方向约束编码下的多层栅格耦合：无人机三维路径规划的离散空间建模方法

针对城市低空无人机三维路径规划中传统方法难以量化空域通行规则及缺乏高度维动态约束的问题，本研究提出一种基于方向约束编码的多层栅格耦合离散空间建模方法。

项目以深圳市福田区华强北周边片区为试验区，将连续空域转化为带方向通行约束的多层栅格网络，并在 ArcGIS Pro 中完成三维路径生成与场景可视化。

输入数据包括建筑轮廓及其高度属性、DEM、研究区边界和起终点三维坐标。预处理阶段先对建筑生成 5 m 安全缓冲区，再将建筑高度与 DEM 叠加，得到同时表达地形与建筑障碍的绝对高度栅格。

模型以 1 m 栅格作为平面计算单元，并按 5 m 高程间隔切分空域。每个高度层经二值化形成可飞行适宜性栅格，再批量计算方向栅格，从而以多个二维切片逼近三维空域拓扑。

方向编码受到 GIS 水文分析 D8 流向规则启发：算法遍历各层像元，将可通行方向组合编码为栅格值。例如，编码值 239 表示除正西方向外的其余方向均可通行。

路径搜索以多层方向栅格和起终点坐标（X、Y、Z）为输入，在三维 A* 框架中预计算 14 类复合移动方向，包括 8 个水平移动、2 个垂直升降和 4 个斜向移动，使搜索过程能够在平面与高度层之间联动。

启发函数采用三维加权曼哈顿距离，并结合默认 1.5 的启发式权重、平面 3 像元与高度 10 m 的终点容差控制搜索规模。计算结果首先输出带高程的点集，再转换为含 Z 值的三维线要素。

项目分别测试无权重与加权模式：无权重模式主要求解避障条件下的最短路径；加权模式可配置转弯与升降成本，并结合输出点简化策略，在路径长度、转向次数和可视化平滑性之间进行调整。

华强北案例在 ArcGIS Pro 局部场景中叠加建筑模型与三维路径，验证了路径绕行建筑障碍、跨高度层移动以及 Z 值线要素输出流程。生成结果可继续用于路径长度统计、碰撞检查和不同权重方案比较。

当前模型主要验证静态障碍环境下的三维最短路径搜索，尚未纳入禁飞区、无人机性能参数、动态天气和实时交通等约束；算法模块化与多目标求解能力仍需进一步完善。

项目获 2025 年易智瑞杯中国大学生 GIS 软件开发竞赛地理设计组一等奖，成绩位于参赛作品前 1.4%。