全景技術(shù)在環(huán)境現(xiàn)場調(diào)查中的應(yīng)用

胡健波，劉長兵

(交通運輸部天津水運工程科學(xué)研究所， 水路交通環(huán)境保護技術(shù)交通行業(yè)重點實驗室， 天津300456)

摘要：通過介紹全景技術(shù)的概念和方法以及全景圖的瀏覽和漫游方式，深入分析了其在環(huán)境現(xiàn)場調(diào)查中的應(yīng)用潛力。全景技術(shù)開創(chuàng)了“先攝影后取景”的新攝影模式，降低了對環(huán)評人員攝影素養(yǎng)的要求；全景技術(shù)覆蓋360度的場景范圍，提供更真實的現(xiàn)場體驗；全景技術(shù)配合GPS，使得基于圖像的建設(shè)前后比較具有可操作性。建議在建設(shè)項目環(huán)境影響評價和竣工環(huán)保驗收工作中推廣應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：環(huán)境影響評價；現(xiàn)場調(diào)查；全景圖；全景漫游

作者簡介：胡健波(1982—)，男，高級工程師，博士，主要研究遙感技術(shù)在交通環(huán)保領(lǐng)域中的應(yīng)用，E-mail：whogamble@qq.com健波(1982—)，男，高級工程師，博士，主要研究遙感技術(shù)在交通環(huán)保領(lǐng)域中的應(yīng)用，E-mail：whogamble@qq.com

中圖分類號：X820.3

DOI: 10.14068/j.ceia.2015.04.016

環(huán)境現(xiàn)場調(diào)查是環(huán)境影響評價的基礎(chǔ)，是環(huán)評人員獲得第一手自然和社會環(huán)境資料、直觀認(rèn)識建設(shè)項目環(huán)境影響的重要過程[1]。調(diào)查過程中通常會使用相機拍攝照片，以便在報告中或項目評審會上直觀地展示現(xiàn)場真實情況；一些快速、大范圍調(diào)查技術(shù)在環(huán)境現(xiàn)場調(diào)查中的應(yīng)用，如衛(wèi)星遙感技術(shù)和無人機航拍技術(shù)[2-3]，廣義上仍然可以歸為攝影技術(shù)。

照片能夠存儲并共享人的視覺信息，讓未親臨現(xiàn)場的人員獲得一定程度的現(xiàn)場體驗，然而這種體驗并不充分，因為照片不僅定格了畫面，也定格了視角，難以涵蓋拍攝位置周圍的全部景象。雖然可以采用拍攝多張不同角度照片或轉(zhuǎn)動錄制視頻的方式來彌補，但是體驗仍然有限。全景攝影技術(shù)是一種從更加寬廣的角度拍攝景物的新興攝影技術(shù)，解決了常規(guī)攝影技術(shù)視角受限的問題，用戶在瀏覽全景圖時可以自行決定視角[4]。本文介紹了全景技術(shù)并分析了其在環(huán)境現(xiàn)場調(diào)查中的應(yīng)用潛力，以期促進該技術(shù)在環(huán)境影響評價行業(yè)中的推廣應(yīng)用。

1全景技術(shù)簡介

全景技術(shù)一般泛指兩類，一類是通過全景攝影技術(shù)獲得全景圖的過程，另一類是組織管理海量的全景圖用于現(xiàn)場實景漫游的過程。本文指的是前一類，但是在生活中后一類更為人所熟悉。

1.1　全景攝影與全景圖

全景(panorama)來源于希臘語，意思是“都能看見”。全景圖也被稱為360度全景圖，是對場景的超大視角乃至360度完整場景范圍進行展示的照片，可以帶來三維立體的視覺感。通常意義上的全景圖大致可以分為球形全景圖和柱形全景圖，前者涵蓋全方位的球形場景，后者涵蓋水平360度的環(huán)狀場景，如圖1所示。全景圖的獲取主要經(jīng)歷兩個步驟：第一步是多角度拍攝。可以使用單臺相機分多次拍攝，也可以使用多臺相機集成的全景攝影系統(tǒng)(如Ladybug等)一次成像獲得，前者成本低但僅適合拍攝靜態(tài)景物，后者成本高但可以拍攝動態(tài)景物。第二步是照片拼接生成全景圖，市面上已有大量成熟全景圖拼合軟件，如PTGui、PhotoShop、PhotoStitch、Autopano Giga、造景師等。

全景圖和其他普通圖片一樣，在計算機中以二維數(shù)組存儲，因此全景圖在生成時存在三維到二維的投影變換過程。球形全景圖通過等距圓柱投影生成，是代表360度×180度球形空間的長寬比例等于2∶1的圖像(圖1)；柱形全景圖是球形全景圖的中間部分，是代表360度×N度(N<180)環(huán)形空間的長寬比大于2∶1的圖像。球形全景圖用普通的圖片瀏覽軟件觀看畸變比較嚴(yán)重，其程度與離上下邊界的距離成正比；無畸變觀看全景圖(如無特指，本文中的全景圖一詞代表球形全景圖)需要用專用的全景圖瀏覽軟件(如Panorado)或內(nèi)含全景瀏覽插件(類似adobe flash player)的其他軟件，用戶可以通過鼠標(biāo)任意設(shè)定想看的視角。

圖1　球形全景圖和柱形全景圖(紅色邊框范圍內(nèi)部分)場景范圍及示例 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“三維全景漫游”，以全景圖為組成單元，將多個全景圖整合構(gòu)建成一個展示系統(tǒng)[5]，最典型的就是2004年Google公司提出且目前已經(jīng)在各種在線地圖普及的地圖街景(圖2)[6]。全景漫游成本低、制作周期短、占有存儲空間小、對計算機性能要求低，特別適合互聯(lián)網(wǎng)在線展示，已經(jīng)在旅游景點、建筑房地產(chǎn)、博物館、虛擬校園等的三維效果展示上獲得廣泛應(yīng)用[4]。

圖2　展現(xiàn)城市街道的全景漫游系統(tǒng) Fig.2　Panoramic roaming system to show city streetscape

2全景技術(shù)在環(huán)境現(xiàn)狀調(diào)查中的應(yīng)用潛力

在生活中，人們對全景的認(rèn)知僅僅停留在一張覆蓋360度全部場景范圍的超大圖片上。通過一個典型案例，可以深入分析其在環(huán)境現(xiàn)場調(diào)查中的應(yīng)用潛力。

2.1　先攝影后取景的新攝影模式

全景圖還是新興事物，人們最習(xí)慣的還是無畸變的普通照片。事實上，通過全景攝影設(shè)備不僅能夠獲得全景圖，而且也能夠獲得任意視角的普通照片。如圖3的5張非全景圖照片，就是其中一張全景圖在生成過程中(PTGui軟件)截取不同視角所得。全景攝影方式是先攝影，然后在全景圖生成軟件中任意“取景”，拍攝時無須考慮取景問題，開創(chuàng)了“先攝影后取景”的新攝影模式，大大降低了對拍攝者攝影素養(yǎng)的要求，杜絕了漏拍、取景較差的問題。全景圖有助于減少環(huán)境影響評價項目中編寫人員和現(xiàn)場調(diào)查人員之間的溝通障礙。

2.2　更真實全面的現(xiàn)場體驗

全景圖涵蓋的場景范圍遠大于普通照片，瀏覽全景圖更有現(xiàn)場體驗感(信息越多越不容易造假)。圖3中，我們關(guān)心的是一個場地施工項目，局部圖片中該場地周邊只有一棟辦公樓和一座鋼構(gòu)廠房；而在全景圖中能夠看到，拍攝地點位于場地邊的一條道路上，背靠另一座鋼構(gòu)廠房，鋼構(gòu)廠房和道路之間有一排樹木，拍攝位置在一棵樹的樹蔭中。另外，拍攝時指定每次全景拍攝時的第一張照片朝正北拍攝(依靠指南針)，那么就可以事后在全景圖中推算任意一個景物相對拍攝位置的水平方位角(每個像素代表的角度度數(shù)等于360度除以圖像的長邊像素個數(shù))。配合GPS定位，即可制作現(xiàn)場全景漫游系統(tǒng)，增強現(xiàn)場體驗感。

2.3　基于圖像的建設(shè)前后環(huán)境變化分析

建設(shè)項目竣工環(huán)保驗收同樣需要開展環(huán)境現(xiàn)場調(diào)查工作，而且需要與環(huán)評階段相比較，重點關(guān)注不一致的部分。如果全景攝影過程中使用GPS記錄拍攝位置，那么不同的人完全可以在同一個位置、不同時期拍攝多張全景圖，通過比較分析環(huán)境變化情況。如圖3中的兩張全景圖，分別是場地建設(shè)期和建設(shè)后拍攝；建設(shè)后場地一部分是綠地，其余是硬質(zhì)覆蓋，而且拍攝位置附近多了一輛車。全景圖中含有大量與建設(shè)項目無關(guān)但不會發(fā)生變化的景物，作為背景有助于佐證全景圖的真實性。

圖3　同一地點不同時期全景圖及全景圖中截取的5張局部圖片(無畸變) Fig.3　Two panoramas of the same place acquired at different time, and five extracted subsets (no distortion)

3結(jié)論

全景圖相比普通照片覆蓋了更廣的場景范圍，是普通數(shù)碼照片的發(fā)展和延伸。在環(huán)境現(xiàn)場調(diào)查中使用全景技術(shù)獲取全景圖，不但降低了對環(huán)評人員攝影素養(yǎng)的要求(先攝影后取景)，而且能夠給未曾去過現(xiàn)場的人員帶來更真實、更全面的現(xiàn)場體驗，更使得基于圖像的建設(shè)前后環(huán)境變化分析具有可操作性，值得在建設(shè)項目環(huán)境影響評價和竣工環(huán)保驗收中推廣應(yīng)用。

參考文獻(References)：

[1]徐正生, 程燕. 淺談環(huán)境影響評價現(xiàn)場踏勘工作[J]. 安徽農(nóng)業(yè)科學(xué), 2012, 40(1): 306, 483.

[2]胡健波, 李皚菁, 李東昌，等. 遙感監(jiān)測公路建設(shè)項目臨時占地恢復(fù)狀況[C]. 中國環(huán)境科學(xué)學(xué)會，2013中國環(huán)境科學(xué)學(xué)會學(xué)術(shù)年會論文集. 北京：中國環(huán)境出版社，2013：2144-2150.

[3]朱京海, 王曉臣, 問鼎，等. 無人機遙感技術(shù)在風(fēng)電場竣工環(huán)保驗收中的應(yīng)用[J]. 環(huán)境影響評價, 2014(3): 41-44.

[4]全政環(huán). 360°全景技術(shù)的應(yīng)用和發(fā)展歷程[J]. 電腦知識與技術(shù), 2010, 6(3): 713-715.

[5]喻罡. 基于圖象的虛擬場景構(gòu)造和漫游系統(tǒng)研究[D]. 西安: 西安理工大學(xué), 2002.

[6]梁世文. 街景應(yīng)用的研究探討[J]. 科技傳播, 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