面向5G的立體影像采集系統(tǒng)在通信中的應(yīng)用

王星，王欣玥

（中國移動通信集團設(shè)計院有限公司，北京 100080）

面向5G的立體影像采集系統(tǒng)在通信中的應(yīng)用

王星，王欣玥

（中國移動通信集團設(shè)計院有限公司，北京 100080）

面向5G大連接，通信基站布局、天線布放將會有大規(guī)模調(diào)整，這就需要一種高效、精確、可復(fù)現(xiàn)的方法，對基站天線等基礎(chǔ)設(shè)施和環(huán)境信息進(jìn)行立體影像采集，形成立體影像的三維數(shù)字化點云。通過對通信基站立體影像采集系統(tǒng)的研究，開展了落地鐵塔和樓頂天面兩類典型基站場景的三維數(shù)字化采集和建模，提出了一套面向5G的立體影像采集系統(tǒng)，提升了勘察和規(guī)劃設(shè)計的效率，累積了通信行業(yè)數(shù)字資產(chǎn)。

無線通信 立體影像采集 三維數(shù)字點云 無人機

1 引言

5G大連接、高密度、高速率的特性對現(xiàn)有數(shù)百萬移動通信基站的布局、設(shè)備配置、天線布放都提出了調(diào)整和變動的要求，這就需要一種高效、精確、可復(fù)現(xiàn)的方法，對基站的塔、房、天線等基礎(chǔ)設(shè)施和環(huán)境信息進(jìn)行采集，達(dá)到可測、可觀、易存儲、可復(fù)現(xiàn)的效果。

通信勘察的核心任務(wù)是采集通信工程項目建設(shè)需要的數(shù)據(jù)，如基站經(jīng)緯度、海拔高度、基站塔房和設(shè)備的安裝情況、無線傳播環(huán)境信息等，傳統(tǒng)的勘察方式是勘察人員在現(xiàn)場畫草圖、填表和拍照片，最終繪制成平面圖紙。傳統(tǒng)方式的問題在于對信息處理過程進(jìn)行了抽象，不能完全反映現(xiàn)場實景，難以電子復(fù)現(xiàn)；記錄的疏漏和誤差不可避免，精度有限，成果難以復(fù)測和復(fù)核；人員必須到安裝現(xiàn)場測繪，受交通、環(huán)境安全、設(shè)施管理的因素影響大，勘察效率低[1]。文中提出隨著輕小型無人機硬件的飛速發(fā)展，各個行業(yè)利用無人機搭載數(shù)據(jù)采集設(shè)備實現(xiàn)行業(yè)應(yīng)用的現(xiàn)象越來越普及，如電力巡線、國土資源普查、農(nóng)林地礦行業(yè)應(yīng)用等，通信行業(yè)的勘察工作也可以利用無人機搭載數(shù)據(jù)采集設(shè)備來提升效率和質(zhì)量[2]。對無人機數(shù)據(jù)處理及其精度進(jìn)行了分析，指出可以提取照片中的各項信息來進(jìn)行匹配和空三平差，再進(jìn)行點云加密，可以得到一個精度可控的帶有地理信息坐標(biāo)的三維模型把物體包括周邊的環(huán)境還原出來。因此，用無人機作為通信基礎(chǔ)設(shè)施立體影像的采集承載手段在技術(shù)方面是可行的。

2 通信基礎(chǔ)設(shè)施立體影像采集系統(tǒng)

關(guān)于無人機在通用測繪領(lǐng)域的應(yīng)用，文獻(xiàn)[3]和文獻(xiàn)[4]分別給出了無人機移動測量系統(tǒng)工作流程和無人機測繪成圖的工作流程。通信基礎(chǔ)設(shè)施立體影像采集有其特殊的復(fù)雜性。通信基站除少數(shù)高山、高鐵、村通基站外，大多設(shè)置在人口密集的地區(qū)，傳播環(huán)境復(fù)雜，基站的密度可達(dá)到每平方公里5～8個?；咎炀€的絕對高度一般不超過50 m，每個站點的天線數(shù)量，隨通信系統(tǒng)數(shù)的增加而不斷進(jìn)行調(diào)整，同時隨著共建共享的推進(jìn)，多運營商共享一個站點，使得一個站點甚至有幾十副天線。通信網(wǎng)絡(luò)的質(zhì)量在很大程度上取決于站點傳播環(huán)境和位置、天線高度、天線方位角的設(shè)計精度。隨著5G商用的臨近，宏、微、皮、飛立體組網(wǎng)的構(gòu)架將使得基站密度進(jìn)一步提升，而覆蓋距離的縮小，使天線掛高不斷下降、天線點位密度不斷增加，使得干擾控制成了重點，這又反過來更加要求站點布局、天線方位角和天線傾角的精確勘測和規(guī)劃設(shè)計。

基于上述因素，通信基礎(chǔ)設(shè)施立體影像采集系統(tǒng)有如下特征：

（1）無人機起降條件受限；

（2）無人機的體積受限導(dǎo)致載荷受限；

（3）需要在不同平面懸停；

（4）測量范圍有限；

（5）測量精度要求較高（絕對誤差5 cm～10 cm）；

（6）搭載的設(shè)備能滿足20 m距離內(nèi)對勘察對象和周邊場景進(jìn)行記錄；

（7）采集的數(shù)據(jù)處理后能形成數(shù)字化點云，能對勘察對象和周邊場景進(jìn)行三維建模和全景可測、可觀、可存儲、可復(fù)現(xiàn)。

多懸翼無人機相比固定翼無人機，對起降場地要求低，能夠按需在不同平面懸停作業(yè)。而根據(jù)民航局標(biāo)準(zhǔn)，起飛空機重量不大于4 kg且起飛全重不大于7 kg的二類無人機受限制較少。因此二類多懸翼無人機適合本場景使用。

三維建模和立體影像全景復(fù)現(xiàn)可以通過多種手段實現(xiàn)，其中搭載設(shè)備常用的兩種方式是激光掃描+拍照設(shè)備或可見光成像設(shè)備。如表1所示，在精度可控的條件下，從性價比角度優(yōu)選可見光成像。

表1 搭載設(shè)備常用的兩種方式對比表

其中，對于可見光成像設(shè)備+后處理方式，系統(tǒng)的測量精度取決于地面分辨率（GSD），通過控制圖像質(zhì)量、圖像重疊度、增加控制點等手段，用PIX4D、SMART3D等軟件處理能達(dá)到1～3個GSD的精度。如公式（1）所示：

GSD（cm）計算公式：

Sw：傳感器寬度（mm）；

A：高度（m）；

Iw：影像寬度；

F：焦距（mm）。

為了后期能夠精確地進(jìn)行處理，一般采用定焦相機，傳感器寬度和焦距是同量級的，由公式（1）可見，若理論上要在30 m的拍攝距離達(dá)到厘米級分辨率，影像寬度是關(guān)鍵因素，照片寬度至少需要達(dá)到4 000左右，即需要照片達(dá)到1 200萬像素以上。實踐中，照片達(dá)到2 000萬像素為最佳。

綜上所述，本文給出通信中采用的立體影像采集、圖像處理、成果生成的系統(tǒng)流程圖如圖1所示。

3 誤差控制與實證研究

本文采用輕小無人機搭載2 000萬可見光定焦成像設(shè)備，利用PIX4D后處理軟件，進(jìn)行了實證研究。

圖1 立體影像成果生成流程圖

3.1 誤差分析

當(dāng)搭載索尼QX30U相機，在距離天線20 m的范圍進(jìn)行可見光立體影像采集作業(yè)時，根據(jù)公式（1），GSD=0.54 cm（距離20 m，2 000萬像素照片像素寬度5 184，QX30U的焦距為3.7 mm，傳感器寬度5.16 mm），軟件處理后理想的系統(tǒng)誤差在0.5 cm至1.5 cm（1-3GSD），滿足通信工程需要。

3.2 對無人機拍攝、圖像處理的要求

通信基礎(chǔ)設(shè)施立體影像采集系統(tǒng)對無人機拍攝、相機、圖像處理也有一定的要求。文獻(xiàn)[1]對飛行方案和飛行方式進(jìn)行了研究，指出近距離、蛇形平飛，可以保證采集的數(shù)據(jù)精度滿足建模要求。文獻(xiàn)[2]對可見光后處理三維誤差進(jìn)行研究，指出線段長度由線段在三維空間的兩個頂點坐標(biāo)Vi和Vj定義，三維空間線段長度的誤差需在頂點被標(biāo)記在至少兩張圖像上時才被估算，三維線段長度的誤差是每個子線上誤差的累積。因此在PIX4D軟件中，在兩張以上圖像中精確標(biāo)注同一個特征點也是提升精度的重要手段。本文總結(jié)實踐中的關(guān)鍵因素如下：

（1）圖像質(zhì)量：航拍后的照片有時會存在噪點較多、曝光過低或過高、運動模糊、GPS/POS數(shù)據(jù)丟失或不同步等現(xiàn)象，要減少這些現(xiàn)象的發(fā)生，一是需要高質(zhì)量的航拍相機，二是無人機平臺本身的控制穩(wěn)定性要好，航拍人員熟練的無人機操控技能也非常重要。

（2）航拍方式：近距離，蛇形平飛，航向重疊度60%～80%。

（3）硬件及相機標(biāo)準(zhǔn)：相機最好和數(shù)據(jù)處理軟件進(jìn)行過匹配校正，避免焦距和傳感器尺寸標(biāo)稱值謬誤。

（4）在勘察場地布置3～8個控制點，并在軟件中，在兩張以上圖像中精確標(biāo)注同一個控制點也是提升精度的重要手段。

3.3 實證研究

本文據(jù)此實地開展了落地塔和樓頂天面兩類典型通信基站場景的三維數(shù)字化采集和建模試驗，并且就天線下傾角角度測量展開了可見光方案和激光掃描測量方案的比對。圖2為可見光和激光測量天線下傾角結(jié)果對比。

測試結(jié)果對比分析表明，兩種方式測量的天線傾角的偏差均值在0.77°以內(nèi)，能夠滿足通信設(shè)計的需求。

實驗結(jié)果表明：輕小無人機搭載2 000萬可見光定焦成像設(shè)備，利用PIX4D后處理軟件可以滿足對基站的塔、房、天線等基礎(chǔ)設(shè)施和環(huán)境信息進(jìn)行采集和數(shù)字化的需要，達(dá)到可測、可觀、易存儲、可復(fù)現(xiàn)的效果。具體效果如圖3和圖4所示。

圖2 可見光和激光測量天線下傾角結(jié)果對比

圖3 樓頂塔房天線建模

4 結(jié)束語

本文通過對通信基站立體影像采集系統(tǒng)的研究，形成了立體影像的三維數(shù)字化點云，并實地開展了落地塔和樓頂天面兩類典型基站場景的三維數(shù)字化采集和建模試驗，提出了一套面向5G的立體影像采集系統(tǒng)，提升了勘察和規(guī)劃設(shè)計的效率，累積了寶貴的通信行業(yè)數(shù)字資產(chǎn)?？紤]到少數(shù)城市無人機的航拍非常困難，下一步需要研究用一些其他搭載方式，如手持、背包、車載方式對基站進(jìn)行立體影像采集。

圖4 落地鐵塔及天線建模

[1]王欣玥,王星,張紅霞,等. 無人機數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)在通信勘查中的應(yīng)用要點[J]. 電信工程技術(shù)與標(biāo)準(zhǔn)化,2017(4)： 7-10.

[2]陳鰲. 無人機影像數(shù)據(jù)在移動通信應(yīng)用方面的幾點看法[J]. 電信工程技術(shù)與標(biāo)準(zhǔn)化, 2017(4)： 23-26.

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[5]張新程,周曉津. LTE空中接口技術(shù)與性能[M]. 北京： 人民郵電出版社, 2009.

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Application of Stereo Image Acquisition System Oriented to 5G in Communications

WANG Xing, WANG Xinyue
(China Mobile Group Design Institute Co., Ltd., Beijing 100080, China)

Communication base station distribution and antenna layout go through the large-scale adjustment due to massive 5G connections. Therefore, an efficient, accurate and reproducible method is necessary, which can acquire the stereo image of the infrastructure such as base station antennas and environment information to form the 3D digital point cloud of the stereo image. The stereo image acquisition system of communication base stations was investigated.The 3D digital acquisition and modeling for two typical base station scenarios including landing tower and roof surface were carried out. A set of stereo image acquisition system oriented to 5G was put forward, which not only enhances the efficiency of the survey and planning, but also accumulates the digital asset of communication industry.

wireless communications stereo image acquisition 3D digital point cloud unmanned aerial vehicle

10.3969/j.issn.1006-1010.2017.20.015

TN98

A

1006-1010(2017)20-0085-04

王星,王欣玥. 面向5G的立體影像采集系統(tǒng)在通信中的應(yīng)用[J]. 移動通信, 2017,41(20)： 85-88.

2017-06-26

責(zé)任編輯：劉妙 liumiao@mbcom.cn

王星：高級工程師，碩士畢業(yè)于北京郵電大學(xué)，現(xiàn)任中國移動通信集團設(shè)計院有限公司無線所咨詢設(shè)計總監(jiān)，長期從事無線通信網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃、工程設(shè)計與技術(shù)研究，主持的工程設(shè)計與規(guī)劃多次獲獎，發(fā)表論文多篇，主要研究方向為無線接入網(wǎng)絡(luò)、共建共享和工程設(shè)計新技術(shù)。

王欣玥：高級工程師，學(xué)士畢業(yè)于北京郵電大學(xué)，現(xiàn)任中國移動通信集團設(shè)計院有限公司黑龍江分公司網(wǎng)優(yōu)部高級咨詢設(shè)計師，從事通信行業(yè)無線專業(yè)設(shè)計、網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化、系統(tǒng)集成工作多年，獲得多項設(shè)計獎項，發(fā)表多篇論文，主要研究方向為無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化和工程設(shè)計新技術(shù)。