面向5G的立体影像采集系统在通信中的应用

王星，王欣玥

（中国移动通信集团设计院有限公司，北京 100080）

面向5G的立体影像采集系统在通信中的应用

王星，王欣玥

（中国移动通信集团设计院有限公司，北京 100080）

面向5G大连接，通信基站布局、天线布放将会有大规模调整，这就需要一种高效、精确、可复现的方法，对基站天线等基础设施和环境信息进行立体影像采集，形成立体影像的三维数字化点云。通过对通信基站立体影像采集系统的研究，开展了落地铁塔和楼顶天面两类典型基站场景的三维数字化采集和建模，提出了一套面向5G的立体影像采集系统，提升了勘察和规划设计的效率，累积了通信行业数字资产。

无线通信 立体影像采集 三维数字点云 无人机

1 引言

5G大连接、高密度、高速率的特性对现有数百万移动通信基站的布局、设备配置、天线布放都提出了调整和变动的要求，这就需要一种高效、精确、可复现的方法，对基站的塔、房、天线等基础设施和环境信息进行采集，达到可测、可观、易存储、可复现的效果。

通信勘察的核心任务是采集通信工程项目建设需要的数据，如基站经纬度、海拔高度、基站塔房和设备的安装情况、无线传播环境信息等，传统的勘察方式是勘察人员在现场画草图、填表和拍照片，最终绘制成平面图纸。传统方式的问题在于对信息处理过程进行了抽象，不能完全反映现场实景，难以电子复现；记录的疏漏和误差不可避免，精度有限，成果难以复测和复核；人员必须到安装现场测绘，受交通、环境安全、设施管理的因素影响大，勘察效率低[1]。文中提出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的现象越来越普及，如电力巡线、国土资源普查、农林地矿行业应用等，通信行业的勘察工作也可以利用无人机搭载数据采集设备来提升效率和质量[2]。对无人机数据处理及其精度进行了分析，指出可以提取照片中的各项信息来进行匹配和空三平差，再进行点云加密，可以得到一个精度可控的带有地理信息坐标的三维模型把物体包括周边的环境还原出来。因此，用无人机作为通信基础设施立体影像的采集承载手段在技术方面是可行的。

2 通信基础设施立体影像采集系统

关于无人机在通用测绘领域的应用，文献[3]和文献[4]分别给出了无人机移动测量系统工作流程和无人机测绘成图的工作流程。通信基础设施立体影像采集有其特殊的复杂性。通信基站除少数高山、高铁、村通基站外，大多设置在人口密集的地区，传播环境复杂，基站的密度可达到每平方公里5～8个。基站天线的绝对高度一般不超过50 m，每个站点的天线数量，随通信系统数的增加而不断进行调整，同时随着共建共享的推进，多运营商共享一个站点，使得一个站点甚至有几十副天线。通信网络的质量在很大程度上取决于站点传播环境和位置、天线高度、天线方位角的设计精度。随着5G商用的临近，宏、微、皮、飞立体组网的构架将使得基站密度进一步提升，而覆盖距离的缩小，使天线挂高不断下降、天线点位密度不断增加，使得干扰控制成了重点，这又反过来更加要求站点布局、天线方位角和天线倾角的精确勘测和规划设计。

基于上述因素，通信基础设施立体影像采集系统有如下特征：

（1）无人机起降条件受限；

（2）无人机的体积受限导致载荷受限；

（3）需要在不同平面悬停；

（4）测量范围有限；

（5）测量精度要求较高（绝对误差5 cm～10 cm）；

（6）搭载的设备能满足20 m距离内对勘察对象和周边场景进行记录；

（7）采集的数据处理后能形成数字化点云，能对勘察对象和周边场景进行三维建模和全景可测、可观、可存储、可复现。

多悬翼无人机相比固定翼无人机，对起降场地要求低，能够按需在不同平面悬停作业。而根据民航局标准，起飞空机重量不大于4 kg且起飞全重不大于7 kg的二类无人机受限制较少。因此二类多悬翼无人机适合本场景使用。

三维建模和立体影像全景复现可以通过多种手段实现，其中搭载设备常用的两种方式是激光扫描+拍照设备或可见光成像设备。如表1所示，在精度可控的条件下，从性价比角度优选可见光成像。

表1 搭载设备常用的两种方式对比表

其中，对于可见光成像设备+后处理方式，系统的测量精度取决于地面分辨率（GSD），通过控制图像质量、图像重叠度、增加控制点等手段，用PIX4D、SMART3D等软件处理能达到1～3个GSD的精度。如公式（1）所示：

GSD（cm）计算公式：

Sw：传感器宽度（mm）；

A：高度（m）；

Iw：影像宽度；

F：焦距（mm）。

为了后期能够精确地进行处理，一般采用定焦相机，传感器宽度和焦距是同量级的，由公式（1）可见，若理论上要在30 m的拍摄距离达到厘米级分辨率，影像宽度是关键因素，照片宽度至少需要达到4 000左右，即需要照片达到1 200万像素以上。实践中，照片达到2 000万像素为最佳。

综上所述，本文给出通信中采用的立体影像采集、图像处理、成果生成的系统流程图如图1所示。

3 误差控制与实证研究

本文采用轻小无人机搭载2 000万可见光定焦成像设备，利用PIX4D后处理软件，进行了实证研究。

图1 立体影像成果生成流程图

3.1 误差分析

当搭载索尼QX30U相机，在距离天线20 m的范围进行可见光立体影像采集作业时，根据公式（1），GSD=0.54 cm（距离20 m，2 000万像素照片像素宽度5 184，QX30U的焦距为3.7 mm，传感器宽度5.16 mm），软件处理后理想的系统误差在0.5 cm至1.5 cm（1-3GSD），满足通信工程需要。

3.2 对无人机拍摄、图像处理的要求

通信基础设施立体影像采集系统对无人机拍摄、相机、图像处理也有一定的要求。文献[1]对飞行方案和飞行方式进行了研究，指出近距离、蛇形平飞，可以保证采集的数据精度满足建模要求。文献[2]对可见光后处理三维误差进行研究，指出线段长度由线段在三维空间的两个顶点坐标Vi和Vj定义，三维空间线段长度的误差需在顶点被标记在至少两张图像上时才被估算，三维线段长度的误差是每个子线上误差的累积。因此在PIX4D软件中，在两张以上图像中精确标注同一个特征点也是提升精度的重要手段。本文总结实践中的关键因素如下：

（1）图像质量：航拍后的照片有时会存在噪点较多、曝光过低或过高、运动模糊、GPS/POS数据丢失或不同步等现象，要减少这些现象的发生，一是需要高质量的航拍相机，二是无人机平台本身的控制稳定性要好，航拍人员熟练的无人机操控技能也非常重要。

（2）航拍方式：近距离，蛇形平飞，航向重叠度60%～80%。

（3）硬件及相机标准：相机最好和数据处理软件进行过匹配校正，避免焦距和传感器尺寸标称值谬误。

（4）在勘察场地布置3～8个控制点，并在软件中，在两张以上图像中精确标注同一个控制点也是提升精度的重要手段。

3.3 实证研究

本文据此实地开展了落地塔和楼顶天面两类典型通信基站场景的三维数字化采集和建模试验，并且就天线下倾角角度测量展开了可见光方案和激光扫描测量方案的比对。图2为可见光和激光测量天线下倾角结果对比。

测试结果对比分析表明，两种方式测量的天线倾角的偏差均值在0.77°以内，能够满足通信设计的需求。

实验结果表明：轻小无人机搭载2 000万可见光定焦成像设备，利用PIX4D后处理软件可以满足对基站的塔、房、天线等基础设施和环境信息进行采集和数字化的需要，达到可测、可观、易存储、可复现的效果。具体效果如图3和图4所示。

图2 可见光和激光测量天线下倾角结果对比

图3 楼顶塔房天线建模

4 结束语

本文通过对通信基站立体影像采集系统的研究，形成了立体影像的三维数字化点云，并实地开展了落地塔和楼顶天面两类典型基站场景的三维数字化采集和建模试验，提出了一套面向5G的立体影像采集系统，提升了勘察和规划设计的效率，累积了宝贵的通信行业数字资产。考虑到少数城市无人机的航拍非常困难，下一步需要研究用一些其他搭载方式，如手持、背包、车载方式对基站进行立体影像采集。

图4 落地铁塔及天线建模

[1]王欣玥,王星,张红霞,等. 无人机数据采集系统在通信勘查中的应用要点[J]. 电信工程技术与标准化,2017(4)： 7-10.

[2]陈鳌. 无人机影像数据在移动通信应用方面的几点看法[J]. 电信工程技术与标准化, 2017(4)： 23-26.

[3]程多祥. 无人机移动测量数据快速获取与处理[M]. 北京： 测绘出版社, 2015.

[4]万刚. 无人机测绘技术及应用[M]. 北京： 测绘出版社,2015.

[5]张新程,周晓津. LTE空中接口技术与性能[M]. 北京： 人民邮电出版社, 2009.

[6]蒋远,汤利民. TD-LTE原理与网络规划设计[M]. 北京：人民邮电出版社, 2012.

[7]杨学志. 通信之道[M]. 北京： 电子工业出版社, 2016.

[8]张新程,付航,李天璞,等. 物联网关键技术[M]. 北京： 人民邮电出版社, 2011.

[9]高鹏,陈崴嵬,曾沂粲. 无线通信技术与网络规划实践[M]. 北京： 人民邮电出版社, 2016.

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的立体影像采集系统在通信中的应用[J]. 移动通信, 2017,41(20)： 85-88.

2017-06-26

责任编辑：刘妙 liumiao@mbcom.cn

王星：高级工程师，硕士毕业于北京邮电大学，现任中国移动通信集团设计院有限公司无线所咨询设计总监，长期从事无线通信网络规划、工程设计与技术研究，主持的工程设计与规划多次获奖，发表论文多篇，主要研究方向为无线接入网络、共建共享和工程设计新技术。

王欣玥：高级工程师，学士毕业于北京邮电大学，现任中国移动通信集团设计院有限公司黑龙江分公司网优部高级咨询设计师，从事通信行业无线专业设计、网络优化、系统集成工作多年，获得多项设计奖项，发表多篇论文，主要研究方向为无线网络技术、网络优化和工程设计新技术。