無人機在城市規(guī)劃測量中的應(yīng)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(jié)能環(huán)保服務(wù)有限公司 天津300450)

0 引 言

隨著社會的發(fā)展進步，工程測量技術(shù)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(wèi)星成像技術(shù)獲取測量數(shù)據(jù)，利用測量數(shù)據(jù)結(jié)合相關(guān)模型，繪制地形平面圖。衛(wèi)星成像技術(shù)存在著回訪比較慢、數(shù)據(jù)獲取能力不足等問題，傳統(tǒng)的載人飛機雖然比衛(wèi)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(fēng)險低、生存能力強和機動性能好等特點被逐漸應(yīng)用于城市規(guī)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(fā)展歷程

從 1980年開始，國外就已經(jīng)把無人機技術(shù)應(yīng)用在城市規(guī)劃測量領(lǐng)域。在 GPS開放以前，無人機只能通過遙感技術(shù)操控飛機進行測量。但近幾年，隨著無人機技術(shù)的發(fā)展，其在測繪領(lǐng)域備受青睞。

我國的城市規(guī)劃測量起步較晚，但是在國家大力推動創(chuàng)新的舉措下，召開多次無人機航測推廣會議，城市規(guī)劃測量取得重大進展。截至目前，無人機航拍系統(tǒng)已經(jīng)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(shù)不斷提高，目前我國無人機可以適應(yīng)大部分復(fù)雜地形，在面對惡劣天氣和復(fù)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(jīng)走在世界前列。

2 無人機測繪的優(yōu)勢及應(yīng)用

測繪無人機主要應(yīng)用在國土測繪、選線設(shè)計、環(huán)境監(jiān)測、農(nóng)林、應(yīng)急救災(zāi)等領(lǐng)域[1]。不可否認，無人機正在取代有人機或衛(wèi)星成像技術(shù)。在不遠的將來，測繪無人機的應(yīng)用將越來越普遍。

在測繪領(lǐng)域，無人機相較于有人機有較大優(yōu)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(fù)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(wèi)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(diào)試。

③不需要固定的場地。隨著科技的發(fā)展，無人機的起飛已經(jīng)不僅僅局限于滑起，現(xiàn)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(guī)劃測量主要工作包括測區(qū)數(shù)據(jù)采集、航跡規(guī)劃、PID參數(shù)調(diào)節(jié)和像控點布點等。測區(qū)數(shù)據(jù)主要源于谷歌地圖。航跡規(guī)劃主要使用離線航跡規(guī)劃。由于 A*算法的穩(wěn)定性能，所以航跡規(guī)劃中采用 A*算法。

3.1 A*算法簡介

A*(A-Star)算法是一種靜態(tài)路網(wǎng)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(fā)式算法[2]。A*算法公式如下所示:

式中:f(n)是從初始狀態(tài)經(jīng)由狀態(tài) n到目標狀態(tài)的代價估計；g(n)是在狀態(tài)空間中從初始狀態(tài)到狀態(tài)n的實際代價；h(n)是從狀態(tài)n到目標狀態(tài)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(jié)點，把它作為當前要處理的節(jié)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(jīng)在 open list中，檢查這條路徑(即經(jīng)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(jīng)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(tǒng)參數(shù)調(diào)整:由于 PID算法具備技術(shù)成熟、控制效果好的特點[3]，本文飛控系統(tǒng)參數(shù)調(diào)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(shù)；TD為微分時間常數(shù)；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(shù)應(yīng)用實例

4.1 測區(qū)自然狀況

本次進行的無人機測繪區(qū)域?qū)儆诤颖笔?，測量區(qū)域居民住戶較多，天氣晴朗，測區(qū)內(nèi)有公路和水庫分布。測量區(qū)域最高海拔為300m，最低海拔為150m。

4.2 測量使用的工具參數(shù)

測量的影像信息來源于無人機航拍中的一組數(shù)據(jù)，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(guī)劃進行起飛、航拍和降落。離線航跡規(guī)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(shù)據(jù)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(chǔ)，像控點的數(shù)量和精度對航測數(shù)據(jù)至關(guān)重要。本文采用的飛行比例為 1∶10000，測量區(qū)域 10km2，像控點數(shù)量設(shè)置為 10個。由于測量區(qū)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(gòu)成的模型連接起來，構(gòu)造出航帶模型，然后將單個模型構(gòu)造成航帶模型，從而構(gòu)造航帶自由網(wǎng)，再把該網(wǎng)當作一個模型進行絕對定向。單個模型轉(zhuǎn)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(gòu)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(qū)域網(wǎng)平差進行非線性變形的改正。

4.7 結(jié)論

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

5 結(jié) 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(shù)在未來的測繪市場中會應(yīng)用更加普遍。數(shù)字化城市離不開信息化，目前大多數(shù)單位都已經(jīng)采用 DTM 技術(shù)進行測繪工作，傳統(tǒng)的人工勘測即將被取代，城市規(guī)劃測量將變得更為簡單和準確。