王星，王欣玥

（中國(guó)移動(dòng)通信集團(tuán)設(shè)計(jì)院有限公司，北京 100080）

1 研究背景

5G大連接、高密度、高速率的特性對(duì)現(xiàn)有數(shù)百萬(wàn)移動(dòng)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(dòng)要求，需要一種高效、精確、可復(fù)現(xiàn)的方法，對(duì)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(cè)、可觀、易存儲(chǔ)、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(xiàng)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)備的安裝情況等，傳統(tǒng)勘察方式是勘察人員在現(xiàn)場(chǎng)畫(huà)草圖、填表和拍照片的方式記錄，最終繪制成平面圖紙。傳統(tǒng)方式的問(wèn)題在于對(duì)于信息處理過(guò)程進(jìn)行了抽象，不能完全反映現(xiàn)場(chǎng)實(shí)景，難以數(shù)字化復(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(cè)和復(fù)核；人員必須到安裝現(xiàn)場(chǎng)測(cè)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。參考文獻(xiàn)[1]中給出了通信基礎(chǔ)設(shè)施立體影像采集系統(tǒng)的特征和系統(tǒng)流程圖。參考文獻(xiàn)[2]和[3]對(duì)無(wú)人機(jī)數(shù)據(jù)處理進(jìn)行了分析。參考文獻(xiàn)[4]和[5]分別給出了通用性的無(wú)人機(jī)移動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)工作流程。因此，用無(wú)人機(jī)作為通信基礎(chǔ)設(shè)施立體影像的采集承載手段是技術(shù)可行的。本文開(kāi)展了多種無(wú)人機(jī)型對(duì)落地鐵塔和樓頂天面兩類典型基站場(chǎng)景的三維數(shù)字化采集和建模試驗(yàn)，對(duì)誤差進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析，論證了系統(tǒng)精度滿足通信工程要求。

2 通信用無(wú)人機(jī)立體影像采集系統(tǒng)

通信用無(wú)人機(jī)立體影像采集有其特殊的復(fù)雜性。因?yàn)橥ㄐ呕境贁?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)到每平方千米5～8個(gè)。這導(dǎo)致通信用無(wú)人機(jī)起降條件受限、體積和載荷受限、需要在不同平面懸停、測(cè)量精度要求較高等。參考文獻(xiàn)[1]指出，通信用無(wú)人機(jī)立體影像采集系統(tǒng)，在精度可控的環(huán)境下，從性價(jià)比角度優(yōu)選可見(jiàn)光成像。本文實(shí)證了三款搭載2 000萬(wàn)像素可見(jiàn)光相機(jī)的系統(tǒng)，按照?qǐng)D1給出的通信基礎(chǔ)設(shè)施立體影像采集系統(tǒng)流程圖，開(kāi)展了數(shù)據(jù)采集、三維數(shù)字化點(diǎn)云生成、三維數(shù)字化建模試驗(yàn)，并對(duì)比分析了各系統(tǒng)的建模精度。

圖1 通信基礎(chǔ)設(shè)施立體影像采集流程圖

3 機(jī)型比較和選擇

根據(jù)民航局標(biāo)準(zhǔn)，起飛空機(jī)重量不大于4 kg且起飛全重不大于7 kg的二類無(wú)人機(jī)受限制較少。多懸翼無(wú)人機(jī)相比固定翼無(wú)人機(jī)，對(duì)起降場(chǎng)地要求低，能夠在按需在在不同平面懸停作業(yè)。因此二類多懸翼無(wú)人機(jī)適合在通信工程場(chǎng)景使用。

對(duì)二類多懸翼無(wú)人機(jī)，本文中選取大疆消費(fèi)級(jí)、作業(yè)級(jí)、專業(yè)級(jí)三款搭載可見(jiàn)光設(shè)備的飛機(jī)進(jìn)行了對(duì)比，如表1所示。

在白天3級(jí)風(fēng)條件、飛控參與條件下，采用大疆三款二類機(jī)型繞目標(biāo)塔進(jìn)行了半徑15 m的繞圈飛行。飛行軌跡記錄、相機(jī)照相點(diǎn)、軟件特征點(diǎn)匹配情況見(jiàn)圖2所示。

從飛行軌跡記錄看，較重的飛機(jī)在風(fēng)中軌跡更圓，效果更佳。從相機(jī)照相點(diǎn)的均勻性看，RTK的參與對(duì)飛控能力的提升有幫助，效果更佳。從軟件特征點(diǎn)匹配角度看，較重的、有RTK的飛機(jī)軟件解析效果好，較輕的、無(wú)RTK的飛機(jī)解析有缺失的風(fēng)險(xiǎn)。

表1 大疆三款無(wú)人機(jī)參數(shù)對(duì)比表

圖2 飛行記錄圖 大疆經(jīng)緯M210/大疆悟INSPIRE 2/大疆精靈PHANTOM 4PRO

4 誤差與實(shí)證

參考文獻(xiàn) [1]給出可見(jiàn)光系統(tǒng)的測(cè)量精度取決于地面分辨率（GSD），通過(guò)控制圖像質(zhì)量、圖像重疊度、增加控制點(diǎn)等手段，用PIX4D、SMART3D等軟件處理能達(dá)到1～3個(gè)GSD的精度。本文就采用大疆三款機(jī)型搭載2 000萬(wàn)可見(jiàn)光定焦成像設(shè)備，利用PIX4D后處理軟件，進(jìn)行了實(shí)證研究。

4.1 誤差分析

大疆三款機(jī)型本次試驗(yàn)的GSD和誤差分析如表2所示。

表2 大疆三款無(wú)人機(jī)GSD和誤差分析對(duì)比表

軟件處理后理想的系統(tǒng)誤差在3～9 cm (1～3GSD)，滿足通信工程需要。

4.2 對(duì)無(wú)人機(jī)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(duì)無(wú)人機(jī)拍攝、相機(jī)、圖像處理也有一定要求。參考文獻(xiàn)[1]、[2]對(duì)滿足建模要求的飛行方案和飛行方式進(jìn)行了研究，指出關(guān)鍵因素如下。

(1) 圖像質(zhì)量：一是需要高質(zhì)量的航拍相機(jī)，二是無(wú)人機(jī)平臺(tái)本身的控制穩(wěn)定性要好，去掉噪點(diǎn)較多、曝光過(guò)低或過(guò)高、運(yùn)動(dòng)模糊、GPS/POS數(shù)據(jù)丟失的照片。

(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(jī)標(biāo)準(zhǔn)：相機(jī)最好和數(shù)據(jù)處理軟件進(jìn)行過(guò)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(chǎng)地布置3～8個(gè)控制點(diǎn)，或在軟件中在兩張以上圖像中精確標(biāo)注同一個(gè)像素作為控制點(diǎn)。

4.3 實(shí)證研究

本文據(jù)此開(kāi)展了大疆三款機(jī)型對(duì)水平標(biāo)靶、垂直標(biāo)靶兩類典型場(chǎng)景的三維數(shù)字化采集和建模實(shí)驗(yàn)，并且就生成的三維點(diǎn)云分別邀請(qǐng)A、B二人進(jìn)行測(cè)量，記錄測(cè)量誤差值，并對(duì)長(zhǎng)度誤差率測(cè)量值開(kāi)展統(tǒng)計(jì)分析。

表3為可見(jiàn)光建模垂直/水平測(cè)量結(jié)果。表4為可見(jiàn)光建模數(shù)字點(diǎn)云測(cè)量誤差分析。

表3 可見(jiàn)光建模垂直/水平測(cè)量結(jié)果

測(cè)試結(jié)果對(duì)比分析表明，三種機(jī)型三維數(shù)字化采集和建模后，數(shù)字點(diǎn)云測(cè)量垂直誤差在3～8 cm以內(nèi)，垂直誤差均值在2.5%以內(nèi)；水平誤差在2～5 cm以內(nèi)，水平誤差均值1.5%以內(nèi)，滿足通信設(shè)計(jì)需求。

對(duì)上述長(zhǎng)度誤差率測(cè)量值樣本開(kāi)展統(tǒng)計(jì)分析，考察數(shù)據(jù)分析的代表性?？紤]到是對(duì)同樣點(diǎn)云開(kāi)展的不同人員的處理對(duì)比、小樣本數(shù)量等特征，選擇T檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)方法。

設(shè)數(shù)組[A]為A的6次長(zhǎng)度誤差率測(cè)量值，數(shù)組[B]為B的6次長(zhǎng)度誤差率測(cè)量值。

[A]={0.62%、2.80%、3.73%、1.31%、1.05%、0.79%}

[B]={0.93%、0.93%、1.24%、1.31%、1.05%、0.26%}

首先開(kāi)展誤差率的成對(duì)雙樣本T檢驗(yàn)，檢驗(yàn)95%的置信區(qū)間下，兩個(gè)樣本是否具有相同總體均值，即原假設(shè)H0:μA=μB，a=0.05。

檢驗(yàn)結(jié)果T值小于t單尾臨界值、單尾P值大于a/2，接受原假設(shè)。即95%的置信區(qū)間下，長(zhǎng)度誤差率測(cè)量值樣本具有相同總體均值。表5為T(mén)檢驗(yàn)雙樣本分析。

由于已經(jīng)驗(yàn)證誤差率樣本具有相同總體均值，所以將全部長(zhǎng)度誤差率測(cè)量值合并處理。設(shè)數(shù)組[C]為全部12次測(cè)量值。

表4 可見(jiàn)光建模數(shù)字點(diǎn)云測(cè)量誤差分析

表5 T檢驗(yàn)雙樣本分析

[C]={0.62%、2.80%、3.73%、1.31%、1.05%、0.79%、0.93%、0.93%、1.24%、1.31%、1.05%、0.26%}

下面對(duì)[C]開(kāi)展T檢驗(yàn)，檢驗(yàn)95%的置信區(qū)間下，長(zhǎng)度誤差率測(cè)量值具有1.5%的總體均值，即原假設(shè)H0:μC=1.5%，a=0.05。

檢驗(yàn)結(jié)果T值小于t單尾臨界值、雙尾P值大于a，接受原假設(shè)。即95%的置信區(qū)間下，長(zhǎng)度誤差率測(cè)量值具有1.5%的總體均值，見(jiàn)表6所示。

表6 T檢驗(yàn)分析

綜上可見(jiàn)，三維數(shù)字化采集和建模后，數(shù)字點(diǎn)云長(zhǎng)度誤差率測(cè)量值具有1.5%的總體均值。結(jié)合參考文獻(xiàn)[1]對(duì)可見(jiàn)光三維建模天線下傾角角度測(cè)量偏差均值在0.77度以內(nèi)的結(jié)論，可以得出采用輕小無(wú)人機(jī)搭載可見(jiàn)光成像設(shè)備， 利用PIX4D后處理軟件，能滿足對(duì)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，達(dá)到可測(cè)、可觀、可存儲(chǔ)、可復(fù)現(xiàn)的效果。

5 總結(jié)與展望

本文通過(guò)對(duì)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(diǎn)云，實(shí)地開(kāi)展了不同機(jī)型的落地塔和樓頂天面兩類典型基站場(chǎng)景的三維數(shù)字化采集和建模試驗(yàn)，并比對(duì)分析了垂直和水平誤差，提出了一套無(wú)人機(jī)通信基礎(chǔ)設(shè)施立體影像采集系統(tǒng)，提升了勘察和規(guī)劃設(shè)計(jì)的效率，累積了寶貴的通信行業(yè)數(shù)字資產(chǎn)。考慮到部分城市無(wú)人機(jī)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(duì)通信基礎(chǔ)設(shè)進(jìn)行立體影像采集。