李雪紅，楊 劍，趙煥禎

（1.青島市城陽區(qū)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(shù)據(jù)時代的到來以及互聯(lián)網(wǎng)、云計算、物聯(lián)網(wǎng)、地理信息和人工智能技術等新一代先進信息技術的發(fā)展，數(shù)字城市的建設已經(jīng)成為了一種新型的城市建設理念。數(shù)字城市通過將城市中的地理資源、生態(tài)資源和人文社會等各種信息數(shù)字化，形成綜合數(shù)據(jù)庫和城市虛擬服務平臺。通過在信息空間上構(gòu)建的虛擬城市映像與現(xiàn)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(fā)展新形態(tài)。無人機技術可以對城市范圍內(nèi)的人、事件、基礎設施和環(huán)境等要素實現(xiàn)實時動態(tài)識別和信息采集，借助物聯(lián)網(wǎng)大數(shù)據(jù)等技術實現(xiàn)信息數(shù)據(jù)的全面感知和快速提取，為數(shù)字城市的建設提供標準性框架數(shù)據(jù)、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(shù)據(jù)，對推動數(shù)字城市的建設和發(fā)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(yè)領域的應用。在實景三維數(shù)據(jù)建設、多類型全景影像建設、國家基礎地圖測繪、在數(shù)字化城市勘探與測繪、海防監(jiān)視巡查、國土資源調(diào)查、土地地籍管理、城市規(guī)劃、突發(fā)事件實時監(jiān)測、災害預測與評估、城市交通、網(wǎng)線鋪設、環(huán)境治理和生態(tài)保護等領域都具有廣闊的應用前景，對國民經(jīng)濟的發(fā)展具有十分重要的現(xiàn)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(guī)劃、城市治理、方案評審、生態(tài)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(tǒng)配備5 臺高清攝像機。采集的圖像由軟件生成，建立點云區(qū)域模型。傳統(tǒng)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(cè)視等不同的角度采集影像，有效彌補了傳統(tǒng)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(shù)字城市數(shù)據(jù)采集最高效的采集技術之一，具有全方位、真實景和可旋轉(zhuǎn)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(nèi)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(qū)航拍、城市全景航拍和工業(yè)園區(qū)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(shù)據(jù)，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(qū)域的視頻信號并實時回傳給地面控制中心，實現(xiàn)可靠穩(wěn)定的無人機直播場景。通過多網(wǎng)融合和帶寬聚合提供穩(wěn)定和高質(zhì)量的通信網(wǎng)絡，通過多物理通道傳輸保障無人機直播回傳時數(shù)據(jù)、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(jié)合的綜合性空中監(jiān)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(xiàn)“天上看、地上查、網(wǎng)上管”的創(chuàng)新性數(shù)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(shù)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(huán)境過程中的安全性穩(wěn)定，運載主要是服務智能物流、智慧農(nóng)業(yè)和智慧監(jiān)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(xiàn)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(xiàn)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(wǎng)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(wǎng)狀監(jiān)控等應用場景，在高山、林區(qū)、湖區(qū)和其他無人區(qū)建設大范圍的全無人機化監(jiān)控巡邏系統(tǒng)，實現(xiàn)無人機對定點區(qū)域的無人化巡邏，達到最大的資源利用率，節(jié)省兵力，降低了無人機巡邏的成本，大大提高項目生產(chǎn)力。

1.7 無人機蜂群技術

無人機蜂群系統(tǒng)按照功能劃分為蜂群無人機平臺、導航系統(tǒng)、遙測遙控系統(tǒng)和任務載荷等，主要通過控制站和自主控制實現(xiàn)航路規(guī)劃和飛行控制。雖然無人機蜂群功能各異、種類繁多，但結(jié)合無人機蜂群作戰(zhàn)特點，可以將其作戰(zhàn)流程大致劃分為投放準備、發(fā)射集結(jié)、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(shù)據(jù)的加持下，擁有高度自主控制、決策和機器學習能力，具備態(tài)勢的自主分析、任務的自主規(guī)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(zhàn)場偵察設備，潛在的作用包括空中監(jiān)視、生物戰(zhàn)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(nèi)部情況，是未來無人機發(fā)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(zhuǎn)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(zhuǎn)變?？刂品绞綇膯螜C簡單遙控、程控方式向人機智能融合交互控制方向發(fā)展，不過尚未完全實現(xiàn)自主控制；體系結(jié)構(gòu)由專用化、單一化向通用化、標準化、互操作性方向發(fā)展。應用環(huán)境由結(jié)構(gòu)化環(huán)境、實驗室環(huán)境向真實環(huán)境轉(zhuǎn)變，并在未來逐步發(fā)展成真實環(huán)境與虛擬現(xiàn)實相結(jié)合的增強現(xiàn)實環(huán)境。

2 數(shù)字城市建設

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

2.1 數(shù)字城市時空數(shù)據(jù)庫建設

時空數(shù)據(jù)庫是支撐數(shù)字化、智能化建設的“家底工程”。構(gòu)建權威統(tǒng)一的時空數(shù)字基底，建設數(shù)字城市時空信息數(shù)據(jù)支撐體系，綜合運用遙感、地理信息、大數(shù)據(jù)、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(guī)劃管控數(shù)據(jù)、土地利用數(shù)據(jù)、固定資產(chǎn)投資數(shù)據(jù)、工程建設項目數(shù)據(jù)、公共專題數(shù)據(jù)和物聯(lián)網(wǎng)感知數(shù)據(jù)，將統(tǒng)一基準的地理信息作為數(shù)據(jù)承載的基礎和互聯(lián)互通的基底，在一張底圖上實現(xiàn)全域土地利用、項目管理、安全應急和企業(yè)扶持等數(shù)據(jù)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(shù)字城市時空一體化平臺建設

時空一體化平臺是時空數(shù)據(jù)庫統(tǒng)一管理、發(fā)布、共享的載體，實現(xiàn)對空間數(shù)據(jù)的統(tǒng)籌管理，包括一致化管理、入庫、數(shù)據(jù)更新、共享及元數(shù)據(jù)管理等；以圖為底，形成自然、人文、經(jīng)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(jīng)濟產(chǎn)業(yè)、應急指揮、城市治理、自然資源和生態(tài)環(huán)保等提供數(shù)據(jù)與服務支撐；提供權威、統(tǒng)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(shù)字城市感知層保障設備建設

感知層保障設備是系統(tǒng)平臺感知層構(gòu)建和保障系統(tǒng)穩(wěn)定安全的硬件體系。感知層主要指無人機、智能監(jiān)控、定位設備、紅外設備和各類傳感器等物聯(lián)網(wǎng)設備，是感知城市信息的主要技術手段，是城市實時數(shù)據(jù)流獲取的主要方式，是智慧城市的神經(jīng)網(wǎng)絡，使城市具有快速反應、優(yōu)化調(diào)控及智能感知的能力，有利于實現(xiàn)城市各領域的智慧化建設。

3 無人機技術在數(shù)字城市建設中的應用

無人機能夠?qū)崟r獲取空間信息，是建設完善數(shù)字城市時空數(shù)據(jù)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(huán)境等不同要素進行實時動態(tài)監(jiān)控，便于隨時采集信息，為數(shù)字城市建設提供充足信息。

3.1 無人機技術在時空數(shù)據(jù)庫建設中的應用

地理信息數(shù)據(jù)作為時空數(shù)據(jù)庫的核心數(shù)據(jù)之一，是其他類數(shù)據(jù)的底座。無人機作為地理信息數(shù)據(jù)采集的主要方式?？赏ㄟ^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(shù)據(jù)，推進數(shù)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(shù)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(shù)據(jù)框架的重點。通過無人機多源影像數(shù)據(jù)采集，借助人機交互建立三維建模，可以準確復原建模細節(jié)構(gòu)成，便于輸出高空間分辨率真實三角網(wǎng)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(shù)據(jù)

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?？煽焖賾糜谶`章建筑監(jiān)管、城市道路監(jiān)控、環(huán)境監(jiān)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(tǒng)平臺與無人機的信號傳輸機制，實現(xiàn)無人機感知信息與系統(tǒng)平臺的融合展示，提升對城市周邊環(huán)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(tài)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(tǒng)的航空攝影技術以及衛(wèi)星光學遙感攝影技術，具有明顯的優(yōu)勢。傳統(tǒng)的航空攝影或者衛(wèi)星光學遙感攝影，在拍攝過程中受城市內(nèi)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(huán)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(xiàn)從不同角度、方向獲取城市內(nèi)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(yōu)勢非常明顯。

在城市測繪工作中，對數(shù)據(jù)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(huán)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(yōu)勢使無人機在低空飛行攝影過程中，可以對城市內(nèi)部一些復雜區(qū)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(chǎn)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(shù)據(jù)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(qū)域，必須以更加直觀的影像數(shù)據(jù)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(nèi)部搭載的數(shù)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(jié)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(shù)據(jù)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(nèi)部一些重點區(qū)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(tǒng)航空攝影和地面攝影在工作時出現(xiàn)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(shù)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(xiàn)全攝影測量工作模式。

4 結(jié)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(fā)展，無人機在城市高效精細化的數(shù)據(jù)信息獲取方面發(fā)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(fā)展，有效助力城市化融合和信息化融合，輔助數(shù)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(shù)字城市的建設和發(fā)展。