基于无人机实时航拍数据的突发事件应急救援系统开发

刘宇等

【摘 要】在大型地质灾害中，能够第一时间做出反应，及时抢救人民的生命财产是非常重要的。无人机可以在第一时间获取重灾区的信息， 获取实时高清影像数据，利用ArcGIS Engine工具进行GIS系统二次开发，设计出能对灾区进行三维建模功能以及最优救灾路径导航功能的软件，最直观地将灾情呈现在应急救灾指挥员面前，方便他们快速制定正确的救灾方案。使无人机数据和软件实现更高效智能化的利用。

【关键词】无人机；ArcGIS Engine；三维建模；路径导航；应急救灾

1 无人机应急救援应用

突发事件包括：地震、泥石流、森林火灾、特大交通事故等。当这些事故发生时，救援人员往往无法及时赶到事故地点。而无人机具有在狭小空间和复杂环境下垂直起降和悬停的能力，能到达人们难以快速进入的地区，获得现场的实时影像。无人机在2008年汶川大地震，2013年雅安地震，2014年云南鲁甸地震等救灾工作中都有应用。其快速反应能力在突发事件紧急处理过程中发挥了巨大作用。

目前，常规的无人机影像的数据处理流程还不能完全适应灾害应急需求，缺少对无人机拍摄的灾情影像进行快速处理的软件。我们基于地理信息系统组件GIS功能，研发出一套适应于无人机应急抢险的影像快速处理软件，希望可以在一定程度上填补这个空缺，为政府对紧急事件快速处理提供技术支撑。

2 ArcGIS Engine是基于嵌入式GIS的二次开发

ArcGIS Engine 是ArcGIS 系列产品中用于开发人员创建和自定义地图应用程序的GIS 组件的一个完整类库。开发人员可使用 ArcGIS Engine 提供的类库开发 GIS 功能并嵌入到现有的应用程序中，用户可根据提供的组件和接口开发自定义的高级 GIS 应用程序。我们三维建模，路径分析功能分别利用其中的3DAnalyst，Network Analyst类库。

我们的软件开发在Windows7操作系统下进行，以 Visual Studio2010为开发平台，开发语言为C#，利用ArcGIS Engine接口类库作为GIS 功能开发类库。 C#是一种现代的面向对象的编程语言，是在 Visual Basic 和C++ 基础上发展起来的更为灵活和富有逻辑的编程语言，具有C++ 强大的功能和VB简单的编码特性，它提高了开发人员的工作效率，同时也消除了在编程的过程中可能导致的严重错误，保证了开发人员所需要的灵活性和强大性。

我们选用2014年云南鲁甸地震灾区影像作为数据来源，使用Visual Studio2010开发平台，C#开发语言，ArcGIS Engine接口类库作为GIS 功能开发类库，分别实现了灾区三维建模，路径分析功能。

3 三维建模功能实现

在无人机影像数据基础上，对灾区进行三维建模场景重现，制作地震灾区的三维景观图。并且结合ArcGIS Engine二次开发出适用于无人机数据处理的软件。实现了地震灾区三维景观的浏览、查询功能，使指挥人员救援人员更方便直观了解灾区情况，方便对救援作出指挥和救援实现，并为灾后重建规划提供了丰富详实的信息。

3.1 无人机数据预处理

无人机图像具有分辨率高的特性，地物的轮廓完全清晰可见。为此，我们直接将拼接好的无人机影像作为底图，对道路，房屋，山地轮廓在底图上直接矢量化来确定地物的几何形状，所选数据为2014年云南鲁甸灾区信息。

对有阴影的建筑高程数据可以通过地面阴影的长度和遥感时太阳高度角计算建筑的高度信息，这种方法计算的高度精度不高，但是可以省去外业测量节约大量时间；特殊建筑物可用常规测量的方法进行测量；如果条件不充分以及精度要求高时，高度信息需用专门测绘仪器进行外业测量确定。但根据阴影长度和太阳高度角估算高程的方法是可以满足大部分精度要求不高情况的。

3.2 基于ArcGIS Engine的三维建模功能二次开发

ArcGIS Engine的核心是ArcObjects组件库，在本文的实验中三维建模功能的实现就是利用ArcObjects中的3D Analysis组件中的相关COM组件对象来实现的，图形显示，高度比例，三维导航与漫游等功能都是通过COM对象的外部接口来调用相关的属性和方法来实现。

具体步骤为在Visual Studio2010中创建一个C#“Windows应用程序”，添加相关ArcGIS Engine的引用和控件，并将相关控件调整好。

然后将相关控件设为伙伴控件，如将TOCControl，ToolBarControl与axSceneControl设置为伙伴控件。并在license控件属性中将3D Analyst控件打钩，使3D Aanalyst功能可用，并在ToolbarControl控件中加入相关功能，如图层的放缩小，导航漫游，飞行，全图等功能。最后综合调整，加入上一步处理好的数据，实现三维建模功能。

4 路径分析功能实现

路径分析功能指根据事件发生情况，生成救援人员救援最佳路线。当现场有被困人员，需要抓紧时间进行营救，可根据无人机影像数据生成救援人员最佳路线，或空投最佳地点，以及救到人后如何返回的路线。使用ArcGIS Engine二次开发软件实现。

4.1 数据预处理——网络数据集的创建

用于网络分析功能的数据源有两类：几何网络数据和网络数据集。此次用于研究的数据是网络数据集。网络数据集非常适合于构建交通网络。它包含了简单的要素（点和线）和转弯要素，而且存储了源要素的连通性。除此之外，网络数据集包含有各种阻抗值，对于路径分析，尤其是针对不同环境条件下遇到的情况不同，所求的最佳路径对不同的特殊情形具有较好的分析能力。

4.2 基于ArcGIS Engine的路径分析功能二次开发

本文的实验中最短路径分析功能的实现就是利用ArcGIS Engine中的Network Analysis组件中的相关COM组件对象来实现的，从网络拓扑关系的创建、最短路径分析、分析结果的图形显示都是通过COM对象的外部接口来调用相关的属性和方法来实现的。

通过上文数据的分析和研究，初步实现了基于嵌入式模式下的灾区应急救灾道路系统最短路径分析功能。用户通过最短路径分析功能模块，使用鼠标单击地图来指定行进的起始和目标位置，就可以获得满足一定的权重条件下的最佳路径。同时，灾害地区道路易遭受损毁，导致该路段无法通行，此时我们的系统可以设置阻碍点，生成另一条路径。

5 结论

无人机可以到达测绘人员所到达不了的危险地带，有效的保障了测绘人员的生命安全。且无人机具有携带方便、无需起降专用跑道、成本低廉等特点，而得到的图像分辨率高，有效得填补了现有遥感的空缺。可以有效得避开云层和天气干扰，灵活机动，快速得到灾害地区的高分遥感影像。

【参考文献】

[1]彭博.基于ArcGIS的三维地图制作[J].科技信息，2014（11）：52.

[2]李军.基于地震灾区无人机遥感的地形图制作及三维重建技术研究[D].西南交通大学，2012.

[责任编辑：邓丽丽]