無人機技術在數字城市建設中的創新應用

李雪紅，楊 劍，趙煥禎

（1.青島市城陽區流亭街道辦事處，山東 青島 266033；2.青島市勘察測繪研究院，山東 青島 266033）

隨著大數據時代的到來以及互聯網、云計算、物聯網、地理信息和人工智能技術等新一代先進信息技術的發展，數字城市的建設已經成為了一種新型的城市建設理念。數字城市通過將城市中的地理資源、生態資源和人文社會等各種信息數字化，形成綜合數據庫和城市虛擬服務平臺。通過在信息空間上構建的虛擬城市映像與現實中物理城市空間相互疊加，完善城市基礎設施，改變城市面貌，形成虛實相映、孿生互動的城市發展新形態。無人機技術可以對城市范圍內的人、事件、基礎設施和環境等要素實現實時動態識別和信息采集，借助物聯網大數據等技術實現信息數據的全面感知和快速提取，為數字城市的建設提供標準性框架數據、基礎性影像資料、關鍵性坐標信息、實時性視頻流及立體化三維場景等重要數據，對推動數字城市的建設和發展具有重要意義。

1 無人機技術

無人機具備運行成本低、無人員傷亡風險、機動性能好、可進行超視距飛行、使用方便及安全高效等特點，獲得了越來越多行業領域的應用。在實景三維數據建設、多類型全景影像建設、國家基礎地圖測繪、在數字化城市勘探與測繪、海防監視巡查、國土資源調查、土地地籍管理、城市規劃、突發事件實時監測、災害預測與評估、城市交通、網線鋪設、環境治理和生態保護等領域都具有廣闊的應用前景，對國民經濟的發展具有十分重要的現實意義。

1.1 無人機傾斜攝影實景三維技術

無人機傾斜攝影實景三維技術作為自然資源三維信息采集領域重要的技術手段之一，具有高精度、高還原和高效率等特點。按照采集精度分為地形級實景三維、城市級實景三維和部件級實景三維等類型，該技術的應用也為空間規劃、城市治理、方案評審、生態修復、歷史風貌保護和建設項目測量等工作提供了有力的支撐。無人機傾斜攝影測量系統配備5 臺高清攝像機。采集的圖像由軟件生成，建立點云區域模型。傳統航空攝影只能從垂直角度拍攝地物，傾斜攝影則通過在同一平臺搭載多臺傳感器同時從垂直、側視等不同的角度采集影像，有效彌補了傳統航空攝影的局限。

1.2 無人機全景影像技術

無人機全景影像技術作為數字城市數據采集最高效的采集技術之一，具有全方位、真實景和可旋轉等特點，給人一種三維空間的視覺感受。按照展示方式可分為空中全景、街道全景和室內全景等幾種類型，全景航拍的非凡效果展示帶來全新的實景感和交互感，可應用于建筑航拍全景展示、旅游景區航拍、城市全景航拍和工業園區全景航拍等領域。無人機通過定點起飛，飛行至指定地點及高度進行水平和豎直多角度影像采集，獲取720°影像數據，然后進行影像處理、特征匹配和圖像融合生成全景圖像。

1.3 無人機視頻回傳技術

無人機視頻回傳技術作為應急保障和信息感知的核心技術之一，具有全方位、全感知、全地域、直觀可靠的特點，可提供任意區域的視頻信號并實時回傳給地面控制中心，實現可靠穩定的無人機直播場景。通過多網融合和帶寬聚合提供穩定和高質量的通信網絡，通過多物理通道傳輸保障無人機直播回傳時數據、圖片和視頻的安全。

1.4 無人機目標識別定位技術

無人機目標識別定位技術是一種基于深度學習、3S技術和BDS/GPS 組合定位結合的綜合性空中監測技術。利用AI 特征識別和時空關系特征比對算法，自動提取目標物的位置信息，實現“天上看、地上查、網上管”的創新性數字城市管理模式，深度助力智慧城市建設。

1.5 無人機避障和運載技術

無人機避障和運載技術是無人機服務數字城市建設中最常用的一種技術手段。避障主要保障的是無人機服務于城市復雜環境過程中的安全性穩定，運載主要是服務智能物流、智慧農業和智慧監管等領域。避障主要分為超聲波避障、紅外避障、視覺避障和激光避障幾種類型，運載主要是將無人機作為一個搭載平臺，運輸應急物資等資料實現快速送達服務。

1.6 智能無人機機場技術

智能無人機機場技術整合地空自動化控制技術，具備無人現場值守、自主飛行和自主維護等功能，可組建分布式智能無人機機場網絡，適合邊境線巡邏、石油管道巡線、高壓輸電線巡查、森林防火防災、河流湖泊巡視和城市網狀監控等應用場景，在高山、林區、湖區和其他無人區建設大范圍的全無人機化監控巡邏系統，實現無人機對定點區域的無人化巡邏，達到最大的資源利用率，節省兵力，降低了無人機巡邏的成本，大大提高項目生產力。

1.7 無人機蜂群技術

無人機蜂群系統按照功能劃分為蜂群無人機平臺、導航系統、遙測遙控系統和任務載荷等，主要通過控制站和自主控制實現航路規劃和飛行控制。雖然無人機蜂群功能各異、種類繁多，但結合無人機蜂群作戰特點，可以將其作戰流程大致劃分為投放準備、發射集結、編隊飛行、遂行任務4 個階段。未來的無人機蜂群將在AI 和大數據的加持下，擁有高度自主控制、決策和機器學習能力，具備態勢的自主分析、任務的自主規劃、自動化的指揮控制及集群智能的能力。

1.8 無人機微型技術

微型無人機是指尺寸只有手掌大小的飛行器。其將作為士兵可攜帶的一種戰場偵察設備，潛在的作用包括空中監視、生物戰劑探測、目標識別、通信中繼，甚至能探測到大型建筑物和大型設施的內部情況，是未來無人機發展的重要技術之一。

1.9 無人機智能交互技術

無人機交互技術由單一依靠人來決策向以人為主，人機智能交互決策為輔的方式轉變；感知方式由單一依靠傳感器獲取特征信息，由人來判斷目標屬性向基于人工智能的目標識別、特征信息獲取的方式轉變。控制方式從單機簡單遙控、程控方式向人機智能融合交互控制方向發展，不過尚未完全實現自主控制；體系結構由專用化、單一化向通用化、標準化、互操作性方向發展。應用環境由結構化環境、實驗室環境向真實環境轉變，并在未來逐步發展成真實環境與虛擬現實相結合的增強現實環境。

2 數字城市建設

數字城市建設的核心思想是通過數字化的手段使地球上的自然、人文和社會等信息數字化、網絡化、智能化和可視化，以支撐社會的可持續發展決策。利用無人機技術和GIS 技術，實現城市的由實入虛，再利用物聯網、智能化技術，實現城市的由虛入實，通過兩者之間不斷的虛實互動、持續迭代，最終實現物理世界的最佳有序運行狀態。

2.1 數字城市時空數據庫建設

時空數據庫是支撐數字化、智能化建設的“家底工程”。構建權威統一的時空數字基底，建設數字城市時空信息數據支撐體系，綜合運用遙感、地理信息、大數據、IoT 等先進技術手段，集中整合電子地圖、遙感影像、實景三維、規劃管控數據、土地利用數據、固定資產投資數據、工程建設項目數據、公共專題數據和物聯網感知數據，將統一基準的地理信息作為數據承載的基礎和互聯互通的基底，在一張底圖上實現全域土地利用、項目管理、安全應急和企業扶持等數據資源的匯聚與可視化管理應用，打破技術壁壘、消除信息孤島。

2.2 數字城市時空一體化平臺建設

時空一體化平臺是時空數據庫統一管理、發布、共享的載體，實現對空間數據的統籌管理，包括一致化管理、入庫、數據更新、共享及元數據管理等；以圖為底，形成自然、人文、經濟、社會的信息鏈，承載與位置有關的各種信息資源，形成空間信息在線服務資源池，為招商引資、經濟產業、應急指揮、城市治理、自然資源和生態環保等提供數據與服務支撐；提供權威、統一的空間基礎信息服務、可視化及分析決策支持平臺。

2.3 數字城市感知層保障設備建設

感知層保障設備是系統平臺感知層構建和保障系統穩定安全的硬件體系。感知層主要指無人機、智能監控、定位設備、紅外設備和各類傳感器等物聯網設備，是感知城市信息的主要技術手段，是城市實時數據流獲取的主要方式，是智慧城市的神經網絡，使城市具有快速反應、優化調控及智能感知的能力，有利于實現城市各領域的智慧化建設。

3 無人機技術在數字城市建設中的應用

無人機能夠實時獲取空間信息，是建設完善數字城市時空數據庫的重要時段之一，同樣也是時空一體化平臺重要的感知層設施。借助無人機技術能對城市當中的事件、人、設施和環境等不同要素進行實時動態監控，便于隨時采集信息，為數字城市建設提供充足信息。

3.1 無人機技術在時空數據庫建設中的應用

地理信息數據作為時空數據庫的核心數據之一，是其他類數據的底座。無人機作為地理信息數據采集的主要方式。可通過無人機平臺搭載正射鏡頭、傾斜鏡頭、全景鏡頭、激光雷達和視頻鏡頭等設備采集正射影像、傾斜三維、720°全景、基礎地形和高保真視頻等基礎數據，推進數字城市全生命周期的全要素迭代。通過無人機技術建設城市三維場景，可為數字城市建設提供新的解決方案與一體化服務，且逐漸成為城市空間數據框架的重點。通過無人機多源影像數據采集，借助人機交互建立三維建模，可以準確復原建模細節構成，便于輸出高空間分辨率真實三角網格模型，減少城市三維建模成本（圖1）。

圖1 無人機多源時空數據

3.2 無人機技術在時空一體化平臺建設中的應用

感知層是時空一體化平臺感知城市信息重要的手段之一，而無人機是重要的感知方式之一。可快速應用于違章建筑監管、城市道路監控、環境監控、廢棄物管理、城市應急保障和城市級直播等領域。利用視頻實時回傳技術，建立系統平臺與無人機的信號傳輸機制，實現無人機感知信息與系統平臺的融合展示，提升對城市周邊環境進行探測和感應的速度，能夠全面對城市的各個角落進行動態感知（圖2）。

圖2 無人機感知信息平臺應用

3.3 無人機在低空攝影測量技術中的應用

就測繪工作而言，無人機低空攝影測量技術相較傳統的航空攝影技術以及衛星光學遙感攝影技術，具有明顯的優勢。傳統的航空攝影或者衛星光學遙感攝影，在拍攝過程中受城市內部一些超高層建筑體遮擋或高空云層的影響較大。當攝影設備遇到較厚的云層時，云層會遮擋拍攝鏡頭，導致所收集到的圖像信息缺乏真實性。而無人機低空攝影測量，無人機設備可以在較低的高度環境飛行，在整個攝影和測量過程中不會受到高空云層遮擋等因素的干擾，所獲得的測繪圖像信息具有更高的可信度。通過無人機低空攝影技術的應用可以實現從不同角度、方向獲取城市內部不同建筑體的地理位置信息，因此在整個城市測繪工作中抗干擾優勢非常明顯。

在城市測繪工作中，對數據精確度要求相對較高，相較于其他的測量技術，無人機低空攝影測量技術的應用可以更好地滿足測繪單位的工作要求。同時在整個測繪工作中具有良好的安全性和靈活性。無人機在工作過程中受到外部環境變化因素的影響相對較小，同時具有靈活性等特點。這些優勢使無人機在低空飛行攝影過程中，可以對城市內部一些復雜區域的建筑影像資料進行準確收集。當無人機或其搭載的相關設備產生故障時，不會對測繪人員的人身安全造成影響。因此，通過無人機低空攝影測量技術的有效應用，不但可以提高測繪數據的準確性，而且整個測繪工作的安全性也可以得到充分保證。

3.4 無人機在應急保障中的應用

對于一些比較復雜同時任務比較緊急的測繪區域，必須以更加直觀的影像數據信息作為參考。通過地面無人機控制平臺，不僅可以便捷地控制無人機的起降，同時可以實時接收影像，提高整個工作的效率。平臺內部搭載的數碼傳感器可以有效獲取高分辨率影像信息，在攝影測量工作結束后，所得到的正射影像可以為城市測繪工作任務提供基礎信息資料，提高城市測繪數據的精確性。

通過使用無人機低空攝影測量技術，可以實時獲取城市內部一些重點區域多方向及多角度的高分辨率的影像信息，有效解決了傳統航空攝影和地面攝影在工作時出現某些視角無法拍攝完全等問題。有效運用無人機低空攝影測量技術不僅可以生成DEM（數字高程模型）和DOM（文檔對象模型），還可以從影像信息中直接提取建筑體的紋理，進行三維建模分析和研究。通過該項技術的有效應用，減少了地面拍照人工采集物理紋理的工作流程，真正實現全攝影測量工作模式。

4 結束語

隨著無人機實景三維技術、全景影像技術、視頻回傳技術、目標識別定位技術、避障和運載技術的發展，無人機在城市高效精細化的數據信息獲取方面發揮著越來越重要的作用，促進了城市全域信息的三維可視化技術的發展，有效助力城市化融合和信息化融合，輔助數字城市建設過程中各項微觀和宏觀事件的處理和梳理，推動了城市全生命周期的全要素迭代，保障了數字城市的建設和發展。