GIS 集成三维全景在环境应急中的应用

1 三维全景技术特点

三维全景技术是一项虚拟现实技术，具有“360 度大视场、旋转不变性”等特点。全景技术起源于20 世纪90 年代末，最初的全景技术只用于展示。随着3D 技术的发展，全景技术逐步与地理信息相融合，形成三维全景技术。三维全景技术的本质是利用全景图像与二维地图相结合，为用户提供每个地理位置的360°真实场景，从而解决传统二维地图完整性和视觉直观性欠缺的问题。三维全景技术比起其它需要大量三维场景建模以及仿真技术投入的虚拟现实技术而言，有着无法比拟的优势。主要表现在:

①数据量小，数据采集和处理简便;

②数据冗余度低;

③与场景复杂度无关;

④对运行计算机的性能要求不高;

⑤不依赖于特殊装置。

2 系统框架

GIS 作为一门空间信息分析技术，在环境监控和保护方面发挥着技术先导的作用。但传统GIS 展示方式主要以二维平面为主，其操作对象是经专业工作人员高度抽象后以点、线、面形式表达的空间实体，缺乏空间立体感和沉浸感。如果采用几何三维模型表达空间实体，其数据量庞大，一方面不利于网络传输，另一方面作为GIS 灵魂的空间分析功能将会受到严重限制。三维全景数据量小、传输速度快、立体沉浸感较强，与GIS 技术相结合不会对其空间分析能力产生任何影响。因此，在实际工作中将三维全景技术结合GIS 无疑是最好的选择，不仅丰富了全景技术的内涵，同时扩展了传统GIS 的外延。

昆明市环境应急响应系统的建设，主要用富客户端技术做支撑，以GIS 为平台，集成三维全景技术。系统主要由基础数据层、数据交换层和应用层组成，如图1 所示。

2.1 基础数据层

数据层由基础地理信息数据库和全景影像数据库组成。基础地理信息数据库主要为地理底图的生成提供包括矢量数据、全要素栅格影像数据和数字高程模型在内的多源空间数据。全景影像数据库中则存储有全景影像图和场景相关的属性信息。

2.2 数据交换层

数据交换层的主要任务是完成对数据库中数据的读取、转换，并且接收用户输入数据的转换、回写。针对空间数据部分的操作，系统采用ArcGIS Server 套件架设GIS 应用服务器提供对矢量数据、栅格影像数据的读取和发布服务。同时构建地理处理服务，完成对空间量算和空间分析的支持。对于全景影像数据的读取，则通过架设IIS 服务器以提供服务的方式对外发布。系统中其它属性信息则通过java 技术构建J2EE 服务，对属性信息进行访问和控制。

2.3 应用层

应用层主要提供用户和系统的交互功能。系统在Flex 框架下构建前台展示界面，通过运用Arc-GIS API for Flex 组件将地理信息浏览、空间和属性信息互查、空间分析以及环境专业模型进行集成，呈现给用户一个界面友好、性能稳定、功能丰富的软件平台。

3 关键技术探讨

3.1 地理信息技术

环境污染事故的发生具有时间特征和空间特征。在应急处置过程中，决策者不仅需要了解事故类型、事故发展态势，而且还需掌握事故地点、污染范围等空间信息。因此，引入地理信息系统是一种有效的解决方案。地理信息系统(GIS)是在计算机软、硬件系统支持下，对整个或部分地球表层空间中的有关地理分布数据进行采集、存储、管理、运算、分析、显示和描述的技术系统。针对环境应急中所涉及的信息资源，不仅数据量庞大，而且具备空间信息特征，同时还需对空间实体进行实时定位、数据定性分析、因子定量评价和信息实时提取，如果采用传统信息系统的数据管理方式，完全无法满足我们的应用需求。

昆明市环境应急响应系统通过对空间实体进行高度抽象、分类和整合，为了满足多用户快速检索和分析数据，采用高效的地理空间数据库对数据进行管理，通过建立空间数据应用服务器来将数据通过服务的方式对单位内部进行发布，通过富客户端技术来展示和应用服务所提供的数据。

将地理信息技术用于环境应急响应，不仅可以提高应急决策的科学性、合理性和有效性，降低事故对环境造成的影响;同时，能够有效提高环境保护决策者保障环境安全和处置环境突发事件的能力，加强污染事故现场工作人员处理事故的有效性和及时性，最大程度上预防和减少突发环境突发事件及其造成的损害，维护了社会的稳定和保障人民的生命和财产安全。

3.2 三维全景技术

三维全景技术的关键是对目标场景进行360°全方位、无死角拍摄，然后将拍摄图像拼接得到全景图并加载至播放插件中实现360°全景漫游。根据全景图的投影方式不同，一般分为柱面全景、球面全景和立方体全景。柱面全景的构造相对简单，其只能展示环视点360°内的场景，对垂直方向上的视域有所局限。立方体全景由一组广角为90°的图像组成，因此立方体的六个面都有图像覆盖，可以实现环视点360°和垂直180°内场景的自由展示。但是，立方体全景引起的畸变较大，给用户的视觉效果不佳。球面全景可以由装有普通镜头的照相机拍摄经镶嵌、拼接得到，也可以采用专业的鱼眼镜头进行拍摄得到。同时，由于采用球面投影方式非常符合人眼观察事物的视角结构，球面全景不仅能够实现360°环视点和垂直180°内场景的自由展示，给用户的视觉效果也是最佳的。

本文采用鱼眼镜头对目标场景进行拍摄，用球面的经纬线近似表示鱼眼图像中景物的变形，在对图像准确定位的基础上，依据扭曲变形校正的图像坐标映射关系，对图像颜色信息进行重投影，配准后的图像用多分辨率样条法进行图像融合，最终形成一张完整的全景图片。

3.3 富客户端技术

富客户端技术不仅集成了桌面应用高效、稳定的特性和WEB 应用方便快捷、部署成本低等诸多优点，而且还具备丰富的图形表达能力、动态效果展示和扩展性强等特点，能提供给用户丰富的界面效果和良好的网络互动体验。将富客户端技术应用于环境应急响应中，是应急指挥思想的一种有效体现。它不但使抽象的宏观决策及态势辅助更易于分析判断，同时还形成了统一标准的图形标会原语，实现了标会指挥调度快速一体化。

正是基于富客户端技术，才实现了丰富的客户端地图显示效果，快捷的扩展分析和高性能地图展示。为环境应急指挥实现快速准确的图形化信息交流、应急预案管理、指挥决策提供有力的辅助支持。随着富客户端技术的不断完善，其必将为应急管理带来更大的进步。

4 应用探讨

4.1 空间准确定位

GIS 帮助用户进行二维空间定位，在小比例尺下能够清晰显示地理空间要素，其提供的信息具有抽象性、宏观性和综合性等特点。在应急策略制定过程中，策略制定者不仅需要了解宏观信息，同时还需掌握微观信息，例如事故周围自然环境状况、设施布局状况等。将三维全景技术同地理信息技术相结合，能够让决策者从宏观到微观，从总体到细节，不同层次了解并掌握信息，为应急决策的制定提供有效技术支撑。

4.2 应急指挥应用在环境应急指挥过程中，利用二维数字地图和

遥感卫星影像结合能有效划定环境事故发生的区域，同时利用三维全景影像对事故现场进行分析，在关键路径和通道进行移动监测设备的布控，辅助环境事故应急预案的制定。

4.3 监控设施管理

在日常监控设施维护和管理过程中，需要对各类监控设备的位置进行定位、属性浏览等业务操作，GIS 只能给出这些设备经过抽象后的平面图，无法对设施进行详细位置确定，也无法查看设施周围环境状况，三维全景可以提供给用户全要素、全纹理的信息，便于管理者开展统一管理和维护设施等工作。

5 结论

昆明市环境应急响应系统以GIS 为平台，采用富客户端技术做支撑，集成三维全景技术。充分发挥GIS 空间分析能力的同时，引入三维全景技术，不仅扩充了GIS 的外延，同时提升了三维全景技术的内涵，为环境应急决策制定提供有效的技术保障。该系统的建设使昆明市环境应急处置能力得到有效提升，具有较强的应用价值和现实意义。

［1］唐德彬，易佳，向煜，等.电子警务中三维全景技术应用研究［J］.办公自动化杂志，2012，(22):4-7.

［2］李基明，郑第，周发武，等.地理信息系统在环境应急处置中的应用［J］.环境科学与管理，2010，(12):10-12.

［3］张哲，申玮.三维全景效果图的实现技术和应用［J］.计算机系统应用，2012，(9):171-174.

［4］龚琪慧，吴健平，王洁华，等.基于全景图的3 维实景制作及其与GIS 集成研究［J］.测绘与空间地理信息，2012，(6):33-37.

［5］徐春辉，于国强，张伟，等.基于Flex 与ArcGIS Server 的全景地质信息系统的设计与实现［J］.辽东学院学报，2012，(4):268-272.