编者荐语：
我院张浩然助理教授课题组近期于《Advanced Engineering Informatics》发表论文《Advanced Engineering Informatics 基于数字孪生技术的广告牌曝光分析交互可视化系统》。
论文信息
标题：AdvMOB: Interactive visual analytic system of billboard advertising exposure analysis based on urban digital twin technique
期刊：Advanced Engineering Informatics
时间：11 September 2024
DOI： doi.org/10.1016/j.aei.2024.102829
/ 摘要/
数字户外广告牌已成为吸引消费者的强大营销工具。然而，行业面临的挑战尤其体现在准确评估广告曝光度以及了解消费者的人口特征方面。当前的广告投放模型往往忽略了广告的有效性，并且过于简化广告影响，导致决策与现实效果之间存在显著差距。为应对这些问题，本研究提出了一种创新的交互式可视化分析系统AdvMOB，旨在评估和分析城市环境中的广告牌曝光情况，并精确描绘每则广告的实际触达范围。该系统结合了个人信息和轨迹数据，以表征单个广告牌的真实影响。通过融合城市建筑数据和人流轨迹数据，系统通过直观的界面对广告牌在城市中的曝光度进行全面评估、比较和深入分析。所提出的AdvMOB系统展示了在广告牌设计领域进行变革的巨大潜力，能够提供细致的见解和全方位的支持。
关键词：Billboard exposure analysis 广告曝光分析；Digital twin 数字孪生；Visual analytics 可视化分析；Interactive system 交互系统；Human mobility data 人流轨迹数据
01 系统架构与概述
AdvMOB系统是一个基于城市数字孪生技术的广告牌曝光分析交互式可视化分析平台。系统架构采用前后端分离的设计，前端主要使用React.js进行用户界面构建，DECK.GL负责地理空间数据的可视化展示；后端则基于MySQL数据库，通过PHP实现与数据库的连接与数据处理。
系统架构可以分为3个主要模块：
1. 数据库与数据预处理模块
该模块负责准备和预处理系统中使用的各类数据，包括建筑物数据、广告牌的固定位置数据、人类流动性数据（如手机GPS轨迹）以及社会人口统计数据。数据预处理过程包括轨迹清理、插值、索引以及与道路网络的匹配，处理后的数据将存储在MySQL数据库中，以便后续使用。
2. 分析与算法模块
这一模块包含一系列子模块，允许用户选择视觉参数、评估曝光区域、优化广告牌的位置与布局，并对广告牌进行效果评估。优化算法根据人类流动性数据、建筑物遮挡情况及广告牌的可见范围，为用户提供最佳的广告牌位置与布局。
3. 可视化与交互模块
该模块通过三维地图场景展示城市中的建筑、广告牌和曝光区域，用户可以从第三人称或第一人称视角与场景进行交互。系统支持实时计算广告牌的可见区域和曝光效果，用户可以通过交互界面轻松调整广告牌的布局和位置。
通过这三大模块的协同工作，AdvMOB系统能够有效地帮助广告设计师和营销决策者优化广告投放位置和布局，并通过直观的可视化界面提升广告投放的准确性和有效性。
图1 数据集构建框架
图2 系统框架
02 图文解析
1. 广告牌曝光分析模型
广告牌曝光分析模型通过结合几何计算、视觉参数设定、人类流动性数据和三维可视化技术，提供了一个全面的分析框架，能够准确评估广告牌在城市环境中的实际曝光效果。
可视参数设定
该模型首先设定了广告牌的视觉参数，这些参数用来估算广告牌的可视曝光范围。模型基于两项重要的视觉参数：
·分辨率：广告牌上对象的分辨率代表了观众能够区分的最小对象大小。分辨率越小，广告内容越紧凑，观众越难以分辨。
·视力敏锐度：视力敏锐度描述了人眼或视觉系统的空间解析能力，定义为最小分辨角（MAR）。这个角度用来计算观众在不同距离上能够正确辨认广告内容的最小距离。
广告可见区域计算
广告牌的可见区域受建筑物遮挡影响，模型首先计算理论地面曝光区域。假设观众注视点位于广告牌中心，模型通过位置和视角计算可见区域，近似为球面，反映人眼在三维空间中的视野范围。模型还精确计算建筑物的遮挡区域，分解建筑物为多个墙面，基于几何关系得出每个墙面对广告牌的阴影区域。将遮挡区域从地面曝光区域中扣除后，得到广告牌的实际可见区域，显示哪些位置的观众能够看到广告牌内容。
图3 三维城市环境下广告牌曝光分析模型原理
2. 广告选址模型
广告选址模型通过综合考虑广告牌位置的可见性、人流轨迹数据和成本收益关系，提供了一个强大的优化工具，能够帮助广告商在复杂的城市环境中精确选择最佳的广告投放位置，最大化广告效果。
轨迹数据与可见性的结合的广告选址优化
广告选址模型整合了人类流动性数据（如手机GPS轨迹数据），用以确定各个广告牌位置的潜在观众数量。在不同广告牌位置上，模型通过统计经过广告牌可见区域的人流数量，并给每个位置赋予不同的权重值。权重越高，表示该位置的广告牌可触达的观众越多，曝光效果越好。广告选址模型的目标是通过选择最佳广告牌位置来最大化投资回报率（ROI）。根据广告牌的面积计算成本，单位面积成本乘以广告牌的总面积。模型旨在最大化广告牌单位面积的ROI，确保广告位置的高效利用。
3. 广告布局优化模型
广告布局优化模型旨在通过合理安排广告牌上各广告元素的位置，最大化广告的曝光效果。模型将广告牌划分为多个网格，根据每个网格的曝光值分配权重，将重要的广告元素（如品牌标志、宣传语等）放置在更多观众能够看到的高权重区域。优化目标是确保核心广告内容覆盖最多观众，同时遵循边界限制和不重叠约束。模型通过优化算法不断调整广告元素位置，最终实现广告牌在有限空间内的最佳布局，提升广告的整体效果。
图4 曝光分析辅助的城市户外广告布局设计
图5 不同设置下广告牌位置和布局优化对比。（A）展示了东京涩谷中央商务区的曝光情况，其中 (A1) 显示了该区域内的所有固定广告牌位置 (FBL)，(A2) 评估了覆盖的轨迹数量，(A3) 评估了可见区域 (VA) 的大小。(B) 展示了不同广告牌尺寸下的优化位置，包括其基本信息和潜在受众的概况。(C) 展示了不同对象设置下的优化布局。
图6 可视化第一人称视角。（A）是用于配置和导入相机参数的面板；（B）是标注相机位置的3D地图场景；（C）是从三个不同角度显示的第一视角场景。
图7 广告牌曝光与第一人称视角对比探索。（A）显示了广告牌的可见区域（VA）及观众的位置；（B）显示了系统中的第一视角画面；（C）显示了现实街景中的对应场景。
03 总结
本研究开发了AdvMOB，一个基于城市数字孪生技术的高级交互式可视化分析系统，用于评估和分析城市环境中的广告牌曝光情况。研究的贡献包括开发了一个新模型，结合建筑结构和人类视觉范围，精确衡量广告牌的有效性；引入优化模型，整合人类流动性数据、广告牌尺寸和位置重要性，优化广告牌布局；并通过直观界面进行可视化展示，支持实时分析和决策。AdvMOB系统解决了传统方法难以应对的城市环境复杂性和动态人流，提升了广告策略的精准度和智能化水平。
团队介绍
本研究由北京大学深圳研究生院、南方科技大学、中国地质大学（武汉）的研究人员合作完成。
§通讯作者简介：张浩然，助理教授，北京大学城市规划与设计学院。
§第一作者简介：余庆，博士后，北京大学城市规划与设计学院。
§其他作者简介：冯德帆，博士生，南方科技大学；陈奇，副教授，中国地质大学（武汉）；李鸽，硕士生，中国地质大学（武汉）；
