基于ArcGIS Engine的地震災區無人機影像三維建模軟件開發

劉 宇 黃亮亮 陳 怡 張 琳 趙丹妮

（中國地質大學〈北京〉信息工程學院，中國 北京 100083）

近年來地震頻發，震級較大的地震對災區造成了嚴重的破壞，因此地震發生時應急救援顯得相當重要。當這些事故突然發生時，救援人員往往無法或不方便及時到達事故現場。因為其特有的優勢，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，其快速的反應能力在突發事件應急處置工作過程中，發揮了巨大的作用。

無人機可以進入測繪人員不能夠到達的危險地帶,有效的保障測繪人員的人生安全;并且無人機機動靈活，攜帶方便，起飛不需要專門跑道，可以高危地區勘測，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。與載人飛機航空遙感和衛星遙感相比，無人機影像成本更低，時效性更好，影像獲取更簡單，分辨率更高；與測繪人員直接施測相比，無人機遙感測速更快，效率更高。

通過對無人機遙感影像的處理,得到了地震災區的地形和地貌數據,可以從處理后的無人機遙感影像中得到災區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間的地震災區的信息以便更好的部署抗震救災。在地震后對示范區進行三維景觀系統的建立,可以對災區的三維景觀再現,可以為災后重建提供基礎數據,可以模擬地質次生災害為災后重建的規劃提供決策信息,可以查詢信息為開發旅游提供導向信息。

在救災過程中，時間就是生命,如果我們的應急測繪服務能在最短的時間內提供為指揮應急救援服務的工具,我們的工作換來的就是更多的生命和國家財產安全。

1 三維建模技術

早期的三維建模是隨著“數字地球”，“數字城市”的提出以及發展而相應產生的。目前實現三維建模的方式可以歸納為兩種：一種是，基于程序設計的直接建模方式；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。基于程序設計的建模技術通常采用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、數據庫、網絡技術、人工智能等技術之后，推出的能夠代表GIS的最高的技術水平的地理信息系統產品。ArcScene是一個同時基于OpenGL以及TIN數據顯示功能的模塊，其適用于展示三維場景的制作顯示，并且實現對在三維場景的漫游鷹眼，可以對三維矢量格式數據與柵格數據進行交互。ArcScene中的場景表現為平面投影，并且適用于小范圍內的精細場景的表現。

2 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年云南魯甸災區影像。

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。

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

根據高程點和房屋高程數據創建tin，輸入數據分別為高程點和房屋的高程數據，并注意創建約束性Delaunay選項打鉤，創建出tin。

然后打開ArcScene，加載原圖，并將原圖屬性中的基本高度設置為使用上一步中的tin,調整好比例后效果如下圖。將數據保存為.sxd文件。

3 基于ArcGIS Engine的三維建模功能二次開發

ArcGIS Engine為嵌入式開發組件，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。我們可使用ArcGIS Engine提供的3D Analyst類庫開發 GIS功能并嵌入到現有的應用程序中，并可用3D Analyst組件和接口開發自定義的三維建模應用程序。

我們在Windows7操作系統下開發，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，更為靈活和富有邏輯的編程語言，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具體步驟為在Visual Studio 2010中創建一個C#“Windows應用程序”，添加相關ArcGIS Engine的引用和控件，并將相關控件調整位置。

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 結論

無人機可代替測繪人員進入災區，避免測繪人員面臨危險，獲取災區第一時間影像。并且無人機具有機動靈活、攜帶方便、安全且成本低廉、適宜高危地區勘探等特點，擁有廣闊的市場前景。

本文運用Visual Studio 2010開發平臺，C#開發語言，ArcGIS Engine接口類庫作為GIS功能開發類庫，以及ArcGIS軟件ArcMap,ArcCatalog和ArcSense開發基于無人機實時數據應急救災系統，開發出對無人機數據三維建模軟件，基本實現了預期的功能。該過程的研究實現了災區影像預處理，基于ArcGIS Engine的編程實現三維建模，為快速抗震救災和災后重建提供了數據參考，具有一定的推廣性。

利用無人機所拍攝的圖像分辨率高這一特點，本文詳細介紹了利用無人機影像制作三維景觀模型的步驟，以2014年云南魯甸地震為例，制作了地震災區的三維景觀模型。實現了地震災區三維景觀的多角度瀏覽、基本地理數據查詢及分析功能；通過通過數據的獲取和處理，以及系統的研制，為抗震救災和災后重建提供了準確、詳細、可靠的決策支持信息。

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