李雪红，杨 剑，赵焕祯
（1.青岛市城阳区流亭街道办事处，山东 青岛 266033；
2.青岛市勘察测绘研究院，山东 青岛 266033）
随着大数据时代的到来以及互联网、云计算、物联网、地理信息和人工智能技术等新一代先进信息技术的发展，数字城市的建设已经成为了一种新型的城市建设理念。数字城市通过将城市中的地理资源、生态资源和人文社会等各种信息数字化，形成综合数据库和城市虚拟服务平台。通过在信息空间上构建的虚拟城市映像与现实中物理城市空间相互叠加，完善城市基础设施，改变城市面貌，形成虚实相映、孪生互动的城市发展新形态。无人机技术可以对城市范围内的人、事件、基础设施和环境等要素实现实时动态识别和信息采集，借助物联网大数据等技术实现信息数据的全面感知和快速提取，为数字城市的建设提供标准性框架数据、基础性影像资料、关键性坐标信息、实时性视频流及立体化三维场景等重要数据，对推动数字城市的建设和发展具有重要意义。
无人机具备运行成本低、无人员伤亡风险、机动性能好、可进行超视距飞行、使用方便及安全高效等特点，获得了越来越多行业领域的应用。在实景三维数据建设、多类型全景影像建设、国家基础地图测绘、在数字化城市勘探与测绘、海防监视巡查、国土资源调查、土地地籍管理、城市规划、突发事件实时监测、灾害预测与评估、城市交通、网线铺设、环境治理和生态保护等领域都具有广阔的应用前景，对国民经济的发展具有十分重要的现实意义。
1.1 无人机倾斜摄影实景三维技术
无人机倾斜摄影实景三维技术作为自然资源三维信息采集领域重要的技术手段之一，具有高精度、高还原和高效率等特点。按照采集精度分为地形级实景三维、城市级实景三维和部件级实景三维等类型，该技术的应用也为空间规划、城市治理、方案评审、生态修复、历史风貌保护和建设项目测量等工作提供了有力的支撑。无人机倾斜摄影测量系统配备5 台高清摄像机。采集的图像由软件生成，建立点云区域模型。传统航空摄影只能从垂直角度拍摄地物，倾斜摄影则通过在同一平台搭载多台传感器同时从垂直、侧视等不同的角度采集影像，有效弥补了传统航空摄影的局限。
1.2 无人机全景影像技术
无人机全景影像技术作为数字城市数据采集最高效的采集技术之一，具有全方位、真实景和可旋转等特点，给人一种三维空间的视觉感受。按照展示方式可分为空中全景、街道全景和室内全景等几种类型，全景航拍的非凡效果展示带来全新的实景感和交互感，可应用于建筑航拍全景展示、旅游景区航拍、城市全景航拍和工业园区全景航拍等领域。无人机通过定点起飞，飞行至指定地点及高度进行水平和竖直多角度影像采集，获取720°影像数据，然后进行影像处理、特征匹配和图像融合生成全景图像。
1.3 无人机视频回传技术
无人机视频回传技术作为应急保障和信息感知的核心技术之一，具有全方位、全感知、全地域、直观可靠的特点，可提供任意区域的视频信号并实时回传给地面控制中心，实现可靠稳定的无人机直播场景。通过多网融合和带宽聚合提供稳定和高质量的通信网络，通过多物理通道传输保障无人机直播回传时数据、图片和视频的安全。
1.4 无人机目标识别定位技术
无人机目标识别定位技术是一种基于深度学习、3S技术和BDS/GPS 组合定位结合的综合性空中监测技术。利用AI 特征识别和时空关系特征比对算法，自动提取目标物的位置信息，实现“天上看、地上查、网上管”的创新性数字城市管理模式，深度助力智慧城市建设。
1.5 无人机避障和运载技术
无人机避障和运载技术是无人机服务数字城市建设中最常用的一种技术手段。避障主要保障的是无人机服务于城市复杂环境过程中的安全性稳定，运载主要是服务智能物流、智慧农业和智慧监管等领域。避障主要分为超声波避障、红外避障、视觉避障和激光避障几种类型，运载主要是将无人机作为一个搭载平台，运输应急物资等资料实现快速送达服务。
1.6 智能无人机机场技术
智能无人机机场技术整合地空自动化控制技术，具备无人现场值守、自主飞行和自主维护等功能，可组建分布式智能无人机机场网络，适合边境线巡逻、石油管道巡线、高压输电线巡查、森林防火防灾、河流湖泊巡视和城市网状监控等应用场景，在高山、林区、湖区和其他无人区建设大范围的全无人机化监控巡逻系统，实现无人机对定点区域的无人化巡逻，达到最大的资源利用率，节省兵力，降低了无人机巡逻的成本，大大提高项目生产力。
1.7 无人机蜂群技术
无人机蜂群系统按照功能划分为蜂群无人机平台、导航系统、遥测遥控系统和任务载荷等，主要通过控制站和自主控制实现航路规划和飞行控制。虽然无人机蜂群功能各异、种类繁多，但结合无人机蜂群作战特点，可以将其作战流程大致划分为投放准备、发射集结、编队飞行、遂行任务4 个阶段。未来的无人机蜂群将在AI 和大数据的加持下，拥有高度自主控制、决策和机器学习能力，具备态势的自主分析、任务的自主规划、自动化的指挥控制及集群智能的能力。
1.8 无人机微型技术
微型无人机是指尺寸只有手掌大小的飞行器。其将作为士兵可携带的一种战场侦察设备，潜在的作用包括空中监视、生物战剂探测、目标识别、通信中继，甚至能探测到大型建筑物和大型设施的内部情况，是未来无人机发展的重要技术之一。
1.9 无人机智能交互技术
无人机交互技术由单一依靠人来决策向以人为主，人机智能交互决策为辅的方式转变；
感知方式由单一依靠传感器获取特征信息，由人来判断目标属性向基于人工智能的目标识别、特征信息获取的方式转变。控制方式从单机简单遥控、程控方式向人机智能融合交互控制方向发展，不过尚未完全实现自主控制；
体系结构由专用化、单一化向通用化、标准化、互操作性方向发展。应用环境由结构化环境、实验室环境向真实环境转变，并在未来逐步发展成真实环境与虚拟现实相结合的增强现实环境。
数字城市建设的核心思想是通过数字化的手段使地球上的自然、人文和社会等信息数字化、网络化、智能化和可视化，以支撑社会的可持续发展决策。利用无人机技术和GIS 技术，实现城市的由实入虚，再利用物联网、智能化技术，实现城市的由虚入实，通过两者之间不断的虚实互动、持续迭代，最终实现物理世界的最佳有序运行状态。
2.1 数字城市时空数据库建设
时空数据库是支撑数字化、智能化建设的“家底工程”。构建权威统一的时空数字基底，建设数字城市时空信息数据支撑体系，综合运用遥感、地理信息、大数据、IoT 等先进技术手段，集中整合电子地图、遥感影像、实景三维、规划管控数据、土地利用数据、固定资产投资数据、工程建设项目数据、公共专题数据和物联网感知数据，将统一基准的地理信息作为数据承载的基础和互联互通的基底，在一张底图上实现全域土地利用、项目管理、安全应急和企业扶持等数据资源的汇聚与可视化管理应用，打破技术壁垒、消除信息孤岛。
2.2 数字城市时空一体化平台建设
时空一体化平台是时空数据库统一管理、发布、共享的载体，实现对空间数据的统筹管理，包括一致化管理、入库、数据更新、共享及元数据管理等；
以图为底，形成自然、人文、经济、社会的信息链，承载与位置有关的各种信息资源，形成空间信息在线服务资源池，为招商引资、经济产业、应急指挥、城市治理、自然资源和生态环保等提供数据与服务支撑；
提供权威、统一的空间基础信息服务、可视化及分析决策支持平台。
2.3 数字城市感知层保障设备建设
感知层保障设备是系统平台感知层构建和保障系统稳定安全的硬件体系。感知层主要指无人机、智能监控、定位设备、红外设备和各类传感器等物联网设备，是感知城市信息的主要技术手段，是城市实时数据流获取的主要方式，是智慧城市的神经网络，使城市具有快速反应、优化调控及智能感知的能力，有利于实现城市各领域的智慧化建设。
无人机能够实时获取空间信息，是建设完善数字城市时空数据库的重要时段之一，同样也是时空一体化平台重要的感知层设施。借助无人机技术能对城市当中的事件、人、设施和环境等不同要素进行实时动态监控，便于随时采集信息，为数字城市建设提供充足信息。
3.1 无人机技术在时空数据库建设中的应用
地理信息数据作为时空数据库的核心数据之一，是其他类数据的底座。无人机作为地理信息数据采集的主要方式。可通过无人机平台搭载正射镜头、倾斜镜头、全景镜头、激光雷达和视频镜头等设备采集正射影像、倾斜三维、720°全景、基础地形和高保真视频等基础数据，推进数字城市全生命周期的全要素迭代。通过无人机技术建设城市三维场景，可为数字城市建设提供新的解决方案与一体化服务，且逐渐成为城市空间数据框架的重点。通过无人机多源影像数据采集，借助人机交互建立三维建模，可以准确复原建模细节构成，便于输出高空间分辨率真实三角网格模型，减少城市三维建模成本（图1）。
图1 无人机多源时空数据
3.2 无人机技术在时空一体化平台建设中的应用
感知层是时空一体化平台感知城市信息重要的手段之一，而无人机是重要的感知方式之一。可快速应用于违章建筑监管、城市道路监控、环境监控、废弃物管理、城市应急保障和城市级直播等领域。利用视频实时回传技术，建立系统平台与无人机的信号传输机制，实现无人机感知信息与系统平台的融合展示，提升对城市周边环境进行探测和感应的速度，能够全面对城市的各个角落进行动态感知（图2）。
图2 无人机感知信息平台应用
3.3 无人机在低空摄影测量技术中的应用
就测绘工作而言，无人机低空摄影测量技术相较传统的航空摄影技术以及卫星光学遥感摄影技术，具有明显的优势。传统的航空摄影或者卫星光学遥感摄影，在拍摄过程中受城市内部一些超高层建筑体遮挡或高空云层的影响较大。当摄影设备遇到较厚的云层时，云层会遮挡拍摄镜头，导致所收集到的图像信息缺乏真实性。而无人机低空摄影测量，无人机设备可以在较低的高度环境飞行，在整个摄影和测量过程中不会受到高空云层遮挡等因素的干扰，所获得的测绘图像信息具有更高的可信度。通过无人机低空摄影技术的应用可以实现从不同角度、方向获取城市内部不同建筑体的地理位置信息，因此在整个城市测绘工作中抗干扰优势非常明显。
在城市测绘工作中，对数据精确度要求相对较高，相较于其他的测量技术，无人机低空摄影测量技术的应用可以更好地满足测绘单位的工作要求。同时在整个测绘工作中具有良好的安全性和灵活性。无人机在工作过程中受到外部环境变化因素的影响相对较小，同时具有灵活性等特点。这些优势使无人机在低空飞行摄影过程中，可以对城市内部一些复杂区域的建筑影像资料进行准确收集。当无人机或其搭载的相关设备产生故障时，不会对测绘人员的人身安全造成影响。因此，通过无人机低空摄影测量技术的有效应用，不但可以提高测绘数据的准确性，而且整个测绘工作的安全性也可以得到充分保证。
3.4 无人机在应急保障中的应用
对于一些比较复杂同时任务比较紧急的测绘区域，必须以更加直观的影像数据信息作为参考。通过地面无人机控制平台，不仅可以便捷地控制无人机的起降，同时可以实时接收影像，提高整个工作的效率。平台内部搭载的数码传感器可以有效获取高分辨率影像信息，在摄影测量工作结束后，所得到的正射影像可以为城市测绘工作任务提供基础信息资料，提高城市测绘数据的精确性。
通过使用无人机低空摄影测量技术，可以实时获取城市内部一些重点区域多方向及多角度的高分辨率的影像信息，有效解决了传统航空摄影和地面摄影在工作时出现某些视角无法拍摄完全等问题。有效运用无人机低空摄影测量技术不仅可以生成DEM（数字高程模型）和DOM（文档对象模型），还可以从影像信息中直接提取建筑体的纹理，进行三维建模分析和研究。通过该项技术的有效应用，减少了地面拍照人工采集物理纹理的工作流程，真正实现全摄影测量工作模式。
随着无人机实景三维技术、全景影像技术、视频回传技术、目标识别定位技术、避障和运载技术的发展，无人机在城市高效精细化的数据信息获取方面发挥着越来越重要的作用，促进了城市全域信息的三维可视化技术的发展，有效助力城市化融合和信息化融合，辅助数字城市建设过程中各项微观和宏观事件的处理和梳理，推动了城市全生命周期的全要素迭代，保障了数字城市的建设和发展。
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