基于全景圖像的災(zāi)情展示系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

趙 杰，張 洋，寧亞靈

（1.山西省地震局，山西 太原 030021；2.天津市濱海新區(qū)城市建設(shè)檔案館，天津 300450）

自然災(zāi)害發(fā)生后，無論是應(yīng)對(duì)災(zāi)害的指揮部領(lǐng)導(dǎo)還是公眾，最想了解的都是災(zāi)情信息。災(zāi)情獲取來源廣泛，災(zāi)區(qū)現(xiàn)場群眾、災(zāi)害應(yīng)對(duì)主管部門、新聞媒體均可提供豐富的災(zāi)情信息。災(zāi)害發(fā)生后，及時(shí)地將災(zāi)區(qū)的災(zāi)情展示出來，對(duì)于輔助指揮部領(lǐng)導(dǎo)決策、增強(qiáng)信息傳播透明度、保障群眾合理知情權(quán)、阻止謠言傳播都具有不可替代的作用[1]。目前災(zāi)情信息的載體一般包括文檔、圖片、影音資料、航拍影像等。全景技術(shù)是VR技術(shù)的一種實(shí)現(xiàn)方法，將多張相關(guān)的圖片通過同名點(diǎn)拼接成全景圖片，以在視覺上垂直180°、水平360°的全覆蓋來展示現(xiàn)實(shí)空間信息，具有一定的交互性和真實(shí)的沉浸感，是一種流行的視覺新技術(shù)[2]。通過全景技術(shù)來展示災(zāi)情具有普通圖片、視頻等信息展示技術(shù)不具備的優(yōu)勢，結(jié)合VR眼鏡，可讓用戶具有真實(shí)感，可全方位無盲區(qū)顯示災(zāi)情信息[3]。全景圖是一種基于全景技術(shù)與電子地圖發(fā)布技術(shù)的可定位展示真實(shí)場景的VR技術(shù)[4]。將全景圖與Web GIS相結(jié)合，Web GIS能為用戶提供空間導(dǎo)引，全景圖能為領(lǐng)導(dǎo)、群眾提供沉浸式、全方位、交互式的災(zāi)情展示服務(wù)。

本文設(shè)計(jì)了一套基于全景圖像的災(zāi)情展示系統(tǒng)，采用B/S架構(gòu)，鑒于自然災(zāi)害發(fā)生后時(shí)間緊任務(wù)多的特點(diǎn)，采用簡單的全景圖像拍攝技術(shù)，以公共地圖為Web GIS開發(fā)平臺(tái)，采用開源的全景圖像展示方案。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)和關(guān)鍵技術(shù)

基于全景圖像的災(zāi)情展示系統(tǒng)主要包括全景圖像拍攝上傳、基于公共地圖的全景圖像展示、全景圖像展示災(zāi)情信息3個(gè)模塊。系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)采用的技術(shù)方法如表1所示。

表1 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的技術(shù)方法

1.1 全景圖像拍攝上傳

全景圖像的制作一般包括照片拍攝、預(yù)處理、圖像匹配和拼接等步驟。照片拍攝可采用專業(yè)的全景相機(jī)，其自身集成了多個(gè)超廣角攝像頭，并配備了配套的圖像處理軟件，將照片導(dǎo)入專用軟件即可導(dǎo)出為一張全景圖片。該方式雖然比較簡單快捷，但需要采購專用設(shè)備，資金投入較大，通用性不強(qiáng)。照片拍攝還可采用普通的手機(jī)，首先原地拍攝若干張照片，且保證照片有70%以上的重疊率，然后導(dǎo)入Photosynth等全景圖像合成軟件中進(jìn)行處理。該方法無需購買專用設(shè)備，但其后續(xù)步驟繁瑣，且對(duì)拍照的姿態(tài)要求較高，合成的圖片效果不太理想[5]。

本文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)采用集成在Android 4.2 Jelly Bean及以上版本的谷歌原生“相機(jī)”App進(jìn)行全景圖像的拍攝，“Photo Sphere”拍照模式可引導(dǎo)用戶一次性對(duì)周圍場景進(jìn)行全景拍攝，再自動(dòng)合成為全景圖像?！癙hoto Sphere”拍照模式通過手機(jī)陀螺儀確定相片姿態(tài)，用戶只需按照其引導(dǎo)即可拍攝出高質(zhì)量的全景圖片，使用十分便捷，且無需導(dǎo)入其他軟件進(jìn)行全景圖像合成，節(jié)省了大量時(shí)間，同時(shí)也滿足了在災(zāi)區(qū)拍照時(shí)不方便攜帶太多設(shè)備的要求。谷歌原生“相機(jī)”App在搭載安卓系統(tǒng)的手機(jī)上皆可免費(fèi)安裝使用，也有適用于iOS系統(tǒng)的版本，可滿足災(zāi)區(qū)工作人員零成本、快速獲取全景圖像的需求。系統(tǒng)的全景圖像采用等距柱狀投影（ERP），該投影將球面上的經(jīng)線和緯線映射為間距相等的垂直線和水平線，利用相同數(shù)量的采樣點(diǎn)保存每條緯線上的數(shù)據(jù)[6]，覆蓋范圍為360°×180°，長寬比例為2∶1；以觀察者（即相機(jī)攝像頭）為球心，將拍攝的照片投影至球面。這種投影還原至全景圖像時(shí)與人眼模型最為接近，可在視點(diǎn)處提供全方位連續(xù)的視覺描述。用戶將全景圖像上傳至云服務(wù)器，云服務(wù)器采用騰訊云平臺(tái)，以SQL Server為RMBS。存儲(chǔ)全景圖像的數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)如表2所示。

表2 數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)

1.2 基于公共地圖的全景圖像展示

公共地圖是全景圖像的載體，顯示了自然災(zāi)害和災(zāi)區(qū)全景圖像的地理位置。系統(tǒng)采用騰訊地圖API作為GIS開發(fā)基礎(chǔ)平臺(tái)。相較于其他公共地圖或GIS平臺(tái)，騰訊地圖API的特點(diǎn)是地理定位準(zhǔn)確、本身具有全國最全面的街景數(shù)據(jù)[7]。按照系統(tǒng)設(shè)計(jì)，用戶在利用移動(dòng)設(shè)備拍攝完全景圖像后即可上傳至云服務(wù)器，這時(shí)再利用公共地圖提供的地理定位API獲得自身位置，無需其他設(shè)備，騰訊地圖地理定位API可提供較高精度的定位服務(wù)。此外，通過手機(jī)瀏覽器定位獲得的經(jīng)緯度，在騰訊地圖上顯示最為準(zhǔn)確，在其他地圖平臺(tái)上的偏差較大。

系統(tǒng)開發(fā)平臺(tái)采用騰訊地圖Javascript API V2，可在網(wǎng)站中加入交互性較強(qiáng)的街景、地圖，能很好地支持PC和手機(jī)設(shè)備，身材小巧、動(dòng)畫效果順滑流暢、動(dòng)感十足，能提供地圖操作、標(biāo)注、地點(diǎn)搜索、出行規(guī)劃、地址解析、街景等接口，功能豐富，并免費(fèi)開放各種附加工具庫。此外，Javascript API V2為免費(fèi)服務(wù)，任何提供免費(fèi)訪問的網(wǎng)站均可調(diào)用。

1.3 全景圖像展示災(zāi)情信息

全景圖像展示是通過瀏覽器實(shí)現(xiàn)的，主要包括PC端和移動(dòng)端上的瀏覽器。常用的全景圖像顯示技術(shù)包括Adobe Flash Player、Java Apple、QTVR、HTML5等，前3種技術(shù)均需在客戶端安裝插件、使用不便，很多產(chǎn)品需要付費(fèi)、技術(shù)落后；而HTML5在三維圖形的表現(xiàn)上引入了WebGL、SVG、Canvas、CSS3等技術(shù)，具有瀏覽器原生支持、性能高、標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的特點(diǎn)。系統(tǒng)采用Photo Sphere Viewer 作為全景圖像的解析展示技術(shù)。Photo Sphere Viewer基于 Three.js，在支持WebGL的瀏覽器上具有十分流暢的表現(xiàn)，在僅支持HTML Canvas的瀏覽器上同樣表現(xiàn)尚可；是開源的Javascript庫，支持VR設(shè)備。

2 系統(tǒng)功能模塊

系統(tǒng)適用于各類自然災(zāi)害的災(zāi)情展示，以地震為例，地震發(fā)生后（本文中地震僅為測試，非真實(shí)地震）工作人員趕赴災(zāi)區(qū)或震區(qū)群眾打開手機(jī)“相機(jī)”App，按照系統(tǒng)引導(dǎo)拍攝“Photo Sphere”格式的全景圖像，再通過瀏覽器將全景圖像上傳至云服務(wù)器，指揮部、群眾或媒體則可進(jìn)入全景圖像地圖導(dǎo)覽頁面，查看感興趣地點(diǎn)的災(zāi)區(qū)全景圖像。系統(tǒng)各功能模塊如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)功能模塊

2.1 全景圖像獲取與處理

地震發(fā)生后，主管部門隨即派出地震現(xiàn)場工作隊(duì)，同時(shí)震區(qū)群眾也向有關(guān)部門報(bào)告災(zāi)情。通過手機(jī)的“相機(jī)”App拍照十分簡單便捷，由于手機(jī)具有陀螺儀設(shè)備，App可識(shí)別手機(jī)姿態(tài)，引導(dǎo)用戶拍攝全景圖像，無需其他專業(yè)設(shè)備，如圖2所示。只需將相機(jī)移動(dòng)對(duì)準(zhǔn)每個(gè)提示點(diǎn)，即可輕松拍攝全景照片，拍攝結(jié)束后，App可自動(dòng)合成為標(biāo)準(zhǔn)的全景圖像，大約需要15～20 s。通過簡單的三腳架可以讓手機(jī)獲得更加穩(wěn)定的圖像，但拍攝全景圖像的天空和地面不太方便。

拍攝全景圖像時(shí)，拍攝地面一般會(huì)把拍攝人員的腳也拍進(jìn)去，可通過手機(jī)端的圖片處理軟件簡單修復(fù)，一般手機(jī)原生的圖片處理功能即可實(shí)現(xiàn)；即使不修復(fù)地面部分，也可在全構(gòu)建還原全景圖像場景時(shí)，通過控制看向地面的視角進(jìn)行規(guī)避。

2.2 全景圖像上傳發(fā)布

用戶將全景圖像上傳至云服務(wù)器，同步填寫全景圖像反映的災(zāi)情場景的詳細(xì)描述、主要災(zāi)害類型、拍攝人員、聯(lián)系方式等。全景圖像的經(jīng)緯度通過瀏覽器調(diào)用騰訊地圖地理定位API進(jìn)行自動(dòng)定位，若不是拍攝完畢后當(dāng)即上傳，也可記錄下來后續(xù)自行填寫。全景圖像上傳界面如圖3所示。

2.3 全景圖像地圖導(dǎo)覽

調(diào)用騰訊地圖API，在地圖上顯示所有用戶已上傳的全景圖像，并顯示災(zāi)害位置，可切換地圖類型（普通地圖和衛(wèi)星影像地圖）。該功能面向指揮部、公眾、媒體開放，可顯示全部全景圖像的空間位置，點(diǎn)擊圖標(biāo)即可查看全景圖像。全景圖像地圖導(dǎo)覽界面如圖4所示。

2.4 災(zāi)區(qū)全景圖像展示

用戶可在PC端、移動(dòng)端通過瀏覽器全方位、交互式地查看災(zāi)區(qū)的全景圖像；可設(shè)置情景自動(dòng)瀏覽，投放至指揮部大屏幕上供領(lǐng)導(dǎo)專家查看；可手動(dòng)旋轉(zhuǎn)縮放360°無死角查看災(zāi)情；可打開VR模式，戴上VR眼鏡進(jìn)行沉浸式體驗(yàn)，真實(shí)體會(huì)災(zāi)區(qū)的災(zāi)情；可設(shè)置標(biāo)記，對(duì)全景圖像情景內(nèi)需要特別關(guān)注的點(diǎn)進(jìn)行標(biāo)注，或鏈接至其他全景場景，無縫切換。小至市內(nèi)建筑物破壞，大至滑坡、泥石流等大范圍地質(zhì)災(zāi)害，系統(tǒng)都可以較好地顯示災(zāi)情情況。災(zāi)區(qū)全景圖像展示界面如圖5所示。

圖2 拍攝全景圖片導(dǎo)引

圖3 全景圖像上傳

圖4 全景圖像地圖導(dǎo)覽

圖5 災(zāi)區(qū)全景圖像展示

3 結(jié) 語

本文設(shè)計(jì)的基于全景圖像的災(zāi)情展示系統(tǒng)集成了VR技術(shù)和Web GIS，為自然災(zāi)害的災(zāi)情展示提供了一種新的方式。其沉浸式、交互式、360°全覆蓋的災(zāi)情展示模式有助于指揮部領(lǐng)導(dǎo)專家、公眾和媒體工作者深度體會(huì)災(zāi)區(qū)情景、全面了解災(zāi)區(qū)情況、感同身受地體驗(yàn)災(zāi)區(qū)的災(zāi)情、應(yīng)急救援進(jìn)展等，在應(yīng)急管理輔助決策、主動(dòng)公開信息、應(yīng)對(duì)謠言、服務(wù)公眾方面具有積極作用。系統(tǒng)提供的解決方案，無需額外的設(shè)備和經(jīng)濟(jì)投入，僅需2 min即可提供災(zāi)區(qū)的全景展示服務(wù)。