

步骤31，计算中心球面与城市天空面的像元数量，利用图像分类软件中的类别像元计算工具，获取中心球面与城市天空面的像元数量；

步骤32，将划分出的中心球面与城市天空面以矢量数据格式导出，并加载到地理信息系统软件平台，利用其面转线工具将面要素转换为线要素，完成从城市天空面中提取出基于所述观测点处的城市全景天际线。

4.如权利要求3所述的测量城市天际线的方法，其特征在于，在步骤32之后还包括：

步骤33，将所述中心球面转换后得到的观测点可视圆周与城市天际线导入到文件地理数据库中，自动计算所述观测点可视圆周与城市天际线的线要素长度。

5.一种测量城市天际线的系统，其特征在于，包括：

全景影像采集装置，所述全景影像采集装置具体包括：

全景影像采集单元，用于采集360度全景静态或动态影像；

移动支架，用于支撑所述全景影像采集单元；

存储和/或数据发送单元，用于将所述全景影像采集单元采集到的影像进行存储或者发送到相配套的接收装置；以及

图像处理系统，用于采用如权利要求1～4任一项所述的测量城市天际线的方法对所述全景影像采集装置采集到的影像进行图像处理。

6.如权利要求5所述的测量城市天际线的系统，其特征在于，所述全景影像采集单元包括8个摄像头组成360度全景相机。

7.如权利要求5所述的测量城市天际线的系统，其特征在于，所述移动支架采用气动升降杆式三脚架。

8.如权利要求5所述的测量城市天际线的系统，其特征在于，所述全景影像采集装置还包括GPS测量单元和/或激光测距仪。