CN111102974A - 基于手机用手绘地图照片实现导游的系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明是一种在手机GPS定位和保持基本地理关系的手绘地图照片之上实现粗粒度定位的导游系统和方法，其基本原理是在景区、园区、小区等小尺度上，假定照片地图由墨卡托投影制式地图的网格组成，通过参考点建立网格地图正北坐标系后，建立照片像素坐标与大地坐标的映射关系，从而实现GPS信号在照片地图上的定位。其基本步骤是1.手机正面拍照或网络搜寻取得当前区域的手绘地图2.通过参考点动态划分网格3在网格图片上建立正北照片导航坐标系4.通过照片导航坐标系与墨卡托坐标系的比例关系，最终实现照片像素坐标与GPS大地坐标的映射关系5.通过后端支持或用户自定义路线，拟合手机GPS后实现粗粒度的导游，并基于偏差修正网格，从而得到良好的导游体验。

Description

基于手机用手绘地图照片实现导游的系统和方法

技术领域：

本发明涉及手绘地图定位技术领域，特别是基于手机正面拍照或网络搜寻取得当前区域的手绘地图之上结合手机GPS定位的导游系统和方法。

背景技术：

电子地图导航技术在日常生活中应用十分普及，但是电子地图主要适用于城市主干道的导航需要，而对于面积较大的景区、园区、小区等内部道路的导游则是基本空白。一般这些面积较大的景区、园区、小区都会在入口及主要要点设立手绘导览图，然而，对于大部分人来说，要将导览图与自身所处方位联系起来，并能结合导览图完成区内导游是十分困难的。尽管有些景区会通过二维码提供定制的区内电子导航，但显然这只是很小的一部分景区，至于面积较大的园区、小区则是决不会有这样的服务。因此，能够直接基于手机以及拍照取得的照片进行定位导游将给人们带来极大的帮助，具有十分广阔的应用前景。

然而，现有技术基本上聚焦于不规则手绘地图上的定位，他们假定地图的正北方位、绘制制式等都是现成符合要求的，而且地图是整体比例变形的，因此，对于将一张手拍照片直接作为导航地图使用的技术基本无人涉及。

此外，不规则手绘地图的定位技术主要有：一种是将手绘地图与电子地图设定到同一比例尺，并基于几何关系进行重合，从而实现定位的方法(如参考专利文献CN201810606710)；一种是基于大量的现有参考数据，通过定位训练实现强制拟合，并通过训练结果来输出定位结果的方法(如参考专利文献 CN201210279018)。现有技术主要基于训练或标准配对实现地图定位，对于专业景区制作电子地图是有价值的，但对于普遍用户进入景区、园区、小区的即时性的导游需求是不够的。

普通用户进入一个未知区域，且电子地图无法提供帮助时，通常手机GPS和拍照功能都还是正常的，而一般在入口或要点地点，景区管理人员都会设立导览图，现在的人们一般会拍照留存并确定当前定位，但是走一段路之后还是会陷入迷途之中，直到下一个要点出现或得到他人帮助。如果能够基于现有条件(手机GPS、手拍地图、参考要点)即可实现导游(甚至可以没有手机信号、没有电子地图等)，这将给用户带来良好的体验，也符合大部分不做攻略的人们需求。

本发明的主要目的是对普遍用户进入电子地图中内部道路不明的景区、园区、小区，但能够从入口或要点拍照取得导览图的即时性导游需求提出解决方案，为攻略准备不足的普通用户提供仅通过手机GPS 信号和手拍地图的粗粒度导游帮助。

发明内容：

1.手拍照片导游的技术原理

地图绘制方式有很多种，比如高斯投影、墨卡托投影、勃兰特投影等，我们日常所使用的地图以及电子地图都是基于或可假定为墨卡托投影绘制。基于墨卡托投影原理，所有不同比例尺的地图都是同一区域的不同平行面，因此，任意两点的线段在不同比例尺地图上具有相同的比例关系，故而通过指定两个参考点在墨卡托坐标系的距离和正北照片导航坐标系的距离即可计算出该比例参数。由于坐标系平行变换、对称变换、旋转变换不会改变两点间距，因此，正北照片导航坐标系的两点距离等于图片像素坐标系的两点距离，比例参数等于图片像素坐标系的两点距离与墨卡托坐标系的两点距离的比值。

由此，手机GPS信号(大地经纬坐标)可以转换为墨卡托坐标，通过比例关系可以计算出正北导航坐标，只要实现正北照片导航坐标系与图片像素坐标系的转换即可实现大地经纬坐标系与图片像素坐标系的一一对应关系，实现点在两种坐标系下的相互转换。

景区、园区、小区等内部道路导览图由管理者制作，为了形象直观，一般会基于放置地图的不同地点而使用不同的方位绘制，并进行必要的美化变形，但是会保持基本的地理空间关系。普通用户拍照时只能做到尽可能地正面拍照，但多少会存在拍摄角度不同导致实物在照片上的倾角或深度问题。因此，手拍照片要用于导航，首先必须作必要的拍摄要求和地图变形一致性的假定，而最关键的是能够通过定位参考点判定照片地图上的正北方位，从而建立正北照片导航坐标系。

如图1所示，图1-1为两个参考点在墨卡托地图上的两种可能逻辑：将低纬度点定义为P1，则一种是 P1为原点的第一象限(如P2)，另一种是P1为原点的第二象限，如(P3)。图1-2、图1-3、图1-4、图1-5 分别为正北照片导航坐标系分别旋转0-90、90-180、180-270、270-360度后可重叠于图片P1为原点平移到图片左下角为原点的坐标系。

如图1所示，我们发现图片像素坐标系通过简单的对称变换、平移变换可以变换成图片P1为原点的图片坐标系，再通过旋转变换可以变换成照片导航坐标系，之后通过照片导航坐标系与墨卡托坐标系的比例关系，最终可实现图片像素坐标与大地经纬坐标的转换。

当然，由于手绘地图以及拍摄操作等不确定性，并不能确保整个照片都符合变形一致性，因此，合理的做法是确保每个参考点都是准确的，而我们通过参考点的分布对照片进行网格划分，在网格划分的图片上实现网格图片像素坐标系与大地经纬坐标系的转换，即我们通过用户游玩过程中确认的新参考点动态修正偏差。

由上所述，本发明的基本思路是：由手机正面拍照或网络搜寻取得图片，基于手机定位和用户当前位置或电子地图协助确定两个以上参考点，而这些参考点将图片划分为多个网格，在每个网格图片上，基于照片导航坐标系与墨卡托坐标系的同区域平行面关系，以及照片导航坐标系与图片像素坐标系的对称、平移、旋转关系实现坐标转换，再通过墨卡托坐标系与大地经纬坐标系的投影转换，从而实现手机定位在手拍照片上的定位和人为识别导游。

2.从图片像素坐标到大地经纬坐标的转换算法

基于本发明的技术原理，我们要实现图片像素坐标到大地经纬坐标的转换，关键点是两个：一是通过参考点计算同区域平行面上线段的比例值；二是通过参考点计算坐标系对称、平移、旋转过程的相关参数，其中坐标系对称、平移变换不难，而坐标系旋转变换也有现成的计算公式，关键是如何取得旋转变换需要的旋转角度，从而实现坐标系旋转变换以及照片的正北方位判定。

假定图片像素坐标系上两点P1(imgx，imgy)、P2(imgx，imgy)对应墨卡托坐标系上两点P1(mx，my)、 P2(mx，my)，由于图片导航坐标系由图片像素坐标系对称、平移、旋转变换而来，这些变换不会改变两点间距计算，因此：

图片导航坐标与墨卡托坐标的坐标转换比例参数＝Math.sqrt(Math.pow((imgx2-imgx1)，2)+ Math.pow((imgy2-imgy1)，2))/Math.sqrt(Math.pow((mx2-mx1)，2)+Math.pow((my2-my1)，2))。

对于旋转角度的计算，再次回到图1所示，本人增加定义如下：

图片夹角∠A：如图1-2、图1-3、图1-4、图1-5中所示在图片P1原点坐标系，两点线为边(P1P2/P1P3) 与图片X轴(与图片底边平行)所形成的夹角，取锐角。如图1-2中的∠4、∠6，其中tan∠ 4＝(Imgy2-Imgy1)/(Imgx2-Imgx1)，通过反正切函数可以计算出图片夹角值。

墨卡托夹角∠B：如图1-1中所示在墨卡托坐标系中，两点线为边(P1P2/P1P3)与X轴(正东)所形成的夹角，取锐角。如∠1、∠2，其中tan∠1＝(my2-my1)/(mx2-mx1)，通过反正切函数可以计算出墨卡托夹角值。

结合图1-2、图1-3、图1-4、图1-5中旋转角度与图片夹角∠A、墨卡托夹角∠B的函数关系如下：

1)如图1-2，墨卡托坐标系中，P2在P1原点坐标系的第一象限(MQ1)、图片左下角为原点的平行像素坐标系中，P2在P1原点坐标系的第一象限(IQ1)，旋转角∠1＝∠2＝图片夹角∠4-墨卡托夹角∠3。

2)如图1-2，墨卡托坐标系中，P3在P1原点坐标系的第二象限(MQ2)、图片左下角为原点平行像素坐标系中，P3在P1原点坐标系的第二象限(IQ2)，旋转角∠1＝∠2的对角＝墨卡托夹角∠5-图片夹角∠6。

如此类推，统计如表1所示：

表1旋转角与图片夹角、墨卡托夹角的函数关系

由此，图片像素坐标系上的一个点P(x，y)通过两个参考点即可实现与大地坐标系P(lng，lat)的转换：

1)归属网格：通过网格边界定义，确定P(x，y)所属的网格图片

2)对称变换：将图片左上角为原点向下坐标系转为图片左上角为原点向上坐标系的点

3)平移变换：通过图片高度，平移为图片左下角原点坐标系的点

4)平移变换：通过图片P1点坐标，转为网格P1原点坐标系的点

5)旋转变换：通过两个参考点预计算的旋转角和旋转坐标系的现成公式，转为图片P1原点导航坐标系上的点

6)同比变换：通过两个参考点预计算的比值，转为墨卡托P1坐标系的点

7)平移变换：通过墨卡托P1点坐标，转为墨卡托坐标系的点

8)投影变换：通过墨卡托坐标系与大地坐标系的投影变换现成公式，转为大地坐标系的点

大地坐标系的点转换为图片像素坐标系的点时，基于GPS点坐标及网格GPS边界定义确定归属网格，其他过程为上述过程的相反过程的反算实现。同时，在导游过程中，用户可以增加/删除参考点，以动态划分网格并在照片地图上基于新的参考点集重绘用户轨迹，从而得到更准确的导航体验。如图2所示，实际在墨卡托坐标系中的用户足迹在实际照片中的轨迹将有所差别，但会更符合用户认知。

3.手拍照片导游的拓展优化

基于手机GPS、手拍照片、参考点操作，在没有网络流量、互联网电子地图的情况下也可实现基本的粗粒度的照片导游。但是如果能够有网络支持，实际上可以优化照片导航的用户体验，我们认为有如下优化思路：

1)通过电子地图协助设置参考点：电子地图一般对主干道路的定位还是准确的，而景区、园区、小区与主干道路的交叉点本就是参考点的常规选择，因此，电子地图可用时，可以通过电子地图协助参考点定位。另外，通过GPS定位参考点只支持当前定位，多参考点设置是比较麻烦的过程，电子地图协助正好可简化这个过程。

2)后端系统推荐手拍地图：手拍照片的清晰、完整、角度、实物深度等地图质量对于导航效果是非常重要的，在有后端系统支持的情况下，可以通过用户当前定位推荐导航用照片。推荐的导航照片可以直接使用已有的参考点以及相关参数，对用户来说非常方便。

3)后端系统推荐导航路线：即使没有景区、园区、小区管理人员的支持，系统也可以基于不同用户的用户轨迹的聚类而实现路线推荐以及在特定景点的语音播报。当然，即使没有后端系统支持，只要在手拍地图上支持线路绘制，同样可以实现偏离报警。

4)用户轨迹在电子地图上实显：支持将用户轨迹转化为电子地图经纬坐标，显示到电子地图之上，以方便在电子地图上作为导航出发点或目的地或用于位置校验。

附图说明：

图1墨卡托坐标与图片像素坐标转换原理示意图

图2多网格划分定位的效果示意图

图3客户端手拍照片导游示意图

具体实施方式：

本发明的实施主要有两种实施版本，即离线版本和在线版本。离线版本仅需要实现离线客户端，而在线版本则需要客户端系统、手绘地图采集系统、后端导览支持系统、后端用户及地图存储系统组成。

离线版本：离线客户端可以APP或H5方式实现，通过手机拍照方式直接获取照片地图，并基于GPS 信号进行参考点设置，基于GPS信号进行实时导游。离线客户端支持照片地图的线路绘制，从而支持偏差报警。H5实现时，基于不同的浏览器取得的GPS坐标系可能是不同的，比如UC、百度、Firefox、360浏览器等返回的GPS坐标实际为火星坐标系(GCJ)，因此，需进行必要的转换。

在线版本：

●在线客户端系统：可以APP或H5方式实现，可以通过手机拍照方式取得照片地图，也可以选择系统推荐的景点地图，可以通过GPS信息设置参考点，也允许通过第三方电子地图设置参考点。用户基于GPS信号进行实时导游，在支持照片地图的线路绘制之外，可以选择后端的线路推荐。除支持偏差报警之外，可以在特定景点支持语音播报。另外，在线客户端支持实显功能，平滑对接电子地图的导航。

●手绘地图采集系统：通过技术采集或人工采集方式为热门景区定制景区导航地图、导航线图，也可以通过用户上传的手拍地图和用户轨迹进行聚类实现非常规或非热门景区、园区、小区的地图信息。

●后端导览支持系统：用于支持客户端系统的服务支持。

●后端用户及地图存储系统：由数据库组成，用于保存用户信息、照片地图、用户轨迹、导航线路等。存储系统由一个后台数据库组成。这里所述的数据库是一个泛指概念，代表各种格式的关系型数据库，而不局限于某种特定格式的数据库，可以选用商业数据库如DB2，Oracle，SQL Server 等，也可以选择免费的数据库如MySQL等。

基于照片地图的在线客户端用户导游效果如图3所示。其中以小区南北门为参考点，通过百度地图协助设置，长箭头为照片上基于照片导航坐标系标示的正北方位，折线为用户绘制的导航路线，小圆点为用户历史轨迹，圆箭头为用户当前位置。

Claims (5)

1.一种在手机GPS定位和保持基本地理关系的手绘地图照片之上实现粗粒度定位的导游系统和方法，其基本原理是由手机正面拍照或网络搜寻取得图片，基于手机定位和用户当前位置或电子地图协助确定两个以上参考点，而这些参考点将图片划分为多个网格，在每个网格图片上，基于照片导航坐标系与墨卡托坐标系的同区域平行面关系，以及照片导航坐标系与图片像素坐标系的对称、平移、旋转关系实现坐标转换，再通过墨卡托坐标系与大地经纬坐标系的投影转换，从而实现手机定位在手拍照片上的定位和人为识别导游。

2.基于权利要求1描述，图片像素坐标系上的一个点P(x，y)通过两个参考点转换为大地坐标系P(lng，lat)的过程为：

1)归属网格：通过网格边界定义，确定P(x，y)所属的网格图片

2)对称变换：将图片左上角为原点向下坐标系转为图片左上角为原点向上坐标系的点

3)平移变换：通过图片高度，平移为图片左下角原点坐标系的点

4)平移变换：通过图片P1点坐标，转为网格P1原点坐标系的点

5)旋转变换：通过两个参考点预计算的旋转角和旋转坐标系的现成公式，转为图片P1原点导航坐标系上的点

6)同比变换：通过两个参考点预计算的比值，转为墨卡托P1原点坐标系的点

7)平移变换：通过墨卡托P1点坐标，转为墨卡托坐标系的点

8)投影变换：通过墨卡托坐标系与大地坐标系的投影变换现成公式，转为大地坐标系的点

大地坐标系的点转换为图片像素坐标系的点时，基于GPS点坐标及网格GPS边界定义确定归属网格，其他过程为上述过程的相反过程的反算实现。

3.权利要求2中，假定图片像素坐标系上两点P1(imgx，imgy)、P2(imgx，imgy)对应墨卡托坐标系上两点P1(mx，my)、P2(mx，my)，由于图片导航坐标系由图片像素坐标系对称、平移、旋转变换而来，这些变换不会改变两点距离计算，因此，通过参考点预计算的比值＝Math.sqrt(Math.pow((imgx2-imgx1)，2)+Math.pow((imgy2-imgy1)，2))/Math.sqrt(Math.pow((mx2-mx1)，2)+Math.pow((my2-my1)，2))。

4.权利要求2中，通过两个参考点预计算的旋转角通过如下方法获得：

1)假定图片像素坐标系上两点P1(imgx，imgy)、P2(imgx，imgy)对应墨卡托坐标系上两点P1(mx，my)、P2(mx，my)；

2)定义图片夹角∠A为在图片P1原点坐标系中，两点线为边(P1P2)与图片X轴(与图片底边平行)所形成的夹角，取锐角，则tan∠A＝(Imgy2-Imgy1)/(Imgx2-Imgx1)，由此，通过反正切函数可以计算出图片夹角值；

3)定义墨卡托夹角∠B为在墨卡托坐标系中，两点线为边(P1P2)与X轴(正东)所形成的夹角，取锐角，则tan∠B＝(my2-my1)/(mx2-mx1)，由此，通过反正切函数可以计算出墨卡托夹角值；

4)则旋转角值基于位置象限的计算函数如下表所示：

表：旋转角与图片夹角、墨卡托夹角的函数关系。

5.权利要求1的方法可实现为离线版本和在线版本，并支持离线和在线的状态侦听和状态切换，离线版本用于保障景区手机信号不好情况下的基础性导游功能，而在线版本将进一步优化用户体验，主要优化特征有：

1)通过电子地图协助设置参考点：电子地图一般对主干道路的定位还是准确的，而景区、园区、小区与主干道路的交叉点本就是参考点的常规选择，因此，电子地图可用时，可以通过电子地图协助参考点定位；另外，通过GPS定位参考点只支持当前定位，多参考点设置是比较麻烦的过程，电子地图协助正好可简化这个过程；

2)后端系统推荐手拍地图：手拍照片的清晰、完整、角度、实物深度等地图质量对于导航效果是非常重要的，在有后端系统支持的情况下，可以通过用户当前定位推荐导航用照片；推荐的导航照片可以直接使用已有的参考点以及相关参数，对用户来说非常方便；

3)后端系统推荐导航路线：即使没有景区、园区、小区管理人员的支持，系统也可以基于不同用户的用户轨迹的聚类而实现路线推荐以及在特定景点的语音播报；当然，即使没有后端系统支持，只要在手拍地图上支持线路绘制，同样可以实现偏离报警；

4)用户轨迹在电子地图上实显：支持将用户轨迹转化为电子地图经纬坐标，显示到电子地图之上，以方便在电子地图上作为导航出发点或目的地或用于位置校验。

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