GIS 集成三維全景在環(huán)境應(yīng)急中的應(yīng)用

郭林崗，周 潔，張 冰，楊 景，陶 碩，李泠潞，李懿穎

(昆明市環(huán)境監(jiān)控中心，云南 昆明 650500)

信息技術(shù)的發(fā)展，為環(huán)境保護(hù)工作提供了新的思路和方法。自2007 年起，昆明市開(kāi)始建設(shè)以大氣、水、噪聲為主的污染源在線(xiàn)監(jiān)控系統(tǒng)，突發(fā)性環(huán)境污染應(yīng)急響應(yīng)系統(tǒng)和指揮調(diào)度功能為一體的環(huán)境監(jiān)控指揮中心。在此背景下，昆明市環(huán)境應(yīng)急響應(yīng)系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生。

為了能夠有效表達(dá)環(huán)境地理信息，該系統(tǒng)采用地理信息技術(shù)的理論和方法進(jìn)行構(gòu)建。通常，地理信息主要由數(shù)字正射影像(DOM)、數(shù)字高程模型(DEM)、數(shù)字線(xiàn)劃地圖(DLG)、數(shù)字柵格地圖(DRG)以及其復(fù)合模式組成［1］。這些數(shù)據(jù)是經(jīng)高度抽象后，以點(diǎn)、線(xiàn)、面等形式來(lái)描述自然實(shí)體的空間信息和屬性信息，不易精準(zhǔn)呈現(xiàn)地物本身及其周?chē)h(huán)境狀況，對(duì)用戶(hù)而言缺乏空間臨場(chǎng)感，很難完全滿(mǎn)足環(huán)境應(yīng)急響應(yīng)、環(huán)境監(jiān)控設(shè)施管理等業(yè)務(wù)的應(yīng)用需求。因此，需要更加豐富的信息來(lái)提升環(huán)境應(yīng)急響應(yīng)的輔助決策支持能力。

三維全景技術(shù)是目前迅速發(fā)展并逐步流行的一項(xiàng)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，它能將地面近景進(jìn)行三維呈現(xiàn)。由其建立的場(chǎng)景立體感和沉浸感較強(qiáng)，能帶給使用者身臨其境的感覺(jué)。相比傳統(tǒng)技術(shù)手段，三維全景技術(shù)是實(shí)現(xiàn)環(huán)境要素空間信息化的最好選擇。其可構(gòu)建出滿(mǎn)足環(huán)保業(yè)務(wù)需求的全要素、全紋理、富信息、可視化的環(huán)境應(yīng)急響應(yīng)平臺(tái)，使環(huán)境應(yīng)急設(shè)施信息、地理信息與環(huán)境要素地面近景有機(jī)結(jié)合，更好地為突發(fā)公共環(huán)境事件的應(yīng)急決策提供支持。

1 三維全景技術(shù)特點(diǎn)

三維全景技術(shù)是一項(xiàng)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，具有“360 度大視場(chǎng)、旋轉(zhuǎn)不變性”等特點(diǎn)。全景技術(shù)起源于20 世紀(jì)90 年代末，最初的全景技術(shù)只用于展示。隨著3D 技術(shù)的發(fā)展，全景技術(shù)逐步與地理信息相融合，形成三維全景技術(shù)。三維全景技術(shù)的本質(zhì)是利用全景圖像與二維地圖相結(jié)合，為用戶(hù)提供每個(gè)地理位置的360°真實(shí)場(chǎng)景，從而解決傳統(tǒng)二維地圖完整性和視覺(jué)直觀(guān)性欠缺的問(wèn)題。三維全景技術(shù)比起其它需要大量三維場(chǎng)景建模以及仿真技術(shù)投入的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)而言，有著無(wú)法比擬的優(yōu)勢(shì)。主要表現(xiàn)在:

①數(shù)據(jù)量小，數(shù)據(jù)采集和處理簡(jiǎn)便;

②數(shù)據(jù)冗余度低;

③與場(chǎng)景復(fù)雜度無(wú)關(guān);

④對(duì)運(yùn)行計(jì)算機(jī)的性能要求不高;

⑤不依賴(lài)于特殊裝置。

2 系統(tǒng)框架

GIS 作為一門(mén)空間信息分析技術(shù)，在環(huán)境監(jiān)控和保護(hù)方面發(fā)揮著技術(shù)先導(dǎo)的作用。但傳統(tǒng)GIS 展示方式主要以二維平面為主，其操作對(duì)象是經(jīng)專(zhuān)業(yè)工作人員高度抽象后以點(diǎn)、線(xiàn)、面形式表達(dá)的空間實(shí)體，缺乏空間立體感和沉浸感。如果采用幾何三維模型表達(dá)空間實(shí)體，其數(shù)據(jù)量龐大，一方面不利于網(wǎng)絡(luò)傳輸，另一方面作為GIS 靈魂的空間分析功能將會(huì)受到嚴(yán)重限制。三維全景數(shù)據(jù)量小、傳輸速度快、立體沉浸感較強(qiáng)，與GIS 技術(shù)相結(jié)合不會(huì)對(duì)其空間分析能力產(chǎn)生任何影響。因此，在實(shí)際工作中將三維全景技術(shù)結(jié)合GIS 無(wú)疑是最好的選擇，不僅豐富了全景技術(shù)的內(nèi)涵，同時(shí)擴(kuò)展了傳統(tǒng)GIS 的外延。

昆明市環(huán)境應(yīng)急響應(yīng)系統(tǒng)的建設(shè)，主要用富客戶(hù)端技術(shù)做支撐，以GIS 為平臺(tái)，集成三維全景技術(shù)。系統(tǒng)主要由基礎(chǔ)數(shù)據(jù)層、數(shù)據(jù)交換層和應(yīng)用層組成，如圖1 所示。

2.1 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)層

數(shù)據(jù)層由基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)庫(kù)和全景影像數(shù)據(jù)庫(kù)組成。基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)庫(kù)主要為地理底圖的生成提供包括矢量數(shù)據(jù)、全要素柵格影像數(shù)據(jù)和數(shù)字高程模型在內(nèi)的多源空間數(shù)據(jù)。全景影像數(shù)據(jù)庫(kù)中則存儲(chǔ)有全景影像圖和場(chǎng)景相關(guān)的屬性信息。

2.2 數(shù)據(jù)交換層

數(shù)據(jù)交換層的主要任務(wù)是完成對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)中數(shù)據(jù)的讀取、轉(zhuǎn)換，并且接收用戶(hù)輸入數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換、回寫(xiě)。針對(duì)空間數(shù)據(jù)部分的操作，系統(tǒng)采用ArcGIS Server 套件架設(shè)GIS 應(yīng)用服務(wù)器提供對(duì)矢量數(shù)據(jù)、柵格影像數(shù)據(jù)的讀取和發(fā)布服務(wù)。同時(shí)構(gòu)建地理處理服務(wù)，完成對(duì)空間量算和空間分析的支持。對(duì)于全景影像數(shù)據(jù)的讀取，則通過(guò)架設(shè)IIS 服務(wù)器以提供服務(wù)的方式對(duì)外發(fā)布。系統(tǒng)中其它屬性信息則通過(guò)java 技術(shù)構(gòu)建J2EE 服務(wù)，對(duì)屬性信息進(jìn)行訪(fǎng)問(wèn)和控制。

2.3 應(yīng)用層

應(yīng)用層主要提供用戶(hù)和系統(tǒng)的交互功能。系統(tǒng)在Flex 框架下構(gòu)建前臺(tái)展示界面，通過(guò)運(yùn)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(huán)境專(zhuān)業(yè)模型進(jìn)行集成，呈現(xiàn)給用戶(hù)一個(gè)界面友好、性能穩(wěn)定、功能豐富的軟件平臺(tái)。

3 關(guān)鍵技術(shù)探討

3.1 地理信息技術(shù)

環(huán)境污染事故的發(fā)生具有時(shí)間特征和空間特征。在應(yīng)急處置過(guò)程中，決策者不僅需要了解事故類(lèi)型、事故發(fā)展態(tài)勢(shì)，而且還需掌握事故地點(diǎn)、污染范圍等空間信息。因此，引入地理信息系統(tǒng)是一種有效的解決方案。地理信息系統(tǒng)(GIS)是在計(jì)算機(jī)軟、硬件系統(tǒng)支持下，對(duì)整個(gè)或部分地球表層空間中的有關(guān)地理分布數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、存儲(chǔ)、管理、運(yùn)算、分析、顯示和描述的技術(shù)系統(tǒng)。針對(duì)環(huán)境應(yīng)急中所涉及的信息資源，不僅數(shù)據(jù)量龐大，而且具備空間信息特征，同時(shí)還需對(duì)空間實(shí)體進(jìn)行實(shí)時(shí)定位、數(shù)據(jù)定性分析、因子定量評(píng)價(jià)和信息實(shí)時(shí)提取，如果采用傳統(tǒng)信息系統(tǒng)的數(shù)據(jù)管理方式，完全無(wú)法滿(mǎn)足我們的應(yīng)用需求。

昆明市環(huán)境應(yīng)急響應(yīng)系統(tǒng)通過(guò)對(duì)空間實(shí)體進(jìn)行高度抽象、分類(lèi)和整合，為了滿(mǎn)足多用戶(hù)快速檢索和分析數(shù)據(jù)，采用高效的地理空間數(shù)據(jù)庫(kù)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行管理，通過(guò)建立空間數(shù)據(jù)應(yīng)用服務(wù)器來(lái)將數(shù)據(jù)通過(guò)服務(wù)的方式對(duì)單位內(nèi)部進(jìn)行發(fā)布，通過(guò)富客戶(hù)端技術(shù)來(lái)展示和應(yīng)用服務(wù)所提供的數(shù)據(jù)。

將地理信息技術(shù)用于環(huán)境應(yīng)急響應(yīng)，不僅可以提高應(yīng)急決策的科學(xué)性、合理性和有效性，降低事故對(duì)環(huán)境造成的影響;同時(shí)，能夠有效提高環(huán)境保護(hù)決策者保障環(huán)境安全和處置環(huán)境突發(fā)事件的能力，加強(qiáng)污染事故現(xiàn)場(chǎng)工作人員處理事故的有效性和及時(shí)性，最大程度上預(yù)防和減少突發(fā)環(huán)境突發(fā)事件及其造成的損害，維護(hù)了社會(huì)的穩(wěn)定和保障人民的生命和財(cái)產(chǎn)安全。

3.2 三維全景技術(shù)

三維全景技術(shù)的關(guān)鍵是對(duì)目標(biāo)場(chǎng)景進(jìn)行360°全方位、無(wú)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(shí)現(xiàn)360°全景漫游。根據(jù)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(gòu)造相對(duì)簡(jiǎn)單，其只能展示環(huán)視點(diǎn)360°內(nèi)的場(chǎng)景，對(duì)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(gè)面都有圖像覆蓋，可以實(shí)現(xiàn)環(huán)視點(diǎn)360°和垂直180°內(nèi)場(chǎng)景的自由展示。但是，立方體全景引起的畸變較大，給用戶(hù)的視覺(jué)效果不佳。球面全景可以由裝有普通鏡頭的照相機(jī)拍攝經(jīng)鑲嵌、拼接得到，也可以采用專(zhuān)業(yè)的魚(yú)眼鏡頭進(jìn)行拍攝得到。同時(shí)，由于采用球面投影方式非常符合人眼觀(guān)察事物的視角結(jié)構(gòu)，球面全景不僅能夠?qū)崿F(xiàn)360°環(huán)視點(diǎn)和垂直180°內(nèi)場(chǎng)景的自由展示，給用戶(hù)的視覺(jué)效果也是最佳的。

本文采用魚(yú)眼鏡頭對(duì)目標(biāo)場(chǎng)景進(jìn)行拍攝，用球面的經(jīng)緯線(xiàn)近似表示魚(yú)眼圖像中景物的變形，在對(duì)圖像準(zhǔn)確定位的基礎(chǔ)上，依據(jù)扭曲變形校正的圖像坐標(biāo)映射關(guān)系，對(duì)圖像顏色信息進(jìn)行重投影，配準(zhǔn)后的圖像用多分辨率樣條法進(jìn)行圖像融合，最終形成一張完整的全景圖片。

3.3 富客戶(hù)端技術(shù)

富客戶(hù)端技術(shù)不僅集成了桌面應(yīng)用高效、穩(wěn)定的特性和WEB 應(yīng)用方便快捷、部署成本低等諸多優(yōu)點(diǎn)，而且還具備豐富的圖形表達(dá)能力、動(dòng)態(tài)效果展示和擴(kuò)展性強(qiáng)等特點(diǎn)，能提供給用戶(hù)豐富的界面效果和良好的網(wǎng)絡(luò)互動(dòng)體驗(yàn)。將富客戶(hù)端技術(shù)應(yīng)用于環(huán)境應(yīng)急響應(yīng)中，是應(yīng)急指揮思想的一種有效體現(xiàn)。它不但使抽象的宏觀(guān)決策及態(tài)勢(shì)輔助更易于分析判斷，同時(shí)還形成了統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)的圖形標(biāo)會(huì)原語(yǔ)，實(shí)現(xiàn)了標(biāo)會(huì)指揮調(diào)度快速一體化。

正是基于富客戶(hù)端技術(shù)，才實(shí)現(xiàn)了豐富的客戶(hù)端地圖顯示效果，快捷的擴(kuò)展分析和高性能地圖展示。為環(huán)境應(yīng)急指揮實(shí)現(xiàn)快速準(zhǔn)確的圖形化信息交流、應(yīng)急預(yù)案管理、指揮決策提供有力的輔助支持。隨著富客戶(hù)端技術(shù)的不斷完善，其必將為應(yīng)急管理帶來(lái)更大的進(jìn)步。

4 應(yīng)用探討

4.1 空間準(zhǔn)確定位

GIS 幫助用戶(hù)進(jìn)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(guān)性和綜合性等特點(diǎn)。在應(yīng)急策略制定過(guò)程中，策略制定者不僅需要了解宏觀(guān)信息，同時(shí)還需掌握微觀(guān)信息，例如事故周?chē)匀画h(huán)境狀況、設(shè)施布局狀況等。將三維全景技術(shù)同地理信息技術(shù)相結(jié)合，能夠讓決策者從宏觀(guān)到微觀(guān)，從總體到細(xì)節(jié)，不同層次了解并掌握信息，為應(yīng)急決策的制定提供有效技術(shù)支撐。

4.2 應(yīng)急指揮應(yīng)用在環(huán)境應(yīng)急指揮過(guò)程中，利用二維數(shù)字地圖和

遙感衛(wèi)星影像結(jié)合能有效劃定環(huán)境事故發(fā)生的區(qū)域，同時(shí)利用三維全景影像對(duì)事故現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行分析，在關(guān)鍵路徑和通道進(jìn)行移動(dòng)監(jiān)測(cè)設(shè)備的布控，輔助環(huán)境事故應(yīng)急預(yù)案的制定。

4.3 監(jiān)控設(shè)施管理

在日常監(jiān)控設(shè)施維護(hù)和管理過(guò)程中，需要對(duì)各類(lèi)監(jiān)控設(shè)備的位置進(jìn)行定位、屬性瀏覽等業(yè)務(wù)操作，GIS 只能給出這些設(shè)備經(jīng)過(guò)抽象后的平面圖，無(wú)法對(duì)設(shè)施進(jìn)行詳細(xì)位置確定，也無(wú)法查看設(shè)施周?chē)h(huán)境狀況，三維全景可以提供給用戶(hù)全要素、全紋理的信息，便于管理者開(kāi)展統(tǒng)一管理和維護(hù)設(shè)施等工作。

5 結(jié)論

昆明市環(huán)境應(yīng)急響應(yīng)系統(tǒng)以GIS 為平臺(tái)，采用富客戶(hù)端技術(shù)做支撐，集成三維全景技術(shù)。充分發(fā)揮GIS 空間分析能力的同時(shí)，引入三維全景技術(shù)，不僅擴(kuò)充了GIS 的外延，同時(shí)提升了三維全景技術(shù)的內(nèi)涵，為環(huán)境應(yīng)急決策制定提供有效的技術(shù)保障。該系統(tǒng)的建設(shè)使昆明市環(huán)境應(yīng)急處置能力得到有效提升，具有較強(qiáng)的應(yīng)用價(jià)值和現(xiàn)實(shí)意義。

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