基于Krpano的无人机空中实景在线可视化研究

贾济红，羌鑫林

(江苏省测绘工程院，江苏 南京 210013)

0 引 言

随着地理信息采集技术的进步与地理信息成果的深入应用，市场需求已经逐步从传统的矢量、影像底图的基本定位要求，转向对具备多维、实时、动态、生动等特点的各类地理信息资源的更高要求，越来越多的地理信息开始走向网络化、集成化、三维化，并开始与业务系统相互融合、相互影响、互为补充。360°实景技术最早可以追溯到20世纪70年代，起初应用于森林资源调查领域，可以方便对周边林木进行360°范围的摄影，有效清查森林资源[1]。实景技术在2000年初步引入地理信息领域并应用于场景漫游，通过对场景中视点照片的平滑过渡实现切换[2]。从此实景地图以其对现实的真实反应与良好的人机交互特点，进一步丰富了人类对现实世界的描述方法，为各个行业提供了新的表现形式。实景地图通过实地拍摄照片来构建真实世界场景，用户可以第一人称视角体验遨游现场、查询检索、交流互动等功能。随着无人机平台的成熟与计算机网络技术的发展，实景地图已经并非用于简单的地面地图浏览，而开始通过无人机平台走向天空，并且通过与计算机技术的集成来展现真实场景，该技术可以作为实时数据、摄影监控、人员定位等多种信息的融合载体，在多源信息聚合、大数据集成的道路上占据了一席之地[3-7]。本文在无人机空中实景获取技术和Krpano实景技术的基础上，以江苏省基础测绘中心建设监测项目为应用案例，对无人机空中实景数据的采集技术路线与在线应用浏览进行了研究。

1 关键技术介绍

1.1 空中实景

实景也被称作为全景、街景，是一种定点使用多镜头同时拍摄多角度或单镜头定点拍摄多角度可以覆盖水平视角360°、垂直视角180°的图像组织方法。按投影方式的不同，可以分为柱形、球形、圆形、方形等多种类型。按采集方式的不同，可分为空中静态单点、空中动态连续、地面静态单点、地面动态连续等多种类型。按采集平台的不同，可以分为无人机平台、车载平台、船载平台、脚架平台等多种载体。空中实景与地面实景相比，在拍摄视角与可到达性方面，具有显著优势。

1.2 Krpano

Krpano兼容HTML5和Flash两种模式的，属于WebGL下的一款灵活度高、性能优越的轻量型实景在线漫游软件，可以用于各种实景图像和互动虚拟模式。Krpano的渲染效果采用Action Script语言实现，场景内容的配置则由xml标记语言负责，由于xml的可扩展性，使得实景场景的配置更加灵活，Krpano内置了26个主要的xml节点标记，每个标记都代表着实景场景中的特定要素或有特定含义，xml的灵活性还体现在支持代码文件的包含引入，这样便有利于实现场景的模块化配置，方便代码的编写与维护。

Action Script也为Krpano定义了一系列接口，用以控制Krpano的动作。Krpano为制作动态特效提供了多种函数，如程序逻辑和流程控制函数、数学运算函数、文字显示函数以及动态加载其它实景图的函数等。此外，通过外部Javascript接口函数，还可与前端的Javascript实现交互，Krpano与外部系统的通信机制见图。

Krpano的插件为其扩展应用提供了基础，通过插件的扩展可以将常见的网络地图，如谷歌地图、天地图等进行位置定位；VR插件可以实现Krpano对WebVR/MobileVR的支持，从而可以使用头戴设备显示，如使用华为VR眼镜、小米VR眼镜得到虚拟现实效果。Krpano的插件扩展为该项技术的深入应用与交叉融合创造了条件。

2 技术路线

2.1 总体技术路线

无人机空中实景采集与处理总体技术路线，如图1所示。

图1 无人机空中实景采集与处理总体技术路线

2.2 实景数据处理

根据预定路线采用无人机航摄实景图片，原理与地面实景大同小异。因为在空中拍摄无法手动调整三脚架，只能通过控制遥控器来操作无人机的航拍角度。通过在无人机的水平视角、斜下固定视角和正向朝下视角等多个方向上，悬停稳定拍摄所有照片。

照片数据导出后需要进行数据的拍摄点位检查、完整性检查、重叠度检查与图像检查。检查通过后通过明暗处理等前期处理方法，提升后期合成的软件效率。软件后期的合成，控制点的人工选取可以在PanoramaStudio或者PTGuiPro等类似软件中完成，处理完成后就可以得到单个点位的实景全图。得到实景全图后，使用krpanotools工具的makepano命令切图，生成名称为Vtour的文件夹，自带的配置文件在名称为tour.xml的文件中，包含视场角型、切片图像大小、预览链接等参数，如果不考虑场景中的其他数据，生成的Sence文件夹即成为可快速预览的小网页。

2.3 在线场景构建

Krpano常用的场景结构为UI+Sence模式，其中sence的模式有Normal Panoramas、Multi-Resolution、Panoramic Video Support三种，在Krpano中看到的每一个实景漫游都是一个独立的场景，分别在一个独立的scene中进行配置，在scene中可以调用action动作，可以在里面添加任意的东西，最后被krpano解析之后展示。3.2节中生成的Vtour文件夹中已经自动包含panos、plugins和skin三个子文件夹，panos文件夹中存放了实景漫游缩略图与切片；plugins中存放了场景中使用的各类插件，为krpano开发提供了应用扩展；skin文件夹里存放的是漫游中出现的皮肤、热点、导航条等图片及vtourskin.xml文件，这个文件是实景漫游的UI文件，浏览实景漫游时的导航条、缩略图、上下左右、放大缩小、全屏缩放等系列功能，都在这个文件里完成；tour.html中标签中的内容为当前浏览器的名称，每个scene中也会有一个title属性，为对应场景的说明文字，以上均可以使用记事本修改。

Krpano里场景载入有loadpano()、loadxml()、loadscene()、loadpanoscene()几种方法，分别可以切换到xml文件场景、动态场景和同页面scene场景中，相应的函数为：loadpano(xmlpath,vars*,flags*,blend*)；loadscene(scenename,vars*,flags*,blend*)；loadpanoscene(xmlpath,scenename,vars*,flags*,blend*)；loadxml(xmlstring,vars*, flags*,blend*)。

3 应用实例

重点建设项目的定期监测有利于认真落实项目建设的进度并实现阶段性目标，防范与降低重点项目实施过程中的各类风险，对项目的顺利开展和领导机构的科学决策具有重要意义。无人机获取的空中实景为重点项目的定期监测提供了全新的宏观视角，可以全面的获取在建项目的建设现状、建设动态以及与周边环境的关系等信息，为科学决策提供数据支撑。

以在建的江苏省基础测绘中心建设工程为试验监测对象，采用精灵无人机定期获取该项目上空的实景影像，每个监测点获取1次实景影像需要在平视、斜视和正视3个角度共获取原始照片49张。数据从飞机的存储卡导出到电脑后，使用PS软件完成原始数据的修补、色彩调整等预处理工作，在PTGui Pro软件中通过自动匹配同名点生成最终的实景全图影像，重叠度不够或自动识别效果不理想的需要人工标注同名点，最终生成的每张实景图片大小约140 Mb。考虑到监测数据的用户最终通过互联网访问与调用，全图实景影像预先使用krpanotools完成了切片，分成了7 296*7 296、3 648*3 648、1 792*1 792、1 024*1 024共4个层次，切片后tiles共54.9 Mb，从而保证了在线浏览的顺畅度。本文研究的江苏省基础测绘中心无人机监测成果最终通过Krpano技术在线发布(图2)。

4 结 语

无人机的快速发展给实景技术带来新的视角和应用场景，也为工程建设提供了全新宏观决策支持信息。相比传统的地面单点实景、地面车载实景，基于无人机平台的实景可以提供生动、直观、动态、高效的空中视角数据，具有周期短、频率高、现场强的特点。基于Krpano技术的在线数据浏览相比现有网络街景平台具有上手快、易用性强的特点，可以让用户更加专注于实景数据质量的提升。今后有以下几个方面值得深入研究：① 在场景中加入地下、室内的信息，做到监测实景影像信息的室内外一体化；② 在系统中增加时间序列，形成完成的项目生命周期监测；③ 在监测系统中逐步增加动态信息、在建工程过程进度信息，配合实景图像形成完成的项目监测信息流；④ 引入人工智能方法，自动对比辨别不同期实景影像数据的区别，辅助项目进度统计。总之，无人机平台实景的获取与在线发布是今后地理信息应用与发展的重要方向。