劉宇等

【摘 要】在大型地質(zhì)災(zāi)害中，能夠第一時(shí)間做出反應(yīng)，及時(shí)搶救人民的生命財(cái)產(chǎn)是非常重要的。無(wú)人機(jī)可以在第一時(shí)間獲取重災(zāi)區(qū)的信息， 獲取實(shí)時(shí)高清影像數(shù)據(jù)，利用ArcGIS Engine工具進(jìn)行GIS系統(tǒng)二次開(kāi)發(fā)，設(shè)計(jì)出能對(duì)災(zāi)區(qū)進(jìn)行三維建模功能以及最優(yōu)救災(zāi)路徑導(dǎo)航功能的軟件，最直觀地將災(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。使無(wú)人機(jī)數(shù)據(jù)和軟件實(shí)現(xiàn)更高效智能化的利用。

【關(guān)鍵詞】無(wú)人機(jī)；ArcGIS Engine；三維建模；路徑導(dǎo)航；應(yīng)急救災(zāi)

1 無(wú)人機(jī)應(yīng)急救援應(yīng)用

突發(fā)事件包括：地震、泥石流、森林火災(zāi)、特大交通事故等。當(dāng)這些事故發(fā)生時(shí)，救援人員往往無(wú)法及時(shí)趕到事故地點(diǎn)。而無(wú)人機(jī)具有在狹小空間和復(fù)雜環(huán)境下垂直起降和懸停的能力，能到達(dá)人們難以快速進(jìn)入的地區(qū)，獲得現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)時(shí)影像。無(wú)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。其快速反應(yīng)能力在突發(fā)事件緊急處理過(guò)程中發(fā)揮了巨大作用。

目前，常規(guī)的無(wú)人機(jī)影像的數(shù)據(jù)處理流程還不能完全適應(yīng)災(zāi)害應(yīng)急需求，缺少對(duì)無(wú)人機(jī)拍攝的災(zāi)情影像進(jìn)行快速處理的軟件。我們基于地理信息系統(tǒng)組件GIS功能，研發(fā)出一套適應(yīng)于無(wú)人機(jī)應(yīng)急搶險(xiǎn)的影像快速處理軟件，希望可以在一定程度上填補(bǔ)這個(gè)空缺，為政府對(duì)緊急事件快速處理提供技術(shù)支撐。

2 ArcGIS Engine是基于嵌入式GIS的二次開(kāi)發(fā)

ArcGIS Engine 是ArcGIS 系列產(chǎn)品中用于開(kāi)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(kù)。開(kāi)發(fā)人員可使用 ArcGIS Engine 提供的類庫(kù)開(kāi)發(fā) GIS 功能并嵌入到現(xiàn)有的應(yīng)用程序中，用戶可根據(jù)提供的組件和接口開(kāi)發(fā)自定義的高級(jí) GIS 應(yīng)用程序。我們?nèi)S建模，路徑分析功能分別利用其中的3DAnalyst，Network Analyst類庫(kù)。

我們的軟件開(kāi)發(fā)在Windows7操作系統(tǒng)下進(jìn)行，以 Visual Studio2010為開(kāi)發(fā)平臺(tái)，開(kāi)發(fā)語(yǔ)言為C#，利用ArcGIS Engine接口類庫(kù)作為GIS 功能開(kāi)發(fā)類庫(kù)。 C#是一種現(xiàn)代的面向?qū)ο蟮木幊陶Z(yǔ)言，是在 Visual Basic 和C++ 基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的更為靈活和富有邏輯的編程語(yǔ)言，具有C++ 強(qiáng)大的功能和VB簡(jiǎn)單的編碼特性，它提高了開(kāi)發(fā)人員的工作效率，同時(shí)也消除了在編程的過(guò)程中可能導(dǎo)致的嚴(yán)重錯(cuò)誤，保證了開(kāi)發(fā)人員所需要的靈活性和強(qiáng)大性。

我們選用2014年云南魯?shù)榈卣馂?zāi)區(qū)影像作為數(shù)據(jù)來(lái)源，使用Visual Studio2010開(kāi)發(fā)平臺(tái)，C#開(kāi)發(fā)語(yǔ)言，ArcGIS Engine接口類庫(kù)作為GIS 功能開(kāi)發(fā)類庫(kù)，分別實(shí)現(xiàn)了災(zāi)區(qū)三維建模，路徑分析功能。

3 三維建模功能實(shí)現(xiàn)

在無(wú)人機(jī)影像數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，對(duì)災(zāi)區(qū)進(jìn)行三維建模場(chǎng)景重現(xiàn)，制作地震災(zāi)區(qū)的三維景觀圖。并且結(jié)合ArcGIS Engine二次開(kāi)發(fā)出適用于無(wú)人機(jī)數(shù)據(jù)處理的軟件。實(shí)現(xiàn)了地震災(zāi)區(qū)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(zāi)區(qū)情況，方便對(duì)救援作出指揮和救援實(shí)現(xiàn)，并為災(zāi)后重建規(guī)劃提供了豐富詳實(shí)的信息。

3.1 無(wú)人機(jī)數(shù)據(jù)預(yù)處理

無(wú)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(jiàn)。為此，我們直接將拼接好的無(wú)人機(jī)影像作為底圖，對(duì)道路，房屋，山地輪廓在底圖上直接矢量化來(lái)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)信息。

對(duì)有陰影的建筑高程數(shù)據(jù)可以通過(guò)地面陰影的長(zhǎng)度和遙感時(shí)太陽(yáng)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(cè)量節(jié)約大量時(shí)間；特殊建筑物可用常規(guī)測(cè)量的方法進(jìn)行測(cè)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(mén)測(cè)繪儀器進(jìn)行外業(yè)測(cè)量確定。但根據(jù)陰影長(zhǎng)度和太陽(yáng)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(kāi)發(fā)

ArcGIS Engine的核心是ArcObjects組件庫(kù)，在本文的實(shí)驗(yàn)中三維建模功能的實(shí)現(xiàn)就是利用ArcObjects中的3D Analysis組件中的相關(guān)COM組件對(duì)象來(lái)實(shí)現(xiàn)的，圖形顯示，高度比例，三維導(dǎo)航與漫游等功能都是通過(guò)COM對(duì)象的外部接口來(lái)調(diào)用相關(guān)的屬性和方法來(lái)實(shí)現(xiàn)。

具體步驟為在Visual Studio2010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)整好。

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 路徑分析功能實(shí)現(xiàn)

路徑分析功能指根據(jù)事件發(fā)生情況，生成救援人員救援最佳路線。當(dāng)現(xiàn)場(chǎng)有被困人員，需要抓緊時(shí)間進(jìn)行營(yíng)救，可根據(jù)無(wú)人機(jī)影像數(shù)據(jù)生成救援人員最佳路線，或空投最佳地點(diǎn)，以及救到人后如何返回的路線。使用ArcGIS Engine二次開(kāi)發(fā)軟件實(shí)現(xiàn)。

4.1 數(shù)據(jù)預(yù)處理——網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)集的創(chuàng)建

用于網(wǎng)絡(luò)分析功能的數(shù)據(jù)源有兩類：幾何網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)和網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)集。此次用于研究的數(shù)據(jù)是網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)集。網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)集非常適合于構(gòu)建交通網(wǎng)絡(luò)。它包含了簡(jiǎn)單的要素（點(diǎn)和線）和轉(zhuǎn)彎要素，而且存儲(chǔ)了源要素的連通性。除此之外，網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)集包含有各種阻抗值，對(duì)于路徑分析，尤其是針對(duì)不同環(huán)境條件下遇到的情況不同，所求的最佳路徑對(duì)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(kāi)發(fā)

本文的實(shí)驗(yàn)中最短路徑分析功能的實(shí)現(xiàn)就是利用ArcGIS Engine中的Network Analysis組件中的相關(guān)COM組件對(duì)象來(lái)實(shí)現(xiàn)的，從網(wǎng)絡(luò)拓?fù)潢P(guān)系的創(chuàng)建、最短路徑分析、分析結(jié)果的圖形顯示都是通過(guò)COM對(duì)象的外部接口來(lái)調(diào)用相關(guān)的屬性和方法來(lái)實(shí)現(xiàn)的。

通過(guò)上文數(shù)據(jù)的分析和研究，初步實(shí)現(xiàn)了基于嵌入式模式下的災(zāi)區(qū)應(yīng)急救災(zāi)道路系統(tǒng)最短路徑分析功能。用戶通過(guò)最短路徑分析功能模塊，使用鼠標(biāo)單擊地圖來(lái)指定行進(jìn)的起始和目標(biāo)位置，就可以獲得滿足一定的權(quán)重條件下的最佳路徑。同時(shí)，災(zāi)害地區(qū)道路易遭受損毀，導(dǎo)致該路段無(wú)法通行，此時(shí)我們的系統(tǒng)可以設(shè)置阻礙點(diǎn)，生成另一條路徑。

5 結(jié)論

無(wú)人機(jī)可以到達(dá)測(cè)繪人員所到達(dá)不了的危險(xiǎn)地帶，有效的保障了測(cè)繪人員的生命安全。且無(wú)人機(jī)具有攜帶方便、無(wú)需起降專用跑道、成本低廉等特點(diǎn)，而得到的圖像分辨率高，有效得填補(bǔ)了現(xiàn)有遙感的空缺。可以有效得避開(kāi)云層和天氣干擾，靈活機(jī)動(dòng)，快速得到災(zāi)害地區(qū)的高分遙感影像。

【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(wú)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.

[責(zé)任編輯：鄧麗麗]