基于無人機實時航拍數據的突發事件應急救援系統開發

劉宇等

【摘 要】在大型地質災害中，能夠第一時間做出反應，及時搶救人民的生命財產是非常重要的。無人機可以在第一時間獲取重災區的信息， 獲取實時高清影像數據，利用ArcGIS Engine工具進行GIS系統二次開發，設計出能對災區進行三維建模功能以及最優救災路徑導航功能的軟件，最直觀地將災情呈現在應急救災指揮員面前，方便他們快速制定正確的救災方案。使無人機數據和軟件實現更高效智能化的利用。

【關鍵詞】無人機；ArcGIS Engine；三維建模；路徑導航；應急救災

1 無人機應急救援應用

突發事件包括：地震、泥石流、森林火災、特大交通事故等。當這些事故發生時，救援人員往往無法及時趕到事故地點。而無人機具有在狹小空間和復雜環境下垂直起降和懸停的能力，能到達人們難以快速進入的地區，獲得現場的實時影像。無人機在2008年汶川大地震，2013年雅安地震，2014年云南魯甸地震等救災工作中都有應用。其快速反應能力在突發事件緊急處理過程中發揮了巨大作用。

目前，常規的無人機影像的數據處理流程還不能完全適應災害應急需求，缺少對無人機拍攝的災情影像進行快速處理的軟件。我們基于地理信息系統組件GIS功能，研發出一套適應于無人機應急搶險的影像快速處理軟件，希望可以在一定程度上填補這個空缺，為政府對緊急事件快速處理提供技術支撐。

2 ArcGIS Engine是基于嵌入式GIS的二次開發

ArcGIS Engine 是ArcGIS 系列產品中用于開發人員創建和自定義地圖應用程序的GIS 組件的一個完整類庫。開發人員可使用 ArcGIS Engine 提供的類庫開發 GIS 功能并嵌入到現有的應用程序中，用戶可根據提供的組件和接口開發自定義的高級 GIS 應用程序。我們三維建模，路徑分析功能分別利用其中的3DAnalyst，Network Analyst類庫。

我們的軟件開發在Windows7操作系統下進行，以 Visual Studio2010為開發平臺，開發語言為C#，利用ArcGIS Engine接口類庫作為GIS 功能開發類庫。 C#是一種現代的面向對象的編程語言，是在 Visual Basic 和C++ 基礎上發展起來的更為靈活和富有邏輯的編程語言，具有C++ 強大的功能和VB簡單的編碼特性，它提高了開發人員的工作效率，同時也消除了在編程的過程中可能導致的嚴重錯誤，保證了開發人員所需要的靈活性和強大性。

我們選用2014年云南魯甸地震災區影像作為數據來源，使用Visual Studio2010開發平臺，C#開發語言，ArcGIS Engine接口類庫作為GIS 功能開發類庫，分別實現了災區三維建模，路徑分析功能。

3 三維建模功能實現

在無人機影像數據基礎上，對災區進行三維建模場景重現，制作地震災區的三維景觀圖。并且結合ArcGIS Engine二次開發出適用于無人機數據處理的軟件。實現了地震災區三維景觀的瀏覽、查詢功能，使指揮人員救援人員更方便直觀了解災區情況，方便對救援作出指揮和救援實現，并為災后重建規劃提供了豐富詳實的信息。

3.1 無人機數據預處理

無人機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，所選數據為2014年云南魯甸災區信息。

對有陰影的建筑高程數據可以通過地面陰影的長度和遙感時太陽高度角計算建筑的高度信息，這種方法計算的高度精度不高，但是可以省去外業測量節約大量時間；特殊建筑物可用常規測量的方法進行測量；如果條件不充分以及精度要求高時，高度信息需用專門測繪儀器進行外業測量確定。但根據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。

3.2 基于ArcGIS Engine的三維建模功能二次開發

ArcGIS Engine的核心是ArcObjects組件庫，在本文的實驗中三維建模功能的實現就是利用ArcObjects中的3D Analysis組件中的相關COM組件對象來實現的，圖形顯示，高度比例，三維導航與漫游等功能都是通過COM對象的外部接口來調用相關的屬性和方法來實現。

具體步驟為在Visual Studio2010中創建一個C#“Windows應用程序”，添加相關ArcGIS Engine的引用和控件，并將相關控件調整好。

然后將相關控件設為伙伴控件，如將TOCControl，ToolBarControl與axSceneControl設置為伙伴控件。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控件中加入相關功能，如圖層的放縮小，導航漫游，飛行，全圖等功能。最后綜合調整，加入上一步處理好的數據，實現三維建模功能。

4 路徑分析功能實現

路徑分析功能指根據事件發生情況，生成救援人員救援最佳路線。當現場有被困人員，需要抓緊時間進行營救，可根據無人機影像數據生成救援人員最佳路線，或空投最佳地點，以及救到人后如何返回的路線。使用ArcGIS Engine二次開發軟件實現。

4.1 數據預處理——網絡數據集的創建

用于網絡分析功能的數據源有兩類：幾何網絡數據和網絡數據集。此次用于研究的數據是網絡數據集。網絡數據集非常適合于構建交通網絡。它包含了簡單的要素（點和線）和轉彎要素，而且存儲了源要素的連通性。除此之外，網絡數據集包含有各種阻抗值，對于路徑分析，尤其是針對不同環境條件下遇到的情況不同，所求的最佳路徑對不同的特殊情形具有較好的分析能力。

4.2 基于ArcGIS Engine的路徑分析功能二次開發

本文的實驗中最短路徑分析功能的實現就是利用ArcGIS Engine中的Network Analysis組件中的相關COM組件對象來實現的，從網絡拓撲關系的創建、最短路徑分析、分析結果的圖形顯示都是通過COM對象的外部接口來調用相關的屬性和方法來實現的。

通過上文數據的分析和研究，初步實現了基于嵌入式模式下的災區應急救災道路系統最短路徑分析功能。用戶通過最短路徑分析功能模塊，使用鼠標單擊地圖來指定行進的起始和目標位置，就可以獲得滿足一定的權重條件下的最佳路徑。同時，災害地區道路易遭受損毀，導致該路段無法通行，此時我們的系統可以設置阻礙點，生成另一條路徑。

5 結論

無人機可以到達測繪人員所到達不了的危險地帶，有效的保障了測繪人員的生命安全。且無人機具有攜帶方便、無需起降專用跑道、成本低廉等特點，而得到的圖像分辨率高，有效得填補了現有遙感的空缺。可以有效得避開云層和天氣干擾，靈活機動，快速得到災害地區的高分遙感影像。

【參考文獻】

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

[2]李軍.基于地震災區無人機遙感的地形圖制作及三維重建技術研究[D].西南交通大學，2012.

[責任編輯：鄧麗麗]