基于用户视野的地理信息导航系统

1.一种基于用户视野的地理信息导航系统，其特征在于，系统分为数据中心服务器、导航处理模块和多平台客户端三部分；
所述数据中心服务器，负责进行数据搜集和存储，包括GIS数据采集模块、GIS数据存储与缓存模块和用户模块；其中，所述GIS数据采集模块负责在互联网上收集各种地理信息数据源提供的地理信息原始数据，并将其转换为系统内的中间格式，最终形成能够直接供系统内其他部分直接使用的地理信息数据格式；所述GIS数据存储与缓存模块，用于统一存储地理信息、地理相关信息、用户数据；所述用户模块，存储了系统中重要的用户数据，同时提供用户的管理、用户信息的保密；
所述导航处理模块，负责获取用户位置、姿态信息，并进行数据输出的运算，包括用户姿态采集模块、虚拟信息叠加显示模块和导航模块；其中，所述用户姿态采集模块，通过GPS、电子罗盘、地磁传感器获取设备所处的定位、方向以及俯仰角，使设备具有感知位置与姿态，即用户视野范围的能力；所述虚拟信息叠加显示模块，用于从所述数据中心服务器获取用户视野当中的GIS数据，将所述GIS数据内的建筑物信息、与当前从摄像头采集的地理位置图像信息合成，并按照所述导航模块的数据类型显示设置、关键词设置，显示给用户；
所述导航模块，用于检索特定目标信息并提供导航指示信息；
多平台客户端用于与用户进行信息交互。

基于用户视野的地理信息导航系统\n技术领域\n[0001] 本发明涉及导航系统，特别是指一种基于用户视野的地理信息导航系统。\n背景技术\n[0002] 目前的导航系统，应用产品主要包括个人导航设备、电子地图以及各种专门信息网站，如餐饮评价类网站等。随着互联网的普及，各种导航设备可接入互联网，并上传或下载电子数据。\n[0003] 目前应用导航的电子产品，如装有电子地图的手机、计算机、汽车导航等产品，这些产品不同程度存在着信息集成度低、使用体验不便等问题。例如，在电子地图中，只能访问地理信息，而针对电子地图中的地点相关的其他信息(如地点提供的服务、景点照片等)集成度均不高。此外，移动导航类产品只提供单一导航信息，即在导航时显示相关信息，无法按照用户的当前位置，进行其他主要活动时即时提供需要的信息，显示相关的信息，如果用户希望获取扩展信息，需要终止导航单独操作，或需要借助其他设备，通过互联网获取相关信息。这种使用体验无法满足用户需要及时获取信息的需求。\n[0004] 现有的导航系统无法实现信息的即时筛选与呈现，需要用户输入查询条件才能筛选出用户可能需要的信息，而不能根据用户当前所处的方位自动筛选出这些信息并显示给用户。\n发明内容\n[0005] 有鉴于此，本发明在于提供一种基于用户视野的地理信息导航系统，以解决上述不能根据用户当前所处的方位自动筛选出这些信息的问题。\n[0006] 为解决上述问题，本发明提供一种基于用户视野的地理信息导航系统，系统能够自动感知用户的所处位置以及朝向，通过GIS系统的信息数据，将互联网上用户可能需要的信息经过筛选、整合，实时的显示在设备屏幕的视野中；或者将位置、景物信息以语音形式进行告知使用者。\n[0007] 系统分为数据中心服务器、导航处理模块与多平台客户端三部分。\n[0008] 所述数据中心服务器包括：GIS数据采集模块、GIS数据存储与缓存模块和用户模块；\n[0009] 所述GIS数据采集模块，负责在互联网上收集各种地理信息数据源提供的地理信息原始数据，并将其转换为系统内的中间格式，最终形成能够直接供系统内其他部分直接使用的地理信息数据格式。\n[0010] 所述GIS数据存储与缓存模块，用于统一存储地理信息、地理相关信息、用户数据；\n[0011] 所述用户模块，存储了系统中重要的用户数据，同时提供了用户的管理、用户信息的保密等逻辑。\n[0012] 所述导航处理模块包括：用户姿态采集模块、虚拟信息叠加显示模块与导航模块；\n[0013] 所述用户姿态采集模块，通过GPS、电子罗盘、地磁传感器获取设备所处的定位、方向以及俯仰角，使设备具有感知位置与姿态，即用户视野范围的能力。\n[0014] 所述虚拟信息叠加显示模块，用于从所述数据中心服务器获取用户视野当中的GIS数据，将所述GIS数据内的建筑物信息、与当前从摄像头采集的地理位置图像信息合成，并按照所述导航模块的数据类型显示设置、关键词设置，显示给用户。\n[0015] 所述导航模块，用于检索特定目标信息并提供导航指示信息。\n[0016] 上面详细说明了本发明的系统，本发明的系统具有如下优点：\n[0017] 用户能够实时的获得与所处环境相关的信息，不需或只需很少输入，系统便能够自动筛选出用户可能需要的信息；\n[0018] 用户获得信息的方式直接高效，信息被直接叠加显示在用户的视野中，用户不需要改变关注的物体便能获取相关的信息；\n[0019] 可扩展性较高，能够方便的扩展信息的来源、种类。\n[0020] 使用GPS采集用户所处的经纬度信息，作为获取GIS信息的定位数据；\n[0021] 通过GIS系统获取用户当前位置周边地理、建筑、设施等信息数据；\n[0022] 通过电子罗盘和地磁传感器数据计算出当前用户朝向视野范围，并根据用户视野范围筛选地理信息数据，并在互联网上自动获取相关信息，包括地理信息扩展数据、建筑物信息、商业数据、相关图片乃至视频等；\n[0023] 将用户视野中的景物相关信息及导航信息直接通过空间投影计算，叠加显示在设备屏幕视野上，使用户能够直观高效的获知这些信息；\n[0024] 如果处于语音模式下，设备还可以自动根据用户视野语音告知位置、视野范围内建筑数据信息。\n附图说明\n[0025] 图1是实施例中的系统结构图；\n[0026] 图2是实施例中的图像转换示意图；\n[0027] 图3是实施例中的系统结构层的示意图；\n[0028] 图4是实施例中的系统架构图；\n[0029] 图5是实施例中的系统的数据处理示意图；\n[0030] 图6是实施例中的服务器内各个模块处理数据的逻辑图；\n[0031] 图7是实施例中的客户端内各个模块处理数据的逻辑图。\n具体实施方式\n[0032] 为清楚说明本发明中的方案，下面给出优选的实施例并结合附图详细说明。\n[0033] 参见图1，本发明的系统主要包括GIS数据采集模块、GIS数据存储与缓存模块、用户模块、用户姿态采集模块、虚拟信息叠加显示模块与导航模块组成。\n[0034] 这些模块分别集成在数据中心服务器、导航处理模块内，也可以部分集成在移动客户端内。例如，将GIS数据采集模块、GIS数据存储与缓存模块、用户模块集成在数据中心服务器中，将用户姿态采集模块、虚拟信息叠加显示模块与导航模块集成在导航处理模块中。下面详细说明各个模块的功能。\n[0035] 1、GIS数据采集模块\n[0036] GIS数据采集模块主要负责在互联网上收集各种地理信息数据源提供的地理信息原始数据，并将其转换为系统内的中间格式，经过整理、合并冗余地标点、转换地球坐标与大地坐标等一系列操作，最终形成能够直接供系统内其他部分直接使用的地理信息数据格式。\n[0037] GIS数据采集模块同时也负责在互联网上抓取地理相关数据，例如包括从Panoramio获取的图片信息以及从视频网站获取的视频信息，模块负责将这些数据采集并进行归类，缓存在GIS数据存储与缓存模块中，最终形成能够根据用户当前位置进行检索的地理相关数据。\n[0038] 2、GIS数据存储与缓存模块\n[0039] GIS数据存储与缓存模块主要提供了系统中的地理信息、地理相关信息、用户数据等重要数据的存储系统，并且根据系统实际使用的统计，有针对性的设计了高效的缓存系统。\n[0040] 为了与地理信息的特点及本系统使用的中间格式的特点相匹配，在设计和实现GIS数据存储部分的数据库结构时，应用了大量的数据库关系/键来强制维护数据的完整性与准确性，并且大量应用了数据库级持久化缓存与内存中的临时缓存来提高系统整体的性能，也为系统的扩展与维护提供了良好的数据基础。\n[0041] 由于地理相关数据的来源较多，各种不同的地理相关数据的数据项数量、意义也各不相同，因此，在系统中为不同的地理相关数据(如视频、图片)等设计了不同的存储结构，综合使用了数据库存储相关数据结构、关键元数据，而使用磁盘文件系统存储真正的地理相关数据实体，便于存储空间的扩展与维护。\n[0042] 3、用户模块\n[0043] 用户模块存储了系统中重要的用户数据，同时提供了用户的管理、用户信息的保密等逻辑，以及系统的数据，用于控制其它各个模块运行的软件。为了便于系统此后的扩展与二次开发，因此用户模块的大部分功能都额外提供了Web Service作为第二种应用手段。\n[0044] 在本系统中，用户的所处位置信息会实时与系统数据服务器交互，而且由于提供了根据用户位置与日程表中任务智能对用户路线做出建议的位置智能功能，用户模块承载的数据量、数据加密的重要性等都是需要考虑的因素。\n[0045] 4、用户姿态采集模块\n[0046] 位置与姿态感知模块获取设备所处的位置、方向以及俯仰角以确定当前视野内的建筑物，通过蓝牙与客户端通信，使客户端具有感知位置与姿态的能力。\n[0047] 位置与姿态感知设备由GPS模块、电子罗盘模块等组合而成。各设备高度集成，通过蓝牙或串口与客户端统一通信。根据搭载客户端的平台不同，可以选择部分客户端原有的设备(如GPS)以降低设备成本。\n[0048] 5、虚拟信息叠加显示模块\n[0049] 客户端收集位置与姿态感知设备(用户姿态采集模块中的电子罗盘)的数据，提交给服务器，请求到当前视野内的信息，经过计算后与摄像头采集的当前视野内影像叠加显示。随着摄像头的移动，实时更新显示的信息，达到将虚拟世界的信息与真实环境无缝连接的目的。\n[0050] 在用户屏幕上的每一个建筑节点，都叠加显示了相关的地理信息，包括建筑物名称、照片、简介等，并在此节点周围列出与此建筑有关的其他相关检索词以供用户进一步检索信息。这种直接在用户视野中叠加虚拟信息的方式，大大提高了信息显示的效率与准确度。\n[0051] 6、导航模块\n[0052] 在导航模块中，本系统提供了周围建筑物分类检索，用户可以选择类别(如娱乐，食物，健身等)进行查询。如果列出的分类不能满足用户的需求，则可以进行关键字检索，检索的结果按距离进行排序，在屏幕旁边的列表中标出，在场景中以箭头的方式指向最近的目的地，随着位置的改变，箭头的位置也会随时更新。\n[0053] 在导航模块的位置智能功能中，添加的任务不但具有时间属性，还具有空间和任务类型属性。如用户设定需要在某个时间段取款，在时间段内，位置智能模块会在用户经过取款机附近时提醒用户取款。位置智能模块设定的任务可以在用户的多个客户端中同步，以保证任务完成。\n[0054] 通过图1中数据中心服务器、导航处理模块和移动客户端，可实现实时导航，由用户姿态采集模块中的GPS模块获取当前的位置坐标，再通过用户姿态采集模块中的电子罗盘和地磁传感器的数据计算出当前用户朝向视野范围，并根据用户视野范围筛选存储的地理信息数据，并在互联网上自动获取相关信息，包括地理信息扩展数据、建筑物信息、商业数据、相关图片乃至视频等。\n[0055] 下面通过实施例详细说明各个模块之间的数据处理关系。\n[0056] 虚拟信息叠加显示模块将叠加后的图像数据实时显示给用户，这些图像数据，来自于GIS数据采集模块、GIS数据存储与缓存模块，GIS数据存储与缓存模块用于保存每个GPS坐标点下的周围的建筑物信息，GIS数据采集模块用于从互联网上搜索当前GPS坐标点下的数据，并提供给虚拟信息叠加显示模块。虚拟信息叠加显示模块还可连接摄像头或照相机，采集实景图像。\n[0057] 导航模块用于按照用户的设置或检索关键词，从GIS数据采集模块、GIS数据存储与缓存模块中提取相关的地理位置数据，并控制虚拟信息叠加显示模块显示相应的地理位置数据。\n[0058] 用户在启动导航系统后，由用户姿态采集模块获取当前的坐标位置和当前的位置朝向后，由虚拟信息叠加显示模块将地理信息实时的与用户位置朝向的视野信息相叠加，如用户朝向的各种建筑物信息、周围的建筑物信息，用户的视野可以通过相机模拟，通过计算机图形学中最基本的三维变换，即几何变换、投影变换、裁剪变换、视口变换，可以将三维空间中的地理位置投影成为用户眼中的平面坐标。\n[0059] 在现实世界中，所有的物体都具有三维特征，但计算机本身只能处理数字，显示二维的图形，将三维物体及二维数据联系在一起的唯一纽带就是坐标。\n[0060] 为了使被显示的三维物体数字化，要在被显示的物体所在的空间中定义一个坐标系。这个坐标系的长度单位和坐标轴的方向要适合对被显示物体的描述，这个坐标系称为世界坐标系。世界坐标系是始终固定不变的。\n[0061] 计算机对数字化的显示物体作了加工处理后，要在图形显示器上显示，这就要在图形显示器屏幕上定义一个二维直角坐标系，这个坐标系称为屏幕坐标系。这个坐标系坐标轴的方向通常取成平行于屏幕的边缘，坐标原点取在左下角，长度单位常取成一个象素。\n[0062] 为了将三维坐标转换为二维的屏幕坐标，虚拟信息叠加显示模块需要以下几种变换：\n[0063] 视点变换\n[0064] 视点变换确定了场景中物体的视点位置和方向，类比相机的拍摄过程的话，它像是在场景中放置了一架照相机，让相机对准要拍摄的物体。缺省时，相机(即视点)定位在坐标系的原点(相机初始方向都指向Z负轴)，它同物体模型的缺省位置是一致的，显然，如果不进行视点变换，相机和物体是重叠在一起的。\n[0065] 执行视点变换的命令和执行模型转换的命令是相同的，在用相机拍摄物体时，我们可以保持物体的位置不动，而将相机移离物体，这就相当于视点变换；另外，我们也可以保持相机的固定位置，将物体移离相机，这就相当于模型转换。这样，三维部分编程实现中，以逆时针旋转物体就相当于以顺时针旋转相机。因此，我们必须把视点转换和模型转换结合在一起考虑，而对这两种转换单独进行考虑是毫无意义的。\n[0066] 通常，视点转换操作在模型转换操作之前发出，以便模型转换先对物体发生作用。\n场景中物体的顶点经过模型转换之后移动到所希望的位置，然后再对场景进行视点定位等操作。模型转换和视点转换共同构成模型视景矩阵。\n[0067] 模型变换\n[0068] 模型变换是在世界坐标系中进行的。缺省时，物体模型的中心定位于坐标系的中心处，因此在本系统中，不需要对地标点进行模型变换。\n[0069] 投影变换\n[0070] 参见图2，经过模型视景的转换后，场景中的物体放在了所希望的位置上，但由于显示器只能用二维图象显示三维物体，因此就要靠投影来降低维数(投影变换类似于选择相机的镜头)，也就是实现通常所谓的“近大远小”效果。\n[0071] 事实上，投影变换的目的就是定义一个视景体，使得视景体外多余的部分裁剪掉，最终进入图像的只是视景体内的有关部分。\n[0072] 我们选用了透视投影方式，符合人们心理习惯，即离视点近的物体大，离视点远的物体小，远到极点即为消失，成为灭点。它的视景体类似于一个顶部和底部都被进行切割过的棱椎，也就是棱台。这个投影通常用于动画、视觉仿真以及其它许多具有真实性反映的方面。\n[0073] 在本系统中，用户的实时位置与视野信息被置于一个虚拟的三维空间中，同时，将用户周围的地标点也置于这个空间中，这样，就能够得到这些地标点是否能被用户的视野所“看”到，以及能够被看到的地标点在视野中的二维坐标。这样，就可将虚拟信息投影在用户视野中。\n[0074] 当用户视野中的地标点被确定、地标点在用户视野中的二维坐标被确定后，将这些信息与用户的视野叠加显示就相对容易起来，只需要使用摄像头等视频采集工具，将与用户当前视野同轴、同角度的影像采集，而后在采集到的视频的合适位置绘制地标点相关的信息即可完成地理信息与用户视野的叠加显示。\n[0075] 通过将这些虚拟信息与用户的视野相叠加，狭义上讲，用户能够高效实时的获取地理信息，从技术上扩展了人类视觉观察的范围，将互联网上的虚拟信息一并纳入人类视野可观察的范围之内。\n[0076] 上面详细描述了各个模块的数据处理关系，下面详细说明本发明系统的设计结构，参见图3，图3是缓存层的设计示意图，在系统架构设计图中，体现出了系统中的数据缓存层的数量、位置与重要性。由于在本系统中，大量数据通过网络传输，同时系统的高度实时性也要求数据具有一定的连续性，因此，在系统的各个层级设立数据缓存层就显得尤为重要。\n[0077] 在本系统中，数据缓存层主要有两种形式：\n[0078] 数据库持久化的缓存\n[0079] 在数据存储层，地理信息数据使用了数据库持久化缓存，即将数据服务器采集到的地理信息数据合并、转换为中间格式后，将结构缓存在数据库中。由于将原始的地理信息数据转换为中间数据的运算量较大，同时地理信息数据发生变化的时间周期也相对较长(相对于内存中数据的变化速度而言)，因此，将这部分数据持久化缓存在数据库中，能够大大降低数据服务器转换、检索地理信息数据的时间成本，大大加快系统的运行效率。\n[0080] 内存中的临时缓存\n[0081] 在业务逻辑层和界面层，有较多的从数据服务器传输而来的数据，这些数据在短时间内具有一定的不变性(用户位置一般不会短时间发生较大范围的移动、用户周边范围内的地理信息在短时间内也相对固定)，因此，将这些数据临时缓存在内存中。\n[0082] 由于在内存中取得数据所需要的时间仅是网络传输的数万分之一，因此在这些位置加入数据缓存层，能够增强系统运行的实时性，缩短系统响应时间，从而达到提高用户使用体验的目的。\n[0083] 图4为本发明的架构示意图，包括各层处理数据的过程，图5为导航过程中数据处理的流程。图6、图7分别为服务器和客户端处理数据的示意图。\n[0084] 上面详细说明了本发明的系统，本发明的系统具有如下优点：\n[0085] 用户能够实时的获得与所处环境相关的信息，不需或只需很少输入，系统便能够自动筛选出用户可能需要的信息；\n[0086] 用户获得信息的方式直接高效，信息被直接叠加显示在用户的视野中，用户不需要改变关注的物体便能获取相关的信息；\n[0087] 可扩展性较高，能够方便的扩展信息的来源、种类。\n[0088] 使用GPS采集用户所处的经纬度信息，作为获取GIS信息的定位数据；\n[0089] 通过GIS系统获取用户当前位置周边地理、建筑、设施等信息数据；\n[0090] 通过电子罗盘和地磁传感器数据计算出当前用户朝向视野范围，并根据用户视野范围筛选地理信息数据，并在互联网上自动获取相关信息，包括地理信息扩展数据、建筑物信息、商业数据、相关图片乃至视频等；\n[0091] 将用户视野中的景物相关信息及导航信息直接通过空间投影计算，叠加显示在设备屏幕视野上，使用户能够直观高效的获知这些信息；\n[0092] 如果处于语音模式下，设备还可以自动根据用户视野语音告知位置、视野范围内建筑数据信息。\n[0093] 对于本发明各个实施例中所阐述的导航系统，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。