无人机在城市规划测量中的应用

晏 永，卢皓智，晏 平

(1.海洋石油工程股份有限公司 天津300450；2.中海石油(中国)有限公司天津分公司 天津300450；3.中海油节能环保服务有限公司 天津300450)

0 引 言

随着社会的发展进步，工程测量技术也更加智能化。目前各城市的测绘工作主要是通过飞机高空航拍与卫星成像技术获取测量数据，利用测量数据结合相关模型，绘制地形平面图。卫星成像技术存在着回访比较慢、数据获取能力不足等问题，传统的载人飞机虽然比卫星成像更加清晰，但是受云层、空域管理等因素的制约，成本及管理费用较高。无人机以其成本低、效率高、人员伤亡风险低、生存能力强和机动性能好等特点被逐渐应用于城市规划测量。

地形平面图的精度主要取决于有人驾驶飞机的飞行高度，精度较高的地形平面图主要是低空航拍获取，为更好地提高测量精度，需要飞机更好的机动性能，无人机成为提高测量精度的重要工具。

1 无人机测绘发展历程

从 1980年开始，国外就已经把无人机技术应用在城市规划测量领域。在 GPS开放以前，无人机只能通过遥感技术操控飞机进行测量。但近几年，随着无人机技术的发展，其在测绘领域备受青睐。

我国的城市规划测量起步较晚，但是在国家大力推动创新的举措下，召开多次无人机航测推广会议，城市规划测量取得重大进展。截至目前，无人机航拍系统已经超过100套，并且在未来会逐步向各级城市推广，最大程度地保证测量准确度。随着无人机测绘技术不断提高，目前我国无人机可以适应大部分复杂地形，在面对恶劣天气和复杂地形情况、准确实时地获取测量信息等方面，我国一些测绘无人机已经走在世界前列。

2 无人机测绘的优势及应用

测绘无人机主要应用在国土测绘、选线设计、环境监测、农林、应急救灾等领域[1]。不可否认，无人机正在取代有人机或卫星成像技术。在不远的将来，测绘无人机的应用将越来越普遍。

在测绘领域，无人机相较于有人机有较大优势。

①性价比高。有人机的成本比较高，其中可能包括人的成本、云层限制、空域管理等。而目前测绘无人机大多在10万～100万元，没有其他费用支出。并且无人机可以重复使用，除非遇到恶劣天气或者重大事故，否则不易损坏。成像较卫星成像更为清晰。

②运输方便，安装简单。固定翼测绘无人机大翼展一般不会超过 3m，运输非常方便，只通过货车运输即可，并且拆卸和安装极其方便，大约只需要半个小时即可安装并调试。

③不需要固定的场地。随着科技的发展，无人机的起飞已经不仅仅局限于滑起，现在大部分可以通过手动抛起或弹射进行起飞，降落更加方便，直接采用伞降。

3 无人机测绘主要工作

城市规划测量主要工作包括测区数据采集、航迹规划、PID参数调节和像控点布点等。测区数据主要源于谷歌地图。航迹规划主要使用离线航迹规划。由于 A*算法的稳定性能，所以航迹规划中采用 A*算法。

3.1 A*算法简介

A*(A-Star)算法是一种静态路网中求解最短路径最有效的直接搜索方法，也是许多其他问题的常用启发式算法[2]。A*算法公式如下所示:

式中:f(n)是从初始状态经由状态 n到目标状态的代价估计；g(n)是在状态空间中从初始状态到状态n的实际代价；h(n)是从状态n到目标状态的最佳路径的估计代价。

3.2 A*算法步骤

遍历 open list，查找 F值最小的节点，把它作为当前要处理的节点，然后移到close list中。

对当前方格的 8个相邻方格一一进行检查，如果它是不可抵达的或者它在close list中，则忽略它。否则做如下操作:如果它不在 open list中，把它加入open list；如果它已经在 open list中，检查这条路径(即经由当前方格到达它那里)是否更近。

遇到下面情况停止搜索:当把终点加入到 open list时，路径已经找到了；查找终点失败，并且 open list是空的，此时没有路径。

飞控系统参数调整:由于 PID算法具备技术成熟、控制效果好的特点[3]，本文飞控系统参数调整采用PID算法。PID算法公式如下所示:

式中:KP为比例增益；TI为积分时间常数；TD为微分时间常数；u(t)为控制器输出；e(t)为被控制量和给定量的偏差。

4 无人机测绘技术应用实例

4.1 测区自然状况

本次进行的无人机测绘区域属于河北省，测量区域居民住户较多，天气晴朗，测区内有公路和水库分布。测量区域最高海拔为300m，最低海拔为150m。

4.2 测量使用的工具参数

测量的影像信息来源于无人机航拍中的一组数据，航拍的面积 60km2。采用 SDV-4561相机，像素2000万，采用广角镜头，分辨率为 1920×1080，测量仪器采用RTK。

4.3 无人机航拍

按照事先制定的离线航迹规划进行起飞、航拍和降落。离线航迹规划采用A*算法，栅格划分为1km2。飞行效果较好，可以反映真实的地形数据信息。

4.4 像控点布点

像控点是摄影测量控制加密和测图的基础，像控点的数量和精度对航测数据至关重要。本文采用的飞行比例为 1∶10000，测量区域 10km2，像控点数量设置为 10个。由于测量区域较为平坦，选择的像素点高度差和平面差不超过 0.2m，像控点都以标靶板的形式标记。

4.5 空中三角测量

本文主要采用航带法进行测量。开始将拍摄的立体图像对所构成的模型连接起来，构造出航带模型，然后将单个模型构造成航带模型，从而构造航带自由网，再把该网当作一个模型进行绝对定向。单个模型转换成航带模型时，单体模型每一级的误差都会传递到下一级，误差累积会造成航带模型的扭曲，所以构建航带模型完成后，还需要对其进行矫正，最后计算出加密点的坐标。

4.6 航带模型的非线性改正

采用航带法区域网平差进行非线性变形的改正。

4.7 结论

基于 1∶10000精度的要求，对城市进行测量统计，最大误差在0.3m，基本满足测绘要求。

5 结 语

由于无人机具有成本投资小、运输方便等特点，无人机测绘技术在未来的测绘市场中会应用更加普遍。数字化城市离不开信息化，目前大多数单位都已经采用 DTM 技术进行测绘工作，传统的人工勘测即将被取代，城市规划测量将变得更为简单和准确。