基于無(wú)人機(jī)的氣象探測(cè)環(huán)境360°球型全景制作及應(yīng)用

夏江峰，劉佳奇

(陜西省大氣探測(cè)技術(shù)保障中心，西安 710014)

氣象探測(cè)是氣象業(yè)務(wù)服務(wù)和科學(xué)研究的基礎(chǔ)，探測(cè)環(huán)境對(duì)確保氣象觀測(cè)數(shù)據(jù)的代表性、準(zhǔn)確性和比較性至關(guān)重要[1]。保證氣象觀測(cè)資料具有代表性、準(zhǔn)確性、連續(xù)性和可比較性不僅取決于觀測(cè)儀器、方法和人員的技術(shù)水平，更依賴于觀測(cè)儀器所在的環(huán)境狀況[2]。探測(cè)環(huán)境是為避開各種干擾，保證氣象探測(cè)設(shè)施準(zhǔn)確獲取氣象探測(cè)信息所需最小距離構(gòu)成的環(huán)境空間[3]，良好的氣象探測(cè)環(huán)境是確保氣象探測(cè)設(shè)備正常運(yùn)行，氣象探測(cè)數(shù)據(jù)具有準(zhǔn)確性、代表性、可比性的前提[4]。近年來(lái)無(wú)人機(jī)發(fā)展迅速，民用無(wú)人機(jī)在影視航拍、遙感測(cè)繪、農(nóng)業(yè)植保、電力巡檢、管道巡查、物流運(yùn)輸、應(yīng)急救援、生態(tài)監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域得到應(yīng)用。無(wú)人機(jī)技術(shù)在氣象方面也得到了大力發(fā)展，在大氣探測(cè)、環(huán)境氣象探測(cè)、農(nóng)業(yè)生態(tài)監(jiān)測(cè)、防災(zāi)減災(zāi)服務(wù)等方面開展試驗(yàn)研究和應(yīng)用。在氣象探測(cè)環(huán)境保護(hù)方面，無(wú)人機(jī)也可大有所為，利用無(wú)人機(jī)航拍視野廣、拍攝角度豐富的特點(diǎn)可以更全面、更真實(shí)地展示氣象觀測(cè)站探測(cè)環(huán)境，而利用無(wú)人機(jī)全景航拍技術(shù)制作而成的360°球型全景更可以解決氣象觀測(cè)站平面照片不夠直觀、完整和立體的技術(shù)問(wèn)題，提升探測(cè)環(huán)境展示效果，促進(jìn)氣象探測(cè)環(huán)境保護(hù)工作。

1 無(wú)人機(jī)360°球型全景簡(jiǎn)介

全景技術(shù)是基于圖像的建模與渲染技術(shù)，在空間一點(diǎn)連續(xù)采集視野范圍的圖像，經(jīng)過(guò)處理形成該視點(diǎn)的無(wú)縫隙全景圖像，并利用全景顯示引擎在計(jì)算機(jī)上模擬從視點(diǎn)任意角度觀察的三維虛擬場(chǎng)景。這種三維虛擬場(chǎng)景實(shí)現(xiàn)方式是采集視點(diǎn)所見的真實(shí)影像，能準(zhǔn)確反映現(xiàn)場(chǎng)實(shí)況，且無(wú)需對(duì)視野中場(chǎng)景進(jìn)行具體建模，是一種偽3D技術(shù)[5]。

基于無(wú)人機(jī)航拍的360°球型全景是指水平方向360°、垂直方向180°球型視野范圍的三維虛擬實(shí)景，具有放大、縮小功能，可以讓瀏覽者通過(guò)鼠標(biāo)控制瀏覽方向，可左可右、可上可下觀看物體或場(chǎng)景，使觀者猶如身在其中，其特點(diǎn)主要體現(xiàn)在全面地展示了360°球型范圍內(nèi)的所有景致，最大限度保留場(chǎng)景的真實(shí)性?；跓o(wú)人機(jī)航拍的360°全景照相技術(shù)能夠以空地一體的形式對(duì)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行呈現(xiàn)，對(duì)比地面360°全景照相技術(shù)，更加全面地反映整個(gè)現(xiàn)場(chǎng)空間方位以及現(xiàn)場(chǎng)各部位的位置關(guān)系[6]。360°球型全景與探測(cè)環(huán)境三維建模相比，制作周期短、開發(fā)成本低、時(shí)效性強(qiáng)，對(duì)播放設(shè)備要求低，普通電腦和手機(jī)均可播放。

2 無(wú)人機(jī)360°球型全景制作方法

360°球型全景的制作流程是將無(wú)人機(jī)拍攝的多張照片拼接成一張全景圖像，再通過(guò)720云全景漫游工具制作成三維立體可旋轉(zhuǎn)的360°全方位的實(shí)景圖像。具體的制作流程如圖1所示。

圖1 無(wú)人機(jī)360°球型全景制作流程

2.1 無(wú)人機(jī)數(shù)據(jù)采集

制作360°球型全景，首先需要利用無(wú)人機(jī)拍攝氣象觀測(cè)站的照片進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，照片的拍攝時(shí)間一般選擇在能見度好、風(fēng)力小、光照充分的晴天進(jìn)行。拍攝時(shí)需要根據(jù)氣象觀測(cè)站的現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境選擇合理的飛行高度，飛行高度太低會(huì)造成后期照片拼接困難，高度太高也會(huì)導(dǎo)致最終畫面立體感不足，一般選擇50～120m為宜。需要選擇合理的起始參照目標(biāo)，便于后期對(duì)照片進(jìn)行編號(hào)、排序，做好照片拼接的準(zhǔn)備工作。對(duì)于全景航拍來(lái)說(shuō)，天空相對(duì)于光線較暗的地面來(lái)說(shuō)顯得非常明亮，這就很難在高光部分和陰影部分之間做好平衡，因此在開始拍攝之前應(yīng)對(duì)無(wú)人機(jī)搭載的相機(jī)做好設(shè)置。

具體的拍攝方法：將無(wú)人機(jī)上升到合適的高度，無(wú)人機(jī)保持懸停在氣象觀測(cè)場(chǎng)中心的正上方，將無(wú)人機(jī)云臺(tái)的俯仰角調(diào)整到0°，操作無(wú)人機(jī)搖桿旋轉(zhuǎn)無(wú)人機(jī)機(jī)頭方向，每過(guò)45°左右就按下快門，拍攝一張照片，拍攝一圈共8張；接著分別將云臺(tái)俯仰角調(diào)整到-45°和-60°，按照云臺(tái)俯仰角為0°時(shí)的操作方法拍攝一圈，分別拍攝8張照片；最后將云臺(tái)俯仰角調(diào)整到-90°，對(duì)準(zhǔn)正下方拍攝，每旋轉(zhuǎn)90°拍攝一張，拍攝一圈共4張，共計(jì)28張照片，完成全景照片素材的拍攝。拍攝方法示意圖見圖2。

圖2 無(wú)人機(jī)拍攝方法示意圖

這樣的拍攝方式使得相鄰角度之間的照片有30%～40%的重疊區(qū)域，既保證了照片之間重疊區(qū)域的一致性，也保證了后期拼接照片時(shí)場(chǎng)景的連續(xù)。如果重疊區(qū)域太少，拼接軟件將無(wú)法識(shí)別拼接的界限，無(wú)法實(shí)現(xiàn)照片的對(duì)齊拼接。

2.2 后期制作

后期制作的具體方法是：①首先將拍攝的照片素材導(dǎo)入Lightroom軟件，對(duì)照片的曝光度、清晰度等進(jìn)行優(yōu)化處理。②把處理好的照片導(dǎo)入PTGUI全景圖片拼接軟件，軟件可自動(dòng)讀取底片的鏡頭參數(shù)，識(shí)別圖片重疊區(qū)域的像素特征，然后以“控制點(diǎn)”的形式進(jìn)行自動(dòng)縫合，并進(jìn)行優(yōu)化融合，使圖像整體平滑真實(shí)。在這里要特別提醒，全景圖的像素比例必須是2：1(球面等距圓柱)。③對(duì)全景圖的天空部分進(jìn)行補(bǔ)天填充處理，通過(guò)Photoshop軟件把全景圖和天空素材合成補(bǔ)天，天空素材也可以在網(wǎng)上直接下載，制作出平面全景圖，如圖3所示。④利用720云工具制作360°球型全景。受載體所限，只能展示360°球型全景效果圖(見圖4)，360°球型全景需要在互聯(lián)網(wǎng)上播放，西安涇河氣象觀測(cè)站360°球型全景(示例)可通過(guò)登錄網(wǎng)站(https://720yun.com/t/09vkuepbgdl?scene_id=38190362)的方式觀看。

圖3 西安涇河氣象觀測(cè)站全景圖

圖4 西安涇河氣象觀測(cè)站360°球型全景效果圖

3 無(wú)人機(jī)360°球型全景的應(yīng)用

3.1 在氣象觀測(cè)站探測(cè)環(huán)境保護(hù)方面的應(yīng)用

按照中國(guó)氣象局探測(cè)環(huán)境保護(hù)工作的要求，國(guó)家氣象觀測(cè)站每月需上報(bào)氣象探測(cè)環(huán)境變化月報(bào)告，報(bào)告里對(duì)影響國(guó)家氣象觀測(cè)站探測(cè)環(huán)境的建(構(gòu))筑物都需有圖片和文字說(shuō)明，這種圖片一般是用手機(jī)或者相機(jī)拍攝的平面照片。在氣象觀測(cè)站的遷站工作中，需要對(duì)氣象觀測(cè)站的現(xiàn)址、擬選站址的探測(cè)環(huán)境情況進(jìn)行如實(shí)的反映、審查和評(píng)估，提供現(xiàn)址、擬選站址觀測(cè)場(chǎng)四周0～360°全景照片，全景照片是由2張180°平面照片組成；在組織天氣、氣候、觀測(cè)、資料應(yīng)用等方面的專家對(duì)擬選站址進(jìn)行論證時(shí)，擬選站址的探測(cè)環(huán)境情況介紹、展示說(shuō)明也基本采用平面照片。這些平面照片，都存在對(duì)氣象觀測(cè)站的探測(cè)環(huán)境情況體現(xiàn)不夠充分，視野狹窄，不夠直觀，毫無(wú)立體感、層次感等問(wèn)題，而360°球型全景可以很好的解決這些問(wèn)題，可觀看整個(gè)場(chǎng)景空間的所有圖像信息，立體感、沉浸感強(qiáng)烈，以三維立體空間給人們帶來(lái)全新的真實(shí)現(xiàn)場(chǎng)感和交互式的感受，仿佛身臨其境。因此，無(wú)人機(jī)360°球型全景在氣象觀測(cè)站探測(cè)環(huán)境保護(hù)的監(jiān)測(cè)、記錄和展示方面可以發(fā)揮一定的作用。

3.2 在氣象科普宣傳方面的應(yīng)用

360°球型全景是一種新興的富媒體技術(shù)，除了可以自由操縱任意角度互動(dòng)性地觀察場(chǎng)景，還可以在其中添加文本、圖片、聲音、視頻和超鏈接等多種媒體。比如通過(guò)點(diǎn)擊360°全景內(nèi)氣象觀測(cè)設(shè)備圖像，可以展示氣象觀測(cè)設(shè)備特寫照片，并配上文字說(shuō)明、語(yǔ)音講解以及相關(guān)視頻對(duì)其進(jìn)行細(xì)節(jié)展示；也可以通過(guò)這些媒體形式對(duì)氣象探測(cè)環(huán)境方面的法律法規(guī)進(jìn)行宣傳，提高全社會(huì)對(duì)氣象探測(cè)環(huán)境保護(hù)的意識(shí)；還可以通過(guò)超鏈接的方式建立與其它媒體的通道，聯(lián)合多種媒體共同構(gòu)建氣象科普宣傳陣地，使氣象科普工作在深度和廣度上不斷發(fā)展，提升氣象科普社會(huì)化水平。

4 結(jié)語(yǔ)

本研究將無(wú)人機(jī)航拍技術(shù)應(yīng)用于氣象觀測(cè)站探測(cè)環(huán)境保護(hù)工作，制作的360°球型全景具有水平360°和垂直180°環(huán)視的效果，全面地展示了球型范圍內(nèi)的所有景致；全景是在氣象觀測(cè)站的照片基礎(chǔ)之上制作的，最大限度地保留了氣象觀測(cè)站場(chǎng)景的真實(shí)性，可以使各級(jí)氣象部門探測(cè)環(huán)境相關(guān)工作人員對(duì)氣象觀測(cè)站周圍的探測(cè)環(huán)境狀況有更直觀、完整、立體的認(rèn)識(shí)，可以拓寬探測(cè)環(huán)境保護(hù)和氣象科普宣傳的工作方式。雖然利用無(wú)人機(jī)航拍技術(shù)制作的360°球型全景在氣象觀測(cè)站探測(cè)環(huán)境保護(hù)和氣象科普宣傳方面具有潛在的應(yīng)用價(jià)值，但是對(duì)影響氣象觀測(cè)站探測(cè)環(huán)境的障礙物與氣象觀測(cè)場(chǎng)圍欄的最小水平距離、相對(duì)觀測(cè)場(chǎng)最大高度和距高比等參數(shù)無(wú)法進(jìn)行定量分析。因此，下一步將繼續(xù)開展基于無(wú)人機(jī)傾斜攝影技術(shù)的三維建模研究，建立氣象觀測(cè)站及周邊環(huán)境的三維數(shù)字模型，實(shí)現(xiàn)探測(cè)環(huán)境狀況的定量分析，用于氣象觀測(cè)站探測(cè)環(huán)境的科學(xué)評(píng)估。