申伟光
【摘 要】基于3DGIS的煤矿巷道全景技术是将现有的全景技术与3DGIS技术相结合应用于煤矿巷道这一特殊环境,用户可以通过电脑等相关设备浏览煤矿巷道的分布、状态以及构造,在安全培训、应急救援等方面有着广泛的应用前景.全景图与普通的三维立体图片相比较,具有更动态的立体感,且具有较强的互动性.通过对全景技术实现模型的分析,图像球面投影的分析以及SIFT特征匹配算法的介绍,对基于3DGIS的煤矿巷道全景技术的有了初步的了解. 【期刊名称】《煤矿安全》
【年(卷),期】2018(049)011
【总页数】4页(P103-105,109)
【关键词】3DGIS;安全培训;应急救援;全景技术;球面投影;SIFT算法;图像配准
【作 者】申伟光
【作者单位】山西潞安环保能源开发股份有限公司,山西 长治 046000
【正文语种】中 文
【中图分类】TD76
煤矿企业走数字化发展的道路，数字矿山的开发已经成为了重中之重。将全景技术高度融合于3DGIS技术之中，构建一个三维与全景一体化的矿山管理平台，让三维地理信息与实地全景图片结合起来，使得井下巷道工程、井上地表设施等空间构造与相应的三维地理信息一一对应，让这些构造在3DGIS平台真实再现，同时将矿山的各种实时数据（如检测监控数据、人员定位信息、生产自动化信息等）整合纳入平台，以此搭建一个能动态真实反应煤矿企业生产状态的实景数字矿山，实现人员信息跟踪，生产监测监控和数据分析等功能，为矿山的正常生产提供信息支撑。
1 煤矿全景技术概念
煤矿巷道全景技术就是使用相机在巷道中每隔一段距离，拍摄一组全景照片，通过对该组照片的加工处理，完成全景制作，呈现一个完整真实的井下巷道空间[1]。基于3DGIS的煤
矿巷道全景技术的要求之一就是实现煤矿巷道井下漫游，用户可以随意切换自己想要浏览的井下巷道位置，切换过程中画面流畅，立体感强。煤矿巷道全景制作5大步骤流程如图1。
图1 煤矿巷道全景制作流程
全景图片与三维立体图片都可以让用户有虚拟立体的视觉感受，但是不同的是全景图片具有较强的互动性。三维立体图利用了人类双眼的视觉差别并结合光学折射原理，使得人类的大脑可以感受到三维立体效果，通过明暗，光影，虚实对比等渲染，这种三维立体效果的感受会更加的强烈。而全景图片是一系列静态二维图片的排列组合，它利用图像坐标运动变换，并发生透视变形，唤起用户的日常感官体验，以此使用户产生立体感受。所以用户只有不断变换视角观看全景图片才能产生虚拟立体的感受，一旦视角固定，图片的立体感就会消失。这样的动态立体虽不是真实的立体感，但它能与用户产生互动，具有较强的互动性[2]。
2 应用场景分析
2.1 安全培训
煤矿井下是一个复杂且存在一定危险性的环境，相关人员必须经过安全培训才可以从事井下工作,对井下从业人员的安全培训已经成为各煤矿企业不可或缺的重要工作。但是传统的安全培训，对井下复杂环境的介绍存在模糊、不全面等问题。而我国的煤矿井下工作人员文化水平普遍较低，传统的安全培训很难达到理想的效果。目前已经有部分煤矿企业利用虚拟现实技术对员工进行辅助安全培训，但是虚拟现实技术构建的场景是计算机利用相关软件设计合成出来的，真实感较差且与实际的井下环境还存在一定的偏差。
而基于3DGIS的煤矿巷道全景技术是将井下实地采集的真实照片进行全景加工处理，并与3DGIS技术提供的三维场景地理信息等相结合。在利用本技术进行辅助安全培训时，员工可以浏览井下巷道全貌，这种显示效果相较于一般的虚拟现实技术来说，具有更真实的视觉效果，且员工可以随意切换位置并调整任意视角，具有一定的互动性，可以调动员工的学习积极性。培训人员可以针对特定的场景，对员工进行引导培训，使员工熟悉该场景下可能存在的危险因素和需要了解的各种注意事项，加强员工对培训内容的记忆。
2.2 应急救援
希网网络当煤矿发生安全事故时，及时了解事故发生地点的全貌以制定正确的抢险布置计划对应急
救援来说十分重要。现有的应急救援基于传统的煤矿巷道结构图纸、相关图片以及各种事故模拟软件等，仅仅使用这些可能会带来较大的误差。而基于3DGIS的煤矿巷道全景技术，将全景图片与三维地理信息结合，只需知道灾害发生地点，就可以浏览该地点全貌，相较于传统图纸更加直观真实，当然也比使用相关简单图片更加便捷。救援人员可以利用本技术在最短的时间内掌握灾害发生地点的受灾程度，帮助救援人员做出正确的判断。
3 全景技术模型生产力三要素
有效载荷根据不同的技术要求，全景图可以投影到不同的空间模型中（如立方体，柱体，球体等），利用这些模型来实现全景图片投影是全景技术中关键的一步。利用球体投影实现的全景图相较于利用立方体和圆柱体的全景图具有效果真实、视角更广等的优点[3]。但是相较于其他2种比较成熟的模型，球体模型更加复杂，投影变换相对困难。提出的全景图生成主要由下面4个步骤来完成：进行投影，将图像序列投影到统一空间；图像配准，获取相邻图像之间的关系[4]；实现图像无缝拼接；投影反变换，实现实时浏览。
3.1 球面投影
1幅全景图片的素材来自于相机在同一位置对三维空间各个方向拍摄的照片，这些照片都不在同一个平面上，直接进行图片拼接会带来较大的偏差，为了消除偏差和方便开展图像拼接工作，需要在进行全景图片拼接之前就将这些照片投影到统一的空间中。针对煤矿巷道的特点，选择球体模型来解决全景图片投影问题，球面投影坐标模型如图2，建立煤矿巷道全景图球面投影模型坐标系，球体中心O为视点（即相机的位置），球体半径R为相机焦距。α表示相机镜头的俯仰角（即相机镜头与赤道层的夹角），β表示相机镜头水平角（即相机镜头相对于初始位置的水平旋转角度）。将平面照片投影到球面上后，平面照片上的每一点对应于球面上的唯一一点，这里涉及到平面坐标系向球面坐标系的变换。常用的球面坐标系有球体坐标系，经纬坐标系等，为了简化问题，使用经纬坐标系来解决图像投影坐标转换问题，即用经度long和纬度lat可以确定球面上唯一的点。
首先确定球体坐标系的参考零位，一般都将图像中心通过z轴正方向时的图像位置作为参考零位。此时图像中心点经纬坐标为0，相机镜头俯仰角、水平角也都为0[5]。当相机仰角切换为α，水平角切换为β时，拍摄一张照片，为了便于计算设照片图像的平面坐标原点为图像中心点，将照片平面图像由照片坐标系转化成为球体世界坐标系：
图2 球面投影坐标模型
式中：x，y 为照片平面坐标；xw，yw，zw为球体的世界坐标系。
控水系统则对于球体世界坐标系上的任意一点，用经纬坐标表示为：巴蜀文化
将经纬坐标转化为球面展开平面坐标xs，ys，便于显示和图像拼接：
利用以上公式就可以将原始照片的平面图像坐标投影到球面上生成球面坐标，再将球面坐标展开生成球面展开平面坐标图像。
3.2 图像配准及拼接
3.2.1 SIFT算法
经过球面投影之后，图像序列之间仅存在平移关系，图像配准时采用基于SIFT（scale invariant feature transform）的特征匹配算法。SIFT特征匹配算法利用高斯卷积核函数构建二维图像的尺度空间函数[5]，并建立高斯差分函数[6]对相邻尺度图像做差分，这是检测尺度空间中稳定关键点的重要一步[7]。
中国继续教育联合学院因为DOG算子会带来较强的边缘效应，所以可以利用一个拟合的三维二次函数更加精确地
确定关键点的尺度和位置，删除对比度较低的关键点，增强匹配稳定性、提高降噪能力[8]，同时提取关键点邻域梯度的主方向作为关键点的方向特征，以此实现SIFT对尺度和方向的无关性[9]。最后通过对关键点的邻域进行合理的划分，并对邻域梯度进行统计，以此生成对关键点的特征描述。取一个图像中的某个关键点为参考点，计算出另一个图像中与该参考点距离最小的前2个关键点的欧式距离L1，L2（L1＜L2）。如果L1/L2小于某个规定的阀值，则接受这一对匹配的关键点。
3.2.2 图像无缝拼接
采取逐层绘制的方法完成球体模型的全景图像绘制。将俯仰角α相同的图像放在同一个图像序列集合中，例如，将赤道层α=0的所有图像放入图像序列集合I0中。通过SIFT特征匹配，可以获得I0，I1，I2，…，Ik中所有相邻图像的位置关系，绘制I0得到局部全景图像，根据I0和I1中图像之间位置关系将和I1拼接得到局部全景图像，以此类推，最后绘制出全景图
4 全景技术与3DGIS的结合
为了实现煤矿巷道全景动态浏览，需要将全景图片与对应的三维场景一一结合。将3DGIS技术所采集的三维场景信息、地理空间信息等与全景图片融合在一起进行渲染、显示，实现动态交互、随意切换的效果[10]。技术结合可以分为3个模块：全景技术处理模块，3DGIS模块，信息融合模块。全景技术处理模块需要完成图片采集以及全景图片制作处理，3DGIS模块则要采集三维建模过程中所需的各种GIS数据，完成煤矿巷道的三维模型制作，信息融合模块将全景图片与煤矿巷道三维模型中该全景图片所对应的信息进行融合、存储。最终用户就可以查看这些基于3DGIS的全景图片，实现煤矿巷道全景浏览。
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