無人機影像高程信息ArcGIS提取技術*

李新坤 李元松 余再富 戴 哲 王 玉

（武漢工程大學土木工程與建筑學院）

為貫徹落實“西部大開發(fā)”和“一帶一路”的戰(zhàn)略部署，各地區(qū)的基礎設施得到快速發(fā)展，而在建設過程中會遇到地形復雜、地質病害多的山嶺區(qū)及丘陵區(qū)，早期的人工測量無法到達。因此，利用無人機技術開展地質調查工作成為一個新的發(fā)展方向。

目前，無人機技術在地質調查中的應用已經非常普遍，在電子信息化、數字化、實際測量和地形圖測繪中有了越來越廣泛的應用［1］。相對于傳統(tǒng)的人工野外測量，無人機與GIS的結合會使測量工作效率更高，投入的成本也會更低［2］。ArcGIS具有創(chuàng)建和使用地圖，編輯和管理地理數據，分析、共享和顯示地理信息等功能，操作比較簡單，可以通過人機結合的方式對研究區(qū)高程值進行提取，為后期的地形圖制作提供了重要基礎［3］。在獲得拍攝區(qū)域的高精度影像之后，可以根據所拍攝的航片通過Smart 3D（CC）、Pix4D、Photoscan 等相關無人機圖像處理軟件，獲得數字正射影像（DOM）、數字高程模型（DEM）。生成等高線時，需要在.Net平臺下結合ArcEngine，開發(fā)基于等高線數據自動提取地形特征系統(tǒng)［4］。

對于研究區(qū)高程值的提取，需要無人機拍攝的航片經過處理之后，得到帶有高程數據的底圖作為基礎數據。常用的DEM（數字高程模型）是通過有限的地形高程數據，實現(xiàn)對地面地形的數字化模擬，只包含了地形的高程信息，而DSM（數字地表模型）具有豐富的建筑物高程信息，可以將高精度的DSM 數據與現(xiàn)有的基礎地理信息數據相結合，進而獲取建筑物的精確高程信息［5］。利用ArcGIS 的值提取至點的功能，提取數字地表模型的相關點的高程值，再結合南方CASS 軟件［6］，利用所得到各個點的高程值繪制出等高線［7］，最后可以得到目標區(qū)域帶有坐標信息與高程值信息的點以及該區(qū)域的等高線。本研究以桂林至柳州高速公路改擴建項目為研究區(qū)，將該區(qū)域的無人機圖像與GIS軟件結合，提取拍攝區(qū)域的高程信息。

1 操作流程

該項目為桂林至柳州高速公路改擴建項目，以其中某一段為研究區(qū)對其高程值進行提取分析，利用ArcGIS 的值提取至點功能，對處理過后的DSM 數據進行提取分析并計算出高程點的坐標X值、Y值，最后導入CASS生成等高線，操作流程如圖1所示。

2 高程值提取

DSM（數字地表模型）是指包含了地表建筑物、橋梁和樹木等高度的地面高程模型。而傳統(tǒng)的DEM（數字高程模型）只包含了地形的高程信息，沒有包含其他地表信息，DSM 是在DEM 的基礎上進一步涵蓋了除地面以外的其他地表信息的高程。因此在提取拍攝區(qū)域的高程點信息時，以DSM 為基礎對拍攝區(qū)域的高程值進行提取。

提取過程如下。

（1）首先將處理得到的DSM 數據加載到ArcMap中，DSM 數據為柵格數據，文件后綴名為tif。如圖2所示。

（2）由arctoolbox→3d Analyst 工具→轉換→由柵格轉出→柵格轉多點功能，在彈出對話框之后，依次輸入柵格，輸出要素類，在輸入柵格里面直接輸入原始高程數據DSM，輸出要素類新建一個gaochengdian文件，注意文件后綴名為shp 格式，開始進行取點。取點結果如圖3所示。

在打開屬性表后發(fā)現(xiàn)，其屬性為多點，并且沒有出現(xiàn)顯示高程值的字段，如圖4所示。

（3）此時，需要把所有的多點屬性轉成點屬性，因為在后面的點數據中添加高程值需要的是點屬性，而不是多點屬性。具體操作：打開arctoolbox→數據管理工具→要素→要素轉點功能，在彈出的對話框中，輸入要素選擇之前生成的gaochengdian.shp 數據，輸出要素類新建一個DEMgaochengdian.shp 數據，確定之后開始進行處理，處理完成之后再次查看屬性表，可以發(fā)現(xiàn)，屬性變成了點屬性。如圖5所示。

（4）最后將高程值添加到點數據中打開arctoolbox→Spatial Analyst→提取分析→值提取至點功能。在彈出的對話框中，輸入點要素為DEMgaochengdian.shp，輸入柵格為基礎數據DSM.tif，輸入點要素時新建一個GCD.shp，也就是最后提取的高程值，然后開始進行運算，運算完成后所生成的數據會自動加載到ArcMap 中，打開GCD.shp 的屬性表，可以發(fā)現(xiàn)RASTERVALU 所對應的這一列就是通過DSM 數據提取出來的對應點的高程值，如圖6所示。

3 等高線繪制

在提取DSM 數據的相關點的高程值之后，為了更直觀地研究該區(qū)域的地形特征，此時需要利用相關的高程值來繪制等高線，這里采用南方CASS9.0進行等高線的繪制，南方CASS9.0是較廣泛應用的數字化成圖軟件，數字化成圖是將地面模型以數字形式表示，由計算機處理后，通過人為操作形成一幅數字化地形圖。

首先將DSM 數據作進一步的處理，通過南方CASS 繪制等高線時除了所需要的高程值之外，還需要每個點所對應的坐標信息，通過GIS里的相關工具來實現(xiàn)。

（1）打開ArcToolbox→數據管理工具→要素→添加XY 坐標，可以得到每個高程點的坐標信息，如圖7所示。生成坐標信息之后，利用ArcGIS 的相關工具將高程值信息數據轉換成Excel表格。

（2）打開ArcToolbox→轉換工具→Excel→表轉Excel，可以得到所提取的高程信息表。隨后通過人為的方式只保留高程點的編號、Y值、X值、H（高程）值，將修改后的數據另存為CSV 格式，然后將文件的后綴名csv 修改為dat，最后得到帶有高程信息的dat 數據，以文本文檔方式打開該數據，按照南方CASS 繪制等高線的要求修改數據格式并保存，如圖8 所示。

（3）最后打開南方CASS9.0 軟件，選擇菜單欄→建立DTM，在彈出的對話框里選擇之前保存的dat 文件，設置好之后單擊確定，建立好三角網，隨后選擇繪制等高線，將參數設置好之后刪除三角網保留所繪制的等高線，如圖9。

4 結語

通過ArcGIS軟件對無人機圖像形成的DSM高程數據的提取可以發(fā)現(xiàn)，無人機航測和傳統(tǒng)的人工測量具有明顯的優(yōu)勢，其低成本、高分辨率和高機動性是傳統(tǒng)人工測量無法比擬的，提高了整體測量過程的安全性，對于一些地勢險要的地方或現(xiàn)場人員無法到達的地方都可以通過無人機來實現(xiàn)，工作效率也得到了極大的提高，并且結合所生成的DOM圖，以及后期處理所得到的高程值、通過高程信息與坐標信息結合，利用南方CASS 生成的等高線地形圖，可以更直觀的去研究整個拍攝區(qū)域的地形地貌特征，無人機技術的發(fā)展與ArcGIS 技術的結合對于地質領域的應用將會越來越廣泛。