全景图像展示技术在防汛抗旱工作中的应用

许志勇，董 敏

（1.淮委水文局（信息中心），安徽 蚌埠 233001；2.淮委通信总站，安徽 蚌埠 233001）

全景图像展示技术在防汛抗旱工作中的应用

许志勇1，董 敏2

（1.淮委水文局（信息中心），安徽 蚌埠 233001；2.淮委通信总站，安徽 蚌埠 233001）

在防汛抗旱等水利工作的指挥决策过程中，实时了解灾害现场的情况具有十分重要的意义。全景图像展示是一种虚拟现实技术，利用真实的照片获得三维立体的感觉，具有 360° 的视角，可获取现场的全方位信息。水旱灾害发生时，在现场进行全景图像资料的采集，经过后台专业拼接处理，最终通过网页或者软件集成的方式发布，能全面反映灾害现场及其他各类次生信息，为防汛抗旱指挥部门迅速把握灾情，发布灾情信息，以及做出正确的决策提供可靠的依据，同时也为后期灾害损失评估提供详实珍贵的历史图像资料。

全景图；防汛抗旱；灾情； 拼接

0 前言

信息是防汛抗旱决策的基础，是正确分析和判断防汛抗旱形势，科学制定防汛抗旱调度方案的依据[1]。合理采用信息技术可以全面提升防汛抗旱工作的效率。

当发生洪水和严重干旱时，可以利用全景图像展示技术，全面地反映灾害现场及其他各类次生信息。作为对水情、雨情和墒情等防汛抗旱信息的补充，全景图像信息能够全面反映灾害发生点的详细受灾程度，可以为防汛抗旱指挥部门迅速把握灾情，发布灾情信息，做出正确的决策提供可靠的依据，从而缩小水旱灾害范围，最大限度地减少灾害损失，同时也可为后期灾害损失评估提供详实珍贵的历史图像资料。

1 全景图像展示技术

全景图像的英文单词为“Panorama”，来源于希腊语，意思是“都能看见”[2]。人眼正常的有效视角大约为水平 90°、垂直 70°，如果包括双眼余光视角，大约为水平 180°、垂直 90°。本文所论述的全景图像，特指水平视角为 360°、垂直视角为 180° 的实景图像，可全面展示 360° 范围内的所有景致，最大限度地保留场景的真实性，给人以三维立体的空间感觉。

全景图像展示是一种基于静态图像在计算机平台上实现的虚拟现实技术，让人们能在计算机上进行 360° 全景观察，而且通过交互操作，可以实现自由浏览，从而体验三维的虚拟现实视觉世界。

全景图像与普通图片的表现形式相比，具有真实感强、信息量大、交互性好、制作便捷、成本低廉等优点。由于全景图像文件占用空间小、便于传输、发布格式多样化，非常适合当今网络上各种形式的应用。全景图像展示技术在当前的工作生活当中，应用已经越来越普遍。

2012 年伦敦奥运会期间，腾讯公司打造了“奥运全景 360 专题子站点”[3]，只需在图片上轻点鼠标即可完成旋转、缩放等动作，全方位美景近在眼前，使广大网民犹如亲临奥运现场，欣赏到电视镜头未能拍到的角度和细节。

谷歌公司在 Google 地图的基础上，推出“谷歌街景地图”[4]，全世界的网民和旅游爱好者可以通过360° 的全景图像，探索了解世界各地，体验走进大街小巷及餐馆小店，甚至还能探险！

2011 年 3 月 11 日，日本发生里氏 9.0 级地震，并引发强烈海啸。有关专业人士制作了地震后的日本宫城县志津川医院 360° 全景图发布在互联网上[5]，使世界各地人民能深入直观地了解日本地震灾害现场，及时向日本提供相关援助。

2 防汛抗旱工作中的应用需求

随着国家防汛抗旱指挥系统一期工程的建设，到 2013 年全国已建成各类水文测站 86 000 多处，其中国家基本水文站 3 195 处、水位站 9 330 处、雨量站 43 028 处、墒情站 1 912 处，基本做到了流量、水位、雨量、土壤平均含水率、相对湿度等信息的实时监测[6]。受到过去计算机网络覆盖范围小、传输速率慢的制约，这些信息都是按照 SL330-2005 水情信息编码标准编制成代码形式，上传到相应的水行政管理部门，供管理决策机构使用，是一种较快捷，但是包容量小、非直观的信息传送方式。

照片图像能够提供较多的信息包容量。防汛抗旱工作中采集的一般照片图像，只能反映灾害现场某一个视角范围内的信息，不能反映现场全方位的直观信息。全景图像能够作为水情、雨情和墒情等防汛抗旱信息的补充，应用于防汛抗旱工作中，以无缝拼接的方式提供最大程度的信息包容量，全面反映洪涝干旱现场的全方位信息，可为防汛抗旱指挥部门迅速把握灾情，做出正确的决策提供可靠的依据，最大限度地减少灾害损失。

随着移动通信技术的日益普及推广，3G 网络已基本覆盖淮河流域除少数山区外的大部分范围，4G网络业务牌照也均已取得，开始在全国范围内启动商用部署工作，为大容量全景图像提供了高效的传输通道，为其在防汛抗旱工作中的应用提供了必要的通信网络基础条件。

此外，防汛抗旱工作者也可以利用每年的汛前、汛中、汛后的日常检查，在没有发生水旱灾害的情况下，采集制作一些重要防洪工程的全景图像信息，作为必要的历史图像资料，日后在发生水旱灾害时，进行对比分析，为后期灾害损失评估提供参考依据。

3 防汛抗旱全景图像的制作方案

防汛抗旱全景图像的制作方案，具体包括采集拍摄照片、照片拼接合成、修饰处理、信息发布等一系列过程[7]。

3.1 采集拍摄照片

防汛抗旱全景图像由一组连续采集的照片制作而成。对采集点的选取要求不高，一般选取水旱灾害现场，或者重要水利工程周边，在架设三脚架时，能够环顾现场全貌即可。

采集拍摄全景图像所需的照片，一般需要专业数码照相机、鱼眼镜头和三脚架等基本设备，与腾讯伦敦奥运报道、谷歌街景的技术要求相比更为简单。

专业数码照相机在采集拍摄后，可以直接将数码照片导入到计算机。随着制造技术的不断提高，专业数码照相机在成像质量、成本价格方面的优势也越来越明显。

鱼眼镜头是一种特殊的拍摄镜头，焦距一般在6～16 mm 之间，视角可达到 180° 左右[8]，是制作全景图像的必备工具。使用鱼眼镜头可使景物在画面中显示出非常鲜明的纵深透视效果。

在照片采集过程中，需要不断旋转照相机进行连续拍摄。“节点”是照相机的光学中心，在采用鱼眼镜头拍摄照片时，相机必须绕着节点转动，才能保证全景拼合的成功。因此稳固结实的三脚架是不可缺少的工具，如果有条件配置全景摄影专业云台，可以获得更佳的效果。

使用鱼眼镜头制作防汛抗旱全景图像，横幅照片至少需采集 4 张，竖幅照片至少需采集 6 张。一般可以根据具体情况，适当增加照片的采集数量，制作出更加高质量的全景图像。

为能拍出高质量的、易于后期制作的照片，在拍摄同一组照片的过程中，需要注意以下一些事项：

1）所有照片的水平线要保持一致。旋转拍摄时要保持平稳，需要依照一定顺序（由左至右或由上到下等）拍摄，转轴必须始终保持固定不变，这是一项很关键的工作，水平线不一致会导致图像拼接错位变形，严重影响最终质量，这也是为什么三脚架是不可或缺的工具的原因。

2）所有照片的拍摄参数保持一致。在拍摄时要以最有代表性的景物为测光、曝光依据，采用平均测光、手动曝光、固定白平衡模式，不要改变（即使是自动调整改变）光圈、快门、ISO（感光度）、分辨率及其他设置，因为这样会造成图片的整体效果不一致，使得后期的制作拼接比较麻烦。

3）相邻 2 幅照片之间要有一定重叠。一般在15%～30% 间为宜，同时避免在重叠处出现移动物体，如车辆及行人等。重叠处的对接点最好选择诸如水面、山体、远处的水利工程管理设施等容易混合的部位作为结合部，这样不容易产生拼缝，效果更佳。

3.2 照片拼接合成

采集拍摄完成一组连续的照片后，需要利用相关软件进行后期拼接，这是制作防汛抗旱全景图像最重要的工作。目前市场上全景图像制作软件可选择的范围比较多，一般都提供了直观的界面、易用的向导，以及照片的对齐、融合、变形等工具，功能日趋完备。

一般全景图像后期制作的第 1 步工作是进行照片的拼接合成。照片拼接合成一般经过以下几个步骤：

1）输入照片组。打开软件，新建项目后，首先要输入采集制作好的照片组。照片存储格式一般采用 jpg 格式。为方便输入，照片组最好按照拍摄顺序依次编号进行命名，如：xx 洪灾 01.jpg，xx 洪灾02.jpg，xx 洪灾 03.jpg，……。

2）筛选与排序。如果某些位置的照片拍摄过于密集，出现重复或多余，可以进行筛选，有选择地删除。需要按照实景对照片进行调整排序操作，便于拼接融合。

3）调整与加工。筛选排序后，用户可以对照片进行简单的调整与加工处理，弥补拍摄过程中产生的一些小缺陷，例如对色调、饱和度、明暗、对比度等进行修正，有些照片还需要进行旋转和透视变形操作。

4）拼接合成。完成以上操作后即可进行拼接合成，生成合成后的防汛抗旱全景图像，一般以 jpg 格式保存。

3.3 修饰处理

防汛抗旱全景图像由多张照片合成，每张照片在对比度、色彩、清晰度、层次等方面存在一些差异，合成一幅全景图像后，这些差别在融合衔接之处比较容易发现。这种情况下，需要采用图像加工处理软件进行修饰处理，推荐使用 Photoshop。

此外，为了增加防汛抗旱全景图像的知识产权等属性，还可以为全景图像添加标识性的 Logo，可以采用作者隶属的水行政管理单位、水旱灾害地点、水利工程名称及制作时间相结合命名。Logo 的另一个重要作用是可以用来完全遮盖底部三脚架，消除其对整幅全景图像的影响。Logo 一般可以根据实际情况，采用适合的辑辑软件进行制作，进而采用 Photoshop 或者其他图像制作软件自有的功能，合成到全景图像中。

3.4 信息发布

在对防汛抗旱全景图像进行编辑和与修饰处理后，可以利用全景图像制作软件，将 jpg 格式的全景图像，自动转换成特定格式的全景图像。一般情况下，为便于在互联网上发布，需要转换为 Flsh 格式的全景图像。最终的全景图像，提供了放大、缩小、向不同方向转动等操纵功能，可以随意观看场景，达到模拟和再现真实环境的效果。

除此之外，有些全景图像制作软件，还可以在多幅全景图像中，实现互相链接跳转，更加全面地再现场景真实信息。例如，对于同一处灾害现场或者同一个水利工程，分别选取不同的观测位置制作2 幅具备关联性的全景图像，在每幅全景图像上设置相应的“热点”，在进行其中一个全景图像漫游查看时，点击这些“热点”，便会切换到另一幅全景图像，实现从多位置进行立体观察的功能，更加全面地了解防汛抗旱灾害现场或者水利工程的信息。

在完成全景图像文件的制作与转换后，可以将最终生成的 Flash 文件，包括多个相互独立，或者相互之间具有关联“热点”的文件，由网络管理员制作成相应主题的网页，或者通过网站管理平台添加到防汛抗旱专题网站中。

4 防汛抗旱工作中的全景图实践

在实际工作中，经过详细的调研分析，选择2 套全景图像制作软件，即采用 PTGui pro 结合Pano2vr 及单独采用造景师的方案，进行全景图像在防汛抗旱工作中的探索应用工作。PTGui pro 和Pano2vr 均为国外公司软件，PTGui pro 是一款多功能全景拼接制作工具，Pano2vr 具有强大的全景图像制作与发布功能；造景师为国内公司自主产权软件，是一款三维全景拼合软件。这些软件均功能全面、操作便捷，可以生成多种格式的全景图像，效果良好，适合网络应用。摄影器材选用的是普通单反数码相机、8～15 mm 鱼眼镜头和带三维云台的铝镁合金三脚架。

由于工作实践与论文编制期间，淮河流域未有一定规模的水旱发生，为此选择淮河流域荆山湖闸和南湾水库 2 个水利工程，制作了相应的全景图像，水旱灾害现场的全景图像制作方法和水利工程现场的全景图像制作方法是相同的。 这 2 个水利工程的全景图像在计算机中是以 Flash 文件的方式显示给使用者的，对每个 Flash 全景图像环顾 1 周截取6 幅相应的截图，制作的 2 处水利工程的全景图分别如图1 和 2 所示，每相邻 2 幅图片中均能很容易地看出有一定重叠度。

综合 2 套方案，全景图像展示技术通过拍摄实际的照片，能全面掌握最直观的防汛抗旱受灾现场信息，为防汛抗旱指挥提供客观真实的依据，实际应用中可大大提高调度决策的时效，缩小水旱灾害范围，最大限度地减少灾害损失。

图1 荆山湖闸全景图像实例

5 结语

全景图像展示技术，在腾讯伦敦奥运报道、谷歌街景制作中已经得到广泛应用，应用市场呈快速成长态势。在全景图像研究实践过程中，使用 1 套普通专业数码相机、鱼眼镜头和三脚架，全景拼接制作工具采用成熟通用软件，一次性商业投入不会超过 10 万元，具有非常可观的性价比，技术方法已在淮河流域的日常工作中获得具体应用，具有容易掌握、方便快捷的特点。

目前，国家防汛抗旱指挥系统二期工程、山洪灾害防治县级非工程措施建设和中小河流治理工程正在全国范围内开展。全景图像展示可作为灾情信息采集的补充技术手段，能获取现场的全方位实时信息，为防汛抗旱做出正确的决策提供可靠的依据，具有较高的应有价值。相信在未来的水利行业应用中，不仅在防汛抗旱工作方面，在水资源分配、水污染防治、水生态保护、水土保持及水利工程管理等诸多方面，也都具有广泛的应用潜力。

图2 南湾水库全景图像实例

[1] 水利部水利信息中心.国家防汛抗旱指挥系统一期工程初步设计报告[R].北京：水利部，2004: 2.

[2] 白木，周洁.漫谈全景摄影[J].摄影与摄像，2003 (10): 48-49.

[3] 腾讯奥运[OL].[2014-04-28].http://2012.qq.com/zt2012/ 360/index.htm.

[4] Google 地图[OL].[2014-04-28].http://ditu.google.cn/intl/ zh-cn/help/maps/streetview/learn/using-street-view.html.

[5] 遇袭后的日本宫城县志津川医院 360° 全景图[OL].[2014-04-28].http://news.qq.com/photon/tpyk/rbqj.htm.

[6] 水利部水文局.全国水文统计年报（2013年）[R].北京：水利部，2013: 1.

[7] 全政环.360° 全景技术的应用和发展历程.电脑知识与技术[J].2010, 6 (3): 713-715.

[8] 郭根生.虚拟全景照片拍摄——“虚拟现实”系列之四[J].现代教育技术，2002 (3): 68-74.

Application of Panorama Demonstration in Flood Control and Drought Relief Work

XU Zhiyong1, DONG Min2

(1.Hydrological Bureau (Information Center ) of Huaihe River Commission, Bengbu 233001, China；2.Communication Center of Huaihe River Commission, Bengbu 233001, China)

It is very important to know the situations in the disaster scene timely in the process of commanding and decision-making in the flood control and drought relief works.Panorama demonstration is a kind of virtual reality technology with 3-D effect and 360 degree angle of view.Users can obtain the comprehensive information of the scene.This paper discusses the methods of making the panoramic images, the processes of splicing the images, and how to integrate the panorama into web pages finally.Panorama demonstration can reflect the disaster scene and other kinds of secondary information completely.According to the panoramas, flood control and drought relief headquarters can obtain detailed disaster information, issue warnings to the public, and make the right decision.Panoramas can also offer the accurate and precious historical image data for the later loss assessments of disasters.

panorama; flood control and drought relief; disaster; splice

TU87

A

1674-9405(2014)04-0017-05

2014-05-06

许志勇（1970－），男，安徽蚌埠人，教授级高工，主要从事水利信息化规划设计、建设管理和运行维护工作。