GIS 集成三維全景在環境應急中的應用

1 三維全景技術特點

三維全景技術是一項虛擬現實技術，具有“360 度大視場、旋轉不變性”等特點。全景技術起源于20 世紀90 年代末，最初的全景技術只用于展示。隨著3D 技術的發展，全景技術逐步與地理信息相融合，形成三維全景技術。三維全景技術的本質是利用全景圖像與二維地圖相結合，為用戶提供每個地理位置的360°真實場景，從而解決傳統二維地圖完整性和視覺直觀性欠缺的問題。三維全景技術比起其它需要大量三維場景建模以及仿真技術投入的虛擬現實技術而言，有著無法比擬的優勢。主要表現在:

①數據量小，數據采集和處理簡便;

②數據冗余度低;

③與場景復雜度無關;

④對運行計算機的性能要求不高;

⑤不依賴于特殊裝置。

2 系統框架

GIS 作為一門空間信息分析技術，在環境監控和保護方面發揮著技術先導的作用。但傳統GIS 展示方式主要以二維平面為主，其操作對象是經專業工作人員高度抽象后以點、線、面形式表達的空間實體，缺乏空間立體感和沉浸感。如果采用幾何三維模型表達空間實體，其數據量龐大，一方面不利于網絡傳輸，另一方面作為GIS 靈魂的空間分析功能將會受到嚴重限制。三維全景數據量小、傳輸速度快、立體沉浸感較強，與GIS 技術相結合不會對其空間分析能力產生任何影響。因此，在實際工作中將三維全景技術結合GIS 無疑是最好的選擇，不僅豐富了全景技術的內涵，同時擴展了傳統GIS 的外延。

昆明市環境應急響應系統的建設，主要用富客戶端技術做支撐，以GIS 為平臺，集成三維全景技術。系統主要由基礎數據層、數據交換層和應用層組成，如圖1 所示。

2.1 基礎數據層

數據層由基礎地理信息數據庫和全景影像數據庫組成。基礎地理信息數據庫主要為地理底圖的生成提供包括矢量數據、全要素柵格影像數據和數字高程模型在內的多源空間數據。全景影像數據庫中則存儲有全景影像圖和場景相關的屬性信息。

2.2 數據交換層

數據交換層的主要任務是完成對數據庫中數據的讀取、轉換，并且接收用戶輸入數據的轉換、回寫。針對空間數據部分的操作，系統采用ArcGIS Server 套件架設GIS 應用服務器提供對矢量數據、柵格影像數據的讀取和發布服務。同時構建地理處理服務，完成對空間量算和空間分析的支持。對于全景影像數據的讀取，則通過架設IIS 服務器以提供服務的方式對外發布。系統中其它屬性信息則通過java 技術構建J2EE 服務，對屬性信息進行訪問和控制。

2.3 應用層

應用層主要提供用戶和系統的交互功能。系統在Flex 框架下構建前臺展示界面，通過運用Arc-GIS API for Flex 組件將地理信息瀏覽、空間和屬性信息互查、空間分析以及環境專業模型進行集成，呈現給用戶一個界面友好、性能穩定、功能豐富的軟件平臺。

3 關鍵技術探討

3.1 地理信息技術

環境污染事故的發生具有時間特征和空間特征。在應急處置過程中，決策者不僅需要了解事故類型、事故發展態勢，而且還需掌握事故地點、污染范圍等空間信息。因此，引入地理信息系統是一種有效的解決方案。地理信息系統(GIS)是在計算機軟、硬件系統支持下，對整個或部分地球表層空間中的有關地理分布數據進行采集、存儲、管理、運算、分析、顯示和描述的技術系統。針對環境應急中所涉及的信息資源，不僅數據量龐大，而且具備空間信息特征，同時還需對空間實體進行實時定位、數據定性分析、因子定量評價和信息實時提取，如果采用傳統信息系統的數據管理方式，完全無法滿足我們的應用需求。

昆明市環境應急響應系統通過對空間實體進行高度抽象、分類和整合，為了滿足多用戶快速檢索和分析數據，采用高效的地理空間數據庫對數據進行管理，通過建立空間數據應用服務器來將數據通過服務的方式對單位內部進行發布，通過富客戶端技術來展示和應用服務所提供的數據。

將地理信息技術用于環境應急響應，不僅可以提高應急決策的科學性、合理性和有效性，降低事故對環境造成的影響;同時，能夠有效提高環境保護決策者保障環境安全和處置環境突發事件的能力，加強污染事故現場工作人員處理事故的有效性和及時性，最大程度上預防和減少突發環境突發事件及其造成的損害，維護了社會的穩定和保障人民的生命和財產安全。

3.2 三維全景技術

三維全景技術的關鍵是對目標場景進行360°全方位、無死角拍攝，然后將拍攝圖像拼接得到全景圖并加載至播放插件中實現360°全景漫游。根據全景圖的投影方式不同，一般分為柱面全景、球面全景和立方體全景。柱面全景的構造相對簡單，其只能展示環視點360°內的場景，對垂直方向上的視域有所局限。立方體全景由一組廣角為90°的圖像組成，因此立方體的六個面都有圖像覆蓋，可以實現環視點360°和垂直180°內場景的自由展示。但是，立方體全景引起的畸變較大，給用戶的視覺效果不佳。球面全景可以由裝有普通鏡頭的照相機拍攝經鑲嵌、拼接得到，也可以采用專業的魚眼鏡頭進行拍攝得到。同時，由于采用球面投影方式非常符合人眼觀察事物的視角結構，球面全景不僅能夠實現360°環視點和垂直180°內場景的自由展示，給用戶的視覺效果也是最佳的。

本文采用魚眼鏡頭對目標場景進行拍攝，用球面的經緯線近似表示魚眼圖像中景物的變形，在對圖像準確定位的基礎上，依據扭曲變形校正的圖像坐標映射關系，對圖像顏色信息進行重投影，配準后的圖像用多分辨率樣條法進行圖像融合，最終形成一張完整的全景圖片。

3.3 富客戶端技術

富客戶端技術不僅集成了桌面應用高效、穩定的特性和WEB 應用方便快捷、部署成本低等諸多優點，而且還具備豐富的圖形表達能力、動態效果展示和擴展性強等特點，能提供給用戶豐富的界面效果和良好的網絡互動體驗。將富客戶端技術應用于環境應急響應中，是應急指揮思想的一種有效體現。它不但使抽象的宏觀決策及態勢輔助更易于分析判斷，同時還形成了統一標準的圖形標會原語，實現了標會指揮調度快速一體化。

正是基于富客戶端技術，才實現了豐富的客戶端地圖顯示效果，快捷的擴展分析和高性能地圖展示。為環境應急指揮實現快速準確的圖形化信息交流、應急預案管理、指揮決策提供有力的輔助支持。隨著富客戶端技術的不斷完善，其必將為應急管理帶來更大的進步。

4 應用探討

4.1 空間準確定位

GIS 幫助用戶進行二維空間定位，在小比例尺下能夠清晰顯示地理空間要素，其提供的信息具有抽象性、宏觀性和綜合性等特點。在應急策略制定過程中，策略制定者不僅需要了解宏觀信息，同時還需掌握微觀信息，例如事故周圍自然環境狀況、設施布局狀況等。將三維全景技術同地理信息技術相結合，能夠讓決策者從宏觀到微觀，從總體到細節，不同層次了解并掌握信息，為應急決策的制定提供有效技術支撐。

4.2 應急指揮應用在環境應急指揮過程中，利用二維數字地圖和

遙感衛星影像結合能有效劃定環境事故發生的區域，同時利用三維全景影像對事故現場進行分析，在關鍵路徑和通道進行移動監測設備的布控，輔助環境事故應急預案的制定。

4.3 監控設施管理

在日常監控設施維護和管理過程中，需要對各類監控設備的位置進行定位、屬性瀏覽等業務操作，GIS 只能給出這些設備經過抽象后的平面圖，無法對設施進行詳細位置確定，也無法查看設施周圍環境狀況，三維全景可以提供給用戶全要素、全紋理的信息，便于管理者開展統一管理和維護設施等工作。

5 結論

昆明市環境應急響應系統以GIS 為平臺，采用富客戶端技術做支撐，集成三維全景技術。充分發揮GIS 空間分析能力的同時，引入三維全景技術，不僅擴充了GIS 的外延，同時提升了三維全景技術的內涵，為環境應急決策制定提供有效的技術保障。該系統的建設使昆明市環境應急處置能力得到有效提升，具有較強的應用價值和現實意義。

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