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

張濤　劉瑞　葛亮　高國慶　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，對電力鐵塔進(jìn)行三維建模。為了提高三維建模的精度，對無人機(jī)影像進(jìn)行三維重建。結(jié)果表明，RTK的定位模式能滿足鐵塔建模的要求，結(jié)合無人機(jī)影像三維重建技術(shù)，可提高精度。

[關(guān)鍵詞]RTK技術(shù);無人機(jī);鐵塔;三維建模

doi：10.3969/j.issn.1673 - 0194.2021.04.043

[中圖分類號]TM75[文獻(xiàn)標(biāo)識碼]A[文章編號]1673-0194（2021）04-00-03

0 ? ? 引 言

在過去，電力部門對鐵塔數(shù)據(jù)的收集主要依靠人力，采用經(jīng)緯儀、測高桿等專業(yè)儀器對鐵塔數(shù)據(jù)進(jìn)行收集。這種方式不僅對人力要求較高，而且檢測結(jié)果不準(zhǔn)確，檢測效率較低，已經(jīng)難以滿足現(xiàn)代電網(wǎng)運營和管理工作的精細(xì)化和高效化要求[1-2]。無人機(jī)具有視野廣闊、飛行高度可靈活變化等特點，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，因此，無人機(jī)測量成為電力部門常用的一種測量方式。特別是基于RTK技術(shù)的無人機(jī)，可實現(xiàn)實時動態(tài)測量，并且可同時搭載紅外熱像儀、可見光數(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、可見光等，能顯著提高測量的精度[3-5]。大疆精靈Phantom 4 RTK是一款目前市面上常見的小型多旋翼高精度航測無人機(jī)，主要用于對低空進(jìn)行測量，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，航測效率高。而將基于RTK技術(shù)的無人機(jī)應(yīng)用于鐵塔三維建模中，具有更高的測量精度，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)的無人機(jī)應(yīng)用于鐵塔三維建模的流程

1.1 ? 無人機(jī)數(shù)據(jù)采集

采用大疆精靈Phantom 4 RTK智能無人機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。該無人機(jī)搭載2 000萬有效像素的攝像設(shè)備，可實現(xiàn)1.5 cm左右的垂直定位和1 cm左右的水平定位。通過無人機(jī)中內(nèi)置的圖像補(bǔ)償器，對相機(jī)的中心點進(jìn)行自動校對。在采集數(shù)據(jù)時，需要確定測定區(qū)域的位置，對測定區(qū)域內(nèi)無人機(jī)的飛行航線進(jìn)行合理規(guī)劃。若測定區(qū)域環(huán)境比較差，首先應(yīng)該將區(qū)域劃分成多個測定區(qū)域，對于每個區(qū)域，根據(jù)面積和長度的大小，合理規(guī)劃飛機(jī)的飛行架次和飛行時間[6-7]。對于數(shù)據(jù)采集的方式，一般采用1個垂直、4個傾斜的方式來進(jìn)行，飛行高度約為離地面50 m，旁向的測量范圍重疊面積為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，主要使用專業(yè)的數(shù)據(jù)處理軟件，如果CASS9.1等。通過這些軟件，根據(jù)RTK采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行地形圖繪制。野外測量中可能會使用全站儀等設(shè)備進(jìn)行輔助測量，因此，在繪制地形圖的過程中，需要將不同儀器設(shè)備測量到的數(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]。對于RTK數(shù)據(jù)的處理，具體流程如圖2所示。

1.3 ? 無人機(jī)數(shù)據(jù)處理

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

對于無人機(jī)數(shù)據(jù)的處理，首先應(yīng)該篩選無人機(jī)影像所采集到的數(shù)據(jù)，對于明顯不符合實際的數(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)可以自動寫入影像中。其次，在Smart3D軟件中設(shè)置好參數(shù)，根據(jù)測量區(qū)域的范圍進(jìn)行自動攝影和三維實景建模。再次，通過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]。無人機(jī)數(shù)據(jù)處理流程如3所示。

2 ? ? 無人機(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位姿及大量連接點后，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)雜的影像位置估計運算，在得到影像匹配結(jié)果后，該方法只需估計影像全局一致旋轉(zhuǎn)參數(shù)，并將其轉(zhuǎn)換至標(biāo)準(zhǔn)坐標(biāo)系下，就可以實時獲取影像位姿初值，重建效率高。但是，重建精度依賴于RTK精度，需要搭載單點定位高精度RTK的無人機(jī)。而大疆精靈Phantom 4 RTK無人機(jī)可有效解決此問題。

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)換可以通過相機(jī)在全局坐標(biāo)系下的相對平移和RTK坐標(biāo)系下平移之間的對準(zhǔn)來實現(xiàn)。

對于像對（i， j），假設(shè)影像i和j由本質(zhì)矩陣分解得到的相對平移方向向量為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，相對平移方向向量為Tij=Rjtij，而在RTK坐標(biāo)下，兩相機(jī)中心近似相對平移為：

RTKij=RTKj-RTKi（1）

其中，RTKi和RTKj為RTK記錄的影像i和j對應(yīng)位置，二者之間的關(guān)系可通過式（2）來描述：

（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的問題是一個正交Procrustes問題，可以利用奇異值分解法（Singular Value Decomposition，SVD）解決。得到Rtrans后，對全局進(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提取算法提取多視匹配點，由影像位姿參數(shù)進(jìn)行三角化運算（攝影測量中前方交會），得到點的三維坐標(biāo)。可以李瑩 等[13]提出的方法，選取攝像基線最長的兩個視圖來進(jìn)行三角化，并根據(jù)重投影誤差對三維點進(jìn)行篩選，保留重投影誤差小于一定閾值的點，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，該方法運用了三視幾何約束條件，由于無人機(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，這樣就帶來了大量的三焦張量計算、三視匹配點重建等相關(guān)計算[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)的計算，大大簡化了求解問題，同時全局一致旋轉(zhuǎn)參數(shù)解算效率較高，計算用時少，有效提高了三維建模的精度。

3 ? ? 結(jié) 語

基于RTK技術(shù)的無人機(jī)在鐵塔三維建模中的精度要求較高，可以通過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)的無人機(jī)進(jìn)行鐵塔三維建模時，還要加強(qiáng)對鐵塔附近的樹木、建筑物對構(gòu)建三維實景模型的影像和空地影像聯(lián)合建模的影響的研究。

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