全景圖技術(shù)在四川省洪水風(fēng)險(xiǎn)圖管理系統(tǒng)中的應(yīng)用研究

陳 曜，鄧 偉

（1.四川省防汛抗旱指揮部辦公室，610065，成都；2.江河瑞通科技集團(tuán)有限公司，100089，北京）

全景圖技術(shù)在四川省洪水風(fēng)險(xiǎn)圖管理系統(tǒng)中的應(yīng)用研究

陳 曜1，鄧 偉2

（1.四川省防汛抗旱指揮部辦公室，610065，成都；2.江河瑞通科技集團(tuán)有限公司，100089，北京）

洪水風(fēng)險(xiǎn)圖管理系統(tǒng)將傳統(tǒng)紙質(zhì)的風(fēng)險(xiǎn)圖成果進(jìn)行了數(shù)字化，但二維的電子地圖難以直觀地表現(xiàn)洪水淹沒(méi)水深等要素，使其運(yùn)用受到了限制。如采用三維地圖，則成本又過(guò)于高昂。為解決這一問(wèn)題，將全景圖技術(shù)引入洪水風(fēng)險(xiǎn)圖管理系統(tǒng)中，并在2016年汛期進(jìn)行了初步運(yùn)用，取得了一定效果，為洪水風(fēng)險(xiǎn)圖在我國(guó)的應(yīng)用和發(fā)展提供了一種新的思路。

洪水風(fēng)險(xiǎn)圖；全景圖；風(fēng)險(xiǎn)管理；四川

一、在洪水風(fēng)險(xiǎn)圖管理系統(tǒng)中引用全景圖技術(shù)的意義

有效地防范和應(yīng)對(duì)洪水災(zāi)害是各國(guó)政府重要的公共管理職能，洪水風(fēng)險(xiǎn)圖作為直接反映某一區(qū)域洪水風(fēng)險(xiǎn)信息的專題地圖，也越來(lái)越受到各國(guó)政府的重視。近年，洪水風(fēng)險(xiǎn)圖已廣泛應(yīng)用于城市規(guī)劃、防洪搶險(xiǎn)、洪水保險(xiǎn)等多個(gè)領(lǐng)域。隨著信息技術(shù)的發(fā)展，傳統(tǒng)的紙質(zhì)圖逐漸被數(shù)字化，并逐步接入了區(qū)域暴雨、洪水歷史和實(shí)時(shí)資料，最后形成洪水風(fēng)險(xiǎn)圖管理系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)即時(shí)查詢和分析統(tǒng)計(jì)等各項(xiàng)功能。

洪水風(fēng)險(xiǎn)圖管理系統(tǒng)隨著需求的增加其功能不斷擴(kuò)展，但二維電子地圖在直觀表達(dá)效果上總是不盡如人意，即便使用了遙感數(shù)據(jù)也不能很好地表述淹沒(méi)深度的概念。使用地理信息三維模型可以很好地解決這一問(wèn)題，但建模成本過(guò)于高昂，三維數(shù)據(jù)獲取也極為困難，因此該技術(shù)目前尚無(wú)法在洪水風(fēng)險(xiǎn)圖中應(yīng)用。

全景圖技術(shù)是將一組環(huán)繞上下左右拍攝的照片拼接成一幅完整的圖片，使人有身臨其境之感。將全景圖技術(shù)應(yīng)用于洪水風(fēng)險(xiǎn)圖的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)，結(jié)合地理坐標(biāo)定位測(cè)量和圖形處理技術(shù)，可有效解決二維洪水風(fēng)險(xiǎn)圖難以直觀性表現(xiàn)淹沒(méi)水深等問(wèn)題。同時(shí)，全景圖技術(shù)所具有的快速、簡(jiǎn)便、成本低等優(yōu)點(diǎn)，使之在洪水風(fēng)險(xiǎn)圖管理系統(tǒng)中的大量應(yīng)用成為可能。

二、全景圖在洪水風(fēng)險(xiǎn)圖管理系統(tǒng)中的應(yīng)用實(shí)現(xiàn)

全景圖其實(shí)就是一組環(huán)繞360度拍攝的照片，通過(guò)軟件拼接成一幅圖片后，使用專門的播放器調(diào)用圖片，把二維平面模擬成真實(shí)三維空間，使觀看者能以現(xiàn)場(chǎng)視角全方位查看周圍環(huán)境。全景圖技術(shù)目前還在不斷發(fā)展，獲取全景圖的手段也將更為多樣化，更為簡(jiǎn)單。Google、百度等地圖服務(wù)上均有全景圖服務(wù)。

1.全景圖在洪水風(fēng)險(xiǎn)圖中的應(yīng)用

根據(jù)相關(guān)規(guī)范要求，洪水風(fēng)險(xiǎn)圖編制成果要提供洪水淹沒(méi)范圍、淹沒(méi)水深、淹沒(méi)歷時(shí)、洪水流速以及到達(dá)時(shí)間等專題要素。按行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，制作完成的風(fēng)險(xiǎn)圖，即使在圖上疊加遙感圖片或加入動(dòng)態(tài)視頻，也不能全面地對(duì)場(chǎng)景進(jìn)行表現(xiàn)。靜態(tài)遙感圖片只能提供場(chǎng)景的某一角度圖像，而動(dòng)態(tài)視頻雖然可以讓用戶對(duì)場(chǎng)景有全面的了解，但圖像視角依然有限，觀看方式取決于拍攝者的拍攝方式。全景圖可以把二維的平面圖模擬成真實(shí)的三維空間，并給用戶提供各種操縱圖像的功能，可以放大或縮小，并可以從各個(gè)方向移動(dòng)觀看場(chǎng)景，能達(dá)到模擬和再現(xiàn)場(chǎng)景真實(shí)環(huán)境的效果。因此，在關(guān)鍵位置拍攝全景圖，經(jīng)后期制作后，可以清晰地表現(xiàn)出不同洪水量級(jí)下的淹沒(méi)水深，為應(yīng)急避險(xiǎn)和防汛指揮提供更為全面的決策依據(jù)。

全景圖實(shí)質(zhì)是單幅圖片，在洪水風(fēng)險(xiǎn)圖上不可能涵蓋所有風(fēng)險(xiǎn)區(qū)，只能選取重要點(diǎn)進(jìn)行拍攝。全景圖圖片應(yīng)當(dāng)選用在洪水風(fēng)險(xiǎn)范圍內(nèi)具有明顯標(biāo)志性的建筑物，且是絕對(duì)高程易于獲取的場(chǎng)所。這是因?yàn)楫?dāng)前使用全景圖的目的是為了直觀展示洪水淹沒(méi)程度，一方面地標(biāo)性建筑可以直觀體現(xiàn)風(fēng)險(xiǎn)位置，另一方面絕對(duì)高程可以通過(guò)圖片編輯顯示在全景圖上，實(shí)現(xiàn)淹沒(méi)水深的查看。《洪水風(fēng)險(xiǎn)圖編制導(dǎo)則》對(duì)江河湖泊、蓄滯洪區(qū)、水庫(kù)和城市洪水等4類風(fēng)險(xiǎn)圖的編制提出了具體要求。針對(duì)不同洪水風(fēng)險(xiǎn)圖，全景圖的應(yīng)用目標(biāo)不同。以城市洪水風(fēng)險(xiǎn)為例，一般應(yīng)選擇城區(qū)內(nèi)下穿隧道、城區(qū)堤防險(xiǎn)工段和易潰區(qū)、城區(qū)橋梁等主要河道斷面、引水口或排水口等防洪排澇需要重點(diǎn)關(guān)注的位置。只有選擇合適位置進(jìn)行全景圖的拍攝，才能使防汛工作人員從點(diǎn)到面了解當(dāng)前的防洪形勢(shì)，對(duì)防洪決策起到作用。

2.全景圖在洪水風(fēng)險(xiǎn)圖管理系統(tǒng)的集成

全景圖需要運(yùn)用到數(shù)字化的洪水風(fēng)險(xiǎn)圖管理系統(tǒng)中。傳統(tǒng)的紙質(zhì)洪水風(fēng)險(xiǎn)圖一般運(yùn)用于對(duì)實(shí)時(shí)性要求不高的規(guī)劃和保險(xiǎn)行業(yè)，而實(shí)時(shí)的防汛指揮則需要?jiǎng)討B(tài)的洪水風(fēng)險(xiǎn)圖。要實(shí)現(xiàn)洪水風(fēng)險(xiǎn)實(shí)時(shí)分析則需要對(duì)洪水風(fēng)險(xiǎn)圖的編制成果進(jìn)行數(shù)字化處理，通過(guò)計(jì)算機(jī)技術(shù)對(duì)成果進(jìn)行統(tǒng)一管理和綜合應(yīng)用，同時(shí)接入實(shí)時(shí)暴雨洪水、地理空間和社會(huì)經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)等信息，才可能實(shí)現(xiàn)。

早期的全景圖拍攝和播放都依賴于具體的硬件和軟件，隨著技術(shù)的發(fā)展，全景圖的獲取和展示也越來(lái)越簡(jiǎn)單。目前，全景圖的拍攝可選用一般設(shè)備和專業(yè)設(shè)備，普通的手機(jī)和平板電腦已經(jīng)可以獲取分辨率較高的全景圖，而專業(yè)的數(shù)碼相機(jī)和攝像機(jī)不僅硬件采集設(shè)備分辨率高，還有隨機(jī)配送的處理軟件。全景圖的播放也隨著瀏覽器的圖形處理能力數(shù)量級(jí)的提高而不再需要專有播放器，因此，全景圖在洪水風(fēng)險(xiǎn)圖管理系統(tǒng)中的應(yīng)用也變得簡(jiǎn)單易行。

如前所述，洪水風(fēng)險(xiǎn)圖管理系統(tǒng)是建立在GIS系統(tǒng)上的，在系統(tǒng)中集成全景圖需要三個(gè)步驟。

一是需要確定全景圖拍攝位置的地理坐標(biāo)，然后將地理坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為洪水風(fēng)險(xiǎn)圖管理GIS系統(tǒng)的屏幕坐標(biāo)進(jìn)行標(biāo)注。二是建立一個(gè)全景圖調(diào)用的web程序，我們采用HTML5+ javascript+CSS的方式實(shí)現(xiàn)，這種代碼具有開(kāi)源性，可以從網(wǎng)頁(yè)端直接查看源代碼，方便用戶對(duì)程序進(jìn)行二次修改，并添加擴(kuò)展功能。三是全景圖片的存放，一般全景圖生成后會(huì)形成代表立方體6個(gè)面的6張圖片，圖片應(yīng)當(dāng)存放在網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器專門的文件夾下，可采用“ID_名稱_序號(hào)”的方式進(jìn)行命名，供web程序調(diào)用。

通過(guò)以上三個(gè)步驟即可實(shí)現(xiàn)全景圖在風(fēng)險(xiǎn)圖管理系統(tǒng)中的集成和調(diào)用。

3.全景圖中淹沒(méi)水深的展示

實(shí)現(xiàn)全景圖對(duì)淹沒(méi)水深的展示需要兩個(gè)步驟：一是對(duì)全景圖內(nèi)標(biāo)志性建筑進(jìn)行絕對(duì)高程和相對(duì)高程測(cè)量；二是對(duì)采集的全景圖進(jìn)行編輯，根據(jù)測(cè)量數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)淹沒(méi)水深的標(biāo)注。

對(duì)圖內(nèi)標(biāo)志性建筑物進(jìn)行絕對(duì)高程測(cè)量才能確定出淹沒(méi)水深，這是因?yàn)樵陲L(fēng)險(xiǎn)圖編制中，洪水的推求一般是以黃海高程計(jì)算的，只有確定出標(biāo)志性建筑物絕對(duì)高程才能與計(jì)算的淹沒(méi)水深成果進(jìn)行對(duì)應(yīng)，這一過(guò)程需要通過(guò)三級(jí)水準(zhǔn)點(diǎn)引測(cè)來(lái)實(shí)現(xiàn)。另一方面，圖中建筑物相對(duì)高程是由獲取照片的分辨率來(lái)表示的，因此必須將相對(duì)高程與照片分辨率進(jìn)行比對(duì)才可以準(zhǔn)確表達(dá)出照片的空間高度。

在拍攝了全景圖，并對(duì)圖片內(nèi)標(biāo)志性建筑物進(jìn)行絕對(duì)和相對(duì)高程測(cè)量后，就可以進(jìn)行圖像處理工作了。將多幅連續(xù)拍攝的電子照片處理成全景圖時(shí)，有多種軟件可以選擇，其采用的算法有交叉相關(guān)相似性度量（CC）算法、特征匹配（SIFT）算法和相似性檢測(cè)（SSDA）算法等。全景圖的拼接算法還在不斷地發(fā)展和完善，新的軟件層出不窮，如使用Pano2VR軟件對(duì)采集到的圖像進(jìn)行處理，如圖1所示。該軟件可以將采集到的全景圖像切割成立方體的6個(gè)面，然后再運(yùn)用算法進(jìn)行拼接。在拼接前，需要選取拍攝角度和效果最好的一張圖片使用Adobe Photoshop軟件進(jìn)行處理，目的是將測(cè)量到的相對(duì)或絕對(duì)高程標(biāo)注在圖片上，需要注意的是所選圖片的邊緣不能編輯，否則會(huì)影響軟件拼接成全景圖時(shí)的算法銜接。

三、四川省洪水風(fēng)險(xiǎn)圖管理系統(tǒng)中全景圖的應(yīng)用

國(guó)家防總2013年下達(dá)了 《全國(guó)重點(diǎn)地區(qū)洪水風(fēng)險(xiǎn)圖編制項(xiàng)目實(shí)施方案（2013—2015年）》任務(wù)，四川省按照國(guó)家要求，從2014年起開(kāi)始了洪水風(fēng)險(xiǎn)圖編制工作。至2015年年底，共完成了成都、宜賓兩市城區(qū)和孫水河、石亭江、南河等12條中小河流洪水風(fēng)險(xiǎn)圖的編制任務(wù)。為了使洪水風(fēng)險(xiǎn)圖編制成果更好地運(yùn)用于防汛搶險(xiǎn)指揮調(diào)度，2016年3月四川省將全景圖技術(shù)大量應(yīng)用于風(fēng)險(xiǎn)圖管理系統(tǒng)，在城市洪水風(fēng)險(xiǎn)圖中選擇了100~ 200個(gè)點(diǎn)進(jìn)行了全景圖制作，在中小河流風(fēng)險(xiǎn)圖中選擇了50~80個(gè)點(diǎn)進(jìn)行全景圖制作。2016年汛期，由于全景圖在洪水風(fēng)險(xiǎn)圖管理系統(tǒng)中的應(yīng)用，對(duì)四川省防汛指揮起到了積極作用。

圖1 淹沒(méi)高程在全景圖的標(biāo)注示意圖

2016年7月22—25日，岷江流域的中小河流南河發(fā)生洪水，其中邛崍站23日8時(shí)20分最高水位達(dá)497.92m，超警戒水位0.02m，相應(yīng)洪峰流量2 530m3/s。使用洪水風(fēng)險(xiǎn)圖管理系統(tǒng)，預(yù)先對(duì)南河各頻率主要斷面的設(shè)計(jì)洪水位進(jìn)行計(jì)算，并在720度全景圖中進(jìn)行標(biāo)識(shí)。通過(guò)系統(tǒng)評(píng)估計(jì)算出南河上游河段淹沒(méi)區(qū)可能發(fā)生在邛崍站上游兩條溝渠入流河口處，中游河段淹沒(méi)區(qū)可能發(fā)生在南河右岸臨山村、戰(zhàn)斗鄉(xiāng)、民樂(lè)村附近，下游段淹沒(méi)區(qū)可能發(fā)生在蒲江河入流河口處、斜江河入流河口處以及蒲江河和斜江河之間的南河河段右岸老河道處。通過(guò)全景圖分析淹沒(méi)區(qū)水深影響，發(fā)現(xiàn)預(yù)測(cè)洪水只可能淹沒(méi)城區(qū)沿河景觀道的部分路段，對(duì)邛崍城區(qū)影響較小，因此周圍區(qū)域人員和財(cái)產(chǎn)不需要疏散轉(zhuǎn)移，在應(yīng)對(duì)上僅需加強(qiáng)監(jiān)測(cè)和預(yù)警，不需要進(jìn)行大面積的防汛動(dòng)員，極大地節(jié)約了應(yīng)對(duì)成本。

2016年6月22日，據(jù)四川省氣象臺(tái)預(yù)測(cè)，宜賓城區(qū)日降雨量為120~ 150mm，6小時(shí)降雨量為90~110mm。使用洪水風(fēng)險(xiǎn)圖管理系統(tǒng)，初步計(jì)算了淹沒(méi)范圍和淹沒(méi)深度，調(diào)用關(guān)鍵點(diǎn)全景圖查看，預(yù)計(jì)宜賓城區(qū)幾個(gè)主要內(nèi)澇點(diǎn)在立交橋下、跨河大橋附近、十字路口、廣場(chǎng)等地，最高積水深可達(dá)50~60 cm，對(duì)人員安全影響較小，但部分路段需要交通管制。四川省防汛辦將預(yù)測(cè)成果通報(bào)給宜賓市防汛辦，宜賓市對(duì)部分區(qū)域加強(qiáng)了交通管制。6月23日實(shí)測(cè)暴雨中，21—23時(shí)為強(qiáng)降雨時(shí)段，3小時(shí)降雨約70mm，日雨量為121.5mm，預(yù)測(cè)的內(nèi)澇范圍基本與實(shí)際一致。由于風(fēng)險(xiǎn)圖的使用，宜賓市采取了及時(shí)的交通管制，使城市運(yùn)行未受到大的影響。

四、結(jié) 語(yǔ)

將全景圖技術(shù)應(yīng)用到洪水風(fēng)險(xiǎn)圖管理系統(tǒng)中，使洪水風(fēng)險(xiǎn)圖具有更好的可讀性，幫助非專業(yè)人員讀懂風(fēng)險(xiǎn)圖，洪水風(fēng)險(xiǎn)圖由此有了更廣闊的應(yīng)用范圍。而通過(guò)不同時(shí)期同一位置全景圖的對(duì)比，也更便于防汛指揮決策管理，使決策更科學(xué)。另一方面，全景圖技術(shù)仍在不斷發(fā)展，全景遙感、全景視頻等技術(shù)和智能手機(jī)的結(jié)合，可以提供更清晰、更真實(shí)、更快捷的現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景，使洪水風(fēng)險(xiǎn)圖有更為廣闊的應(yīng)用前景。四川省洪水風(fēng)險(xiǎn)圖管理系統(tǒng)中的全景圖應(yīng)用雖然取得了一些初步的成果，但僅是初級(jí)的應(yīng)用和嘗試，還需要進(jìn)一步研究和探索?！?/p>

[1]中華人民共和國(guó)水利部.洪水風(fēng)險(xiǎn)圖編制導(dǎo)則[S].2010.

[2]姚國(guó)章，袁敏.美國(guó)的洪水觀測(cè)與洪水風(fēng)險(xiǎn)圖的現(xiàn)代化[J].中國(guó)應(yīng)急管理，2011（6）.

[3]許志成.普通數(shù)碼相機(jī)拍攝全景圖中SIFT特征圖像匹配算法研究[J].河北能源職業(yè)技術(shù)學(xué)校學(xué)報(bào)，2015（2）.

[4]劉光進(jìn)，張蕾.結(jié)合模板與互信息的全景圖拼接技術(shù)研究與實(shí)現(xiàn) [J].激光雜志，2014（9）.

[5]凡少影，等.小議全景圖在地理學(xué)中的應(yīng)用[J].地理教育，2015（10）.

責(zé)任編輯 張金慧

Application on panorama technology in flood risk map management system

Chen Yao,DengWei

Although flood risk map management system can digitalize paperymaps,two-dimensional digitalmap fail to present visually the depth of flood inundation,thus its operation has certain limitations.If three-dimensionalmap is adopted,it will substantially increase the cost.Therefore,panorama sketch was introduced to flood risk map management system that operated in flood season in 2016 and resulted in some good results.It provides a new thought for application and developmentof flood risk map in China.

flood riskmap;panorama;riskmanagement;Sichuan

TV877+TV122

：B

：1000-1123（2017）05-0054-03

2016-10-15

陳曜，督查專員。

全國(guó)重點(diǎn)地區(qū)洪水風(fēng)險(xiǎn)圖編制項(xiàng)目。