基于無人機的氣象探測環境360°球型全景制作及應用

夏江峰，劉佳奇

(陜西省大氣探測技術保障中心，西安 710014)

氣象探測是氣象業務服務和科學研究的基礎，探測環境對確保氣象觀測數據的代表性、準確性和比較性至關重要[1]。保證氣象觀測資料具有代表性、準確性、連續性和可比較性不僅取決于觀測儀器、方法和人員的技術水平，更依賴于觀測儀器所在的環境狀況[2]。探測環境是為避開各種干擾，保證氣象探測設施準確獲取氣象探測信息所需最小距離構成的環境空間[3]，良好的氣象探測環境是確保氣象探測設備正常運行，氣象探測數據具有準確性、代表性、可比性的前提[4]。近年來無人機發展迅速，民用無人機在影視航拍、遙感測繪、農業植保、電力巡檢、管道巡查、物流運輸、應急救援、生態監測等領域得到應用。無人機技術在氣象方面也得到了大力發展，在大氣探測、環境氣象探測、農業生態監測、防災減災服務等方面開展試驗研究和應用。在氣象探測環境保護方面，無人機也可大有所為，利用無人機航拍視野廣、拍攝角度豐富的特點可以更全面、更真實地展示氣象觀測站探測環境，而利用無人機全景航拍技術制作而成的360°球型全景更可以解決氣象觀測站平面照片不夠直觀、完整和立體的技術問題，提升探測環境展示效果，促進氣象探測環境保護工作。

1 無人機360°球型全景簡介

全景技術是基于圖像的建模與渲染技術，在空間一點連續采集視野范圍的圖像，經過處理形成該視點的無縫隙全景圖像，并利用全景顯示引擎在計算機上模擬從視點任意角度觀察的三維虛擬場景。這種三維虛擬場景實現方式是采集視點所見的真實影像，能準確反映現場實況，且無需對視野中場景進行具體建模，是一種偽3D技術[5]。

基于無人機航拍的360°球型全景是指水平方向360°、垂直方向180°球型視野范圍的三維虛擬實景，具有放大、縮小功能，可以讓瀏覽者通過鼠標控制瀏覽方向，可左可右、可上可下觀看物體或場景，使觀者猶如身在其中，其特點主要體現在全面地展示了360°球型范圍內的所有景致，最大限度保留場景的真實性。基于無人機航拍的360°全景照相技術能夠以空地一體的形式對現場進行呈現，對比地面360°全景照相技術，更加全面地反映整個現場空間方位以及現場各部位的位置關系[6]。360°球型全景與探測環境三維建模相比，制作周期短、開發成本低、時效性強，對播放設備要求低，普通電腦和手機均可播放。

2 無人機360°球型全景制作方法

360°球型全景的制作流程是將無人機拍攝的多張照片拼接成一張全景圖像，再通過720云全景漫游工具制作成三維立體可旋轉的360°全方位的實景圖像。具體的制作流程如圖1所示。

圖1 無人機360°球型全景制作流程

2.1 無人機數據采集

制作360°球型全景，首先需要利用無人機拍攝氣象觀測站的照片進行數據采集，照片的拍攝時間一般選擇在能見度好、風力小、光照充分的晴天進行。拍攝時需要根據氣象觀測站的現場環境選擇合理的飛行高度，飛行高度太低會造成后期照片拼接困難，高度太高也會導致最終畫面立體感不足，一般選擇50～120m為宜。需要選擇合理的起始參照目標，便于后期對照片進行編號、排序，做好照片拼接的準備工作。對于全景航拍來說，天空相對于光線較暗的地面來說顯得非常明亮，這就很難在高光部分和陰影部分之間做好平衡，因此在開始拍攝之前應對無人機搭載的相機做好設置。

具體的拍攝方法：將無人機上升到合適的高度，無人機保持懸停在氣象觀測場中心的正上方，將無人機云臺的俯仰角調整到0°，操作無人機搖桿旋轉無人機機頭方向，每過45°左右就按下快門，拍攝一張照片，拍攝一圈共8張；接著分別將云臺俯仰角調整到-45°和-60°，按照云臺俯仰角為0°時的操作方法拍攝一圈，分別拍攝8張照片；最后將云臺俯仰角調整到-90°，對準正下方拍攝，每旋轉90°拍攝一張，拍攝一圈共4張，共計28張照片，完成全景照片素材的拍攝。拍攝方法示意圖見圖2。

圖2 無人機拍攝方法示意圖

這樣的拍攝方式使得相鄰角度之間的照片有30%～40%的重疊區域，既保證了照片之間重疊區域的一致性，也保證了后期拼接照片時場景的連續。如果重疊區域太少，拼接軟件將無法識別拼接的界限，無法實現照片的對齊拼接。

2.2 后期制作

后期制作的具體方法是：①首先將拍攝的照片素材導入Lightroom軟件，對照片的曝光度、清晰度等進行優化處理。②把處理好的照片導入PTGUI全景圖片拼接軟件，軟件可自動讀取底片的鏡頭參數，識別圖片重疊區域的像素特征，然后以“控制點”的形式進行自動縫合，并進行優化融合，使圖像整體平滑真實。在這里要特別提醒，全景圖的像素比例必須是2：1(球面等距圓柱)。③對全景圖的天空部分進行補天填充處理，通過Photoshop軟件把全景圖和天空素材合成補天，天空素材也可以在網上直接下載，制作出平面全景圖，如圖3所示。④利用720云工具制作360°球型全景。受載體所限，只能展示360°球型全景效果圖(見圖4)，360°球型全景需要在互聯網上播放，西安涇河氣象觀測站360°球型全景(示例)可通過登錄網站(https://720yun.com/t/09vkuepbgdl?scene_id=38190362)的方式觀看。

圖3 西安涇河氣象觀測站全景圖

圖4 西安涇河氣象觀測站360°球型全景效果圖

3 無人機360°球型全景的應用

3.1 在氣象觀測站探測環境保護方面的應用

按照中國氣象局探測環境保護工作的要求，國家氣象觀測站每月需上報氣象探測環境變化月報告，報告里對影響國家氣象觀測站探測環境的建(構)筑物都需有圖片和文字說明，這種圖片一般是用手機或者相機拍攝的平面照片。在氣象觀測站的遷站工作中，需要對氣象觀測站的現址、擬選站址的探測環境情況進行如實的反映、審查和評估，提供現址、擬選站址觀測場四周0～360°全景照片，全景照片是由2張180°平面照片組成；在組織天氣、氣候、觀測、資料應用等方面的專家對擬選站址進行論證時，擬選站址的探測環境情況介紹、展示說明也基本采用平面照片。這些平面照片，都存在對氣象觀測站的探測環境情況體現不夠充分，視野狹窄，不夠直觀，毫無立體感、層次感等問題，而360°球型全景可以很好的解決這些問題，可觀看整個場景空間的所有圖像信息，立體感、沉浸感強烈，以三維立體空間給人們帶來全新的真實現場感和交互式的感受，仿佛身臨其境。因此，無人機360°球型全景在氣象觀測站探測環境保護的監測、記錄和展示方面可以發揮一定的作用。

3.2 在氣象科普宣傳方面的應用

360°球型全景是一種新興的富媒體技術，除了可以自由操縱任意角度互動性地觀察場景，還可以在其中添加文本、圖片、聲音、視頻和超鏈接等多種媒體。比如通過點擊360°全景內氣象觀測設備圖像，可以展示氣象觀測設備特寫照片，并配上文字說明、語音講解以及相關視頻對其進行細節展示；也可以通過這些媒體形式對氣象探測環境方面的法律法規進行宣傳，提高全社會對氣象探測環境保護的意識；還可以通過超鏈接的方式建立與其它媒體的通道，聯合多種媒體共同構建氣象科普宣傳陣地，使氣象科普工作在深度和廣度上不斷發展，提升氣象科普社會化水平。

4 結語

本研究將無人機航拍技術應用于氣象觀測站探測環境保護工作，制作的360°球型全景具有水平360°和垂直180°環視的效果，全面地展示了球型范圍內的所有景致；全景是在氣象觀測站的照片基礎之上制作的，最大限度地保留了氣象觀測站場景的真實性，可以使各級氣象部門探測環境相關工作人員對氣象觀測站周圍的探測環境狀況有更直觀、完整、立體的認識，可以拓寬探測環境保護和氣象科普宣傳的工作方式。雖然利用無人機航拍技術制作的360°球型全景在氣象觀測站探測環境保護和氣象科普宣傳方面具有潛在的應用價值，但是對影響氣象觀測站探測環境的障礙物與氣象觀測場圍欄的最小水平距離、相對觀測場最大高度和距高比等參數無法進行定量分析。因此，下一步將繼續開展基于無人機傾斜攝影技術的三維建模研究，建立氣象觀測站及周邊環境的三維數字模型，實現探測環境狀況的定量分析，用于氣象觀測站探測環境的科學評估。