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(guó))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(huì)的發(fā)展進(jìn)步，工程測(cè)量技術(shù)也更加智能化。目前各城市的測(cè)繪工作主要是通過(guò)飛機(jī)高空航拍與衛(wèi)星成像技術(shù)獲取測(cè)量數(shù)據(jù)，利用測(cè)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(wèn)題，傳統(tǒng)的載人飛機(jī)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(fèi)用較高。無(wú)人機(jī)以其成本低、效率高、人員傷亡風(fēng)險(xiǎn)低、生存能力強(qiáng)和機(jī)動(dòng)性能好等特點(diǎn)被逐漸應(yīng)用于城市規(guī)劃測(cè)量。

地形平面圖的精度主要取決于有人駕駛飛機(jī)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(cè)量精度，需要飛機(jī)更好的機(jī)動(dòng)性能，無(wú)人機(jī)成為提高測(cè)量精度的重要工具。

1 無(wú)人機(jī)測(cè)繪發(fā)展歷程

從 1980年開始，國(guó)外就已經(jīng)把無(wú)人機(jī)技術(shù)應(yīng)用在城市規(guī)劃測(cè)量領(lǐng)域。在 GPS開放以前，無(wú)人機(jī)只能通過(guò)遙感技術(shù)操控飛機(jī)進(jìn)行測(cè)量。但近幾年，隨著無(wú)人機(jī)技術(shù)的發(fā)展，其在測(cè)繪領(lǐng)域備受青睞。

我國(guó)的城市規(guī)劃測(cè)量起步較晚，但是在國(guó)家大力推動(dòng)創(chuàng)新的舉措下，召開多次無(wú)人機(jī)航測(cè)推廣會(huì)議，城市規(guī)劃測(cè)量取得重大進(jìn)展。截至目前，無(wú)人機(jī)航拍系統(tǒng)已經(jīng)超過(guò)100套，并且在未來(lái)會(huì)逐步向各級(jí)城市推廣，最大程度地保證測(cè)量準(zhǔn)確度。隨著無(wú)人機(jī)測(cè)繪技術(shù)不斷提高，目前我國(guó)無(wú)人機(jī)可以適應(yīng)大部分復(fù)雜地形，在面對(duì)惡劣天氣和復(fù)雜地形情況、準(zhǔn)確實(shí)時(shí)地獲取測(cè)量信息等方面，我國(guó)一些測(cè)繪無(wú)人機(jī)已經(jīng)走在世界前列。

2 無(wú)人機(jī)測(cè)繪的優(yōu)勢(shì)及應(yīng)用

測(cè)繪無(wú)人機(jī)主要應(yīng)用在國(guó)土測(cè)繪、選線設(shè)計(jì)、環(huán)境監(jiān)測(cè)、農(nóng)林、應(yīng)急救災(zāi)等領(lǐng)域[1]。不可否認(rèn)，無(wú)人機(jī)正在取代有人機(jī)或衛(wèi)星成像技術(shù)。在不遠(yuǎn)的將來(lái)，測(cè)繪無(wú)人機(jī)的應(yīng)用將越來(lái)越普遍。

在測(cè)繪領(lǐng)域，無(wú)人機(jī)相較于有人機(jī)有較大優(yōu)勢(shì)。

①性價(jià)比高。有人機(jī)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(cè)繪無(wú)人機(jī)大多在10萬(wàn)～100萬(wàn)元，沒(méi)有其他費(fèi)用支出。并且無(wú)人機(jī)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(yùn)輸方便，安裝簡(jiǎn)單。固定翼測(cè)繪無(wú)人機(jī)大翼展一般不會(huì)超過(guò) 3m，運(yùn)輸非常方便，只通過(guò)貨車運(yùn)輸即可，并且拆卸和安裝極其方便，大約只需要半個(gè)小時(shí)即可安裝并調(diào)試。

③不需要固定的場(chǎng)地。隨著科技的發(fā)展，無(wú)人機(jī)的起飛已經(jīng)不僅僅局限于滑起，現(xiàn)在大部分可以通過(guò)手動(dòng)拋起或彈射進(jìn)行起飛，降落更加方便，直接采用傘降。

3 無(wú)人機(jī)測(cè)繪主要工作

城市規(guī)劃測(cè)量主要工作包括測(cè)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(diǎn)布點(diǎn)等。測(cè)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(jiǎn)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(wèn)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(biāo)狀態(tài)的代價(jià)估計(jì)；g(n)是在狀態(tài)空間中從初始狀態(tài)到狀態(tài)n的實(shí)際代價(jià)；h(n)是從狀態(tài)n到目標(biāo)狀態(tài)的最佳路徑的估計(jì)代價(jià)。

3.2 A*算法步驟

遍歷 open list，查找 F值最小的節(jié)點(diǎn)，把它作為當(dāng)前要處理的節(jié)點(diǎn)，然后移到close list中。

對(duì)當(dāng)前方格的 8個(gè)相鄰方格一一進(jìn)行檢查，如果它是不可抵達(dá)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(dāng)前方格到達(dá)它那里)是否更近。

遇到下面情況停止搜索:當(dāng)把終點(diǎn)加入到 open list時(shí)，路徑已經(jīng)找到了；查找終點(diǎn)失敗，并且 open list是空的，此時(shí)沒(méi)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(diǎn)[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(shí)間常數(shù)；TD為微分時(shí)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(wú)人機(jī)測(cè)繪技術(shù)應(yīng)用實(shí)例

4.1 測(cè)區(qū)自然狀況

本次進(jìn)行的無(wú)人機(jī)測(cè)繪區(qū)域?qū)儆诤颖笔?，測(cè)量區(qū)域居民住戶較多，天氣晴朗，測(cè)區(qū)內(nèi)有公路和水庫(kù)分布。測(cè)量區(qū)域最高海拔為300m，最低海拔為150m。

4.2 測(cè)量使用的工具參數(shù)

測(cè)量的影像信息來(lái)源于無(wú)人機(jī)航拍中的一組數(shù)據(jù)，航拍的面積 60km2。采用 SDV-4561相機(jī)，像素2000萬(wàn)，采用廣角鏡頭，分辨率為 1920×1080，測(cè)量?jī)x器采用RTK。

4.3 無(wú)人機(jī)航拍

按照事先制定的離線航跡規(guī)劃進(jìn)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(shí)的地形數(shù)據(jù)信息。

4.4 像控點(diǎn)布點(diǎn)

像控點(diǎn)是攝影測(cè)量控制加密和測(cè)圖的基礎(chǔ)，像控點(diǎn)的數(shù)量和精度對(duì)航測(cè)數(shù)據(jù)至關(guān)重要。本文采用的飛行比例為 1∶10000，測(cè)量區(qū)域 10km2，像控點(diǎn)數(shù)量設(shè)置為 10個(gè)。由于測(cè)量區(qū)域較為平坦，選擇的像素點(diǎn)高度差和平面差不超過(guò) 0.2m，像控點(diǎn)都以標(biāo)靶板的形式標(biāo)記。

4.5 空中三角測(cè)量

本文主要采用航帶法進(jìn)行測(cè)量。開始將拍攝的立體圖像對(duì)所構(gòu)成的模型連接起來(lái)，構(gòu)造出航帶模型，然后將單個(gè)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(dāng)作一個(gè)模型進(jìn)行絕對(duì)定向。單個(gè)模型轉(zhuǎn)換成航帶模型時(shí)，單體模型每一級(jí)的誤差都會(huì)傳遞到下一級(jí)，誤差累積會(huì)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(duì)其進(jìn)行矯正，最后計(jì)算出加密點(diǎn)的坐標(biāo)。

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(jìn)行非線性變形的改正。

4.7 結(jié)論

基于 1∶10000精度的要求，對(duì)城市進(jìn)行測(cè)量統(tǒng)計(jì)，最大誤差在0.3m，基本滿足測(cè)繪要求。

5 結(jié) 語(yǔ)

由于無(wú)人機(jī)具有成本投資小、運(yùn)輸方便等特點(diǎn)，無(wú)人機(jī)測(cè)繪技術(shù)在未來(lái)的測(cè)繪市場(chǎng)中會(huì)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(jìn)行測(cè)繪工作，傳統(tǒng)的人工勘測(cè)即將被取代，城市規(guī)劃測(cè)量將變得更為簡(jiǎn)單和準(zhǔn)確。