無人機在城市規劃測量中的應用

晏 永，盧皓智，晏 平

(1.海洋石油工程股份有限公司 天津300450；2.中海石油(中國)有限公司天津分公司 天津300450；3.中海油節能環保服務有限公司 天津300450)

0 引 言

隨著社會的發展進步，工程測量技術也更加智能化。目前各城市的測繪工作主要是通過飛機高空航拍與衛星成像技術獲取測量數據，利用測量數據結合相關模型，繪制地形平面圖。衛星成像技術存在著回訪比較慢、數據獲取能力不足等問題，傳統的載人飛機雖然比衛星成像更加清晰，但是受云層、空域管理等因素的制約，成本及管理費用較高。無人機以其成本低、效率高、人員傷亡風險低、生存能力強和機動性能好等特點被逐漸應用于城市規劃測量。

地形平面圖的精度主要取決于有人駕駛飛機的飛行高度，精度較高的地形平面圖主要是低空航拍獲取，為更好地提高測量精度，需要飛機更好的機動性能，無人機成為提高測量精度的重要工具。

1 無人機測繪發展歷程

從 1980年開始，國外就已經把無人機技術應用在城市規劃測量領域。在 GPS開放以前，無人機只能通過遙感技術操控飛機進行測量。但近幾年，隨著無人機技術的發展，其在測繪領域備受青睞。

我國的城市規劃測量起步較晚，但是在國家大力推動創新的舉措下，召開多次無人機航測推廣會議，城市規劃測量取得重大進展。截至目前，無人機航拍系統已經超過100套，并且在未來會逐步向各級城市推廣，最大程度地保證測量準確度。隨著無人機測繪技術不斷提高，目前我國無人機可以適應大部分復雜地形，在面對惡劣天氣和復雜地形情況、準確實時地獲取測量信息等方面，我國一些測繪無人機已經走在世界前列。

2 無人機測繪的優勢及應用

測繪無人機主要應用在國土測繪、選線設計、環境監測、農林、應急救災等領域[1]。不可否認，無人機正在取代有人機或衛星成像技術。在不遠的將來，測繪無人機的應用將越來越普遍。

在測繪領域，無人機相較于有人機有較大優勢。

①性價比高。有人機的成本比較高，其中可能包括人的成本、云層限制、空域管理等。而目前測繪無人機大多在10萬～100萬元，沒有其他費用支出。并且無人機可以重復使用，除非遇到惡劣天氣或者重大事故，否則不易損壞。成像較衛星成像更為清晰。

②運輸方便，安裝簡單。固定翼測繪無人機大翼展一般不會超過 3m，運輸非常方便，只通過貨車運輸即可，并且拆卸和安裝極其方便，大約只需要半個小時即可安裝并調試。

③不需要固定的場地。隨著科技的發展，無人機的起飛已經不僅僅局限于滑起，現在大部分可以通過手動拋起或彈射進行起飛，降落更加方便，直接采用傘降。

3 無人機測繪主要工作

城市規劃測量主要工作包括測區數據采集、航跡規劃、PID參數調節和像控點布點等。測區數據主要源于谷歌地圖。航跡規劃主要使用離線航跡規劃。由于 A*算法的穩定性能，所以航跡規劃中采用 A*算法。

3.1 A*算法簡介

A*(A-Star)算法是一種靜態路網中求解最短路徑最有效的直接搜索方法，也是許多其他問題的常用啟發式算法[2]。A*算法公式如下所示:

式中:f(n)是從初始狀態經由狀態 n到目標狀態的代價估計；g(n)是在狀態空間中從初始狀態到狀態n的實際代價；h(n)是從狀態n到目標狀態的最佳路徑的估計代價。

3.2 A*算法步驟

遍歷 open list，查找 F值最小的節點，把它作為當前要處理的節點，然后移到close list中。

對當前方格的 8個相鄰方格一一進行檢查，如果它是不可抵達的或者它在close list中，則忽略它。否則做如下操作:如果它不在 open list中，把它加入open list；如果它已經在 open list中，檢查這條路徑(即經由當前方格到達它那里)是否更近。

遇到下面情況停止搜索:當把終點加入到 open list時，路徑已經找到了；查找終點失敗，并且 open list是空的，此時沒有路徑。

飛控系統參數調整:由于 PID算法具備技術成熟、控制效果好的特點[3]，本文飛控系統參數調整采用PID算法。PID算法公式如下所示:

式中:KP為比例增益；TI為積分時間常數；TD為微分時間常數；u(t)為控制器輸出；e(t)為被控制量和給定量的偏差。

4 無人機測繪技術應用實例

4.1 測區自然狀況

本次進行的無人機測繪區域屬于河北省，測量區域居民住戶較多，天氣晴朗，測區內有公路和水庫分布。測量區域最高海拔為300m，最低海拔為150m。

4.2 測量使用的工具參數

測量的影像信息來源于無人機航拍中的一組數據，航拍的面積 60km2。采用 SDV-4561相機，像素2000萬，采用廣角鏡頭，分辨率為 1920×1080，測量儀器采用RTK。

4.3 無人機航拍

按照事先制定的離線航跡規劃進行起飛、航拍和降落。離線航跡規劃采用A*算法，柵格劃分為1km2。飛行效果較好，可以反映真實的地形數據信息。

4.4 像控點布點

像控點是攝影測量控制加密和測圖的基礎，像控點的數量和精度對航測數據至關重要。本文采用的飛行比例為 1∶10000，測量區域 10km2，像控點數量設置為 10個。由于測量區域較為平坦，選擇的像素點高度差和平面差不超過 0.2m，像控點都以標靶板的形式標記。

4.5 空中三角測量

本文主要采用航帶法進行測量。開始將拍攝的立體圖像對所構成的模型連接起來，構造出航帶模型，然后將單個模型構造成航帶模型，從而構造航帶自由網，再把該網當作一個模型進行絕對定向。單個模型轉換成航帶模型時，單體模型每一級的誤差都會傳遞到下一級，誤差累積會造成航帶模型的扭曲，所以構建航帶模型完成后，還需要對其進行矯正，最后計算出加密點的坐標。

4.6 航帶模型的非線性改正

采用航帶法區域網平差進行非線性變形的改正。

4.7 結論

基于 1∶10000精度的要求，對城市進行測量統計，最大誤差在0.3m，基本滿足測繪要求。

5 結 語

由于無人機具有成本投資小、運輸方便等特點，無人機測繪技術在未來的測繪市場中會應用更加普遍。數字化城市離不開信息化，目前大多數單位都已經采用 DTM 技術進行測繪工作，傳統的人工勘測即將被取代，城市規劃測量將變得更為簡單和準確。