基于ArcGISEngine的地震災(zāi)區(qū)無人機(jī)影像三維建模軟件開發(fā)

劉宇等

【摘 要】在大型地質(zhì)災(zāi)害中，第一時(shí)間應(yīng)急救災(zāi)，搶救人民的生命財(cái)產(chǎn)最為重要。而無人機(jī)的最大特點(diǎn)就是靈活機(jī)動，可以在第一時(shí)間獲取重災(zāi)區(qū)的信息。基于此特點(diǎn)，利用嵌入式開發(fā)組件ArcGIS Engine工具和C#為主要開發(fā)語言，開發(fā)出一套無人機(jī)高分影像三維建模系統(tǒng)，可以直觀地將災(zāi)情呈現(xiàn)在應(yīng)急救災(zāi)指揮員面前，方便他們快速制定正確的救災(zāi)方案。

【關(guān)鍵詞】三維建模；應(yīng)急救援；無人機(jī)；ArcGIS；Engine

近年來地震頻發(fā)，震級較大的地震對災(zāi)區(qū)造成了嚴(yán)重的破壞，因此地震發(fā)生時(shí)應(yīng)急救援顯得相當(dāng)重要。當(dāng)這些事故突然發(fā)生時(shí)，救援人員往往無法或不方便及時(shí)到達(dá)事故現(xiàn)場。因?yàn)槠涮赜械膬?yōu)勢，無人機(jī)在2008年汶川大地震，2013年雅安地震，2014年云南魯?shù)榈卣鸬染葹?zāi)工作中都有應(yīng)用，其快速的反應(yīng)能力在突發(fā)事件應(yīng)急處置工作過程中，發(fā)揮了巨大的作用。

無人機(jī)可以進(jìn)入測繪人員不能夠到達(dá)的危險(xiǎn)地帶，有效的保障測繪人員的人生安全；并且無人機(jī)機(jī)動靈活，攜帶方便，起飛不需要專門跑道，可以高危地區(qū)勘測，能夠有效避開云層和天氣干擾，獲取影像分辨率高，可以直接作為三維景觀重建的地圖。與載人飛機(jī)航空遙感和衛(wèi)星遙感相比，無人機(jī)影像成本更低，時(shí)效性更好，影像獲取更簡單，分辨率更高；與測繪人員直接施測相比，無人機(jī)遙感測速更快，效率更高。

通過對無人機(jī)遙感影像的處理，得到了地震災(zāi)區(qū)的地形和地貌數(shù)據(jù)，可以從處理后的無人機(jī)遙感影像中得到災(zāi)區(qū)的道路和房屋的損壞程度以及空間分布，這樣就給決策者提供了第一時(shí)間的地震災(zāi)區(qū)的信息以便更好的部署抗震救災(zāi)。在地震后對示范區(qū)進(jìn)行三維景觀系統(tǒng)的建立，可以對災(zāi)區(qū)的三維景觀再現(xiàn)，可以為災(zāi)后重建提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，可以模擬地質(zhì)次生災(zāi)害為災(zāi)后重建的規(guī)劃提供決策信息，可以查詢信息為開發(fā)旅游提供導(dǎo)向信息。

在救災(zāi)過程中，時(shí)間就是生命，如果我們的應(yīng)急測繪服務(wù)能在最短的時(shí)間內(nèi)提供為指揮應(yīng)急救援服務(wù)的工具，我們的工作換來的就是更多的生命和國家財(cái)產(chǎn)安全。

1 三維建模技術(shù)

早期的三維建模是隨著“數(shù)字地球”，“數(shù)字城市”的提出以及發(fā)展而相應(yīng)產(chǎn)生的。目前實(shí)現(xiàn)三維建模的方式可以歸納為兩種：一種是，基于程序設(shè)計(jì)的直接建模方式；另一種是，基于三維建模軟件的間接建 模方式建立三維模型。基于程序設(shè)計(jì)的建模技術(shù)通常采用Java3D、VRM、Shockwave3DL、Cult3D等方式。但是，各種方式都具有其利弊， 分別適用于不同方面。

ArcGIS是ESRI公司曁GIS與軟件工程、數(shù)據(jù)庫、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、人工 智能等技術(shù)之后，推出的能夠代表GIS的最高的技術(shù)水平的地理信息 系統(tǒng)產(chǎn)品。ArcScene是一個(gè)同時(shí)基于OpenGL以及TIN數(shù)據(jù)顯示功能 的模塊，其適用于展示三維場景的制作顯示，并且實(shí)現(xiàn)對在三維場景 的漫游鷹眼，可以對三維矢量格式數(shù)據(jù)與柵格數(shù)據(jù)進(jìn)行交互。 ArcScene中的場景表現(xiàn)為平面投影，并且適用于小范圍內(nèi)的精細(xì)場景 的表現(xiàn)。

2 無人機(jī)數(shù)據(jù)預(yù)處理

無人機(jī)圖像具有分辨率高的特性，地物的輪廓完全清晰可見。為此，我們直接將拼接好的無人機(jī)影像作為底圖，對道路，房屋，山地輪廓在底圖上直接矢量化來確定地物的幾何形狀，所選數(shù)據(jù)為2014年云南魯?shù)闉?zāi)區(qū)影像。

對有陰影的建筑高程數(shù)據(jù)可以通過地面陰影的長度和遙感時(shí)太陽高度角計(jì)算建筑的高度信息，這種方法計(jì)算的高度精度不高，但是可以省去外業(yè)測量節(jié)約大量時(shí)間；特殊建筑物可用常規(guī)測量的方法進(jìn)行測量；如果條件不充分以及精度要求高時(shí)，高度信息需用專門測繪儀器進(jìn)行外業(yè)測量確定。但根據(jù)陰影長度和太陽高度角估算高程的方法是可以滿足大部分精度要求不高情況的。

具體處理用ArcMap軟件實(shí)現(xiàn)：首先創(chuàng)建高程點(diǎn)要素和房屋線要素，坐標(biāo)系與遙感影像相同。然后打開編輯擴(kuò)展模塊，開始編輯，繪制房屋輪廓，添加必高程點(diǎn)，并將高程信息加入各自屬性表中高程點(diǎn)。

根據(jù)高程點(diǎn)和房屋高程數(shù)據(jù)創(chuàng)建tin，輸入數(shù)據(jù)分別為高程點(diǎn)和房屋的高程數(shù)據(jù)，并注意創(chuàng)建約束性Delaunay選項(xiàng)打鉤，創(chuàng)建出tin。

然后打開ArcScene，加載原圖，并將原圖屬性中的基本高度設(shè)置為使用上一步中的tin，調(diào)整好比例后效果如下圖。將數(shù)據(jù)保存為.sxd文件。

3 基于ArcGIS Engine的三維建模功能二次開發(fā)

ArcGIS Engine為嵌入式開發(fā)組件，是ArcGIS 系列產(chǎn)品中用于開發(fā)人員創(chuàng)建和自定義地圖應(yīng)用程序的GIS 組件的一個(gè)完整類庫。我們可使用 ArcGIS Engine 提供的3D Analyst類庫開發(fā) GIS 功能并嵌入到現(xiàn)有的應(yīng)用程序中，并可用3D Analyst組件和接口開發(fā)自定義的三維建模應(yīng)用程序。

我們在 Windows7操作系統(tǒng)下開發(fā)，以 Visual Studio2010為開發(fā)平臺，開發(fā)語言為C#，利用ArcGIS Engine接口類庫作為GIS 功能開發(fā)類庫。 C#是一種現(xiàn)代的面向?qū)ο蟮木幊陶Z言，更為靈活和富有邏輯的編程語言，它提高了開發(fā)人員的工作效率，同時(shí)也消除了在編程的過程中可能導(dǎo)致的嚴(yán)重錯(cuò)誤，保證了開發(fā)人員所需要的靈活性和強(qiáng)大性具體步驟為在Visual Studio 2010中創(chuàng)建一個(gè)C#“Windows應(yīng)用程序”，添加相關(guān)ArcGIS Engine的引用和控件，并將相關(guān)控件調(diào)整位置。

然后將相關(guān)控件設(shè)為伙伴控件，如將TOCControl，ToolBarControl與axSceneControl設(shè)置為伙伴控件。并在license控件屬性中將3D Analyst控件打鉤，使3D Aanalyst功能可用，并在ToolbarControl控件中加入相關(guān)功能，如圖層的放縮小，導(dǎo)航漫游，飛行，全圖等功能。最后綜合調(diào)整，加入上一步處理好的數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)三維建模功能。

4 結(jié)論

無人機(jī)可代替測繪人員進(jìn)入災(zāi)區(qū)，避免測繪人員面臨危險(xiǎn)，獲取災(zāi)區(qū)第一時(shí)間影像。并且無人機(jī)具有機(jī)動靈活、攜帶方便、安全且成本低廉、適宜高危地區(qū)勘探等特點(diǎn)，擁有廣闊的市場前景。

本文運(yùn)用Visual Studio 2010開發(fā)平臺，C#開發(fā)語言，ArcGIS Engine接口類庫作為GIS 功能開發(fā)類庫，以及ArcGIS軟件ArcMap，ArcCatalog和ArcSense開發(fā)基于無人機(jī)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)應(yīng)急救災(zāi)系統(tǒng)，開發(fā)出對無人機(jī)數(shù)據(jù)三維建模軟件，基本實(shí)現(xiàn)了預(yù)期的功能。該過程的研究實(shí)現(xiàn)了災(zāi)區(qū)影像預(yù)處理，基于ArcGIS Engine的編程實(shí)現(xiàn)三維建模，為快速抗震救災(zāi)和災(zāi)后重建提供了數(shù)據(jù)參考，具有一定的推廣性。

利用無人機(jī)所拍攝的圖像分辨率高這一特點(diǎn)，本文詳細(xì)介紹了利用無人機(jī)影像制作三維景觀模型的步驟，以2014年云（下轉(zhuǎn)第14頁）（上接第38頁）南魯?shù)榈卣馂槔谱髁说卣馂?zāi)區(qū)的三維景觀模型。實(shí)現(xiàn)了地震災(zāi)區(qū)三維景觀的多角度瀏覽、基本地理數(shù)據(jù)查詢及分析功能；通過通過數(shù)據(jù)的獲取和處理，以及系統(tǒng)的研制，為抗震救災(zāi)和災(zāi)后重建提供了準(zhǔn)確、詳細(xì)、可靠的決策支持信息。

【參考文獻(xiàn)】

[1]彭博.基于ArcGIS的三維地圖制作[J].科技信息，2014（11）.52.

[2]李軍.基于地震災(zāi)區(qū)無人機(jī)遙感的地形圖制作及三維重建技術(shù)研究[D].西南交通大學(xué)，2012.

[3]趙海龍.基于面向?qū)ο蟮母叻直鏌o人機(jī)影像災(zāi)害信息提取關(guān)鍵技術(shù)研究[D].電子科技大學(xué)，2012.

[4]錐燕飛.地質(zhì)災(zāi)害應(yīng)急地理信息數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)及其應(yīng)用[D].山東科技大學(xué)，2010.

[5]張紀(jì)滿，韓宇鵬，周振華，史云飛.基于二維圖形數(shù)據(jù)的三維模型重建[J].電子技術(shù)與軟件工程，2014（21）：122.

[6]ESRI公司. ArcGIS Engine開發(fā)指南[M].環(huán)境系統(tǒng)研究所公司（美國），2004：288-313.

[7]ESRI公司，ESRI中國（北京）有限公司.ArcGIS輕松入門教程-ArcGIS Engine[M].2008.

[責(zé)任編輯：鄧麗麗]