无人机数据采集系统在通信勘查中的应用要点

王欣玥，王星，张红霞，张新程

(1 中国移动通信集团设计院有限公司黑龙江分公司，哈尔滨 150001；2 中国移动通信集团设计院有限公司，北京 100080)

无人机数据采集系统在通信勘查中的应用要点

王欣玥1，王星2，张红霞1，张新程2

(1 中国移动通信集团设计院有限公司黑龙江分公司，哈尔滨 150001；2 中国移动通信集团设计院有限公司，北京 100080)

无人机数据采集系统可以通过新型工具、新型采集方式、新型数据改造现有的通信勘查生产模式，达到提升通信勘查工作效率、提高通信设计技术含量的目的，并起到累计通信行业数字资产的作用。

无人机；数据采集；三维建模

1 背景

随着轻小型无人机硬件的飞速发展，各个行业利用无人机搭载数据采集设备实现行业应用越来越普及，如电力巡线、国土资源普查、农林地矿行业应用等。新技术的引入使得各行业生产力迅速提升，同样，通信行业的勘查设计工作可以利用无人机搭载数据采集设备来提升效率和质量。

1.1 通信勘查的现状

通信勘查的核心任务是采集通信工程项目建设需要的各种数据，如基站经纬度、海拔高度、无线传播环境、周边地理信息等，传统勘查方式是将这些信息通过勘查人员在现场用画草图或拍照片的方式记录，形成纸质勘查资料，再根据纸质版资料填写电子表格、绘制图纸等。

随着勘查终端功能不断集成和加强，以及硬件成本的下降，现在已经有一批适用于手机终端或PAD上的软件工具投入到勘查设计生产工作中。但这些软件工具的数据采集环节与传统方式相同，在现场依旧利用传统工具进行量测，采集数据的工具为手持GPS、激光测距仪、望远镜、军用指北针等，也有自动将GPS信息写入终端的设备，但容易受到现场电磁环境的干扰。勘查人员进行测量和读数后将数据录入设备，在这个过程中依旧存在误差和错误，工程项目管理人员无法检查或核对。

另外，利用传统勘查工具采集的数据类型仅限于人工量测的数值和照片等，直观性较弱，对工程现场的复现功能较差，设计依旧严重依靠设计人员的空间想象能力。而且由于勘查条件的制约，有些天馈线所在楼面无法安全到达、有些管线路由没有道路，勘查人员不能获取现场的完整信息，带回的数据不全且无法防伪验证。

1.2 通信勘查工作可改善的方面

针对上述情况，可以看到想解决通信勘查中存在的各种问题，需要重点关注的是数据采集这个核心任务环节，经过思考和总结，我们尝试在如下几方面进行改善。

数据采集的完整性：需要对基站本身、基站位置及周边环境做综合全面的数据采集；对于密集市区、大型居民小区进行快速的整体数据采集。

改变数据采集的方式：在比较恶劣的野外环境中，光缆线路的路由勘查需要引入新手段采集数据；对于无法到达的楼面，无线专业的勘查需要新的工具载体。

改变所采集数据的格式：利用新型工具，采集包含更精准更全面信息的数据，杜绝勘查资料的错误和缺漏，同时具有防伪功能。

相信如果能对通信勘查工作进行上述改善，我们可以提高勘查效率，降低勘查频次，减少业主反感情绪，减少企业在勘查工作中投入的人力物力。

2 利用无人机数据采集系统进行通信勘查的思路和方案

利用轻小型无人机搭载数据采集设备，如高清摄像机、高分辨率相机、激光扫描仪等，在几十米的距离内对勘查对象进行拍摄或扫描，用软件对数据进行三维建模，可以将勘查对象及周边环境复现，再通过辅助软件进行量测和标注，即可形成完整的真三维、高精度、高防伪的立体影像勘查资料。

图1 立体影像勘查资料

如图1所示，这种立体影像资料，使得勘查数据的完整性有了显著的提升，数据采集的方式和数据格式也与传统勘查有着明显的不同，可以解决目前通信勘查工作中存在的很多问题。下面就来具体介绍一下数据采集系统及数据生成的应用要点。

2.1 无人机数据采集系统的功能

应用无人机搭载数据采集设备进行勘查工作，目标是替代传统勘查工具、实现通信勘查的基本功能，按照通信设计的需求、采集系统要具备如下功能。

（1） 具备三维立体影像数据采集能力，数据可建模、可量测、可实景交互。

（2） 可以大范围场景数据快速概略采集，也可对指定点进行高精度数据采集。

（3） 适用于各种工作环境，在特殊场景如高海拔地区、丘陵地区、沙漠旷野地区、海岛水域、丛林山谷等均可应用，对雾霾、高低温、雨雪大风天气有一定的适应能力。

（4） 数据采集过程可标准化，最好可由单人完成。

（5） 采集的数据成果为业界通用格式，可用于二次开发。

（6） 三维数据的生成过程可控，数据生成使用的硬件成本尽量低且效率尽量高。

（7） 三维数据的样式和精度满足通信勘查设计各项需求。

2.2 无人机数据采集系统硬件选型要求

我们对当前的轻小型无人机市场做了一定的调研，根据相关政策法规和通信勘查的需要相权衡，得出搭建无人机数据采集系统需要的无人机硬件选型的原则如下。

（1） 轻小型无人机（飞机重量在4kg以下，起飞全重在7kg以下）。

（2） 无人机可搭载数据采集设备，或无人机本身集成数据采集模块。

（3） 无人机数据采集系统的定位精度在分米级。

（4） 数据采集设备的采集精度在厘米级。

上述硬件系统的造价最低可以控制在几万元级别，能够满足大多数通信勘查设计的需求，可适用于无线专业对于指定基站、铁塔进行精准的数据采集，也可以对光缆线路路由、基站周边环境进行大范围数据采集。

2.3 数据处理的基本流程

利用无人机采集的数据需要通过专业软件进行处理，类型主要包括激光点云、视频数据和影像数据：其中激光点云数据的精度和成本都较高、应用相对较少；视频数据分辨率一般不会高，多数用来做快速简易处理、以达到对目标进行简单展示用途；影像数据分辨率一般要求在1 200万像素以上，是数据处理中的主要工作。

无人机数据采集系统具有生成成本低、作业方式快捷、操作灵活简单等特点，在获取局部信息（如天馈线所在楼面、铁塔整体等）方面有巨大的优势。同时，无人机采集的影像数据也存在这几个特点：影像变形大；影像像幅小、数量多；航迹不规则；POS定位精度低。

由于上述特点，给影像匹配、影像定向等处理带来一系列困难，需要数据处理系统具备以下的特点。

（1） 处理周期短，每基站处理时长以小时计算。

（2） 处理方式智能化、自动化，处理过程应减少人工干预、形成标准化流程。

（3） 处理结果样式简单易用，可导出至通信设计工作环境。

一般来说，影像常规处理的目的是生成DOM（数字正射影像图）、DEM（数字高程模型）、DRG（数字栅格地图）、DLG（数字线画地图），也可以用于大比例尺制图、地籍数据更新、地理国情普查等。如图2所示，其处理流程如下。

（1） 准备无人机原始测量影像、航摄信息、测区资料等。

（2） 输入传感器参数信息，进行影像畸变差校正。

（3） 利用POS数据和测区控制资料，进行空三加密，生成空三加密成果。

（4） 利用空三加密成果，制作DEM，生成DEM成果。

（5） 在DEM的基础上，进行正射影像DOM制作，生成DOM成果。

对于通信勘查设计来说，我们对于后期生成的DLG成果更加感兴趣一些，即根据DOM和DEM成果继续加工，将天线、设备等矢量化，并赋予可编辑的属性，这部分工作需要通过具备三维图形量测及编辑的软件完成，不完全依靠数据处理建模软件。

2.4 数据处理软件选型要求

数据处理软件有市场占有率较高的Pix4D及Smart3D等，也有部分国内科研团队自主研发的一些软件。简单来说，数据处理及后处理软件应具有如下功能。

（1） 软件可生成标准格式点云文件。

采用SPSS 15.0统计软件进行统计分析，比较技术护理照顾型、中级护理照顾型、一般照顾型养老机构之间提供康复服务的情况。

（2） 软件可对生成的点云文件进行三维建模、二维合成及实景化处理。

（3） 软件可对生成的模型进行智能量测。

（4） 软件可对模型进行矢量化和编辑。

图2 无人机影像常规处理流程图

3 无人机数据采集系统的飞行方案

3.1 方案1：固定翼搭载五镜头大范围平飞

对于较大范围的城市及基站三维立体影像，需利用效率比较高的固定翼搭载五镜头倾斜摄影，经济性、效率、精度均可保障。

图3为北方某省会城市的正射影像建模成果，可以看到成果比较真实的还原了城市密集城区的地物地貌。

图3 大范围真三维建模成果

3.2 方案2：多旋翼搭载扫描仪蛇形平飞

针对小范围有限个数基站的天馈数据采集，需要进行低空、近距离，蛇形飞行，这样保证采集的数据精度可以满足建模要求。定点精准三维建模成果如图4所示。

图4 定点精准三维建模成果

针对单个铁塔或楼宇，可采用多旋翼搭载高清镜头进行绕飞，对天馈系统进行高清摄像和拍照，并利用算法将可见光数据生成点云数据，可满足建模要求。济南某铁塔绕飞三维建模成果如图5所示。

4 总结与展望

无人机数据采集系统给出了三维立体影像等数据采集和处理的应用要点，研究了几种针对不同场景和需求的采集方案，总结出无人机在移动通信设计工作中的应用方法。

通过本系统的应用研究能达到以下目的。

（1）解决通信勘查工作中设计院核心竞争力下降的问题，针对现有设计过程中人员效率低、成本高及勘查资料与现有资料可信度不高、更新慢问题和设计质量下降等问题给出解决方案。

图5 济南某铁塔绕飞三维建模成果

（2）提升勘查设计工作效率，改变勘查工具与方法，在生产方式上与竞争对手体现出水平差异，在市场竞争中占据有利地位。

（3） 实现勘查数据智能获取，降低手工测量中的误差，杜绝虚假数据。

（4） 协同资源管理，积累三维实景数据等并搭建存储、分析、展示系统，分析网络问题，促进运营商网络质量水平的提升，为未来挖掘新的数据价值奠定基础。

（5）提升实力：将对无人机、数据采集设备及无人机搭载设备采集三维立体数据的工作流程进行深入研究，为新的勘查设计模式储备技术力量，提升通信设计领域的整体技术实力。

The application of unmanned aerial vehicle data acquisition system in communication survey

WANG Xin-yue1, WANG Xing2, ZHANG Hong-xia1, ZHANG Xin-cheng2
(1 China Mobile Group Design Institute Co., Ltd. Heilongjiang Branch, Harbin 150001, China; 2 China Mobile Group Design Institute Co., Ltd., Beijing 100080, China)

UAV data acquisition system can enhance the efficiency of the existing communication survey method and improve communication design technology, by new tools, new collection methods and new datas. It can also accumulate digital communication industry assets.

UVA; data acquisition; 3D modeling

V279

A

1008-5599（2017）04-0007-04

2017-03-06