基于全景圖像的災情展示系統設計與實現

趙 杰，張 洋，寧亞靈

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

自然災害發生后，無論是應對災害的指揮部領導還是公眾，最想了解的都是災情信息。災情獲取來源廣泛，災區現場群眾、災害應對主管部門、新聞媒體均可提供豐富的災情信息。災害發生后，及時地將災區的災情展示出來，對于輔助指揮部領導決策、增強信息傳播透明度、保障群眾合理知情權、阻止謠言傳播都具有不可替代的作用[1]。目前災情信息的載體一般包括文檔、圖片、影音資料、航拍影像等。全景技術是VR技術的一種實現方法，將多張相關的圖片通過同名點拼接成全景圖片，以在視覺上垂直180°、水平360°的全覆蓋來展示現實空間信息，具有一定的交互性和真實的沉浸感，是一種流行的視覺新技術[2]。通過全景技術來展示災情具有普通圖片、視頻等信息展示技術不具備的優勢，結合VR眼鏡，可讓用戶具有真實感，可全方位無盲區顯示災情信息[3]。全景圖是一種基于全景技術與電子地圖發布技術的可定位展示真實場景的VR技術[4]。將全景圖與Web GIS相結合，Web GIS能為用戶提供空間導引，全景圖能為領導、群眾提供沉浸式、全方位、交互式的災情展示服務。

本文設計了一套基于全景圖像的災情展示系統，采用B/S架構，鑒于自然災害發生后時間緊任務多的特點，采用簡單的全景圖像拍攝技術，以公共地圖為Web GIS開發平臺，采用開源的全景圖像展示方案。

1 系統設計和關鍵技術

基于全景圖像的災情展示系統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、全景圖像展示災情信息3個模塊。系統實現采用的技術方法如表1所示。

表1 系統實現的技術方法

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

本文設計的系統采用集成在Android 4.2 Jelly Bean及以上版本的谷歌原生“相機”App進行全景圖像的拍攝，“Photo Sphere”拍照模式可引導用戶一次性對周圍場景進行全景拍攝，再自動合成為全景圖像?！癙hoto Sphere”拍照模式通過手機陀螺儀確定相片姿態，用戶只需按照其引導即可拍攝出高質量的全景圖片，使用十分便捷，且無需導入其他軟件進行全景圖像合成，節省了大量時間，同時也滿足了在災區拍照時不方便攜帶太多設備的要求。谷歌原生“相機”App在搭載安卓系統的手機上皆可免費安裝使用，也有適用于iOS系統的版本，可滿足災區工作人員零成本、快速獲取全景圖像的需求。系統的全景圖像采用等距柱狀投影（ERP），該投影將球面上的經線和緯線映射為間距相等的垂直線和水平線，利用相同數量的采樣點保存每條緯線上的數據[6]，覆蓋范圍為360°×180°，長寬比例為2∶1；以觀察者（即相機攝像頭）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與人眼模型最為接近，可在視點處提供全方位連續的視覺描述。用戶將全景圖像上傳至云服務器，云服務器采用騰訊云平臺，以SQL Server為RMBS。存儲全景圖像的數據庫設計如表2所示。

表2 數據庫結構

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，顯示了自然災害和災區全景圖像的地理位置。系統采用騰訊地圖API作為GIS開發基礎平臺。相較于其他公共地圖或GIS平臺，騰訊地圖API的特點是地理定位準確、本身具有全國最全面的街景數據[7]。按照系統設計，用戶在利用移動設備拍攝完全景圖像后即可上傳至云服務器，這時再利用公共地圖提供的地理定位API獲得自身位置，無需其他設備，騰訊地圖地理定位API可提供較高精度的定位服務。此外，通過手機瀏覽器定位獲得的經緯度，在騰訊地圖上顯示最為準確，在其他地圖平臺上的偏差較大。

系統開發平臺采用騰訊地圖Javascript API V2，可在網站中加入交互性較強的街景、地圖，能很好地支持PC和手機設備，身材小巧、動畫效果順滑流暢、動感十足，能提供地圖操作、標注、地點搜索、出行規劃、地址解析、街景等接口，功能豐富，并免費開放各種附加工具庫。此外，Javascript API V2為免費服務，任何提供免費訪問的網站均可調用。

1.3 全景圖像展示災情信息

全景圖像展示是通過瀏覽器實現的，主要包括PC端和移動端上的瀏覽器。常用的全景圖像顯示技術包括Adobe Flash Player、Java Apple、QTVR、HTML5等，前3種技術均需在客戶端安裝插件、使用不便，很多產品需要付費、技術落后；而HTML5在三維圖形的表現上引入了WebGL、SVG、Canvas、CSS3等技術，具有瀏覽器原生支持、性能高、標準規范的特點。系統采用Photo Sphere Viewer 作為全景圖像的解析展示技術。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，在僅支持HTML Canvas的瀏覽器上同樣表現尚可；是開源的Javascript庫，支持VR設備。

2 系統功能模塊

系統適用于各類自然災害的災情展示，以地震為例，地震發生后（本文中地震僅為測試，非真實地震）工作人員趕赴災區或震區群眾打開手機“相機”App，按照系統引導拍攝“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器，指揮部、群眾或媒體則可進入全景圖像地圖導覽頁面，查看感興趣地點的災區全景圖像。系統各功能模塊如圖1所示。

圖1 系統功能模塊

2.1 全景圖像獲取與處理

地震發生后，主管部門隨即派出地震現場工作隊，同時震區群眾也向有關部門報告災情。通過手機的“相機”App拍照十分簡單便捷，由于手機具有陀螺儀設備，App可識別手機姿態，引導用戶拍攝全景圖像，無需其他專業設備，如圖2所示。只需將相機移動對準每個提示點，即可輕松拍攝全景照片，拍攝結束后，App可自動合成為標準的全景圖像，大約需要15～20 s。通過簡單的三腳架可以讓手機獲得更加穩定的圖像，但拍攝全景圖像的天空和地面不太方便。

拍攝全景圖像時，拍攝地面一般會把拍攝人員的腳也拍進去，可通過手機端的圖片處理軟件簡單修復，一般手機原生的圖片處理功能即可實現；即使不修復地面部分，也可在全構建還原全景圖像場景時，通過控制看向地面的視角進行規避。

2.2 全景圖像上傳發布

用戶將全景圖像上傳至云服務器，同步填寫全景圖像反映的災情場景的詳細描述、主要災害類型、拍攝人員、聯系方式等。全景圖像的經緯度通過瀏覽器調用騰訊地圖地理定位API進行自動定位，若不是拍攝完畢后當即上傳，也可記錄下來后續自行填寫。全景圖像上傳界面如圖3所示。

2.3 全景圖像地圖導覽

調用騰訊地圖API，在地圖上顯示所有用戶已上傳的全景圖像，并顯示災害位置，可切換地圖類型（普通地圖和衛星影像地圖）。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，點擊圖標即可查看全景圖像。全景圖像地圖導覽界面如圖4所示。

2.4 災區全景圖像展示

用戶可在PC端、移動端通過瀏覽器全方位、交互式地查看災區的全景圖像；可設置情景自動瀏覽，投放至指揮部大屏幕上供領導專家查看；可手動旋轉縮放360°無死角查看災情；可打開VR模式，戴上VR眼鏡進行沉浸式體驗，真實體會災區的災情；可設置標記，對全景圖像情景內需要特別關注的點進行標注，或鏈接至其他全景場景，無縫切換。小至市內建筑物破壞，大至滑坡、泥石流等大范圍地質災害，系統都可以較好地顯示災情情況。災區全景圖像展示界面如圖5所示。

圖2 拍攝全景圖片導引

圖3 全景圖像上傳

圖4 全景圖像地圖導覽

圖5 災區全景圖像展示

3 結 語

本文設計的基于全景圖像的災情展示系統集成了VR技術和Web GIS，為自然災害的災情展示提供了一種新的方式。其沉浸式、交互式、360°全覆蓋的災情展示模式有助于指揮部領導專家、公眾和媒體工作者深度體會災區情景、全面了解災區情況、感同身受地體驗災區的災情、應急救援進展等，在應急管理輔助決策、主動公開信息、應對謠言、服務公眾方面具有積極作用。系統提供的解決方案，無需額外的設備和經濟投入，僅需2 min即可提供災區的全景展示服務。