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      基于小型無人機(jī)的三峽庫區(qū)地質(zhì)災(zāi)害全景與三維展示平臺(tái)研究

      2019-09-06 06:45:14王悅賈雨欣徐子一付超張端淼鄧永煌黃海峰
      現(xiàn)代計(jì)算機(jī) 2019年22期
      關(guān)鍵詞:全貌三峽庫區(qū)實(shí)景

      王悅,賈雨欣,徐子一,付超,張端淼,鄧永煌,黃海峰

      (1.三峽大學(xué),湖北長(zhǎng)江三峽滑坡國家野外科學(xué)觀測(cè)研究站,宜昌443002;2.宜昌市地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測(cè)站,宜昌443002)

      0 引言

      習(xí)近平總書記指出:“長(zhǎng)江擁有獨(dú)特的生態(tài)系統(tǒng),是我國重要的生態(tài)寶庫。當(dāng)前和今后相當(dāng)長(zhǎng)一個(gè)時(shí)期,要把修復(fù)長(zhǎng)江生態(tài)環(huán)境擺在壓倒性位置,共抓大保護(hù),不搞大開發(fā)。”[1]這深刻揭示了建設(shè)長(zhǎng)江生態(tài)文明的重要性和必要性。而地質(zhì)災(zāi)害防治是生態(tài)文明建設(shè)中的重要組成部分。針對(duì)地質(zhì)災(zāi)害防治,“兩個(gè)堅(jiān)持、三個(gè)轉(zhuǎn)變”[2]中指出要“堅(jiān)持預(yù)防為主,努力把自然災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)和損失降至最低”,并提出“實(shí)施自然災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)警信息化工程,提高多災(zāi)種和災(zāi)害鏈綜合監(jiān)測(cè)、風(fēng)險(xiǎn)早期識(shí)別和預(yù)報(bào)預(yù)警能力”等若干重點(diǎn)工程建設(shè)。

      三峽庫區(qū)地質(zhì)環(huán)境脆弱,歷來就是我國地質(zhì)災(zāi)害多發(fā)區(qū)[3],如1985 年6 月12 日發(fā)生的秭歸新灘滑坡,就直接摧毀了整個(gè)新灘古鎮(zhèn)[4]。隨著三峽工程的建設(shè)與運(yùn)營(yíng),庫區(qū)高水位蓄水以及每年大幅度水位升降,疊加汛期降雨以及密集的人類工程活動(dòng),使三峽庫區(qū)的地質(zhì)災(zāi)害更呈高發(fā)態(tài)勢(shì)[5-6],如2003 年7 月就發(fā)生了秭歸千將坪滑坡,共造成14 人死亡、10 人失蹤以及重大經(jīng)濟(jì)損失[7]。國家歷來重視三峽庫區(qū)的地質(zhì)災(zāi)害防治工作,從三峽蓄水之初就開始實(shí)施庫區(qū)地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)警工程,這對(duì)保障三峽工程以及庫區(qū)人民生命財(cái)產(chǎn)安全發(fā)揮了極其重要的作用。如今,三峽庫區(qū)地質(zhì)災(zāi)害防治已進(jìn)入后續(xù)規(guī)劃階段,雖然成績(jī)斐然,但庫區(qū)的地質(zhì)災(zāi)害形勢(shì)仍十分復(fù)雜、嚴(yán)峻,為此,持續(xù)探索地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)警信息化方法,加強(qiáng)地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)管理能力與水平,對(duì)于三峽庫區(qū)仍然非常重要。

      近年來,隨著無人機(jī)遙感技術(shù)的迅猛發(fā)展,其開始被應(yīng)用到地質(zhì)災(zāi)害行業(yè)[8]。例如,采用無人機(jī)遙感開展地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查,能夠快速獲得較大區(qū)域范圍內(nèi)的高分辨率地形與影像等成果,不僅能提高現(xiàn)場(chǎng)工作效率,而且可以獲得形象直觀、可視化效果極佳的豐富信息[9]。這其中,隨著小型無人機(jī)的快速發(fā)展以及人們對(duì)大視域全景圖像需求的迅速增加,虛擬全景與三維實(shí)景模型制作技術(shù)都得到了快速提高,其成果也深受專業(yè)人員與普通大眾喜愛。目前,相關(guān)技術(shù)已在諸多領(lǐng)域如航空航天、醫(yī)學(xué)、旅游、房地產(chǎn)、地質(zhì)勘探等得到了廣泛應(yīng)用[10]。

      為進(jìn)一步加強(qiáng)三峽庫首區(qū)域地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)警信息化水平,提高綜合監(jiān)測(cè)和預(yù)報(bào)預(yù)警能力。本文采用小型無人機(jī)、720 度虛擬全景、三維實(shí)景建模等技術(shù),針對(duì)三峽庫首區(qū)域的地質(zhì)災(zāi)害專業(yè)監(jiān)測(cè)預(yù)警點(diǎn)實(shí)現(xiàn)了虛擬全景與三維實(shí)景模型展示平臺(tái),以下具體闡述。

      1 平臺(tái)方案設(shè)計(jì)

      1.1 建設(shè)目標(biāo)與功能需求

      隨著移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算等的快速發(fā)展,考慮到地質(zhì)災(zāi)害的突發(fā)性以及應(yīng)急處置“快”且“高效”的實(shí)際需求[11-12],將平臺(tái)的建設(shè)目標(biāo)設(shè)定為:針對(duì)三峽庫區(qū)庫首區(qū)域后續(xù)規(guī)劃階段實(shí)施的50 處地質(zhì)災(zāi)害專業(yè)監(jiān)測(cè)預(yù)警點(diǎn),利用小型無人機(jī)[13]采集高清全(實(shí))景影像,建設(shè)三峽庫首區(qū)域后規(guī)地質(zhì)災(zāi)害點(diǎn)虛擬全景與三維實(shí)景模型展示平臺(tái),滿足隨時(shí)、隨地、跨平臺(tái)、快速演示與查看的應(yīng)用需求。進(jìn)一步地,為滿足該建設(shè)目標(biāo),技術(shù)功能需求分為:

      (1)采用現(xiàn)階段相對(duì)成熟的網(wǎng)絡(luò)云端應(yīng)用技術(shù),將所有數(shù)據(jù)信息集中存放在云端環(huán)境,不需在本地安裝、部署任何數(shù)據(jù)庫與應(yīng)用程序,易于管理且安全性高;

      (2)網(wǎng)絡(luò)展示平臺(tái)兼顧地質(zhì)災(zāi)害點(diǎn)的宏觀位置分布與細(xì)節(jié),布局邏輯清晰,操作簡(jiǎn)單;

      (3)支持臺(tái)式機(jī)、筆記本、平板、手機(jī)等多終端,無需安裝任何應(yīng)用程序或插件;

      (4)打開平臺(tái)只需連接互聯(lián)網(wǎng),且虛擬全景與三維實(shí)景模型顯示速度快、效果清晰;

      (5)平臺(tái)數(shù)據(jù)維護(hù)和遷移便利。

      1.2 主要技術(shù)平臺(tái)

      近年來,基于虛擬全景以及三維實(shí)景的云端平臺(tái)逐漸涌現(xiàn),其中最具代表性的包括:

      (1)720yun[14]。國內(nèi)最具代表性的虛擬全景平臺(tái),基于其可以快速制作和發(fā)布720 度虛擬全景,操作簡(jiǎn)單、質(zhì)量好、清晰度高、標(biāo)注鏈接信息豐富[15]。但720 度全景只是照片拼接,不具備三維特征,因此無法顯示和查看地質(zhì)災(zāi)害體及其周邊的真實(shí)地形地貌情況。

      (2)Altizure[16]。先進(jìn)的實(shí)景三維建模網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用平臺(tái),支持直接在線建模,且建模效果好、速度快;Altizure星球可以實(shí)現(xiàn)大場(chǎng)景多模型管理。但隨著三維場(chǎng)景模型的增加,顯示效果和速度存在問題,其次標(biāo)注鏈接等功能較弱。

      (3)Wish3D[17]。適用于多個(gè)3D 場(chǎng)景瀏覽交互的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用平臺(tái),標(biāo)注功能相對(duì)豐富;支持添加其他三維模型、大范圍影像、地形等多源數(shù)據(jù)。但存在穩(wěn)定性較差、跨平臺(tái)功能弱、三維模型顯示速度較慢等不足。

      1.3 方案比選

      根據(jù)建設(shè)目標(biāo)及功能需求,可以擬定四種試驗(yàn)方案:

      (1)方案一:以720yun 為主平臺(tái)展示各災(zāi)害點(diǎn)虛擬全景,通過鏈接Altizure 平臺(tái)對(duì)應(yīng)展示三維實(shí)景模型及其他信息。

      (2)方案二:以720yun 為主平臺(tái)展示各災(zāi)害點(diǎn)虛擬全景,通過鏈接Wish3D 平臺(tái)對(duì)應(yīng)展示三維實(shí)景模型及其他信息。

      (3)方案三:以Altizure 為主平臺(tái)展示各災(zāi)害點(diǎn)三維全景模型,通過鏈接720yun 平臺(tái)對(duì)應(yīng)展示虛擬全景及其他信息。

      (4)方案四:以Wish3D 為主平臺(tái)展示各災(zāi)害點(diǎn)三維全景模型,通過鏈接720yun 平臺(tái)對(duì)應(yīng)展示虛擬全景及其他信息。

      結(jié)合主要技術(shù)平臺(tái)的成熟度,通過綜合測(cè)試多終端顯示速度、清晰度效果、操作便利性等,最終確定采用方案一,這也是目前能滿足“云端、隨時(shí)、隨地、跨平臺(tái)、快速展示”應(yīng)用需求的最佳技術(shù)方案。

      1.4 平臺(tái)架構(gòu)與技術(shù)路線

      根據(jù)平臺(tái)技術(shù)方案選型,三峽庫首地質(zhì)災(zāi)害虛擬全景與三維實(shí)景模型展示平臺(tái)架構(gòu)與實(shí)施技術(shù)路線見圖1。

      圖1 平臺(tái)架構(gòu)與技術(shù)路線圖

      2 具體實(shí)現(xiàn)

      根據(jù)實(shí)施方案與技術(shù)路線,平臺(tái)實(shí)現(xiàn)主要包括無人機(jī)影像采集、單點(diǎn)虛擬全景與三維實(shí)景模型制作以及展示平臺(tái)建設(shè),以下具體闡述。

      2.1 地質(zhì)災(zāi)害點(diǎn)現(xiàn)場(chǎng)無人機(jī)影像采集

      為滿足后期成果需求,對(duì)于每個(gè)三峽庫首區(qū)域地質(zhì)災(zāi)害專業(yè)監(jiān)測(cè)點(diǎn),采用小型無人機(jī)采集三組照片集,分別為720 度全景照片集、三維實(shí)景建模照片集以及全貌照片集。具體采集方法為:

      (1)720 度全景照片集:正對(duì)災(zāi)害點(diǎn),將小型無人機(jī)懸停于一定高度,然后調(diào)整相機(jī)角度旋轉(zhuǎn)飛機(jī),拍攝一組包含災(zāi)害體上、下、左右、前、后各個(gè)方位的照片集,而且保證各相鄰照片之間具有較高的重疊率[18]。其目的是制作各災(zāi)害點(diǎn)的720 度虛擬全景。

      (2)三維實(shí)景建模照片集:即正射+傾斜照片集。是以災(zāi)害體及其周邊一定范圍為界,根據(jù)災(zāi)害體具體特征,采用航線規(guī)劃或者手動(dòng)操控,在滿足一定重疊率(通常是航向重疊率至少75%,旁向重疊率至少60%)的要求下,有規(guī)則地采集正射照片(相機(jī)鏡頭垂直向下),必要情況下補(bǔ)充采集傾斜照片(相機(jī)鏡頭傾斜)[19-20]。其目的是制作災(zāi)害體的三維實(shí)景模型以及數(shù)字正射影像、數(shù)字地形等成果。

      (3)全貌照片集:以災(zāi)害體中心位置為準(zhǔn),將無人機(jī)飛行到一定高度和距離,拍攝災(zāi)害體的全貌照片。理想情況是一張照片能拍攝完整災(zāi)害體周界及其外延一定范圍,如果遇到無法一張照片拍攝完整的情況,則在保證照片清晰度與控制變形的前提下,拍攝一組照片集。其主要目的是制作各災(zāi)害點(diǎn)的全貌及專業(yè)監(jiān)測(cè)布置影像圖。

      2.2 單點(diǎn)虛擬全景與三維實(shí)景模型制作

      基于各災(zāi)害點(diǎn)的現(xiàn)場(chǎng)無人機(jī)影像,分別制作虛擬全景、三維實(shí)景模型以及全貌,具體有:

      (1)720 度虛擬全景:采用全景照片集,借助PTGui、Photoshop 與ArcGIS 軟件,建立各災(zāi)害點(diǎn)全景照片;然后上傳720yun 平臺(tái),制作和發(fā)布各點(diǎn)720 度虛擬全景。

      (2)三維實(shí)景模型:采用三維實(shí)景建模照片集,上傳Altizure 平臺(tái),制作和發(fā)布各地質(zhì)災(zāi)害點(diǎn)的三維實(shí)景模型。

      (3)全貌照片:采用全貌照片或照片集,借助Arc-GIS、Photoshop 軟件,制作各地質(zhì)災(zāi)害點(diǎn)的全貌及專業(yè)監(jiān)測(cè)布置影像圖。

      2.3 虛擬全景與三維實(shí)景展示平臺(tái)搭建

      按照平臺(tái)技術(shù)方案,首先在720yun 上新建三峽庫首區(qū)地質(zhì)災(zāi)害專業(yè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)虛擬全景與三維實(shí)景模型展示平臺(tái)項(xiàng)目,然后按照流域添加與整合各地質(zhì)災(zāi)害單點(diǎn)的720 度虛擬全景,最后在各災(zāi)害點(diǎn)虛擬全景內(nèi)部通過鏈接實(shí)現(xiàn)災(zāi)害體簡(jiǎn)介、監(jiān)測(cè)全貌以及Altizure 三維實(shí)景等的綜合展示。

      3 主要功能

      3.1 平臺(tái)主頁面

      在臺(tái)式電腦、筆記本、移動(dòng)設(shè)備(iPad、手機(jī))等所有能夠連接互聯(lián)網(wǎng)的終端設(shè)備上,通過網(wǎng)頁瀏覽器輸入平臺(tái)網(wǎng)址或者通過微信等程序掃描二維碼,即可在無須安裝任何程序或插件情況下直接進(jìn)入該平臺(tái)主界面(圖2)。

      圖2 三峽庫首區(qū)地質(zhì)災(zāi)害專業(yè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)虛擬全景與三維實(shí)景模型展示平臺(tái)主頁面

      主頁面下部分為兩行全景列表。其中底部一行為一級(jí)列表,按流域依次又分為“長(zhǎng)江干流”、“九畹溪流域”、“童莊河流域”、“香溪河流域”、“歸州河流域”與“青干河流域”。上部一行為二級(jí)列表,其中首列為對(duì)應(yīng)流域的位置分布圖,圖中動(dòng)態(tài)顯示該流域的所有地質(zhì)災(zāi)害點(diǎn);接下去則按照從上游至下游的順序列出對(duì)應(yīng)一級(jí)流域中的所有災(zāi)害點(diǎn)。

      3.2 地質(zhì)災(zāi)害點(diǎn)720度全景展示

      用戶既可以通過圖2 主頁面所示的二級(jí)列表中第一列的位置分布圖,也可以直接通過二級(jí)列表的災(zāi)害體名稱,單擊打開對(duì)應(yīng)地質(zhì)災(zāi)害體的720 度全景(圖3)。在該全景頁面,可以通過按住鼠標(biāo)左鍵移動(dòng)以控制全景的全方位旋轉(zhuǎn)展示;通過旋轉(zhuǎn)鼠標(biāo)滾輪縮放全景大小。還可以進(jìn)行全屏顯示、VR 虛擬現(xiàn)實(shí)模式顯示、查看項(xiàng)目簡(jiǎn)介以及分享二維碼等功能設(shè)置。

      圖3 地質(zhì)災(zāi)害點(diǎn)720度全景展示功能

      3.3 地質(zhì)災(zāi)害點(diǎn)三維實(shí)景模型及其他鏈接信息展示

      對(duì)于各地質(zhì)災(zāi)害點(diǎn)的詳細(xì)信息,包括基本情況簡(jiǎn)介、專業(yè)監(jiān)測(cè)全貌圖、三維實(shí)景模型等都通過熱點(diǎn)標(biāo)注加鏈接的方式實(shí)現(xiàn)。如要查看基本情況,只需單擊圖3中的基本情況鏈接;而要查看三維實(shí)景模型,單擊“三維模型”鏈接,就會(huì)自動(dòng)彈出并加載Altizure 平臺(tái)上對(duì)應(yīng)災(zāi)害體的三維實(shí)景模型(圖4),該模型也可以通過鼠標(biāo)或者提供的工具按鈕實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)、縮放、傾斜、鳥瞰等功能。

      圖4 地質(zhì)災(zāi)害點(diǎn)三維實(shí)景展示功能

      4 結(jié)語

      實(shí)踐表明,綜合采用小型無人機(jī)、720 度虛擬全景、三維實(shí)體建模以及互聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)、WebGL 等技術(shù),對(duì)三峽庫區(qū)地質(zhì)災(zāi)害專業(yè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行720 度全景與三維實(shí)景模型制作,并構(gòu)建集中展示平臺(tái),能夠滿足隨時(shí)、隨地、跨平臺(tái)、快速演示與查看的應(yīng)用需求,可以為進(jìn)一步加強(qiáng)庫區(qū)地質(zhì)災(zāi)害應(yīng)急處置與監(jiān)測(cè)預(yù)警能力與水平提供基礎(chǔ)信息支持。

      在本平臺(tái)基礎(chǔ)上,對(duì)三峽庫區(qū)全岸坡段,采用大面積無人機(jī)傾斜攝影測(cè)量技術(shù),創(chuàng)建大區(qū)域三維實(shí)景模型;并以此為基礎(chǔ)集成鉆孔、精細(xì)地面調(diào)查、高分辨率地形與正射影像、高精度三維點(diǎn)云與模型等空間數(shù)據(jù),建立三峽庫區(qū)地質(zhì)災(zāi)害二維-三維一體化、地上-地下一體化、宏觀-微觀一體化的三維實(shí)景綜合集成平臺(tái),最終實(shí)現(xiàn)地質(zhì)災(zāi)害信息全方位展示、有效管理、動(dòng)態(tài)評(píng)價(jià)以及預(yù)警預(yù)測(cè)。

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