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

劉 宇 黃亮亮 陳 怡 張 琳 趙丹妮

（中國(guó)地質(zhì)大學(xué)〈北京〉信息工程學(xué)院，中國(guó) 北京 100083）

近年來地震頻發(fā)，震級(jí)較大的地震對(duì)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(chǎng)。因?yàn)槠涮赜械膬?yōu)勢(shì)，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(cè)繪人員不能夠到達(dá)的危險(xiǎn)地帶,有效的保障測(cè)繪人員的人生安全;并且無人機(jī)機(jī)動(dòng)靈活，攜帶方便，起飛不需要專門跑道，可以高危地區(qū)勘測(cè)，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(jiǎn)單，分辨率更高；與測(cè)繪人員直接施測(cè)相比，無人機(jī)遙感測(cè)速更快，效率更高。

通過對(duì)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(duì)示范區(qū)進(jìn)行三維景觀系統(tǒng)的建立,可以對(duì)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(cè)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(guó)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?；诔绦蛟O(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(kù)、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(chǎng)景的制作顯示，并且實(shí)現(xiàn)對(duì)在三維場(chǎng)景的漫游鷹眼，可以對(duì)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(chǎng)景表現(xiàn)為平面投影，并且適用于小范圍內(nèi)的精細(xì)場(chǎng)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(duì)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(duì)有陰影的建筑高程數(shù)據(jù)可以通過地面陰影的長(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。

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(kù)。我們可使用ArcGIS Engine提供的3D Analyst類庫(kù)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?cè)赪indows7操作系統(tǒng)下開發(fā)，以Visual Studio2010為開發(fā)平臺(tái)，開發(fā)語(yǔ)言為C#，利用ArcGIS Engine接口類庫(kù)作為GIS功能開發(fā)類庫(kù)。 C#是一種現(xiàn)代的面向?qū)ο蟮木幊陶Z(yǔ)言，更為靈活和富有邏輯的編程語(yǔ)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(cè)繪人員進(jìn)入災(zāi)區(qū)，避免測(cè)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(dòng)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(chǎng)前景。

本文運(yùn)用Visual Studio 2010開發(fā)平臺(tái)，C#開發(fā)語(yǔ)言，ArcGIS Engine接口類庫(kù)作為GIS功能開發(fā)類庫(kù)，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(duì)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年云南魯?shù)榈卣馂槔?，制作了地震?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。

［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(kù)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(guó)),2004:288-313.

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