輕便式全景設(shè)備在城市三維全景建設(shè)中的應(yīng)用

黃明偉，沈泉飛，莊 旭，吳 越

（1.江蘇省基礎(chǔ)地理信息中心，江蘇 南京 210013）

隨著數(shù)字化技術(shù)的加速發(fā)展，城市三維全景已成為數(shù)字城市的一個(gè)重要研究方向[1-2]。傳統(tǒng)的二維地圖通常采用DOM、DLG、空間屬性數(shù)據(jù)等實(shí)現(xiàn)對(duì)空間信息的表達(dá)，但這些數(shù)據(jù)對(duì)場(chǎng)景的直觀性較弱[3]；城市三維模型通常采用多種建模手段達(dá)到實(shí)景效果，但建立三維模型的工作量大、生產(chǎn)周期長(zhǎng)、制作成本高[4]；而通過(guò)全景圖構(gòu)建的三維場(chǎng)景具有真實(shí)性強(qiáng)、對(duì)播放設(shè)備要求低、開(kāi)發(fā)周期短、交互性強(qiáng)、畫(huà)面質(zhì)量高等特點(diǎn)，能以多角度、全方位和動(dòng)態(tài)的形式體現(xiàn)在地圖上，圖文并茂地提供地理實(shí)體的空間信息[5-6]。

目前，全景數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)通常采用車(chē)載全景移動(dòng)測(cè)量技術(shù)，以車(chē)輛作為硬件載體，快速獲取全景高清圖像數(shù)據(jù)和定位數(shù)據(jù)，并提供高效的城市三維全景建設(shè)解決方案[7-8]；但受體型龐大的限制，一些狹窄的街道、公園、小區(qū)、景區(qū)、室內(nèi)場(chǎng)景等場(chǎng)所，采集車(chē)無(wú)法進(jìn)入[9]。輕便式全景設(shè)備具有便攜、輕巧、實(shí)用性強(qiáng)等特點(diǎn)，能對(duì)狹窄街區(qū)、室內(nèi)場(chǎng)景等特殊地理空間進(jìn)行全景數(shù)據(jù)采集，彌補(bǔ)了車(chē)載全景移動(dòng)測(cè)量技術(shù)空間覆蓋范圍不足的缺點(diǎn)；且將其掛載于低空無(wú)人機(jī)平臺(tái)上，能實(shí)現(xiàn)空中全景數(shù)據(jù)的快速獲取，提供更為快速、靈活、機(jī)動(dòng)的城市三維全景建設(shè)解決方案[10-11]。本文開(kāi)展了快速構(gòu)建城市三維全景的研究，設(shè)計(jì)了輕便式全景設(shè)備的數(shù)據(jù)采集方案，實(shí)現(xiàn)了數(shù)字城市中的三維全景展示。

1 輕便式全景設(shè)備技術(shù)工作流程

作為數(shù)字城市的重要技術(shù)手段，輕便式全景設(shè)備技術(shù)利用地面單站式全景以及掛載于低空無(wú)人機(jī)平臺(tái)等硬件設(shè)備，獲取真實(shí)、完整的三維空間影像數(shù)據(jù)。基于輕便式全景設(shè)備的城市三維全景建設(shè)技術(shù)路線如圖1所示。

圖1 城市三維全景建設(shè)技術(shù)路線圖

輕便式全景設(shè)備由4～8個(gè)魚(yú)眼鏡頭組成，可獲取8 K及以上的超清畫(huà)質(zhì)圖像，采用無(wú)縫拼接技術(shù)實(shí)現(xiàn)全景圖的快速展示；當(dāng)掛載于無(wú)人機(jī)平臺(tái)時(shí)，可組成空中全景設(shè)備，快速采集空中全景數(shù)據(jù)。輕便式全景設(shè)備如圖2所示。

圖2 輕便式全景設(shè)備

1.1 數(shù)據(jù)采集

在數(shù)據(jù)采集過(guò)程，輕便式全景設(shè)備實(shí)現(xiàn)了對(duì)圖像和GPS定位數(shù)據(jù)的同步采集。采集圖像時(shí)，在每個(gè)場(chǎng)景一次采集多張魚(yú)眼圖像，每張圖像水平視角為120 ，垂直視角為180 。對(duì)于地面全景數(shù)據(jù)采集，無(wú)干擾常規(guī)步行速度為5 km/h，每個(gè)場(chǎng)景的平均采集時(shí)間為10～20 s，按照每10 m一個(gè)場(chǎng)景計(jì)算，每小時(shí)采集頻率為100～150 個(gè)場(chǎng)景；對(duì)于空中全景數(shù)據(jù)采集，覆蓋范圍的半徑為5 km，無(wú)干擾巡航速度約為50 km/h，參照項(xiàng)目技術(shù)設(shè)計(jì)，布設(shè)空中場(chǎng)景位置。全景數(shù)據(jù)采集的要求為整體布局、全面覆蓋，反映特點(diǎn)、突出重點(diǎn)。具體實(shí)施步驟為：

1）實(shí)地踏勘。根據(jù)項(xiàng)目要求和城市地形特點(diǎn)，確定需要進(jìn)行全景數(shù)據(jù)獲取的區(qū)域，并對(duì)目標(biāo)區(qū)域進(jìn)行實(shí)地踏勘。

2）采集方案設(shè)計(jì)。擬定采集方案和實(shí)施計(jì)劃，以便于數(shù)據(jù)獲取工作能夠有條不紊的實(shí)施。

3）實(shí)地作業(yè)。為了保證圖像清晰，實(shí)地作業(yè)應(yīng)盡量減少流動(dòng)物體（如人、車(chē)）的遮擋，且圖像數(shù)據(jù)采集應(yīng)盡量選擇天氣晴朗的中午進(jìn)行。

1.2 數(shù)據(jù)處理

首先對(duì)拍攝的原始圖像進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)處理，再進(jìn)行圖像拼接生成場(chǎng)景全景圖，并將全景圖進(jìn)行圖像修飾，然后設(shè)計(jì)全景漫游路線和構(gòu)建全景展示平臺(tái)，最后實(shí)現(xiàn)時(shí)空信息云平臺(tái)上的城市三維展示。主要數(shù)據(jù)處理步驟為：

1）原始數(shù)據(jù)處理包括圖像數(shù)據(jù)和GPS定位數(shù)據(jù)處理、涵蓋圖像文件名處理、圖像剔除、GPS數(shù)據(jù)預(yù)處理、GPS 數(shù)據(jù)與圖像匹配等。

2）圖像拼接。采用圖像拼接軟件對(duì)同一時(shí)刻同一點(diǎn)位上獲取的不同方向的多張圖像進(jìn)行調(diào)色、拼接處理，形成帶有方位和空間坐標(biāo)信息的全景圖。為保證軟件輸出的圖像質(zhì)量，對(duì)所有場(chǎng)景的全景圖進(jìn)行拼接質(zhì)量檢查與錯(cuò)誤糾正。

3）圖像修復(fù)。輕便式全景設(shè)備易因搭載平臺(tái)（腳架或無(wú)人機(jī)）遮擋場(chǎng)景中的地面或天空部分，而產(chǎn)生全景圖中地面或天空的數(shù)據(jù)缺失。通過(guò)圖像合成技術(shù)，對(duì)存在數(shù)據(jù)缺失問(wèn)題的全景圖進(jìn)行局部圖像修復(fù)。

4）人臉車(chē)牌模糊。對(duì)全景圖像涉及的個(gè)人隱私，作模糊化處理。實(shí)地?cái)?shù)據(jù)獲取時(shí)，注意避免人流量與車(chē)流量的高峰時(shí)段；篩選數(shù)據(jù)中存在人臉和車(chē)牌的全景圖，進(jìn)行局部模糊處理。

5）數(shù)據(jù)漫游。虛擬場(chǎng)景由不同類(lèi)型、不同位置的全景站點(diǎn)組成。制作全景漫游，需要設(shè)計(jì)最佳瀏覽視角，提供相關(guān)的熱點(diǎn)鏈接和箭頭指示，以實(shí)現(xiàn)場(chǎng)景切換以及電子地圖與全景場(chǎng)景的聯(lián)動(dòng)。

6）數(shù)據(jù)發(fā)布。通過(guò)Web端面數(shù)據(jù)服務(wù)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)全景數(shù)據(jù)漫游的發(fā)布，滿(mǎn)足廣泛用戶(hù)群體的交互需求。

2 應(yīng)用實(shí)踐案例

本文選取江蘇省淮安市蔣壩鎮(zhèn)作為實(shí)驗(yàn)區(qū)域。蔣壩鎮(zhèn)是洪澤湖大堤最南端的古鎮(zhèn)，始于東漢、興于明萬(wàn)歷年間，是典型的因造堤而興的集鎮(zhèn)，是具有典型江南水鄉(xiāng)建筑風(fēng)格的文化古鎮(zhèn)，建筑物密集、水利發(fā)達(dá)、交通便利。

2.1 全景數(shù)據(jù)采集

蔣壩鎮(zhèn)的覆蓋面積為2 km2，覆蓋距離為5 km。本文采用地面全景設(shè)備與低空無(wú)人機(jī)相結(jié)合的作業(yè)方式采集數(shù)據(jù)，其中地面全景設(shè)備采用Insta 360 Pro2，搭載GPS定位、INS慣性導(dǎo)航系統(tǒng)；低空無(wú)人機(jī)采用DJI M600 Pro機(jī)型，該機(jī)型為六旋翼、外接鏡頭載重上限為5 kg。

通過(guò)實(shí)地踏勘，對(duì)蔣壩鎮(zhèn)重點(diǎn)區(qū)域進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。全景數(shù)據(jù)覆蓋主街道、古鎮(zhèn)老街、沿湖觀光帶、功能娛樂(lè)區(qū)等，緊密?chē)@蔣壩鎮(zhèn)的地理位置、歷史文化、人文經(jīng)濟(jì)等因素進(jìn)行相關(guān)數(shù)據(jù)采集。地面全景場(chǎng)景按10～20 m的間隔實(shí)現(xiàn)全景數(shù)據(jù)全面覆蓋；空中全景場(chǎng)景根據(jù)蔣壩鎮(zhèn)功能區(qū)情況，覆蓋關(guān)鍵場(chǎng)景；考慮到蔣壩鎮(zhèn)夜景燈火輝煌、流光溢彩的特點(diǎn)，采集主街道的夜晚特色全景數(shù)據(jù)。全景數(shù)據(jù)采集場(chǎng)景總計(jì)123個(gè)（地面118個(gè)、空中5個(gè)）。蔣壩鎮(zhèn)全景場(chǎng)景分布如圖3所示。

圖3 蔣壩鎮(zhèn)全景場(chǎng)景分布情況

2.2 全景數(shù)據(jù)處理

蔣壩鎮(zhèn)全景數(shù)據(jù)處理重點(diǎn)解決全景圖像拼接錯(cuò)位、狹窄街道引起的空間景觀陰影和色調(diào)不一致、全景圖天空信息缺失等問(wèn)題。

1）全景圖像拼接錯(cuò)位問(wèn)題。通過(guò)重新定義圖像間的匹配關(guān)系，解決全景圖中錯(cuò)位的圖像信息。處理方式主要包括拼接線編輯、同名點(diǎn)編輯、參數(shù)糾正3個(gè)方面。

2）狹窄街道引起的圖像空間景觀陰影和色調(diào)不一致問(wèn)題。一方面，通過(guò)控制數(shù)據(jù)獲取時(shí)間、天氣狀況、場(chǎng)景曝光等參數(shù)，結(jié)合高動(dòng)態(tài)范圍成像手段，保證原始圖像數(shù)據(jù)的成像質(zhì)量；另一方面，利用圖像勻光勻色技術(shù)，解決圖像局部區(qū)域曝光不正確與圖像間的色調(diào)差異問(wèn)題。

3）全景圖天空信息缺失問(wèn)題。由于天空被無(wú)人機(jī)遮擋，導(dǎo)致全景圖天空信息缺失。采用圖像合成技術(shù)，將曝光、色調(diào)正常的天空?qǐng)D像替換全景圖問(wèn)題部分，處理結(jié)果如圖4所示。

圖4 全景圖“問(wèn)題天空”修復(fù)

2.3 全景數(shù)據(jù)成果

蔣壩鎮(zhèn)全景漫游成果掛載在電子地圖平臺(tái)，以Web端數(shù)據(jù)服務(wù)的方式在網(wǎng)絡(luò)上傳輸，實(shí)現(xiàn)了地圖實(shí)景三維瀏覽體驗(yàn)，提供了更加真實(shí)準(zhǔn)確、更具畫(huà)面細(xì)節(jié)的深層次地圖服務(wù)。

根據(jù)鎮(zhèn)區(qū)的主體功能區(qū)劃分，蔣壩鎮(zhèn)全景展示平臺(tái)設(shè)計(jì)了科學(xué)合理的漫游路線；平臺(tái)界面設(shè)置了主視窗、縮略圖導(dǎo)覽窗、主視圖切換工具欄、地圖導(dǎo)覽工具、列表導(dǎo)覽工具；全景圖的場(chǎng)景間均設(shè)置了導(dǎo)航箭頭，實(shí)現(xiàn)了場(chǎng)景切換功能。蔣壩鎮(zhèn)全景展示平臺(tái)如圖5所示。

圖5 蔣壩鎮(zhèn)三維全景展示平臺(tái)

3 結(jié) 語(yǔ)

目前，三維全景技術(shù)已在很多方面得到了廣泛應(yīng)用，旅游、考古、交通、餐飲、房產(chǎn)等領(lǐng)域均能看到全景技術(shù)的影子。輕便式全景設(shè)備技術(shù)豐富了全景圖的采集方式，提升了特殊環(huán)境下的采集效率，是車(chē)載移動(dòng)全景系統(tǒng)的一個(gè)有效補(bǔ)充，二者共同構(gòu)成了 一個(gè)完整的城市三維全景架構(gòu)體系，提供了從地面到空中的一體化可視化方案。本文以輕便式全景設(shè)備技術(shù)在城市三維全景建設(shè)中的應(yīng)用為例，闡述了全景圖的采集與處理過(guò)程，實(shí)現(xiàn)了城市主要道路和著名景點(diǎn)的全景覆蓋；并結(jié)合天地圖、百度地圖等地圖平臺(tái)，以Web端數(shù)據(jù)服務(wù)的方式在網(wǎng)絡(luò)上傳輸，提供了直觀的三維效果，豐富了空間地理信息的傳輸內(nèi)容。