【案例分享】横空6Air垂起固定翼搭载三轴云台交叉环绕飞行雄安"公路巡检"案例

2021-06-22 19:19 飞图
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一:项目概况


本次项目为某在建高速公路工程施工进度监控,项目位于河北雄安新区,地处北京、天津、保定腹地。该地区在大清河水系冲积扇上,属太行山麓平原向冲积平原的过渡带,地势平坦,平均海12米,最高约15米,最低约8米,测区面积约5.8平方公里。下图紫线框选区域为本次项目航测范围:


图1:航测范围

由于客户要求成果对地分辨率2.5cm,本次项目对应设备使用横空6Air无人机搭载睿铂M6 6100万像素全画幅相机,设置飞行高度约188m。【产品介绍】飞图横空Aircross 6 Air垂直起降无人机在进行航飞前,对飞行区域进行全域实地踏勘是保证飞机安全作业的重要一环,踏勘内容主要包含:

1.勘察地形地貌,海拔落差。

2.勘察航测范围内及周边地区建筑物高度。

3.风速及风向。

4.云层高度及视野可见度。

5.天气状况。

6.飞鸟等野生动物是否干扰航线。


图2:地形地貌 远处高耸的电塔是踏勘重点

图3:大群飞鸟活动时间在早晨及傍晚

图4:为避开飞鸟应将作业时间约束在早9点至下午15

图5:超过100m高度的电塔

图6:电塔标注高度 激光测距仪实测塔尖离地高度130m

图7:仪器标高

该项目测区属平原地带,从图2可以看出地形一望无际,几乎没有山脉、丘陵等地形落差,主要针对范围为在建公路段及公路两侧,但航迹范围内有大量输电塔,经过实地踏勘,塔高最高130米,其余塔高约100m。为确保飞行作业安全,航高设定为188米,航线避开最高的3个电力塔。航飞当天风速4-5级,云层高度1500米以上,肉眼可视范围1000米以上,天气状况良好适合飞行,但因前期踏勘显示测区范围内飞鸟较多。为避免空中冲撞飞鸟,在观察飞鸟活动时间后将作业时间约束在早9点至下午15点,任务区域划分为4个小区域共3个飞行架次。


二:外业航飞   

为满足精度需求,该项目共布置像控点196,因保密协议本案例无法提供像控点分布图。 外业航飞参数如下表所示:

表格1:雄安项目外业航飞参数
航飞类型
交叉环绕飞行
摄影类型
45°倾斜摄影
航高
188米(相对起飞点)
航向重叠率
76
推进距/推进比
188m/50
分辨率
2.5cm/px
坐标系
国家2000坐标系

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图8:第一架次航迹范围


图9:项目航迹线


图10:航迹重叠率

该项目仅飞行3个架次便完成外业任务,实际飞行时段为9:30am – 15:00pm,总航时约为320分钟。图8中紫色范围线展示了其中一个飞行架次的航迹范围。图9展示了规划完成后的航迹线,黄色线表示无人机飞行轨迹,图10中绿色范围颜色越深表示航迹重叠率高,后续建模精度越高。如果绿色范围颜色过浅,需调整航迹重叠率以保证建模精度。除此之外横空地面站软件还能够预估出各个架次的飞行时间、航程、照片拍摄张数等信息。

图11:横空6AIR无人机起飞

三:数据整理   
在进行内业处理前,需检查以下外业数据:
1.影像文件的完整性,测区内有无漏拍区域。
2.pos记录条数与影像数量是否一致。

3.像控点数量是否与预设一致。


在进行空三处理前,需对飞控系统生成的pos数据格式与后处理软件格式进行筛选与分类处理后再进行空中三角测量。整理后数据如下图所示,照片命名与pos数据需一一对应。


12:图片数据(左)及pos数据(右)


四:空中三角测量

数据整理完成后使用软件进行空三处理。而三维建模软件进行三维重建时,要求各个照片组具备非常精确的属性以及对应的姿态参数,此时可以通过空中三角测量计算对影像定位信息严格配准,选定参数自动准确估算每幅影像的位置、角元素和相机属性,获得缺失的影像信息。项目共取得17789张影像,设计影像中心目标分辨率2.5厘米。为进一步保证建模精度,本次数据会进行两次空三处理,第一次不刺像控点。


图13:蓝色区域为2个架次接边处 重叠率较高


第二次空三处理需刺入像控点,测区共196个像控点,均匀的选取其中71个清晰易判别的作为像控点,剩余的125个点中选取98个易判别的作为检查点,因保密协议本案例无法提供像控点及检查点分布图。空中三角测量完成后,在特征点的三维视图中检查有没有明显的分层或交叉现象:
1.航片是否交叉。
2.特征点在道路或房屋区域是否分层。
3.像控点平面高层误差是否过大。


下图展示了空三视图,由图14可以看出因外业航飞开启地形跟随功能,航片高度有效跟随地面高程起伏,空三计算结果良好有效的保证了后续三维模型重建的精度。



图14:航片位置检查

五:三维模型重建   
完成空三处理后便可进行模型三维重建,本次项目建模区域为5.8平方公里,在单次任务中,属于较大范围模型重建。单台普通计算机很难一次性完成重建计算,所以需搭建计算机集群,并根据集群的配置与性能通过合理调整重建范围及瓦片大小,将上述任务分为若干个大小相同的数据切块并分块进行重建计算。本次采用的计算机集群参数如下表所示:
表格2:计算机集群配置
类别
显卡
处理器
内存
数量
主机
GTX 2080 TI
Intel i7 11700K
64g
1
辅机
GTX 1080 TI
Intel i7 10700
32g
10


模型三维重建参数如下表所示:

表格3:模型三维重建参数
空间坐标系
国家2000坐标系
模型类型
三维纹理模型
输出格式
Osgb
照片压缩率
70%
瓦片数量
721

本次任务共用时43小时,平均每台计算机处理单个瓦片大约耗时40分钟。


六:成果展示   
传统五镜头相机只能通过固定角度对房屋进行采集,在实地情况中,例如房屋屋檐过长,相邻房屋距离过近,树木植被遮盖等情况都会造成部分房屋立面无法进行采集导致房屋模型精度不达标。在后续对模型线划后造成房屋边长与实际情况不符(边长超限)。本次案例通过使用交叉环绕飞行的方式,通过多角度对房屋进行拍摄,有效的对房屋各个立面进行了采集使墙角、檐廊、阳台等房屋要素更加清晰同时保证了模型的精度。另一方面,环绕飞行的航线更短,用时更少,提升了外业作业效率。本次案例最终获取的成果如下图所示:

图15:模型整体展示













表格4展示了其中一个航次所覆盖的检查点坐标,因保密原因对检查点精度表坐标进行了处理但仍然可以看出,模型水平中误差为5.79厘米,高程中误差为6.16厘米。

表格4:检查点精度验证表

比外业更头疼的是内业

相较于外业航拍,内业三维模型重建更是费时费力,外业一天,内业三天是行业内的普遍规律。造成这一原因的有以下几个难点:


1.pos数据难整理。
2.照片数量多占用大量储存空间。
3.刺像控点费时费力。
4.空中三角测量及三维模型重建对计算机性能要求高且耗时过长。

为了对比传统飞行方式,我们使用了五镜头相机对测区再次进行作业,对比数据如下表所示:


表格5传统五镜头相机与单镜头环绕飞行效率对比



传统五镜头
单镜头环绕
效率提升
外业航拍用时
6h
5.5h
8.3%
照片数量
45512
17789
60.9%
空中三角测量(第一次)
30h
10h
66.7%
刺像控点
3h
1.8h
50.0%
空中三角测量(第二次)
20h
9.5h
52.5%
三维模型重建
103h
43h
58.3%


此次数据对比采用了相同的航迹范围以及相同的计算机集群配置,通过上述表格可以看出;
1. 相对固定翼搭载5镜头进行平行航线飞行,单镜头环绕飞行能小幅提高外业航飞效率,但相对使用多旋翼进行采集,由于固定翼飞机的速度优势,以及固定翼长航时特性,减少了多旋翼大面积作业时的机组人员地面转场时间,也避免了旋翼无人机往返起降点的无效航程,因此外业总体效率提升在2倍以上;
2. 相对使用5镜头飞行,减少了70%的航拍照片,且航片有效率为100%,避免了后期整理存储数据成本;
3. 极大提高了各项内业处理的效率,整体内业提升效率为57.9%
4. 极大地降低了采集设备成本,本项目仅使用一台睿铂M6 6100万像素全画幅相机即达到甲方设计要求。而如果本项目使用全画幅多拼相机进行平行航线采集,不仅意味着昂贵的相机采购成本,也将必须使用更大更昂贵的飞行平台,由于大飞机航速较快,在顺风的情况下由于相机拍照间隔的限制,项目几乎不可能使用固定翼+平行航线方式执行。



@部分模型成果视频展示



本项目使用设备详细情况请关注飞图官网www.flytouav.com,请关注飞图公众号,我们将持续更新交叉环绕三维建模的技术细节和案例

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