构建与学术的桥梁 拉近与威信的间隔
龚建华1,3, 李文航1, 张国永1,2, 申申1,2, 黄琳1,2, 孙麇1,3
1. 中国科学院遥感与数字地球研究所, 北京 100012;
2. 中国科学院大学, 北京 100049;
3. 浙江中科空间信息技能运用研发中央, 浙江 嘉兴 314199
收稿日期：2018-03-05；修回日期：2018-05-21
基金项目：国家自然科学基金（41371387；41571393）；装备发展部预研项目（315050501）；中国科学院计策性先导科技专项（A类）地球大数据科学工程（XDA19080101）
第一作者简介：龚建华(1965-), 男, 研究员, 研究方向为地理可视化与虚拟地理环境。E-mail:gongjh@radi.ac.cn
通信作者：李文航, E-mail：liwh@radi.ac.cn
择要：结合增强现实技能的发展，在虚拟地理环境发展的根本上，提出了“增强地理环境”的观点和虚实领悟框架；紧张研究了虚拟地理过程与三维打印模型沙盘领悟的关键打算与可视化技能，详细包括虚拟地理空间与现实地理空间的坐标匹配、遮挡处理等算法，并以学校失火人群疏散为案例，实现了人群疏散仿照虚实领悟的增强地理环境可视化原型系统。通过系统测试和职员体验调查统计剖析，证明了增强地理环境可视化技能的可行性和人群疏散仿照运用交互展示的创新性。
An Augmented Geographic Environment for Geo-process Visualization-A Case of Crowd Evacuation Simulation
GONG Jianhua1,3, LI Wenhang1, ZHANG Guoyong1,2, SHEN Shen1,2, HUANG Lin1,2, SUN Jun1,3
Abstract: Combining with the development of augmented reality (AR) technology, this paper proposed a conceptual framework about augmented geographic environment (AGE) based on the development of virtual geographic environments (VGE).Key computing and visualization technologies of the fusion of virtual geographic process and 3D printing realistic model, including the coordinate matching technology of virtual geospatial space and real geographical space and the technology of occlusion processing, are investigated.In the case of crowd evacuation, we implemented a prototype system for crowd evacuation simulation based on the AGE.Then we proved the novelty of the AGE by systematic testing and document investigation.We believe that the AGE is one of the future development of VGE.
Key words: augmented geographic environments virtual geographic environments augmented reality virtual reality crowd evacuation simulation visualization
虚拟地理环境(virtual geographic environments，VGE)从1997—1998年提出往后，经由近20年的发展，基本形成了比较系统的观点理论和方法技能体系[1-4]。随着2016年以来新一波消费级虚拟现实(virtual reality，VR)技能的发展，尤其是增强现实(augmented reality，AR)技能设备如HoloLens、智好手机iPhone X等的涌现，为虚拟地理环境的未来发展供应了全新的发展机遇[5-9]。AR技能能够同时可视化真实天下和虚拟天下中的信息，并将两种信息补充、叠加和领悟，从而达到超越现实的感官体验[10-15]。比较VR技能而言，AR可视化方法在适应现实、保留现实的根本上，能够实现选择性信息化增强[16-18]，在不雅观察交互虚拟信息的同时又能看到现实天下，不随意马虎产生晕眩，用户体验好，同时降落了技能运用的韶光本钱和制作本钱[7, 19-21]。早期的学者已经在AR结合GIS的可行性方面作了较为深入的磋商[22-23]，而对更高发展阶段的VGE而言，本文将结合AR技能，考虑虚拟地理环境与现实环境的相互虚实关系，提出并探索发展增强地理环境观点的可能性。
地理过程建模是虚拟地理环境建模中的一个主要内容[24]。人群仿照，既是研究微不雅观地理环境下人-地相互动态关系、人群生理和行为等的主要虚拟地理试验方法[25]，又对现实应急演习训练和安全教诲等具有主要的运用代价。人群疏散行为仿照，包括微不雅观地理场景建模、事宜建模、行为动力学过程建模及过程可视化等。本文则紧张谈论人群仿照数据的过程可视化技能。目前，人群仿照领域中有多种对人群行为的可视化办法，例如，将人表示成实心圆[26]、椭圆[27]或三角形[28]，但是该办法可以大略仿照出人的行为轨迹，但每每不足生动，不能知足人们对可视化效果的需求。随着三维建模、可视化与VR技能的发展，利用三维人物模型在三维虚拟场景中进行仿照成为人群仿照的主流可视化办法[29-30]。同时，三维打印技能与上述所说的AR技能发展，则给虚实叠加领悟的人群疏散可视化供应了一种新的可能办法。因此，本文首先提出增强地理环境的观点及理论框架，然后以人群疏散过程仿照为案例，探索增强地理环境中的虚实领悟及时空可视化方法。
1 增强地理环境观点与虚实领悟框架
增强地理环境(augmented geographic environ-ments，AGE)是虚实地理空间、虚实地理工具和虚实地理过程等集成领悟的人机交互环境(图 1)。现实地理环境和现实空间中的地理工具、地理过程经由相似性事理为根本的地理抽象，将现实天下数字化和地理事理、规律、准则等形式化，构建数值化、可感深交互的虚拟地理环境；并且在虚拟地理环境中，虚拟地理工具在虚拟地理模型为紧张驱动力的相互浸染下，以虚拟地理环境为空间边界，通过数值仿照、地理打算、真人虚拟参与等，形成虚拟地理过程。由于虚拟地理环境和现实环境在坐标系统、时空尺度、地理规律等具有相似性、匹配性和映射转换性，因此具有虚实领悟的内在数学根本。
图 1 增强地理环境观点框架Fig. 1 The conceptual framework of AGE
这里须要指出，领悟虚拟地理环境的现实地理环境目标载体可以有以下两种：一种载体是现实的“人”所生存的真实的地理环境，虚实领悟的过程便是将虚拟地理工具、虚拟地理过程映射到真实的建筑、地理环境中去，时空尺度上保持绝对同等，实现对现实地理环境、现实地理工具和现实地理过程的增强和补充；第二种载体可以是地理实体模型构成的地理空间与场景(即缩微的物理实体模型沙盘及其空间边界)，虚拟地理工具、虚拟地理过程等在时空尺度上再次经由缩放，实现与沙盘空间的领悟，构建增强地理环境。
增强地理环境中的虚拟地理环境和现实地理环境该当具有可协同交互性，首先应具有根本的视觉交互特性，即现实地理工具可以在视觉上遮挡虚拟地理工具，可以在现实空间感知、操控领悟在现实地理环境中的虚拟地理工具和虚拟地理过程，虚拟和现实在视觉上达到交互统一；其次，在未来的发展阶段，还该当达到信息的交互，即虚拟地理过程及其发展应能影响乃至改变现实地理过程和现实地理环境，而现实的地理环境、地理边界和地理过程也会对虚拟地理过程有所反馈和约束，二者实现信息层次的互动或掌握反馈。
这样，增强地理环境可以实现虚拟地理环境和现实地理环境的上风互补：一方面，现实地理环境可以展示更多的信息，对付不易呈现、涌现概率较低、乃至存在危险的地理过程，可以利用虚拟地理过程代替；另一方面，对付虚拟地理过程，则增加了现实的属性，成为可视乃至可触摸、可掌握操作的地理工具。
AGE与VGE的差异紧张是：VGE因此虚拟空间为载体，将现实的地理工具、现实的地理过程和现实的地理环境映射为相应的虚拟地理工具、虚拟地理过程、虚拟地理环境，并在虚拟空间中进行表达、交互和蜕变；而AGE的目标载体则是现实空间，它是将虚拟的地理工具、虚拟的地理过程乃至虚拟的地理环境以现实空间为载体、与现实的地理工具、现实的地理环境、乃至现实的地理过程进行领悟和集成。虚拟和现实关系在目前VGE的研究比较薄弱，存在着虚实割离或平行的问题；而AGE则将虚实重新联结和统一，是VGE大研究领域的一个主要发展方向。
AGE与增强现实的关系是，AGE在理念和技能上源于增强现实，是增强现实技能在地理学科中的运用和实践。AGE侧重于地理问题的表达和研究，须要结合地理理论和地理模型，或发展新的时空表达算法，实现对“人地关系”这一地理核心问题的仿照剖析研究。
2 虚实领悟过程可视化技能
图 1所示为增强地理环境的观点框架和方法整体思路，本文则在该框架思路的辅导下，选择三维打印的物理模型为目标载体，以人群疏散仿照为案例，磋商增强地理环境中过程可视化的关键技能和实现路径。
如图 2，本文以HoloLens增强现实眼镜作为显示和交互设备，综合利用AR识别码技能、HoloLens空间追踪技能、三维渲染掌握技能实现虚拟地理过程与现实空间位置匹配及空间遮挡关系表达。在技能流程上，首先利用设备摄像头扫描沙盘上的识别码，获取识别码在现实空间中位置坐标，并以该位置坐标作为空间锚点，将虚拟空间中工具及时空过程坐标转换为现实坐标，实现两个空间坐标系的坐标转换，完成虚拟场景和现实场景的位置初始化和空间关联；其次，虚实空间关联后，利用HoloLens设备的SLAM(simultaneous localization and mapping)功能进行实时位置追踪，确保虚实空间实时领悟。为担保虚实场景领悟时空间关系准确表达，空间关系打算采取空间掩膜技能和Shader渲染脚本技能，实现空间关系实时打算与可视化渲染表达。
图 2 系统技能路线Fig. 2 The technical framework of AGE system for crowd evacuation
2.1 虚实场景领悟的坐标系统转换匹配
虚拟过程存在于虚拟空间，现实物体存在于现实空间。通过增强现实设备的实时定位和构图技能，在视觉上实现两个空间领悟及显示。实在质是将虚拟空间坐标系转换为现实空间坐标系，实现两者位置精确匹配。虚拟空间坐标系是人为设定的笛卡儿天下坐标系，所有虚拟工具按照确定的坐标原点定位和布局。现实空间则根据空间表达的需求设计得当的坐标系。本文为实现对微不雅观场景的准确数学表达，采取与虚拟空间类坐标系似的笛卡儿三维直角坐标系，坐标系的原点为系统运行时增强现实设备所处的位置，对现实空间中工具的位置描述均以此坐标系为基准。
为实现虚拟与现实空间的转换，须要为虚拟空间坐标系统和现实空间坐标系统设计一春联系关系工具起到锚点的浸染，锚点以实体工具的形式存在于现实空间，以数字特色形式存在于虚拟空间，两者在空间尺寸上保持同等，构造如图 3所示。系统采取分外设计的二维码作为锚点，通过摄像头识别，摄像头拍摄到锚点后利用Vuforia AR引擎打算其与摄像头(HoloLens眼镜)的位置关系，然后与摄像头位置相加，打算出锚点在现实天下中的位置(Ox,Oy,Oz)。为简化坐标转化打算量，在虚拟空间中，锚点中央位置位于坐标原点。虚拟空间中工具在现实空间中位置打算过程如式(1)所示。
(1)
图 3 虚拟-现实坐标系转换Fig. 3 The coordinate system transformation between virtual and real spaces
式中，Ax、Ay、Az为虚拟工具在现实空间中的三维坐标；Ox、Oy、Oz表示锚点在现实空间中的位置；S为缩放系数，若现实锚点和虚拟锚点尺寸相同则为1；Px、Py、Pz为虚拟工具在虚拟空间坐标系中的位置。现实空间中模型水平放置，系统限定沙盘只能沿y轴在XOZ平面旋转，θ为沿y轴的旋转角度。经由坐标变革后，虚拟空间中的工具可以准确地叠加到现实空间中。
2.2 虚实工具与场景领悟的遮挡打算
虚拟空间和现实空间的领悟显示，不仅是将虚拟空间工具放置于精确的现实空间位置，更要担保其和现实空间的空间关系的精确性。本系统虚拟场景中烟、火殊效与建筑物之间的空间关系，室内人群与建筑的墙体、门窗之间的空间关系须要准确的可视化表达。担保空间关系精确的关键是处理虚拟空间工具和现实空间工具之间的遮挡关系。
实现精确的遮挡打算，须要对现实空间中工具精确识别与建模，对有镂空构造的实体工具，要精确刻画其镂空构造，考虑到增强现实硬件设备的打算和渲染能力，对空间遮挡进行二值化处理，分为遮挡和未遮挡两种状态。目前增强现实设备中以微软的HoloLens眼镜的综合性能最佳，通过SLAM技能，实现对环境的整体感知。
HoloLens空间重修技能是利用两个深度相机对环境进行三维重修，目的是利用空间构造的特色点实时打算眼镜在现实空间中的位置，而不是刻画现实工具精确的空间构造。对空间的框架性构造，比如桌面、书架等具有良好的重修能力，对建筑沙盘(14 cm×14 cm×6 cm)的小目标，整体构造和内部细节构造均无法重修。如图 4(c)显示的是三维打印沙盘及所处背景环境，图 4(d)反响的是由HoloLens三维重修的沙盘及其背景环境，图 4(c)和图 4(d)中相同颜色线框划定区域表示真实环境和三维重修模型的大致对应区域：A、A′分别表示三维打印建筑沙盘和三维重修的建筑沙盘构造；B、B′分别表示书架和三维重修的书架构造；C、C′分别表示电脑屏幕和三维重修的电脑屏幕构造；D、D′分别表示工位隔间框架和三维重修的工位隔间框架构造；E、E′分别表示衣柜和三维重修的衣柜构造。如A、A′所示建筑沙盘三维重修后只能显示为一个突出的几何构造，无法知足准确空间关系打算的需求。
图 4 三维打印沙盘及数字模型Fig. 4 The 3D printing building model and its source digital model
为实现虚实空间的精确遮挡关系打算，利用虚拟场景中静态工具的三维模型替代增强现实设备实时三维重修天生的环境模型，作为动态模型渲染的遮挡掩膜，比如建筑物墙体、围栏、树等环境模型，均可作为掩膜。掩膜作为虚拟场景渲染的赞助工具，在可视化过程中不进行网格渲染，仅保留其网格构造进行遮挡打算。遮挡打算的流程如图 5所示。掩膜的实现事理是通过Shader脚本掌握场景工具的渲染顺序和稠浊模式实现，被遮挡工具渲染序列为2002，掩膜渲染序列为2001，掩膜的稠浊模式设置为“Blend Zero One”。
图 5 空间遮挡渲染流程Fig. 5 The rendering process of space occlusion
2.3 虚拟过程与现实空间的稳定领悟技能
虚拟空间与现实空间通过识别码作为锚点建立坐标转换关系，经由坐标转换后，实现两个空间的初步领悟。由于摄像头识别间隔和角度限定，完成初步领悟后，设备位置追踪由HoloLens空间重修模块处理，其位置追踪紧张是利用空间几何构造进行位置解算，在小范围场景内由于几何构造相对大略，位置精度会随着设备移动产生较大累计偏差。
为实现虚实空间的稳定领悟，及时肃清因位置追踪导致的领悟抖动，本文设计了领悟偏差消减算法，紧张流程如图 6所示，通过实时监测领悟偏差，当偏差超越设定的阈值时，系统提示偏差超限，设备重新识别标识码，虚实空间位置重初始化。
图 6 领悟偏差减少流程Fig. 6 Error reduction process of mixing
3 增强地理环境原型系统及性能评测3.1 人群疏散增强地理环境原型系统
前期的研究中，实现了多层建筑中人群应急疏散过程的数值仿照与验证(篇幅所限，且人群仿照过程非本文重点，详细实现过程请参考文献[30])，这是一种范例的虚拟地理过程。在本文提出的增强地理环境观点框架和关键技能的支持下，以三维打印的三层传授教化楼模型为目标载体，本文实现了虚拟的人群应急疏散过程与现实地理空间的领悟，即面向人群疏散过程可视化的增强地理环境。详细实现时，首先依据三维虚拟的三层传授教化楼，通过三维打印构建出完备相同的实体模型沙盘，并作为虚实领悟的目标载体，然后将文献[30]中人群疏散仿照算法仿照出的时空轨迹，利用第3节中的关键技能将虚拟人群疏散人群、烟火殊效等虚拟工具与真实的三维打印传授教化楼沙盘进行领悟显示。
系统采取Unity引擎作为开拓环境，跨平台编译为Windows通用运用平台(Universal Windows Platform)运用，终极支配于HoloLens增强现实眼镜中。如图 7所示，系统启动后首先扫描模型上的识别码(图 7(a))，扫描成功后(图 7(b))，虚拟场景加载并与真实环境相领悟，系统运行过程中，可以表达精确的空间遮挡关系，虚拟工具之间的空间关系精确表达。包含三维打印沙盘以及化身人的虚拟疏散过程的增强地理环境。整体效果如图 7(c)所示，个中楼道处的区域的放大图，展示了建筑物和人之间的空间遮挡关系，人被墙体遮挡，但是透过窗户不雅观察到未被遮挡的部分。
图 7 系统运行截图Fig. 7 Screenshot of the AGE prototype
3.2 增强地理环境中虚实空间领悟的稳定性剖析
虚拟空间与现实空间的领悟分为两个过程：①通过摄像头扫描识别码，完成虚拟空间坐标系统原点初始化，将该坐标原点记为Porigin；②完成坐标初始化后，须要对HoloLens眼镜的位置进行实时追踪，追踪过程利用其内置的位置追踪模块完成。由于追踪过程的不稳定性，会造成Porigin位置偏移抖动，引起领悟偏差，继而影响可视化效果，因此，须要评测其稳定性。
Porigin的领悟偏差跟HoloLens眼镜与沙盘的间隔，眼镜移动速率干系。图 8(a)测试条件为识别标识码后，移动眼镜至识别范围外后保持相对静止，第1到150帧表示在识别范围内随着设备阔别沙盘，Porigin领悟偏差升高，直至超出摄像头识别范围后保持眼镜相对稳定，Porigin坚持在6 mm旁边颠簸，该阶段虚实空间位置匹配由HoloLens内置位置追踪模块供应。图 8(b)测试条件为以大约4.5°/s的角速率绕沙盘旋转，统计曲线显示HoloLens移动位置突变会引起Porigin较大幅度的颠簸，体验者可以觉得到明显的虚拟场景抖动。而且随着位移积累，Porigin领悟偏差升高。导致该征象的紧张缘故原由是沙盘背景几何构造大略，HoloLens的SLAM不敷以供应精确的位置参考。可以通过重新扫描识别码进行虚拟空间与现实空间坐标系重新匹配，降落由此产生的高偏差值，使偏差回到图 8(a)所显示的水平。
图 8 虚实空间领悟精度剖析Fig. 8 Test of the accuracy of the AGE
在虚拟场景渲染性能上，原型系统的目标运行设备HoloLens的CPU、RAM、GPU性能远低于普通的台式打算机性能，因此直接统计这类设备的性能不具备横向比拟的参考意义。故选取每秒帧率(frame per second，FPS)作为性能评价指标。通过获取系统运行期间的帧率数据，进行可视化剖析，形成如图 9所示的帧率分布曲线。系统启动后扫描识别码时，由于虚拟场景尚未加载，帧率坚持在25 FPS旁边。从第5秒旁边开始，虚拟场景载入，此时帧率坚持在15 FPS旁边。然而在实际利用过程中，通过问卷返回的结果反馈，系统体验流畅。紧张缘故原由是AR场景是将虚拟工具叠加到真实空间中，视野主体是现实空间。虚拟场景相对低帧率不会造成显著的渲染卡顿。
图 9 系统运行帧率变革曲线Fig. 9 The FPS curve when application is running
造成系统帧率偏低的缘故原由有两个：①系统须要通过摄像头实时扫描周边环境，进行虚实场景匹配领悟，须要耗费大量的打算资源；②系统中有100个虚拟人化身，每个人都有动作绑定，场景须要进行的渲染量巨大。
3.3 可视化原型系统用户体验与问卷统计剖析
基于上述研发的增强地理环境原型系统，本文共约请了29名用户(个中男性16名，女性13名)进行系统体验，并填写调查问卷。参与者年事区间为20~39岁，均为地理信息干系专业的学生和西席，对GIS、虚拟地理环境都有所理解，可以避免认知能力、知识构造等方面带来的偏差。样本数量能够知足t考验、方差剖析的哀求，样本分布能够代表该年事区间专业职员的均匀水平。调查问卷从可视化形式、真实感、沉浸感、系统运行效果、运行性能、交互办法、学习本钱这些方面设置10道打分题，题项的步距是5，个中1分、5分分别表示对该命题的极度否定和肯定，3分为没有明确态度的用户供应了一个中性点，同时也作为统计考验的基准点。
本文对网络到的调查问卷进行统计剖析，建立考验假设H0：各题项得分与基准分数相同，以α=0.05的显著性水平，利用单样本t考验和基准值进行比较，得到考验统计量。结果表明，参与者对10道题的打分均显著超过基准点，解释各题项所反响的原型系统效果和用户体验与基准点比较提升显著。为了考验年事、性别成分对增强地理环境原型系统的利用体验是否存在显著差异，本文对网络到的问卷数据进行分组统计考验。年事成分方面，为了使各年事组样本量大致靠近，本文把年事分为3段，即22岁以下、23—29岁、30岁以上，然后对3组数据进行独身只身分方差剖析。结果表明，各年事段样本均值在显著性水平0.05上均没有显著差异，解释在本文所选的样本条件下，年事成分对原型系统用户体验没有显著影响。性别成分方面，本文对性别分组问卷数据进行双样本同方差t考验，结果表明，不能谢绝性别分组均值相等的原假设H0，没有足够证据表明男女性别组样本均值在显著性水平0.05上有显著差异，解释在本文所选的样本条件下，性别成分在原型系统用户体验方面也没有显著差别。
结合调查问卷题意与数据剖析，可以得出以下结论：从系统效果与性能方面来看，原型系统可以流畅地运行，增强现实场景沉浸感较强，不雅观察与漫游等交互方便，并且随意马虎学习利用；从用户体验角度来看，物理模型上叠加展示虚拟疏散过程，是一种新颖的可视化形式，用户能觉得到虚拟疏散的人群在现实物理模型空间中活动；由于虚拟物体被现实物理模型的遮挡效果明显，用户可以感想熏染到传授教化楼模型内的逼真的疏散过程。但另一方面，调查问卷结果也反响出了原型系统的问题，如变换视角会涌现抖动或偏移等，这也为增强地理环境可视化的下一步事情提出了可以改进的方向。
4 结论与谈论
本文紧张研究了虚实领悟的增强地理环境的观点框架及实在现方法，并以学校失火人群疏散为例，证明了虚实领悟增强地理环境与过程可视化技能的可行性。本文的研究在理念上有以下创新：将虚拟地理工具和虚拟的地理过程从打算机空间中“移”出来，置于真实的地理空间中，使虚拟地理环境具有现实的属性；同时，现实的地理空间的信息容量也将被增强，不再是静止不变的工具，而是灵巧多变的“活”的环境；危险性的地理过程、低概率的地理过程可按需重现，可以成为地理问题研究、研讨的载体。在增强地理环境中，虚拟与现实重新得以统一，而这也代表了虚拟地理环境未来新的发展趋势。
须要解释的是，本文的研究将三维打印的物理实体模型作为研究环境存在，虚拟地理过程因此可视化领悟的办法接入物理实体模型，构成增强地理环境，而研究者也因此第三人称视角，即以不雅观察者的身份体验增强现实地理环境和增强地理过程。未来，增强地理环境进一步的研究包括：
(1) 发展第一人称视角的体验式增强地理环境，即以参与者位于的现实地理环境为研究环境，虚拟的地理数据和虚拟地理过程将以此为载体在可视化的层次上集成进入现实地理环境，由此构建出增强现实的地理环境，参与者将以第一人称的身份参与，实现对增强现实地理环境的体验和研究。
(2) 发展虚实过程交互性的增强地理环境，即虚拟地理过程、现实地理环境、现实地理过程之间实现能量和信息的交互，虚拟的地理过程将会影响(乃至改变)现实的地理环境，现实的地理过程也将影响虚拟的地理过程，在此根本上，实实际际地理环境和虚拟地理环境的真正领悟，虚拟与现实二者不再区分彼此，形成虚拟地理环境发展的高等阶段。
【引文格式】龚建华, 李文航, 张国永, 等. 增强地理环境中过程可视化方法——以人群疏散仿照为例. 测绘学报，2018，47(8)：1089-1097. DOI: 10.11947/j.AGCS.2018.20180111
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《测绘学报》2018年第8期网刊发布
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