【案例分享】条带状测区三维模型方案最优解:北江大堤交叉环绕飞行实战教学

2022-10-17 10:50
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水利设施因地形因素,多为狭长的条带状测区。传统飞行方式多采用旋翼机搭载五镜头相机,对于条带状测区,传统采集方法受限于旋翼机续航能力及五镜头飞行航线设置存在诸多痛点。首先我们对续航问题进行讨论:


1.   条带状测区一般走向距离相对较长,对于有效续航时间普遍在30分钟内的旋翼机需要多个架次才能完成任务。

2.   条带状测区跨度较大,需要分段对测区进行采集。测区跨度越大,无人机续航能力越弱则测区分段越多造成频繁更换起降点,导致作业效率大幅下降。


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           另一方面五镜头在采取直线航线的策略下,需要极高的旁向重叠率来保证后续建模精度,这就导致航线需要外扩很多。一般外扩宽度为一个航高,约为5条航线:

条状带测区范围内仅3条航线,而上下则需各外扩5条航线,导致航时过长,采集效率过低。另一方面外扩航线过多会造成航片大量冗余,加大了后续内业处理难度。


上方阐述了传统五镜头采集存在的诸多问题,那么接下来我们便对这些痛点进行一一解决。相比旋翼机,在条状带测区我们推荐续航能力更长的固定翼无人机(普遍有效续航时间为90-180分钟),多数情况下一个架次便可完成任务。第二个方法便是对航线进行优化同样可以大幅提高作业效率:


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部分条带状测区拐角比较大,如上方红圈标示位置。固定翼飞机在进行大角度转向时无法保持稳定航姿影响航片拍摄。所以需要分段飞行后,在拐角处进行拼接处理。而环绕航线则不存在此类问题:

 

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上图直线策略航线覆盖的范围远大于环绕策略,因为单圈环绕拍摄的范围足够覆盖条带状测区的宽度,所以无需对测区进行外扩。

下面我们进入实战环节!北江大堤位于北江下游左岸的堤防,是广州市防御西江和北江洪水的重要屏障,国家一级堤防


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我们先以大疆M300搭载禅思P1相机采用交叉环绕飞行对北江大堤仿真模拟,因救援公路为大堤配套设施,所以航线规划如下:


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由于水利等设施对精度要求相对不高,分辨率采用2cm/px即可。禅思P1可使用的镜头焦距为24mm35mm50mm,在云台较为稳定的情况下,长焦镜头拍摄的航片分辨率更为均匀有利于后续建模,所以选取50mm镜头,在确定分辨率和镜头焦距后便可推算出航高为161m。通过查询备查表(插入链接单镜头交叉环绕航线三维建模的核心参数设置备查表),此航线高度下50%推进比可观测到的建筑物最高上限为85米满足需求:


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航线规划完成后,地面站软件会自动计算出飞行时长,本次航线总用时约为2小时50分。考虑到M300有效续航时间为30分钟,所以本次任务需要将测区进行六等分,分别设置各自区段的起降点,我们以其中一段为例,航线规划完成后检查重叠率:


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完成本次任务加上变更起降点共用时3小时50分,总航程80.5km,共拍摄航片4202张。接下来我们分别将设备更换成旋翼机+五镜头与固定翼+单镜头再次对相同测区进行模拟,对比数据如下:


表格1:交叉环绕飞行对比传统五镜头采集


航程(km)
总照片数(张)有效照片(张)数据预处理(min)航线用时(h)外业总用时(h)
大疆M300+赛尔102s

115.6

17371

10422

25

4.5

6

大疆M300+禅思P1

80.5

3619

3619

10

3

4

横空6A + 61MP

80.3

3580

3580

10

1.5

1.5



固定翼无人机鉴于其更长的续航能力与更快的飞行速度(旋翼机飞行速度约为8m/s,固定翼飞行速度约为17m/s),不需要对测区进行分段飞行,仅使用1.5小时便完成了任务,效率提高了两倍。


通过上述仿真模拟,本次设备采用最具效率的横空6A搭载6100万像素61MP相机,航高188米,推进比50%,仅飞行一个架次便完成任务,用时1小时24分。外业采集完成后进行空中三角测量计算:


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本次项目建模区域为1.97平方公里,拍摄航片共3612张,计算机集群采用1台主机带5台辅机任务共用时22小时,平均每台计算机处理单个瓦片大约耗时40分钟。本次案例最终获取的成果如下图所示:


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通过本次案例,交叉环绕飞行作为当前针对水利设施等条带状测区最为经济的方案,其经济性主要体现在以下几个方面:


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80%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61MP 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。

     

            上述结论阐明了交叉环绕飞行在条带状建模具有极大的优势,除堤坝外,同样适用于公路,道路巡检,管道等条带状测区。




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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