基于農(nóng)村分布式光伏電站勘測的小型無人機(jī)傾斜攝影系統(tǒng)及試驗

陳 楊，何 勇

基于農(nóng)村分布式光伏電站勘測的小型無人機(jī)傾斜攝影系統(tǒng)及試驗

陳 楊，何 勇※

（浙江大學(xué)生物系統(tǒng)工程與食品科學(xué)學(xué)院，杭州 310058）

建設(shè)農(nóng)村分布式光伏電站前需要人工消耗大量時間攀爬屋頂勘測尺寸，勘測人員生命安全也缺乏有效保障。針對該問題該研究開發(fā)了一款可以快速搭載的小型無人機(jī)五相傾斜攝影相機(jī)ZTRS-M5B，相比于其他傾斜相機(jī)，ZTRS-M5B擁有更好的便攜性和更低的制作成本。使用搭載ZTRS-M5B的無人機(jī)傾斜攝影系統(tǒng)分別對建有分布式光伏電站的農(nóng)村居民住宅區(qū)和工廠區(qū)域進(jìn)行三維建模，并與地面人工實測值進(jìn)行比較來檢驗?zāi)Ｐ途?。結(jié)果表明光伏電站太陽能板的模型傾角和實際傾角高度相關(guān)，房屋建筑的模型水平尺寸平均絕對誤差為0.11 m，平均相對誤差為0.37%，模型垂直尺寸平均絕對誤差為0.12 m，平均相對誤差為1.04%，精度上滿足農(nóng)村分布式光伏電站建設(shè)前期勘測要求，證明該系統(tǒng)也能夠替代其他傾斜攝影系統(tǒng)對中小區(qū)域范圍進(jìn)行快速勘測。

無人機(jī)；相機(jī)；三維重建；分布式光伏電站；傾斜攝影相機(jī)；快速測繪

0 引 言

分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)是近年來在國內(nèi)外增長最快的分布式發(fā)電系統(tǒng)。其以發(fā)電方式靈活、能源利用效率高、環(huán)境污染小等優(yōu)點日益成為傳統(tǒng)電網(wǎng)的重要補充[1-3]。建立分布式光伏電站首先要對屋頂進(jìn)行勘察，需要獲取屋頂詳細(xì)信息，包括屋頂結(jié)構(gòu)尺寸，房屋朝向與高度，以及與電網(wǎng)的接入距離等參數(shù)，以便用于電站設(shè)計和安裝[4-6]。傳統(tǒng)勘察方式需要人工攀爬屋頂測量這些參數(shù)，不僅費時費力，受到工具和視角的限制測量精度也不能得到很好保障，更重要的是屋頂攀爬本身是件危險的活動，勘察人員從屋頂?shù)涞囊馔鈺r有發(fā)生，因此急需一種安全高效的屋頂測量方式來代替人工攀爬[7-8]。

傾斜攝影技術(shù)[9-12]是近些年來發(fā)展起來的新航測技術(shù)，其通過在同一飛行平臺上搭載多臺傳感器，可同時從垂直、傾斜等不同的角度采集影像，并同時記錄航高，航速，坐標(biāo)等飛行參數(shù)，對這些信息進(jìn)行分析和整理后快速生成紋理豐富的實景三維模型[13-16]。

近年來，隨著無人機(jī)技術(shù)門檻逐步降低，小型無人機(jī)的應(yīng)用越來越廣泛[31-34]。小型無人機(jī)成本低廉，攜帶方便，操作簡單，控制穩(wěn)定，適用于各類中小區(qū)域環(huán)境上的作業(yè)，因此更多的傾斜攝影系統(tǒng)開始與小型無人機(jī)相結(jié)合。朱閆霞[35]將哈瓦五鏡頭航空攝影相機(jī)搭載在八旋翼無人機(jī)進(jìn)行外業(yè)航飛，以獲取目標(biāo)地物的全方位地理信息。孫杰等[36]使用DM-150系列無人接搭載航天數(shù)維開發(fā)的DM5-4200傾斜相機(jī)完成多個城市的無人機(jī)數(shù)據(jù)采集和三維模型建模生產(chǎn)項目。相比于搭載在航空飛機(jī)上的大型傾斜攝影系統(tǒng)，基于小型無人機(jī)平臺的傾斜相機(jī)成本更低，操作更加簡單，攜帶更加方便，但是目前市面上的小型傾斜相機(jī)價格依然較高，普遍在幾十萬甚至上百萬元。本文針對分布式光伏電站勘測要求和使用場景，開發(fā)了一款適合多旋翼無人機(jī)搭載的低成本便攜式傾斜攝影相機(jī)ZTRS-M5B，一方面適用于中小區(qū)域面積（5 km2以內(nèi)）的快速勘察，另一方面價格低廉，成本控制在3萬元以內(nèi)，并且尺寸質(zhì)量小，能夠方便攜帶，可靈活的應(yīng)用于各種環(huán)境。將DJI M600 Pro飛行平臺與ZTRS-M5B相機(jī)組成傾斜攝影系統(tǒng)，用該系統(tǒng)分別對農(nóng)村居民區(qū)域和工廠區(qū)域分布式光伏電站進(jìn)行測試勘察，重建區(qū)域三維模型并與地面實測值進(jìn)行比較來檢驗?zāi)Ｐ途取?/p>

1 傾斜攝影相機(jī)開發(fā)

1.1 傾斜相機(jī)外殼設(shè)計

傾斜相機(jī)的外殼設(shè)計至關(guān)重要，除了要保護(hù)相機(jī)和內(nèi)部工作系統(tǒng)以及最大化圖像采集效率，還要盡可能減輕質(zhì)量減小無人機(jī)的承重負(fù)擔(dān)。

傾斜攝影系統(tǒng)外形主要分3種類型：扇形布局、塊狀布局和馬其他十字形布局[37]，馬其他十字形布局因為相機(jī)拍攝區(qū)域之間更高的重疊度，更適合用于三維重建的圖像采集，也是近年來多相傾斜相機(jī)設(shè)計主流[38]。為了能夠獲取完整的立面信息，傾斜相機(jī)的傾角一般在35°到50°之間，根據(jù)Rupnik等[39]的研究，越高的傾斜角度會增加三維模型質(zhì)量和精度，但是過高傾角拍攝的照片也可能在三維重建中帶來不穩(wěn)定的系統(tǒng)誤差，因此45°是多相傾斜相機(jī)常見的傾角選擇。本研究采用馬其他十字形布局設(shè)計了一臺五相便攜式傾斜攝影相機(jī)，該相機(jī)外殼設(shè)計如圖1所示，由中心一臺垂直對地相機(jī)和四臺傾角為45°的傾斜相機(jī)組成，外殼的尺寸為243 mm×243 mm×145 mm，這樣的設(shè)計無論大中小畫幅相機(jī)都能適用。

圖1 傾斜相機(jī)外殼設(shè)計圖

在外殼材料選擇上主要有以下幾種：ABS工程塑料、碳纖維、鋁合金、光敏樹脂，這些材料特性如表1所示，鋁合金與ABS工程塑料、光敏樹脂相比，都具有很強熱塑性可易加工，但在質(zhì)量上遠(yuǎn)比這2類材料輕，穩(wěn)定性和強度上也比這2類材料強，碳纖維在質(zhì)量和強度上都比鋁合金有優(yōu)勢，但是加工難度和制作成本要遠(yuǎn)高于鋁合金，為了兼顧成本、質(zhì)量和實用性，最終選擇了鋁合金作為外殼材料，采用CNC數(shù)控機(jī)床進(jìn)行制作加工，保證了該外殼的精度和質(zhì)量。

如圖2所示，為了方便迅速地裝卸在各類無人機(jī)平臺上，還在外殼頂部設(shè)計了快速卡扣，可以簡單快速地裝卸在多旋翼、固定翼、直升機(jī)等無人機(jī)飛行平臺，外殼內(nèi)部還填充了吸震海綿來保護(hù)內(nèi)部的相機(jī)系統(tǒng)。

1.2 傾斜相機(jī)內(nèi)部系統(tǒng)開發(fā)

在相機(jī)選取上主要考慮以下幾個因素：1）質(zhì)量輕，體積小，能夠節(jié)省空間和負(fù)重；2）具有較大尺寸成像傳感器和高清的鏡頭可以滿足不同高度的航拍要求；3）提供可變焦距和較低的快門速度，擁有自動對焦，光學(xué)防抖等功能可以靈活應(yīng)對航拍中的各種環(huán)境變化。經(jīng)過選擇最終采用了5臺索尼QX100相機(jī)，單個QX100相機(jī)參數(shù)如表2所示：

循環(huán)經(jīng)濟(jì)的實踐，品牌商的推動都是舉足輕重，越來越多的品牌企業(yè)宣布加入回收利用的環(huán)保行動。2017年，阿迪達(dá)斯售出100萬雙由海洋塑料垃圾制成的跑鞋，計劃到2024年前停止使用全新塑料而僅使用再生塑料為原料進(jìn)行生產(chǎn)?？ǚ蚝嗍闲嫉?025年，將在全球范圍內(nèi)100%采用可回收、可重復(fù)使用或可降解的包裝?？煽诳蓸?、聯(lián)合利華、沃爾沃、宜家、耐克、H&M等龍頭企業(yè)，也紛紛公布使用再生塑料的計劃。家電巨頭格力電器也斥巨資設(shè)立再生資源公司，從事廢舊電子電器產(chǎn)品的回收拆解，讓原料再生，從而實現(xiàn)家電產(chǎn)業(yè)鏈的生態(tài)循環(huán)。

表1 外殼選材比較

圖2 傾斜相機(jī)快速卡扣設(shè)計

表2 QX100相機(jī)參數(shù)

為了能使5臺相機(jī)同時自動曝光，設(shè)計了由STM32F4高性能微控制器和光耦合器組成的控制面板控制相機(jī)快門。通過柔性線路板將相機(jī)引出到光電耦合器上來代替相機(jī)的快門電路，通過STM32F4向光電耦合器發(fā)送開/關(guān)指令來控制相機(jī)拍照。STM32F4是基于CortexTM-M4內(nèi)核的單精度浮點運算微控制器，擁有168 MHz的高速性能和1 M的閃存空間，采用了ST的ART加速器使得程序在閃存中運行零等待，因此能穩(wěn)定準(zhǔn)確的控制5臺相曝光工作，同時還能觸發(fā)內(nèi)嵌的GNSS/INS系統(tǒng)同步記錄每張照片位置和姿態(tài)信息。

相機(jī)內(nèi)嵌的GNSS/INS系統(tǒng)包括GNSS天線與觀測部件，慣導(dǎo)部件和主控器。GNSS天線與觀測部件采用Ublox M8T定時芯片，尺寸僅為17.0 mm×22.4 mm，能夠從GPS、GLONASS和北斗等全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)中取得的精確度小于20 ns的精密參考時鐘，具備位置測量（Survey-in）與單衛(wèi)星授時的特性，因此在只有一顆衛(wèi)星提供信號的情況下也可增加授時精確度與授時可用性。慣導(dǎo)部件和主控器使用了MPU9250慣性測量儀，MPU9250通過尺寸僅為3 mm×3 mm×1 mm QFN封裝的芯片集成了3軸加速器、3軸陀螺儀和3軸磁力儀，能在低功耗下計算芯片轉(zhuǎn)速、俯仰角、運動速度和方向等慣導(dǎo)信息。主控制器通過時間戳同步GNSS和INS信息并分別通過通用異步收發(fā)傳輸器（UART）和集成電路總線（IIC）將原始數(shù)據(jù)存儲在GNSS/INS系統(tǒng)的SD卡中。每臺相機(jī)和GNSS/INS系統(tǒng)都有自己獨立存儲的SD卡，通過一個共同的USB3.0接口可以將每張SD卡存儲的信息共同傳輸?shù)絇C端。

為了減輕質(zhì)量，拆除了每臺QX100相機(jī)內(nèi)嵌的電池，統(tǒng)一使用由3塊3 500 mAh，共10 500 mAh的18 650鋰電池給整個相機(jī)系統(tǒng)供電并且將電池盒外置在相機(jī)外殼頂部，簡化換電池的操作。STM32F4微控制器的工作電壓為5 V，相機(jī)的工作電壓為3.8 V，需要安裝電池管理單元給他們分開供電，穩(wěn)定維持各自的工作電壓。整個傾斜攝影相機(jī)系統(tǒng)內(nèi)部的結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 傾斜攝影相機(jī)內(nèi)部的電路結(jié)構(gòu)

2 傾斜攝影系統(tǒng)試驗

本研究選用DJI M600 Pro六軸多旋翼無人機(jī)飛行平臺搭載ZTRS-M5B傾斜相機(jī)組成傾斜攝影系統(tǒng)。M600 Pro具體參數(shù)如表3所示。飛行器最大載質(zhì)量6 kg，搭載五相傾斜攝影相機(jī)后質(zhì)量為14.8 kg，單次飛行作業(yè)時間最長可為25 min，適合于中小區(qū)域范圍的測繪。

表3 M600 Pro 無人機(jī)參數(shù)

試驗地點分別選取了金華市蟠龍村（29°02′31″N，29°02′31″E，平均海拔高度500 m）的一處居民區(qū)域和一處工業(yè)園區(qū)，居民區(qū)域范圍為350 m×350 m，工廠區(qū)域范圍為500 m×500 m，這2處區(qū)域都有部分建成的分布式光伏電站。作業(yè)過程分為3個部分：數(shù)據(jù)采集，數(shù)據(jù)預(yù)處理和三維重建，具體流程如圖4所示。

2.1 數(shù)據(jù)采集

首先對現(xiàn)場環(huán)境進(jìn)行初步勘察和了解，勘察內(nèi)容包括飛行區(qū)域是否有過高的障礙物，是否有較強的磁場干擾無人機(jī)飛控系統(tǒng)和通訊裝置，檢查整個區(qū)域的飛行限制級別，飛行前是否需要報批以及選取空曠合適的飛行起降點等。在掌握目標(biāo)區(qū)域環(huán)境情況和做好飛行前準(zhǔn)備之后，通過DJI GS PRO進(jìn)行飛行參數(shù)設(shè)定和航線規(guī)劃。DJI GS PRO是一款iPad APP，將iPad作為地面站控制DJI的飛行器。DJI GS PRO可以設(shè)置航線、航高、航拍模式、飛行速度、航向與縱向重疊度等參數(shù)。DJI GS PRO 會將設(shè)置完的飛行參數(shù)上傳給DJI M600 Pro無人機(jī)，后者會根據(jù)上傳的參數(shù)自動完成飛行任務(wù)，飛行過程中5臺相機(jī)每隔設(shè)定的時間間隔同時拍一次照片，相機(jī)的GNSS/INS系統(tǒng)會在拍照同時記錄相機(jī)位置和姿態(tài)信息。飛行參數(shù)和拍照間隔設(shè)置主要考慮3個方面平衡：安全，效率和地面分辨率。三維重建模型精度和質(zhì)量取決于相片的地面分辨率和相片間重疊度。根據(jù)地面分辨率公式

式中H為相對航高，f為攝影鏡頭的焦距，gsd為影像的地面分辨率，a為像元尺寸的大小。

像元尺寸大小和鏡頭焦距根據(jù)相機(jī)固定，在保證飛行安全情況下，降低飛行高度能夠提升相片地面分辨率。增加航向與旁向相片間的重疊度能夠提升三維重建中空三計算的準(zhǔn)確率，但在相同拍攝區(qū)域面積下，越高的重疊度需要越長的飛行路徑和消耗更多的電池電量，相同重疊度下，不同高度所需的飛行路徑也不一樣，因此具體的飛行參數(shù)需要根據(jù)飛行任務(wù)的目的和環(huán)境進(jìn)行調(diào)整。本研究中的試驗環(huán)境為農(nóng)村居民區(qū)與工業(yè)區(qū)，飛行高度范圍為50～70 m比較理想。傾斜相機(jī)因為帶有傾斜鏡頭，其旁向重疊度可以稍微低些，但不能低于50%，航線重疊度盡量保持在70%～80%[40]。為了盡可能減少M600 Pro無人機(jī)高速飛行給相機(jī)帶來的震動影響，飛行速度控制為5 m/s，經(jīng)過計算相機(jī)的曝光間隔設(shè)為4 s時垂直對地相機(jī)在50 m時的航向重疊度為74%，符合后續(xù)三維重建的要求。本研究設(shè)計的傾斜攝影系統(tǒng)主要面對最大500 m×500 m的中型區(qū)域范圍測繪，在上述條件下，不同飛行高度和旁向重疊度對飛行路徑和地面精度的影響如表4所示。

在本試驗中居民區(qū)域范圍較小，為350 m×350 m，航高設(shè)置為50 m，旁向重疊度為60%，飛行時間為14 min，一共拍攝了1 052張照片；工廠區(qū)域拍攝范圍為500 m×500 m，飛行高度為50 m，旁向重疊度為50%，飛行時間為23 min，一共拍攝了1 755張照片。

表4 不同飛行參數(shù)下飛行路徑與地面路徑的計算數(shù)值

2.2 數(shù)據(jù)預(yù)處理

飛行完成后首先將GNSS/INS系統(tǒng)記錄的相機(jī)位置和姿態(tài)信息與相機(jī)所拍攝的照片導(dǎo)入電腦中通過軟件進(jìn)行對應(yīng)匹配，使每一張照片都帶有拍攝時的GPS信息和姿態(tài)信息。由于傾斜影像具備多角度、大傾角的特點，傳統(tǒng)的特征點匹配方法無法解決傾斜影像匹配中的遮擋、幾何變形、幾何斷裂、影像大幅旋轉(zhuǎn)等問題。因此需要利用匹配后的POS信息進(jìn)行斜視影像糾正，消除因大傾角與旋轉(zhuǎn)角引起的影像幾何變形。結(jié)合POS系統(tǒng)提供的外方位元素和設(shè)計的航高，根據(jù)共線條件方程能夠得到影像在地面上的投影四邊形軌跡

式中為外方位元素初值；123為旋轉(zhuǎn)矩陣元素；為焦距；Z為由所有影像的外方位線元素均值與航高計算得到的平均高程面；(,)為像主點為原點的像平面坐標(biāo)；（）為像點投影到平均高程面上的地面坐標(biāo)。給定影像４個角點像素坐標(biāo)及其對應(yīng)的地面坐標(biāo)后，可求解原始影像與糾正后影像間的單應(yīng)變換矩陣

2.3 三維重建

將預(yù)處理后的照片導(dǎo)入到電腦的Smart3D軟件中進(jìn)行三維重建，整個三維重建過程如圖5所示：首先通過空三角測量計算相機(jī)投影矩陣，利用光束法平差最小化觀測和預(yù)測的圖像點之間的投影誤差并建立稀疏點云模型；生成點云模型后，對于非規(guī)則離散分布的點云數(shù)據(jù)需要構(gòu)建不規(guī)則三角網(wǎng)TIN（triangulated irregular network）模型建立離散點云之間的空間關(guān)系；最后在TIN網(wǎng)格上匹配合適的紋理面片生成最終的三維模型。電腦的配置為：Windows7 64bit系統(tǒng)，Intel I7-7800 3.5 GHz處理器，2塊NVidia GTX1080ti顯卡，32 GRAM內(nèi)存。農(nóng)村居民區(qū)域的重建時間為6 h，工廠區(qū)域重建時間為10 h。

圖5 三維重建過程

3 結(jié)果與分析

3.1 模型精度檢驗

在拍攝的居民區(qū)域和工廠區(qū)域內(nèi)總共選取了22處帶有分布式光伏電站的建筑用來檢驗?zāi)Ｐ途龋@22處位置分布如圖6衛(wèi)星圖所示，檢測內(nèi)容分為兩部分：對分布式光伏電站的三維模型傾角精度檢驗和對房屋建筑的三維模型尺寸精度檢驗。

圖6 選取檢測點的衛(wèi)星分布圖

3.1.1 分布式光伏電站傾角精度檢驗

光伏電站太陽能板的尺寸設(shè)計和安裝傾角都有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，因此通過比較光伏電站的太陽能板實際尺寸來檢驗三維模型長度精度，用傾斜儀測量的傾斜角來測量模型傾角精度。

如圖7所示，Smart3D軟件可以直接測量模型的長度、面積和高度差，通過公式（4）測量模型的傾斜角α

式中H為斜面高度差，cm；L為被測表面長度，cm。

模型角度計算值和地面實測值相關(guān)性如圖8所示，在<0.01時顯著，2為0.973 9。說明該小型無人機(jī)傾斜攝影系統(tǒng)建立的三維模型能準(zhǔn)確還原太陽能板的傾斜狀況，精度與真實值接近。

圖8 模型計算傾角和實測傾角間相關(guān)性

3.1.2 房屋建筑精度檢驗

通過傾斜攝影拍攝的照片建立起的三維模型具有完整的立面信息，通過檢驗房屋的尺寸和高度可以檢驗三維模型水平和垂直方向上精度。本試驗設(shè)房屋沿東西方向為長，南北方向為寬，建筑最高點距地面的垂直距離為高，通過比較22處房屋長度和高度的模型測量值和地面實測值來檢驗房屋建筑水平和垂直精度，結(jié)果如表5所示。

有表5知，建筑長度在工廠區(qū)域的絕對誤差范圍在0.11～0.23 m，平均絕對誤差為0.15 m，相對誤差范圍為0.11%～0.26%；農(nóng)村區(qū)域建筑長度絕對誤差范圍在0.03～0.12 m，平均絕對誤差為0.08 m，因為農(nóng)村房屋尺寸比廠房區(qū)域小很多，因此其相對誤差計算范圍會相對更大一些，在0.33%～0.89%。三維點云生成的過程中會因為鏡頭畸變，拍攝虛焦，相片精度等設(shè)備因素和天氣情況，光線衍射，物體表面反射特性等環(huán)境因素產(chǎn)生一定的噪點，通過統(tǒng)計濾波等方法可以消除部分離主體較遠(yuǎn)的噪點，但很難去除那些離真實點云距離近的噪點，這些噪點會和點云一起通過不規(guī)則三角網(wǎng)（TIN）擬合出物體的表面模型，使得模型部分表面難以光滑平整，甚至部分位置出現(xiàn)畸變，這對模型尺寸測量會帶來一定的系統(tǒng)誤差，面對測量尺寸越大的建筑，這方面的系統(tǒng)誤差影響越大，因此工廠區(qū)域長度上的測量誤差整體會比農(nóng)村更大一點。廠房高度的絕對誤差范圍0.08～0.15 m，平均絕對誤差為0.10 m，相對誤差范圍為0.72%～1.15%，居民高度檢驗結(jié)果和廠房高度檢驗結(jié)果近似，絕對誤差在0.07～0.17 m，平均絕對誤差為0.13 m，相對誤差范圍為0.76%～1.64%，相比于工廠區(qū)域的廠房，居民區(qū)域的房頂結(jié)構(gòu)會更復(fù)雜，擁有更多的斜坡以及不規(guī)則的外形，另外工廠區(qū)域的地平面也會比居民區(qū)更加平整，這些都會表現(xiàn)在三維模型中并會對模型高度測量中端點的確認(rèn)帶來干擾，因此居民建筑高度誤差范圍比廠房要更大一些。建筑長度的總體平均絕對誤差為0.11 m，總體平均相對誤差為0.37%，建筑高度總體平均絕對誤差為0.12 m，總體平均相對誤差為1.04%。結(jié)果表明通過該小型無人機(jī)傾斜攝影系統(tǒng)建立的三維模型精度與真實值近似，適合分布式光伏電站前期對中小區(qū)域的快速勘查。

通過該傾斜攝影系統(tǒng)建立的三維模型與實際尺寸依然有小部分偏差，具體原因可能有以下幾種：1）地面反射率在不同角度看是不同的，因此同樣的物體在不同位置角度的照片中明暗細(xì)節(jié)不同，這會對照片之間空三計算產(chǎn)生影響，多云的大晴天產(chǎn)生的地面明暗分布會加劇這種情況的影響； 2）居民區(qū)域的建筑結(jié)構(gòu)比工廠區(qū)域更加復(fù)雜多樣，尤其屋頂有各類斜坡以及一些不規(guī)則裝飾，這些物體的三維表面模型更難準(zhǔn)確生成，可以通過增加點云數(shù)量和密度，來使得模型外表擬合的更接近真實值，但這樣也會增加計算量，并且三維模型能計算得到的有效點云數(shù)是有限的，有效點云數(shù)由很多因素決定，包括影像的地面精度，相片間的重疊度，相片對焦和曝光準(zhǔn)確度等。

表5 房屋建筑精度檢驗結(jié)果

3.2 傾斜相機(jī)比較

為了更好的展示ZTRS-M5B傾斜相機(jī)的特點，我們將ZTRS-M5B與傳統(tǒng)的航空傾斜攝影相機(jī)SWDC-5以及市面上的小型傾斜攝影相機(jī)DM5-4200在質(zhì)量、精度、相機(jī)參數(shù)、價格等維度上進(jìn)行比較，具體內(nèi)容如表6所示。

相比于航空傾斜攝影相機(jī)，小型傾斜攝影相機(jī)最大的優(yōu)勢在于便攜性上，ZTRS-M5B的質(zhì)量遠(yuǎn)低于SWDC-5，略低于DM5-4200。相比于DM5-4200的全畫幅相機(jī)和SWDC-5的中畫幅相機(jī)，ZTRS-M5B為了節(jié)省空間和負(fù)重，選擇了影像分別率要低一些QX100相機(jī)，因此相同高度下照片地面精度上要低一些，但是可以通過適當(dāng)降低飛行高度去彌補。根據(jù)公式（1），在50 m高度下，ZTRS-M5B照片的地面精度為1.4 cm，約等于DM5-4200在94 m和SWDC-5在125 m的高度下的照片地面精度。根據(jù)本研究的試驗，在50 m高度下利用ZTRS-M5B相機(jī)生成的三維建筑模型的水平平均絕對誤差為0.11 m，平均相對誤差為0.37%，垂直平均絕對誤差為0.12 m，平均相對誤差為1.04%，滿足農(nóng)村分布式光伏電站前期勘測要求。由于勘察分布式光伏電站時飛行高度普遍較低（50～70 m），因為地形和天氣環(huán)境變化以及房屋高度不一等原因，如果采用類似DM5-4200的定焦鏡頭容易產(chǎn)生失焦情況，而ZTRS-M5B靈活的變焦鏡頭，以及相比其他2款相機(jī)擁有更大的光圈和更短的曝光間距的特性，再加上光學(xué)防抖功能，使其在光線較暗的陰雨天或者風(fēng)速稍大（3～5級）的天氣都可以工作，更能適應(yīng)復(fù)雜多變的環(huán)境。另外ZTRS-M5Bz也擁有更大的相片存儲空間，可以持續(xù)進(jìn)行多個中小區(qū)域的勘測作業(yè)。最后在價格成本上，傳統(tǒng)航空傾斜攝影相機(jī)價格都在百萬級以上，市面上類似DM5-4200的小型傾斜攝影相機(jī)價格也在數(shù)十萬元區(qū)間，而ZTRS-M5B的制作成本在3萬元左右。

表6 傾斜攝影相機(jī)比較

4　結(jié)　論

本研究開發(fā)了一款低成本便攜式五相傾斜攝影相機(jī)ZTRS-M5B并與DJI M600 Pro飛行平臺組成小型無人機(jī)傾斜攝影系統(tǒng)。用該傾斜攝影系統(tǒng)對農(nóng)村住宅區(qū)和工廠區(qū)2種類型的區(qū)域進(jìn)行了勘察測試，分別收集了1 052和1 755張圖像用于三維重建。通過比較光伏電站太陽能板和建筑的模型測量值與地面實測值來檢驗?zāi)Ｐ途?，太陽能板的模型傾角和實際傾角高度相關(guān)，建筑的水平平均絕對誤差為0.11 m，平均相對誤差為0.37%，垂直平均絕對誤差為0.12 m，平均相對誤差為1.04%，滿足農(nóng)村分布式光伏電站前期勘測精度要求。三維模型精度會受到飛行天氣的影響，更建議在風(fēng)速4級以內(nèi)，云朵較少的晴天或陰天進(jìn)行作業(yè)。另外相比較其他傾斜攝影相機(jī)，ZTRS-M5B在成本和便攜上擁有更多優(yōu)勢，適合替代市面上其他傾斜攝影相機(jī)應(yīng)用于農(nóng)村分布式光伏電站勘測，也可推廣用于其他中小區(qū)域面積范圍的測繪任務(wù)。

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Small UAV oblique camera system design and test for distributed photovoltaic power station survey

Chen Yang, He Yong※

(,,310058,)

Distributed photovoltaic power generation system is the fastest growing distributed power generation system in recent years. The advantages of flexible power generation, high energy efficiency and low environmental pollution make it become an important supplement to traditional power grids. The distributed photovoltaic power plants are mainly installed on various building roofs that need to be measured at the first place. The traditional survey method required manual climbing to measure roofs’ structure and size, roof orientation, tilt angle, roof material, roof height and other parameters which was neither safe nor precise. Oblique photography technology is a new aerial survey technology developed in recent years. By carrying multiple sensors on the same flight platform, it can simultaneously capture images from different angles and simultaneously record flight height, speed, coordinates, etc, which can be used to quickly generate texture-rich real-life 3D models. Most of the Oblique photography systems were installed on air planes or fixed-wing drones which had high price and weight. In this research we developed a low-cost portable five-phase oblique camera ZTRS-M5B whose shell was made of lightweight aluminum alloy and designed with quick snaps for loading on all types of drone platforms. The oblique camera’s size was 243 mm×243 mm×145 mm and weight was 1.8 kg. The camera automatically controlled the shooting of five Sony QX100s via the STM32F4 high-performance microcontroller and optocoupler and simultaneously recorded position and inertial navigation information using the embedded GNSS/INS system. The unmanned aerial vehicle (UAV) mapping system equipped with this oblique camera was used to measure a rural residential area and a factory area. The flight time in the residential area was 14 minutes in which the system took 1 052 images and the flight time in the factory area was 23 minutes in which the system took 1 755 images. All flight parameters were pre-set in DJI GS PRO ground control station which also controlled the UAV mapping system to complete the flight missions automatically. The captured images were pre-processed and imported into the Smart3D software for 3D reconstruction. By comparing with the ground measured values, the 3D reconstruction model’s accuracy would be verified. The results showed that the model tilt angle of the photovoltaic power plant solar panel was highly correlated with the actual tilt angle, the average absolute error of the horizontal dimensional size of the building in the model of was 0.11 m and the average relative error was 0.37%, the average absolute error of the vertical dimensional size of the building in the model of was 0.12 m and the average relative error was 1.04%. This system could efficiently and accurately obtain the housing information needed for the construction of distributed photovoltaic power plants in the early stage, ensure the life safety of surveying staff and greatly reduce the cost of oblique photography survey. We also compared ZTRS-M5B’s parameters with the traditional aerial oblique camera SWDC-5 and another small UAV oblique camera DM5-4200. It showed ZTRS-M5B had more advantage in the portability and dominated in the price although its image resolution was relative lower. This camera could take place other oblique camera in the market for the small and medium area surveying.

unmanned aerial vehicle; camera; three-dimensional reconstruction; distributed photovoltaic power plants; oblique camera; fast surveying

陳 楊，何 勇. 基于農(nóng)村分布式光伏電站勘測的小型無人機(jī)傾斜攝影系統(tǒng)及試驗[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2019，35(22)：305－313. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2019.22.036 http://www.tcsae.org

Chen Yang, He Yong. Small UAV oblique camera system design and test for distributed photovoltaic power station survey[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2019, 35(22): 305－313. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2019.22.036 http://www.tcsae.org

2019-05-06

2019-10-09

浙江省重大專項重點農(nóng)業(yè)項目（2015C02007）資助

陳 楊，博士生，主要研究方向為無人機(jī)低空遙感，深度學(xué)習(xí)與機(jī)器視覺農(nóng)業(yè)應(yīng)用。Email：ychen2014@zju.edu.cn

何 勇，教授，博士生導(dǎo)師。Email：yhe@zju.edu.cn

10.11975/j.issn.1002-6819.2019.22.036

S251；TP79

A

1002-6819(2019)-22-0305-09