基于無人機(jī)實(shí)時航拍數(shù)據(jù)的突發(fā)事件應(yīng)急救援系統(tǒng)開發(fā)

劉宇等

【摘 要】在大型地質(zhì)災(zāi)害中，能夠第一時間做出反應(yīng)，及時搶救人民的生命財(cái)產(chǎn)是非常重要的。無人機(jī)可以在第一時間獲取重災(zāi)區(qū)的信息， 獲取實(shí)時高清影像數(shù)據(jù)，利用ArcGIS Engine工具進(jìn)行GIS系統(tǒng)二次開發(fā)，設(shè)計(jì)出能對災(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】無人機(jī)；ArcGIS Engine；三維建模；路徑導(dǎo)航；應(yīng)急救災(zāi)

1 無人機(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，救援人員往往無法及時趕到事故地點(diǎn)。而無人機(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)場的實(shí)時影像。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。其快速反應(yīng)能力在突發(fā)事件緊急處理過程中發(fā)揮了巨大作用。

目前，常規(guī)的無人機(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，缺少對無人機(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)于無人機(jī)應(yīng)急搶險的影像快速處理軟件，希望可以在一定程度上填補(bǔ)這個空缺，為政府對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的二次開發(fā)

ArcGIS Engine 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 組件的一個完整類庫。開發(fā)人員可使用 ArcGIS Engine 提供的類庫開發(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發(fā)自定義的高級 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。

我們的軟件開發(fā)在Windows7操作系統(tǒng)下進(jìn)行，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，是在 Visual Basic 和C++ 基礎(chǔ)上發(fā)展起來的更為靈活和富有邏輯的編程語言，具有C++ 強(qiáng)大的功能和VB簡單的編碼特性，它提高了開發(fā)人員的工作效率，同時也消除了在編程的過程中可能導(dǎo)致的嚴(yán)重錯誤，保證了開發(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)來源，使用Visual Studio2010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，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)

在無人機(jī)影像數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，對災(zāi)區(qū)進(jìn)行三維建模場景重現(xiàn)，制作地震災(zāi)區(qū)的三維景觀圖。并且結(jié)合ArcGIS Engine二次開發(fā)出適用于無人機(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)信息。

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，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。

3.2 基于ArcGIS Engine的三維建模功能二次開發(fā)

ArcGIS Engine的核心是ArcObjects組件庫，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組件對象來實(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COM對象的外部接口來調(diào)用相關(guān)的屬性和方法來實(shí)現(xiàn)。

具體步驟為在Visual Studio2010中創(chuàng)建一個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)場有被困人員，需要抓緊時間進(jìn)行營救，可根據(jù)無人機(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)。它包含了簡單的要素（點(diǎn)和線）和轉(zhuǎn)彎要素，而且存儲了源要素的連通性。除此之外，網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)集包含有各種阻抗值，對于路徑分析，尤其是針對不同環(huán)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(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組件對象來實(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COM對象的外部接口來調(diào)用相關(guān)的屬性和方法來實(shí)現(xiàn)的。

通過上文數(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。用戶通過最短路徑分析功能模塊，使用鼠標(biāo)單擊地圖來指定行進(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，災(zāi)害地區(qū)道路易遭受損毀，導(dǎo)致該路段無法通行，此時我們的系統(tǒng)可以設(shè)置阻礙點(diǎn)，生成另一條路徑。

5 結(jié)論

無人機(jī)可以到達(dá)測繪人員所到達(dá)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(jī)具有攜帶方便、無需起降專用跑道、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?？梢杂行У帽荛_云層和天氣干擾，靈活機(jī)動，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]