360°全景技术在水电工程中的应用

吴小东，闻 平，桂 林，孙嘉骏

（1.中国电建集团 昆明勘测设计研究院有限公司，云南 昆明 650015）

360°全景技术在水电工程中的应用

吴小东1，闻 平1，桂 林1，孙嘉骏1

（1.中国电建集团 昆明勘测设计研究院有限公司，云南 昆明 650015）

结合水电工程建设和360°全景技术的特点，将360°全景技术应用于水电工程建设中，详细阐述了360°全景技术制作过程；并探索了360°全景技术在水电工程建设及管理中的优势及价值，为水电工程信息化提供了新的解决方案。

水电工程；360°全景技术；虚拟现实

1 360°全景的特点

全景就是视角超过人正常视角的图像[3]，本文中的全景特指水平视角360°、垂直视角180°的图像，是一种对周围景象以某种几何关系进行映射生成的平面图片，只有通过后期技术处理才能成为三维全景。360°全景顾名思义就是给人以三维立体感觉的实景360°全方位图像，较之真三维场景具有以下优点[4]：

1）开发成本低，360°全景制作无需过多的人力物力，利用数码相机拍摄照片并采用软化后期处理即可，采集设备简易，软件处理简单。

2）真实感强，360°全景照片均为实地拍摄，符合日常生活中人眼观察事物的模式，给浏览者很强的真实感和沉浸感。

3）数据量小，360°全景数据仅为图片，适合以网络为载体。通过浏览器即可浏览，对浏览者的设备也无特殊要求。

4）交互性强，通过Flash或HTML5的Web端展示，用户可方便地放大、缩小、平移场景，在分辨率允许的前提下，可快捷查看场景中的细节。

2 PTGui与Pano2VR

本文采用PTGui与Pano2VR软件进行全景制作。PTGui为Helmut Dersch公司的全景制作工具Panorama Tools提供了可视化界面，实现对图像的拼接，其拥有丰富的图像拼接功能，支持多种视图、映射方式，此外，用户可以自定义控制点以提高拼接的精度。图像拼接后明暗均衡，无明显拼接痕迹。

Pano2VR 作为全景图像转换软件，能将全景图像转换为QuickTime、Flash等格式，同时支持圆形、球面、立方体面等不同的投影方式和jpeg、png等多种文件格式，可制作皮肤，添加热点、图片、音频、视频等，具有很强的定制功能。

3 全景投影方式对比

360°全景包含无缝覆盖的空间影像，而在二维平台上展现的却是矩形图像。由球形变换为平面，称之为投影。常用的全景投影方式有：

1）球面投影，是目前全景技术中普通使用的投影方式。经过投影的全景图像类似世界地图，除穿越图像中间的水平线保持水平外，都在不同程度上扭曲变形，越偏离中线变形越严重，上下2个端点形成2条像素线。投影后的全景图片中，物体水平特征会弯曲，垂直特征则不会变形。球面投影后图像只有1条接缝，容易处理，可进行精细调整。

2）立方体面投影，是将视点置于立方体的中央，同时对每个视角进行适当的图像补偿，以达到很好的环视效果。投影后形成6个像素密度和质量一致的正方形图像，其水平视角和垂直视角均为90°。立方体面投影后图像有12处接缝，后期不易对接缝处的图像进行编辑，容易在接缝处出现像素错位、影调分割等问题，破坏其连续性。

3）圆形投影，是角投影的一种。投影后图像类似圆形鱼眼镜头所拍摄的照片，具有很大的扭曲变形，但其360°的视角形成的整个连续、无接缝的图像包含了三维空间的所有信息。由于图像扭曲程度较大，圆形投影在后期极难对图像进行编辑。

4）小行星投影，其投影方法与圆形投影相同，但图像的二维表现效果和图片形制有所不同，小行星投影可以根据需要进行适当的剪裁处理。投影后图像由于扭曲程度较大难以后期编辑，不适合作为动态全景制作的源文件。

4 360°全景制作

图1 360°全景制作流程图

4.1 图像采集

全景图像的制作必须先使用数码相机在实地拍摄全方位的场景照片，进行图像采样。使用的图像大部分是采用普通相机拍摄的，拍摄时要求尽量保持相机水平，避免相机镜头在上下方向上偏转过大，绕垂直轴旋转一周连续拍摄，同时需要保证相邻两张图像有一定的重叠度，作为后续图像拼接的基础。

4.2 图像拼接

图像拼接主要是利用拍摄的图像数据中相邻两幅图像重叠区域的相似度来实现[5]，首先在PTGui软件中找到相邻图像中的同名点，将其设置成控制点，通常控制点位置为较明显、易分辨、能准确定位的细小位置，如物体的角点、线状物体的交点等；然后根据特定算法，对图像校正、拼接。图2为多幅图片拼接效果。

图2 图像拼接效果

4.3 图像融合

拼接而成的图像中通常会含有清晰的边界，图像拼接痕迹明显，给全景浏览带来不好的感受[6]。为实现图像的无缝拼接，必须对图像的重叠部分进行平滑处理，即将两幅图像配准校正之后进行融合，必要时可采用图片处理软件作相应处理。图3为融合后的全景图片。

图3 全景图片

4.4 全景制作

完成图像采样、图像拼接、图像融合等步骤后，就能得到虚拟水电工程各场景的全景图片，为了更生动地展现全景图片，给浏览者身临其境的感觉，采用全景空间编辑器Pano2VR把多幅全景图像组织成浏览者可任意漫游的虚拟全景空间[7]。

4.5 全景发布

在Pano2VR软件中将虚拟全景空间发布为Flash或HTML5格式，可通过网页形式发布到网络上，浏览者足不出户，就可以浏览整个虚拟全景空间[8]，了解水电工程的真实状况。

5 全景拓展

5.1 属性信息

水电工程建设中属性信息丰富而全面，将属性信息直观准确地展示在虚拟场景中尤为重要，特别是在水电工程应急排险过程中，就更需要快速准确地进行属性信息挂接，为应急排险决策提供支持。360°全景制作过程中，既可以采用添加兴趣点的方式进行快速而简便的属性挂接，也可通过程序开发的方式进行属性挂接及展示，这种方式不仅展现形式丰富多样，还可链接属性数据库，做到属性信息实时更新，动态展示[9]。如图4所示，属性信息表示当前红石岩堰塞湖水位为1 175 m，库容为4 328.75万m3。

图4 鲁甸地震堰塞湖坝顶360°全景

5.2 全景导航

在水电工程现场一般存在多个全景热点，而对于大工程甚至存在几十乃至上百个，文件式管理方式极为不便，并且在进行全景浏览时，浏览者不易分辨当前浏览方位，导航图无疑是解决这些问题的有效手段[10]，以影像或地图作为导航图底图，将热点标注其中，点击即可浏览到指定全景，并在导航图中标示出当前浏览的范围，如图5所示。

图5 全景导航

360°全景制作已成功应用于多个水电工程中，并取得了较好的效果；此外，在803鲁甸地震形成堰塞湖的应急排险中也发挥了积极作用。我院测绘人员第一时间登顶堰塞体进行测量并拍摄了堰塞体及堰塞湖照片，制作的360°全景为现场领导及专家真实地展现了堰塞湖及堰塞体的真实面貌，为堰塞湖的整治决策提供了宝贵的第一手资料。

6 结 语

360°全景与其他需要三维建模及仿真技术的虚拟现实技术相比，具有制作简单、快速、成本低廉、真实感强、数据量小、便于发布与传播等优点，只需要将所拍摄的图像拼接，就可使浏览者足不出户便能身临其境的虚拟漫游。本文将其应用于水电工程虚拟现实中，其所具备的良好沉浸感和立体感给浏览者在现实与虚拟之间搭起一座沟通的桥梁，随着虚拟现实技术的发展，全景图技术将会在各领域中得到更广泛的应用。

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[10] 杨崴.基于全景视图的虚拟现实系统研究[D].贵阳∶贵州大学,2007

图5 地类图斑线局部示意图

3 结 语

本方法通过GDAL/OGR开源数据库二次开发，利用NPOI等技术,无需安装任何第三方GIS处理软件和成果编辑输出软件，即可一键输出多种数据成果，优化了作业步骤，达到了自动化、高集成数据处理的目标，程序界面简单友好，在规范性、实用性、可靠性等方面均满足生产要求，实现了土地勘测定界数据的快速、标准化生产。通过该方法的推广使用，可大大减少内业工作量，提高工作效率和成果质量。

参考文献

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第一作者简介：李旺民，硕士，工程师，主要从事工程测量、城市规划监督测量和地理信息系统应用等方面的技术研究工作。

P258

B

1672-4623（2016）05-0112-03

10.3969/j.issn.1672-4623.2016.05.035水电工程区域通常采用封闭式管理，非工作人员难以进入，尤其是一些危险区域更是如此。如何在保证施工安全的前提下，较为真实地展现现场情况，信息化、虚拟化无疑是一种较为妥当的方法。360°全景是基于静态图像的虚拟全景技术[1]，即通过专业相机捕捉整个场景的图像信息或使用建模软件渲染生成图片，再进行图片拼接融合，采用专门的播放器进行浏览，即可将平面照片或计算机建模图片变为360°全景，形成虚拟现实，把二维的平面图模拟成真实的三维空间[2]呈现给浏览者，并为浏览者提供放大、缩小、平移等功能，以达到再现现场真实环境的效果。该技术在Google街景等网络虚拟现实中已得到广泛应用。

吴小东，硕士，主要研究方向为3S集成应用。

2015-03-05。

项目来源：云南省科技资助项目（2013ZB006）。