无人机影像高程信息ArcGIS提取技术*

李新坤 李元松 余再富 戴 哲 王 玉

（武汉工程大学土木工程与建筑学院）

为贯彻落实“西部大开发”和“一带一路”的战略部署，各地区的基础设施得到快速发展，而在建设过程中会遇到地形复杂、地质病害多的山岭区及丘陵区，早期的人工测量无法到达。因此，利用无人机技术开展地质调查工作成为一个新的发展方向。

目前，无人机技术在地质调查中的应用已经非常普遍，在电子信息化、数字化、实际测量和地形图测绘中有了越来越广泛的应用［1］。相对于传统的人工野外测量，无人机与GIS的结合会使测量工作效率更高，投入的成本也会更低［2］。ArcGIS具有创建和使用地图，编辑和管理地理数据，分析、共享和显示地理信息等功能，操作比较简单，可以通过人机结合的方式对研究区高程值进行提取，为后期的地形图制作提供了重要基础［3］。在获得拍摄区域的高精度影像之后，可以根据所拍摄的航片通过Smart 3D（CC）、Pix4D、Photoscan 等相关无人机图像处理软件，获得数字正射影像（DOM）、数字高程模型（DEM）。生成等高线时，需要在.Net平台下结合ArcEngine，开发基于等高线数据自动提取地形特征系统［4］。

对于研究区高程值的提取，需要无人机拍摄的航片经过处理之后，得到带有高程数据的底图作为基础数据。常用的DEM（数字高程模型）是通过有限的地形高程数据，实现对地面地形的数字化模拟，只包含了地形的高程信息，而DSM（数字地表模型）具有丰富的建筑物高程信息，可以将高精度的DSM 数据与现有的基础地理信息数据相结合，进而获取建筑物的精确高程信息［5］。利用ArcGIS 的值提取至点的功能，提取数字地表模型的相关点的高程值，再结合南方CASS 软件［6］，利用所得到各个点的高程值绘制出等高线［7］，最后可以得到目标区域带有坐标信息与高程值信息的点以及该区域的等高线。本研究以桂林至柳州高速公路改扩建项目为研究区，将该区域的无人机图像与GIS软件结合，提取拍摄区域的高程信息。

1 操作流程

该项目为桂林至柳州高速公路改扩建项目，以其中某一段为研究区对其高程值进行提取分析，利用ArcGIS 的值提取至点功能，对处理过后的DSM 数据进行提取分析并计算出高程点的坐标X值、Y值，最后导入CASS生成等高线，操作流程如图1所示。

2 高程值提取

DSM（数字地表模型）是指包含了地表建筑物、桥梁和树木等高度的地面高程模型。而传统的DEM（数字高程模型）只包含了地形的高程信息，没有包含其他地表信息，DSM 是在DEM 的基础上进一步涵盖了除地面以外的其他地表信息的高程。因此在提取拍摄区域的高程点信息时，以DSM 为基础对拍摄区域的高程值进行提取。

提取过程如下。

（1）首先将处理得到的DSM 数据加载到ArcMap中，DSM 数据为栅格数据，文件后缀名为tif。如图2所示。

（2）由arctoolbox→3d Analyst 工具→转换→由栅格转出→栅格转多点功能，在弹出对话框之后，依次输入栅格，输出要素类，在输入栅格里面直接输入原始高程数据DSM，输出要素类新建一个gaochengdian文件，注意文件后缀名为shp 格式，开始进行取点。取点结果如图3所示。

在打开属性表后发现，其属性为多点，并且没有出现显示高程值的字段，如图4所示。

（3）此时，需要把所有的多点属性转成点属性，因为在后面的点数据中添加高程值需要的是点属性，而不是多点属性。具体操作：打开arctoolbox→数据管理工具→要素→要素转点功能，在弹出的对话框中，输入要素选择之前生成的gaochengdian.shp 数据，输出要素类新建一个DEMgaochengdian.shp 数据，确定之后开始进行处理，处理完成之后再次查看属性表，可以发现，属性变成了点属性。如图5所示。

（4）最后将高程值添加到点数据中打开arctoolbox→Spatial Analyst→提取分析→值提取至点功能。在弹出的对话框中，输入点要素为DEMgaochengdian.shp，输入栅格为基础数据DSM.tif，输入点要素时新建一个GCD.shp，也就是最后提取的高程值，然后开始进行运算，运算完成后所生成的数据会自动加载到ArcMap 中，打开GCD.shp 的属性表，可以发现RASTERVALU 所对应的这一列就是通过DSM 数据提取出来的对应点的高程值，如图6所示。

3 等高线绘制

在提取DSM 数据的相关点的高程值之后，为了更直观地研究该区域的地形特征，此时需要利用相关的高程值来绘制等高线，这里采用南方CASS9.0进行等高线的绘制，南方CASS9.0是较广泛应用的数字化成图软件，数字化成图是将地面模型以数字形式表示，由计算机处理后，通过人为操作形成一幅数字化地形图。

首先将DSM 数据作进一步的处理，通过南方CASS 绘制等高线时除了所需要的高程值之外，还需要每个点所对应的坐标信息，通过GIS里的相关工具来实现。

（1）打开ArcToolbox→数据管理工具→要素→添加XY 坐标，可以得到每个高程点的坐标信息，如图7所示。生成坐标信息之后，利用ArcGIS 的相关工具将高程值信息数据转换成Excel表格。

（2）打开ArcToolbox→转换工具→Excel→表转Excel，可以得到所提取的高程信息表。随后通过人为的方式只保留高程点的编号、Y值、X值、H（高程）值，将修改后的数据另存为CSV 格式，然后将文件的后缀名csv 修改为dat，最后得到带有高程信息的dat 数据，以文本文档方式打开该数据，按照南方CASS 绘制等高线的要求修改数据格式并保存，如图8 所示。

（3）最后打开南方CASS9.0 软件，选择菜单栏→建立DTM，在弹出的对话框里选择之前保存的dat 文件，设置好之后单击确定，建立好三角网，随后选择绘制等高线，将参数设置好之后删除三角网保留所绘制的等高线，如图9。

4 结语

通过ArcGIS软件对无人机图像形成的DSM高程数据的提取可以发现，无人机航测和传统的人工测量具有明显的优势，其低成本、高分辨率和高机动性是传统人工测量无法比拟的，提高了整体测量过程的安全性，对于一些地势险要的地方或现场人员无法到达的地方都可以通过无人机来实现，工作效率也得到了极大的提高，并且结合所生成的DOM图，以及后期处理所得到的高程值、通过高程信息与坐标信息结合，利用南方CASS 生成的等高线地形图，可以更直观的去研究整个拍摄区域的地形地貌特征，无人机技术的发展与ArcGIS 技术的结合对于地质领域的应用将会越来越广泛。