全景技术在环境现场调查中的应用

全景技术在环境现场调查中的应用

胡健波，刘长兵

(交通运输部天津水运工程科学研究所， 水路交通环境保护技术交通行业重点实验室， 天津300456)

摘要：通过介绍全景技术的概念和方法以及全景图的浏览和漫游方式，深入分析了其在环境现场调查中的应用潜力。全景技术开创了“先摄影后取景”的新摄影模式，降低了对环评人员摄影素养的要求；全景技术覆盖360度的场景范围，提供更真实的现场体验；全景技术配合GPS，使得基于图像的建设前后比较具有可操作性。建议在建设项目环境影响评价和竣工环保验收工作中推广应用。

关键词：环境影响评价；现场调查；全景图；全景漫游

作者简介：胡健波(1982—)，男，高级工程师，博士，主要研究遥感技术在交通环保领域中的应用，E-mail：whogamble@qq.com健波(1982—)，男，高级工程师，博士，主要研究遥感技术在交通环保领域中的应用，E-mail：whogamble@qq.com

中图分类号：X820.3

DOI: 10.14068/j.ceia.2015.04.016

环境现场调查是环境影响评价的基础，是环评人员获得第一手自然和社会环境资料、直观认识建设项目环境影响的重要过程[1]。调查过程中通常会使用相机拍摄照片，以便在报告中或项目评审会上直观地展示现场真实情况；一些快速、大范围调查技术在环境现场调查中的应用，如卫星遥感技术和无人机航拍技术[2-3]，广义上仍然可以归为摄影技术。

照片能够存储并共享人的视觉信息，让未亲临现场的人员获得一定程度的现场体验，然而这种体验并不充分，因为照片不仅定格了画面，也定格了视角，难以涵盖拍摄位置周围的全部景象。虽然可以采用拍摄多张不同角度照片或转动录制视频的方式来弥补，但是体验仍然有限。全景摄影技术是一种从更加宽广的角度拍摄景物的新兴摄影技术，解决了常规摄影技术视角受限的问题，用户在浏览全景图时可以自行决定视角[4]。本文介绍了全景技术并分析了其在环境现场调查中的应用潜力，以期促进该技术在环境影响评价行业中的推广应用。

1全景技术简介

全景技术一般泛指两类，一类是通过全景摄影技术获得全景图的过程，另一类是组织管理海量的全景图用于现场实景漫游的过程。本文指的是前一类，但是在生活中后一类更为人所熟悉。

1.1　全景摄影与全景图

全景(panorama)来源于希腊语，意思是“都能看见”。全景图也被称为360度全景图，是对场景的超大视角乃至360度完整场景范围进行展示的照片，可以带来三维立体的视觉感。通常意义上的全景图大致可以分为球形全景图和柱形全景图，前者涵盖全方位的球形场景，后者涵盖水平360度的环状场景，如图1所示。全景图的获取主要经历两个步骤：第一步是多角度拍摄。可以使用单台相机分多次拍摄，也可以使用多台相机集成的全景摄影系统(如Ladybug等)一次成像获得，前者成本低但仅适合拍摄静态景物，后者成本高但可以拍摄动态景物。第二步是照片拼接生成全景图，市面上已有大量成熟全景图拼合软件，如PTGui、PhotoShop、PhotoStitch、Autopano Giga、造景师等。

全景图和其他普通图片一样，在计算机中以二维数组存储，因此全景图在生成时存在三维到二维的投影变换过程。球形全景图通过等距圆柱投影生成，是代表360度×180度球形空间的长宽比例等于2∶1的图像(图1)；柱形全景图是球形全景图的中间部分，是代表360度×N度(N<180)环形空间的长宽比大于2∶1的图像。球形全景图用普通的图片浏览软件观看畸变比较严重，其程度与离上下边界的距离成正比；无畸变观看全景图(如无特指，本文中的全景图一词代表球形全景图)需要用专用的全景图浏览软件(如Panorado)或内含全景浏览插件(类似adobe flash player)的其他软件，用户可以通过鼠标任意设定想看的视角。

图1　球形全景图和柱形全景图(红色边框范围内部分)场景范围及示例 Fig.1　Field of view and example photos of spherical panorama and cylindrical panorama (part within the red border)

1.2　全景漫游

全景漫游又叫“三维全景漫游”，以全景图为组成单元，将多个全景图整合构建成一个展示系统[5]，最典型的就是2004年Google公司提出且目前已经在各种在线地图普及的地图街景(图2)[6]。全景漫游成本低、制作周期短、占有存储空间小、对计算机性能要求低，特别适合互联网在线展示，已经在旅游景点、建筑房地产、博物馆、虚拟校园等的三维效果展示上获得广泛应用[4]。

图2　展现城市街道的全景漫游系统 Fig.2　Panoramic roaming system to show city streetscape

2全景技术在环境现状调查中的应用潜力

在生活中，人们对全景的认知仅仅停留在一张覆盖360度全部场景范围的超大图片上。通过一个典型案例，可以深入分析其在环境现场调查中的应用潜力。

2.1　先摄影后取景的新摄影模式

全景图还是新兴事物，人们最习惯的还是无畸变的普通照片。事实上，通过全景摄影设备不仅能够获得全景图，而且也能够获得任意视角的普通照片。如图3的5张非全景图照片，就是其中一张全景图在生成过程中(PTGui软件)截取不同视角所得。全景摄影方式是先摄影，然后在全景图生成软件中任意“取景”，拍摄时无须考虑取景问题，开创了“先摄影后取景”的新摄影模式，大大降低了对拍摄者摄影素养的要求，杜绝了漏拍、取景较差的问题。全景图有助于减少环境影响评价项目中编写人员和现场调查人员之间的沟通障碍。

2.2　更真实全面的现场体验

全景图涵盖的场景范围远大于普通照片，浏览全景图更有现场体验感(信息越多越不容易造假)。图3中，我们关心的是一个场地施工项目，局部图片中该场地周边只有一栋办公楼和一座钢构厂房；而在全景图中能够看到，拍摄地点位于场地边的一条道路上，背靠另一座钢构厂房，钢构厂房和道路之间有一排树木，拍摄位置在一棵树的树荫中。另外，拍摄时指定每次全景拍摄时的第一张照片朝正北拍摄(依靠指南针)，那么就可以事后在全景图中推算任意一个景物相对拍摄位置的水平方位角(每个像素代表的角度度数等于360度除以图像的长边像素个数)。配合GPS定位，即可制作现场全景漫游系统，增强现场体验感。

2.3　基于图像的建设前后环境变化分析

建设项目竣工环保验收同样需要开展环境现场调查工作，而且需要与环评阶段相比较，重点关注不一致的部分。如果全景摄影过程中使用GPS记录拍摄位置，那么不同的人完全可以在同一个位置、不同时期拍摄多张全景图，通过比较分析环境变化情况。如图3中的两张全景图，分别是场地建设期和建设后拍摄；建设后场地一部分是绿地，其余是硬质覆盖，而且拍摄位置附近多了一辆车。全景图中含有大量与建设项目无关但不会发生变化的景物，作为背景有助于佐证全景图的真实性。

图3　同一地点不同时期全景图及全景图中截取的5张局部图片(无畸变) Fig.3　Two panoramas of the same place acquired at different time, and five extracted subsets (no distortion)

3结论

全景图相比普通照片覆盖了更广的场景范围，是普通数码照片的发展和延伸。在环境现场调查中使用全景技术获取全景图，不但降低了对环评人员摄影素养的要求(先摄影后取景)，而且能够给未曾去过现场的人员带来更真实、更全面的现场体验，更使得基于图像的建设前后环境变化分析具有可操作性，值得在建设项目环境影响评价和竣工环保验收中推广应用。

参考文献(References)：

[1]徐正生, 程燕. 浅谈环境影响评价现场踏勘工作[J]. 安徽农业科学, 2012, 40(1): 306, 483.

[2]胡健波, 李皑菁, 李东昌，等. 遥感监测公路建设项目临时占地恢复状况[C]. 中国环境科学学会，2013中国环境科学学会学术年会论文集. 北京：中国环境出版社，2013：2144-2150.

[3]朱京海, 王晓臣, 问鼎，等. 无人机遥感技术在风电场竣工环保验收中的应用[J]. 环境影响评价, 2014(3): 41-44.

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

[5]喻罡. 基于图象的虚拟场景构造和漫游系统研究[D]. 西安: 西安理工大学, 2002.

[6]梁世文. 街景应用的研究探讨[J]. 科技传播, 2013(21): 220.

Application of Panorama in Field Survey on Environment

HU Jian-bo, LIU Chang-bing

(Tianjin Research Institute for Water Transport Engineering, Laboratory of Environmental Protection

in Water Transport Engineering, Ministry of Transport, Tianjin 300456, China)

Abstract:In this paper, we introduce the concept and method of panoramic photography, and the way to view and explore panorama. Through a typical case, we analyze the its potential application in field survey on environment. Panoramic photography creates a novel photography mode ‘finding view after shooting’, reducing photographic quality requirements of EIA practitioners. Panoramic photography covers 360-degree field of view, providing more live experience. Panoramic photography with GPS makes it operational to do before-and-after change analysis based on images. We recommend using panorama in Environmental Impact Assessment projects and Environmental Acceptance Check projects.

Key words: environmental impact assessment; field investigation; panorama; panoramic roaming system