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        基于RTK技術(shù)的無(wú)人機(jī)應(yīng)用于鐵塔三維建模中的精度分析

        2021-03-16 02:47:24張濤劉瑞葛亮高國(guó)慶許志勇
        中國(guó)管理信息化 2021年4期
        關(guān)鍵詞:RTK技術(shù)三維建模鐵塔

        張濤 劉瑞 葛亮 高國(guó)慶 許志勇

        [摘 要]文章主要采用大疆精靈Phantom 4 RTK技術(shù)進(jìn)行桿塔數(shù)據(jù)采集,影像坐標(biāo)采用自帶的RTK定位模塊。在此基礎(chǔ)上,對(duì)電力鐵塔進(jìn)行三維建模。為了提高三維建模的精度,對(duì)無(wú)人機(jī)影像進(jìn)行三維重建。結(jié)果表明,RTK的定位模式能滿(mǎn)足鐵塔建模的要求,結(jié)合無(wú)人機(jī)影像三維重建技術(shù),可提高精度。

        [關(guān)鍵詞]RTK技術(shù);無(wú)人機(jī);鐵塔;三維建模

        doi:10.3969/j.issn.1673 - 0194.2021.04.043

        [中圖分類(lèi)號(hào)]TM75[文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼]A[文章編號(hào)]1673-0194(2021)04-00-03

        0 ? ? 引 言

        在過(guò)去,電力部門(mén)對(duì)鐵塔數(shù)據(jù)的收集主要依靠人力,采用經(jīng)緯儀、測(cè)高桿等專(zhuān)業(yè)儀器對(duì)鐵塔數(shù)據(jù)進(jìn)行收集。這種方式不僅對(duì)人力要求較高,而且檢測(cè)結(jié)果不準(zhǔn)確,檢測(cè)效率較低,已經(jīng)難以滿(mǎn)足現(xiàn)代電網(wǎng)運(yùn)營(yíng)和管理工作的精細(xì)化和高效化要求[1-2]。無(wú)人機(jī)具有視野廣闊、飛行高度可靈活變化等特點(diǎn),可以不受設(shè)備設(shè)施高度的限制,能充分發(fā)揮近距離拍攝和數(shù)據(jù)圖像處理的優(yōu)勢(shì),因此,無(wú)人機(jī)測(cè)量成為電力部門(mén)常用的一種測(cè)量方式。特別是基于RTK技術(shù)的無(wú)人機(jī),可實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)測(cè)量,并且可同時(shí)搭載紅外熱像儀、可見(jiàn)光數(shù)碼相機(jī)等設(shè)備,利用這些設(shè)備能有效搜集獲取輸電走廊的紅外影像資料、可見(jiàn)光等,能顯著提高測(cè)量的精度[3-5]。大疆精靈Phantom 4 RTK是一款目前市面上常見(jiàn)的小型多旋翼高精度航測(cè)無(wú)人機(jī),主要用于對(duì)低空進(jìn)行測(cè)量,具有非常高的成像系統(tǒng)和導(dǎo)航定位系統(tǒng),而且體積較小,攜帶方便,航測(cè)效率高。而將基于RTK技術(shù)的無(wú)人機(jī)應(yīng)用于鐵塔三維建模中,具有更高的測(cè)量精度,可為鐵塔三維建模提供更為精準(zhǔn)的技術(shù)保障。

        1 ? ? 基于RTK技術(shù)的無(wú)人機(jī)應(yīng)用于鐵塔三維建模的流程

        1.1 ? 無(wú)人機(jī)數(shù)據(jù)采集

        采用大疆精靈Phantom 4 RTK智能無(wú)人機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。該無(wú)人機(jī)搭載2 000萬(wàn)有效像素的攝像設(shè)備,可實(shí)現(xiàn)1.5 cm左右的垂直定位和1 cm左右的水平定位。通過(guò)無(wú)人機(jī)中內(nèi)置的圖像補(bǔ)償器,對(duì)相機(jī)的中心點(diǎn)進(jìn)行自動(dòng)校對(duì)。在采集數(shù)據(jù)時(shí),需要確定測(cè)定區(qū)域的位置,對(duì)測(cè)定區(qū)域內(nèi)無(wú)人機(jī)的飛行航線(xiàn)進(jìn)行合理規(guī)劃。若測(cè)定區(qū)域環(huán)境比較差,首先應(yīng)該將區(qū)域劃分成多個(gè)測(cè)定區(qū)域,對(duì)于每個(gè)區(qū)域,根據(jù)面積和長(zhǎng)度的大小,合理規(guī)劃飛機(jī)的飛行架次和飛行時(shí)間[6-7]。對(duì)于數(shù)據(jù)采集的方式,一般采用1個(gè)垂直、4個(gè)傾斜的方式來(lái)進(jìn)行,飛行高度約為離地面50 m,旁向的測(cè)量范圍重疊面積為60%,具體采集流程如圖1所示。

        1.2 ? RTK數(shù)據(jù)處理

        在進(jìn)行RTK數(shù)據(jù)處理時(shí),主要使用專(zhuān)業(yè)的數(shù)據(jù)處理軟件,如果CASS9.1等。通過(guò)這些軟件,根據(jù)RTK采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行地形圖繪制。野外測(cè)量中可能會(huì)使用全站儀等設(shè)備進(jìn)行輔助測(cè)量,因此,在繪制地形圖的過(guò)程中,需要將不同儀器設(shè)備測(cè)量到的數(shù)據(jù)進(jìn)行格式轉(zhuǎn)化,都轉(zhuǎn)化成CASS9.1軟件可以導(dǎo)入的格式[8-9]。對(duì)于RTK數(shù)據(jù)的處理,具體流程如圖2所示。

        1.3 ? 無(wú)人機(jī)數(shù)據(jù)處理

        無(wú)人機(jī)數(shù)據(jù)處理使用的是Smart3D 4.4.9和EPS2016三維測(cè)圖軟件。其中,Smart3D軟件主要是將無(wú)人機(jī)影像數(shù)據(jù)進(jìn)行正投影像和三維模型建設(shè);EPS2016三維測(cè)圖軟件主要是根據(jù)Smart3D軟件獲得的正射影像和三維實(shí)景模型進(jìn)行三維測(cè)圖。

        對(duì)于無(wú)人機(jī)數(shù)據(jù)的處理,首先應(yīng)該篩選無(wú)人機(jī)影像所采集到的數(shù)據(jù),對(duì)于明顯不符合實(shí)際的數(shù)據(jù)、模糊的影像圖片等進(jìn)行剔除[10]。采用大疆Phantom 4 RTK采集的POS數(shù)據(jù)可以自動(dòng)寫(xiě)入影像中。其次,在Smart3D軟件中設(shè)置好參數(shù),根據(jù)測(cè)量區(qū)域的范圍進(jìn)行自動(dòng)攝影和三維實(shí)景建模。再次,通過(guò)EPS2016軟件進(jìn)行地形圖繪制。該方法受地形和環(huán)境的影響較小,效果較高[11-12]。無(wú)人機(jī)數(shù)據(jù)處理流程如3所示。

        2 ? ? 無(wú)人機(jī)影像三維重建精度分析

        2.1 ? 利用三視圖約束的全局式重建

        所謂全局式重建,是指在得到兩兩影像相對(duì)位姿及大量連接點(diǎn)后,利用一定約束條件一次性求解所有影像在全局統(tǒng)一坐標(biāo)系的位姿,然后只需進(jìn)行一次光束法平差進(jìn)行優(yōu)化。該方式較依賴(lài)迭代優(yōu)化架構(gòu)的增量式方法,重建效率高。全局式重建處理流程如圖4所示。

        利用三視圖約束的全局式重建對(duì)三維模型構(gòu)建的精度主要體現(xiàn)在搜索三視圖的匹配情況,匹配率對(duì)三維精度構(gòu)建具有最為直接的影響。

        2.2 ? RTK輔助重建

        RTK輔助的三維重建,是指將無(wú)人機(jī)所搭載的RTK收集到的信息作為影像位置概略初值的三維重建方法。圖5為RTK輔助重建流程圖。

        利用RTK輔助的三維模型重建,RTK數(shù)據(jù)精度對(duì)三維建模的精度影響較為明顯。

        2.3 ? 精度影響及分析

        由于基于RTK技術(shù)的三維建模不需要進(jìn)行復(fù)雜的影像位置估計(jì)運(yùn)算,在得到影像匹配結(jié)果后,該方法只需估計(jì)影像全局一致旋轉(zhuǎn)參數(shù),并將其轉(zhuǎn)換至標(biāo)準(zhǔn)坐標(biāo)系下,就可以實(shí)時(shí)獲取影像位姿初值,重建效率高。但是,重建精度依賴(lài)于RTK精度,需要搭載單點(diǎn)定位高精度RTK的無(wú)人機(jī)。而大疆精靈Phantom 4 RTK無(wú)人機(jī)可有效解決此問(wèn)題。

        全局一致旋轉(zhuǎn)參數(shù)可以利用最小二乘方法求解。然后,需要將全局一致轉(zhuǎn)換至RTK坐標(biāo)系下,以實(shí)現(xiàn)影像位置和姿態(tài)坐標(biāo)系的統(tǒng)一。該轉(zhuǎn)換可以通過(guò)相機(jī)在全局坐標(biāo)系下的相對(duì)平移和RTK坐標(biāo)系下平移之間的對(duì)準(zhǔn)來(lái)實(shí)現(xiàn)。

        對(duì)于像對(duì)(i, j),假設(shè)影像i和j由本質(zhì)矩陣分解得到的相對(duì)平移方向向量為tij,影像j的全局一致性旋轉(zhuǎn)矩陣為Rj,則在全局坐標(biāo)系下,相對(duì)平移方向向量為T(mén)ij=Rjtij,而在RTK坐標(biāo)下,兩相機(jī)中心近似相對(duì)平移為:

        RTKij=RTKj-RTKi(1)

        其中,RTKi和RTKj為RTK記錄的影像i和j對(duì)應(yīng)位置,二者之間的關(guān)系可通過(guò)式(2)來(lái)描述:

        (2)

        其中,,為RTK坐標(biāo)系下相機(jī)平移方向向量;Rtrans即為要求的兩坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換矩陣。

        求解Rtrans的問(wèn)題是一個(gè)正交Procrustes問(wèn)題,可以利用奇異值分解法(Singular Value Decomposition,SVD)解決。得到Rtrans后,對(duì)全局進(jìn)行旋轉(zhuǎn)變換,就得到了與RTK坐標(biāo)一致的影像姿態(tài)參數(shù)。然后,利用并查集的多視匹配點(diǎn)提取算法提取多視匹配點(diǎn),由影像位姿參數(shù)進(jìn)行三角化運(yùn)算(攝影測(cè)量中前方交會(huì)),得到點(diǎn)的三維坐標(biāo)??梢岳瞵?等[13]提出的方法,選取攝像基線(xiàn)最長(zhǎng)的兩個(gè)視圖來(lái)進(jìn)行三角化,并根據(jù)重投影誤差對(duì)三維點(diǎn)進(jìn)行篩選,保留重投影誤差小于一定閾值的點(diǎn),與影像位置、姿態(tài)參數(shù)一起進(jìn)行光束法平差優(yōu)化。

        基于三視圖約束的全局方法在一次性估計(jì)出影像全局一致位姿參數(shù)后,只需要進(jìn)行一次光束法平差,因而,重建效率較增量法有了明顯提高。但是,為了保證重建的穩(wěn)健性,該方法運(yùn)用了三視幾何約束條件,由于無(wú)人機(jī)影像重疊度較大,三度重疊甚至多度重疊的情況極為普遍,這樣就帶來(lái)了大量的三焦張量計(jì)算、三視匹配點(diǎn)重建等相關(guān)計(jì)算[14]。而RTK輔助的重建方法直接利用RTK數(shù)據(jù)作為位置參數(shù)初始值,避免了影像全局一致位置參數(shù)的計(jì)算,大大簡(jiǎn)化了求解問(wèn)題,同時(shí)全局一致旋轉(zhuǎn)參數(shù)解算效率較高,計(jì)算用時(shí)少,有效提高了三維建模的精度。

        3 ? ? 結(jié) 語(yǔ)

        基于RTK技術(shù)的無(wú)人機(jī)在鐵塔三維建模中的精度要求較高,可以通過(guò)全局式重建方法利用三視幾何約束剔除粗差,也可以結(jié)合RTK輔助重建技術(shù),保證圖像重建的穩(wěn)健性。在以后的研究中,利用基于RTK技術(shù)的無(wú)人機(jī)進(jìn)行鐵塔三維建模時(shí),還要加強(qiáng)對(duì)鐵塔附近的樹(shù)木、建筑物對(duì)構(gòu)建三維實(shí)景模型的影像和空地影像聯(lián)合建模的影響的研究。

        主要參考文獻(xiàn)

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