賈濟(jì)紅，羌鑫林

(江蘇省測(cè)繪工程院，江蘇 南京 210013)

0 引 言

隨著地理信息采集技術(shù)的進(jìn)步與地理信息成果的深入應(yīng)用，市場(chǎng)需求已經(jīng)逐步從傳統(tǒng)的矢量、影像底圖的基本定位要求，轉(zhuǎn)向?qū)邆涠嗑S、實(shí)時(shí)、動(dòng)態(tài)、生動(dòng)等特點(diǎn)的各類(lèi)地理信息資源的更高要求，越來(lái)越多的地理信息開(kāi)始走向網(wǎng)絡(luò)化、集成化、三維化，并開(kāi)始與業(yè)務(wù)系統(tǒng)相互融合、相互影響、互為補(bǔ)充。360°實(shí)景技術(shù)最早可以追溯到20世紀(jì)70年代，起初應(yīng)用于森林資源調(diào)查領(lǐng)域，可以方便對(duì)周邊林木進(jìn)行360°范圍的攝影，有效清查森林資源[1]。實(shí)景技術(shù)在2000年初步引入地理信息領(lǐng)域并應(yīng)用于場(chǎng)景漫游，通過(guò)對(duì)場(chǎng)景中視點(diǎn)照片的平滑過(guò)渡實(shí)現(xiàn)切換[2]。從此實(shí)景地圖以其對(duì)現(xiàn)實(shí)的真實(shí)反應(yīng)與良好的人機(jī)交互特點(diǎn)，進(jìn)一步豐富了人類(lèi)對(duì)現(xiàn)實(shí)世界的描述方法，為各個(gè)行業(yè)提供了新的表現(xiàn)形式。實(shí)景地圖通過(guò)實(shí)地拍攝照片來(lái)構(gòu)建真實(shí)世界場(chǎng)景，用戶可以第一人稱視角體驗(yàn)遨游現(xiàn)場(chǎng)、查詢檢索、交流互動(dòng)等功能。隨著無(wú)人機(jī)平臺(tái)的成熟與計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，實(shí)景地圖已經(jīng)并非用于簡(jiǎn)單的地面地圖瀏覽，而開(kāi)始通過(guò)無(wú)人機(jī)平臺(tái)走向天空，并且通過(guò)與計(jì)算機(jī)技術(shù)的集成來(lái)展現(xiàn)真實(shí)場(chǎng)景，該技術(shù)可以作為實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)、攝影監(jiān)控、人員定位等多種信息的融合載體，在多源信息聚合、大數(shù)據(jù)集成的道路上占據(jù)了一席之地[3-7]。本文在無(wú)人機(jī)空中實(shí)景獲取技術(shù)和Krpano實(shí)景技術(shù)的基礎(chǔ)上，以江蘇省基礎(chǔ)測(cè)繪中心建設(shè)監(jiān)測(cè)項(xiàng)目為應(yīng)用案例，對(duì)無(wú)人機(jī)空中實(shí)景數(shù)據(jù)的采集技術(shù)路線與在線應(yīng)用瀏覽進(jìn)行了研究。

1 關(guān)鍵技術(shù)介紹

1.1 空中實(shí)景

實(shí)景也被稱作為全景、街景，是一種定點(diǎn)使用多鏡頭同時(shí)拍攝多角度或單鏡頭定點(diǎn)拍攝多角度可以覆蓋水平視角360°、垂直視角180°的圖像組織方法。按投影方式的不同，可以分為柱形、球形、圓形、方形等多種類(lèi)型。按采集方式的不同，可分為空中靜態(tài)單點(diǎn)、空中動(dòng)態(tài)連續(xù)、地面靜態(tài)單點(diǎn)、地面動(dòng)態(tài)連續(xù)等多種類(lèi)型。按采集平臺(tái)的不同，可以分為無(wú)人機(jī)平臺(tái)、車(chē)載平臺(tái)、船載平臺(tái)、腳架平臺(tái)等多種載體?？罩袑?shí)景與地面實(shí)景相比，在拍攝視角與可到達(dá)性方面，具有顯著優(yōu)勢(shì)。

1.2 Krpano

Krpano兼容HTML5和Flash兩種模式的，屬于WebGL下的一款靈活度高、性能優(yōu)越的輕量型實(shí)景在線漫游軟件，可以用于各種實(shí)景圖像和互動(dòng)虛擬模式。Krpano的渲染效果采用Action Script語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)，場(chǎng)景內(nèi)容的配置則由xml標(biāo)記語(yǔ)言負(fù)責(zé)，由于xml的可擴(kuò)展性，使得實(shí)景場(chǎng)景的配置更加靈活，Krpano內(nèi)置了26個(gè)主要的xml節(jié)點(diǎn)標(biāo)記，每個(gè)標(biāo)記都代表著實(shí)景場(chǎng)景中的特定要素或有特定含義，xml的靈活性還體現(xiàn)在支持代碼文件的包含引入，這樣便有利于實(shí)現(xiàn)場(chǎng)景的模塊化配置，方便代碼的編寫(xiě)與維護(hù)。

Action Script也為Krpano定義了一系列接口，用以控制Krpano的動(dòng)作。Krpano為制作動(dòng)態(tài)特效提供了多種函數(shù)，如程序邏輯和流程控制函數(shù)、數(shù)學(xué)運(yùn)算函數(shù)、文字顯示函數(shù)以及動(dòng)態(tài)加載其它實(shí)景圖的函數(shù)等。此外，通過(guò)外部Javascript接口函數(shù)，還可與前端的Javascript實(shí)現(xiàn)交互，Krpano與外部系統(tǒng)的通信機(jī)制見(jiàn)圖。

Krpano的插件為其擴(kuò)展應(yīng)用提供了基礎(chǔ)，通過(guò)插件的擴(kuò)展可以將常見(jiàn)的網(wǎng)絡(luò)地圖，如谷歌地圖、天地圖等進(jìn)行位置定位；VR插件可以實(shí)現(xiàn)Krpano對(duì)WebVR/MobileVR的支持，從而可以使用頭戴設(shè)備顯示，如使用華為VR眼鏡、小米VR眼鏡得到虛擬現(xiàn)實(shí)效果。Krpano的插件擴(kuò)展為該項(xiàng)技術(shù)的深入應(yīng)用與交叉融合創(chuàng)造了條件。

2 技術(shù)路線

2.1 總體技術(shù)路線

無(wú)人機(jī)空中實(shí)景采集與處理總體技術(shù)路線，如圖1所示。

圖1 無(wú)人機(jī)空中實(shí)景采集與處理總體技術(shù)路線

2.2 實(shí)景數(shù)據(jù)處理

根據(jù)預(yù)定路線采用無(wú)人機(jī)航攝實(shí)景圖片，原理與地面實(shí)景大同小異。因?yàn)樵诳罩信臄z無(wú)法手動(dòng)調(diào)整三腳架，只能通過(guò)控制遙控器來(lái)操作無(wú)人機(jī)的航拍角度。通過(guò)在無(wú)人機(jī)的水平視角、斜下固定視角和正向朝下視角等多個(gè)方向上，懸停穩(wěn)定拍攝所有照片。

照片數(shù)據(jù)導(dǎo)出后需要進(jìn)行數(shù)據(jù)的拍攝點(diǎn)位檢查、完整性檢查、重疊度檢查與圖像檢查。檢查通過(guò)后通過(guò)明暗處理等前期處理方法，提升后期合成的軟件效率。軟件后期的合成，控制點(diǎn)的人工選取可以在PanoramaStudio或者PTGuiPro等類(lèi)似軟件中完成，處理完成后就可以得到單個(gè)點(diǎn)位的實(shí)景全圖。得到實(shí)景全圖后，使用krpanotools工具的makepano命令切圖，生成名稱為Vtour的文件夾，自帶的配置文件在名稱為tour.xml的文件中，包含視場(chǎng)角型、切片圖像大小、預(yù)覽鏈接等參數(shù)，如果不考慮場(chǎng)景中的其他數(shù)據(jù)，生成的Sence文件夾即成為可快速預(yù)覽的小網(wǎng)頁(yè)。

2.3 在線場(chǎng)景構(gòu)建

Krpano常用的場(chǎng)景結(jié)構(gòu)為UI+Sence模式，其中sence的模式有Normal Panoramas、Multi-Resolution、Panoramic Video Support三種，在Krpano中看到的每一個(gè)實(shí)景漫游都是一個(gè)獨(dú)立的場(chǎng)景，分別在一個(gè)獨(dú)立的scene中進(jìn)行配置，在scene中可以調(diào)用action動(dòng)作，可以在里面添加任意的東西，最后被krpano解析之后展示。3.2節(jié)中生成的Vtour文件夾中已經(jīng)自動(dòng)包含panos、plugins和skin三個(gè)子文件夾，panos文件夾中存放了實(shí)景漫游縮略圖與切片；plugins中存放了場(chǎng)景中使用的各類(lèi)插件，為krpano開(kāi)發(fā)提供了應(yīng)用擴(kuò)展；skin文件夾里存放的是漫游中出現(xiàn)的皮膚、熱點(diǎn)、導(dǎo)航條等圖片及vtourskin.xml文件，這個(gè)文件是實(shí)景漫游的UI文件，瀏覽實(shí)景漫游時(shí)的導(dǎo)航條、縮略圖、上下左右、放大縮小、全屏縮放等系列功能，都在這個(gè)文件里完成；tour.html中標(biāo)簽中的內(nèi)容為當(dāng)前瀏覽器的名稱，每個(gè)scene中也會(huì)有一個(gè)title屬性，為對(duì)應(yīng)場(chǎng)景的說(shuō)明文字，以上均可以使用記事本修改。

Krpano里場(chǎng)景載入有l(wèi)oadpano()、loadxml()、loadscene()、loadpanoscene()幾種方法，分別可以切換到xml文件場(chǎng)景、動(dòng)態(tài)場(chǎng)景和同頁(yè)面scene場(chǎng)景中，相應(yīng)的函數(shù)為：loadpano(xmlpath,vars*,flags*,blend*)；loadscene(scenename,vars*,flags*,blend*)；loadpanoscene(xmlpath,scenename,vars*,flags*,blend*)；loadxml(xmlstring,vars*, flags*,blend*)。

3 應(yīng)用實(shí)例

重點(diǎn)建設(shè)項(xiàng)目的定期監(jiān)測(cè)有利于認(rèn)真落實(shí)項(xiàng)目建設(shè)的進(jìn)度并實(shí)現(xiàn)階段性目標(biāo)，防范與降低重點(diǎn)項(xiàng)目實(shí)施過(guò)程中的各類(lèi)風(fēng)險(xiǎn)，對(duì)項(xiàng)目的順利開(kāi)展和領(lǐng)導(dǎo)機(jī)構(gòu)的科學(xué)決策具有重要意義。無(wú)人機(jī)獲取的空中實(shí)景為重點(diǎn)項(xiàng)目的定期監(jiān)測(cè)提供了全新的宏觀視角，可以全面的獲取在建項(xiàng)目的建設(shè)現(xiàn)狀、建設(shè)動(dòng)態(tài)以及與周邊環(huán)境的關(guān)系等信息，為科學(xué)決策提供數(shù)據(jù)支撐。

以在建的江蘇省基礎(chǔ)測(cè)繪中心建設(shè)工程為試驗(yàn)監(jiān)測(cè)對(duì)象，采用精靈無(wú)人機(jī)定期獲取該項(xiàng)目上空的實(shí)景影像，每個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)獲取1次實(shí)景影像需要在平視、斜視和正視3個(gè)角度共獲取原始照片49張。數(shù)據(jù)從飛機(jī)的存儲(chǔ)卡導(dǎo)出到電腦后，使用PS軟件完成原始數(shù)據(jù)的修補(bǔ)、色彩調(diào)整等預(yù)處理工作，在PTGui Pro軟件中通過(guò)自動(dòng)匹配同名點(diǎn)生成最終的實(shí)景全圖影像，重疊度不夠或自動(dòng)識(shí)別效果不理想的需要人工標(biāo)注同名點(diǎn)，最終生成的每張實(shí)景圖片大小約140 Mb?？紤]到監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的用戶最終通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)訪問(wèn)與調(diào)用，全圖實(shí)景影像預(yù)先使用krpanotools完成了切片，分成了7 296*7 296、3 648*3 648、1 792*1 792、1 024*1 024共4個(gè)層次，切片后tiles共54.9 Mb，從而保證了在線瀏覽的順暢度。本文研究的江蘇省基礎(chǔ)測(cè)繪中心無(wú)人機(jī)監(jiān)測(cè)成果最終通過(guò)Krpano技術(shù)在線發(fā)布(圖2)。

4 結(jié) 語(yǔ)

無(wú)人機(jī)的快速發(fā)展給實(shí)景技術(shù)帶來(lái)新的視角和應(yīng)用場(chǎng)景，也為工程建設(shè)提供了全新宏觀決策支持信息。相比傳統(tǒng)的地面單點(diǎn)實(shí)景、地面車(chē)載實(shí)景，基于無(wú)人機(jī)平臺(tái)的實(shí)景可以提供生動(dòng)、直觀、動(dòng)態(tài)、高效的空中視角數(shù)據(jù)，具有周期短、頻率高、現(xiàn)場(chǎng)強(qiáng)的特點(diǎn)?；贙rpano技術(shù)的在線數(shù)據(jù)瀏覽相比現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)街景平臺(tái)具有上手快、易用性強(qiáng)的特點(diǎn)，可以讓用戶更加專注于實(shí)景數(shù)據(jù)質(zhì)量的提升。今后有以下幾個(gè)方面值得深入研究：① 在場(chǎng)景中加入地下、室內(nèi)的信息，做到監(jiān)測(cè)實(shí)景影像信息的室內(nèi)外一體化；② 在系統(tǒng)中增加時(shí)間序列，形成完成的項(xiàng)目生命周期監(jiān)測(cè)；③ 在監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中逐步增加動(dòng)態(tài)信息、在建工程過(guò)程進(jìn)度信息，配合實(shí)景圖像形成完成的項(xiàng)目監(jiān)測(cè)信息流；④ 引入人工智能方法，自動(dòng)對(duì)比辨別不同期實(shí)景影像數(shù)據(jù)的區(qū)別，輔助項(xiàng)目進(jìn)度統(tǒng)計(jì)。總之，無(wú)人機(jī)平臺(tái)實(shí)景的獲取與在線發(fā)布是今后地理信息應(yīng)用與發(fā)展的重要方向。