面向5G的立體影像采集系統(tǒng)在通信中的應(yīng)用

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）

面向5G的立體影像采集系統(tǒng)在通信中的應(yīng)用

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）

面向5G大連接，通信基站布局、天線布放將會(huì)有大規(guī)模調(diào)整，這就需要一種高效、精確、可復(fù)現(xiàn)的方法，對(duì)基站天線等基礎(chǔ)設(shè)施和環(huán)境信息進(jìn)行立體影像采集，形成立體影像的三維數(shù)字化點(diǎn)云。通過(guò)對(duì)通信基站立體影像采集系統(tǒng)的研究，開展了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，提出了一套面向5G的立體影像采集系統(tǒng)，提升了勘察和規(guī)劃設(shè)計(jì)的效率，累積了通信行業(yè)數(shù)字資產(chǎn)。

無(wú)線通信 立體影像采集 三維數(shù)字點(diǎn)云 無(wú)人機(jī)

1 引言

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)的要求，這就需要一種高效、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、無(wú)線傳播環(huán)境信息等，傳統(tǒng)的勘察方式是勘察人員在現(xiàn)場(chǎng)畫草圖、填表和拍照片，最終繪制成平面圖紙。傳統(tǒng)方式的問(wèn)題在于對(duì)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，難以電子復(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[1]。文中提出隨著輕小型無(wú)人機(jī)硬件的飛速發(fā)展，各個(gè)行業(yè)利用無(wú)人機(jī)搭載數(shù)據(jù)采集設(shè)備實(shí)現(xiàn)行業(yè)應(yīng)用的現(xiàn)象越來(lái)越普及，如電力巡線、國(guó)土資源普查、農(nóng)林地礦行業(yè)應(yīng)用等，通信行業(yè)的勘察工作也可以利用無(wú)人機(jī)搭載數(shù)據(jù)采集設(shè)備來(lái)提升效率和質(zhì)量[2]。對(duì)無(wú)人機(jī)數(shù)據(jù)處理及其精度進(jìn)行了分析，指出可以提取照片中的各項(xiàng)信息來(lái)進(jìn)行匹配和空三平差，再進(jìn)行點(diǎn)云加密，可以得到一個(gè)精度可控的帶有地理信息坐標(biāo)的三維模型把物體包括周邊的環(huán)境還原出來(lái)。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在技術(shù)方面是可行的。

2 通信基礎(chǔ)設(shè)施立體影像采集系統(tǒng)

關(guān)于無(wú)人機(jī)在通用測(cè)繪領(lǐng)域的應(yīng)用，文獻(xiàn)[3]和文獻(xiàn)[4]分別給出了無(wú)人機(jī)移動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)工作流程和無(wú)人機(jī)測(cè)繪成圖的工作流程。通信基礎(chǔ)設(shè)施立體影像采集有其特殊的復(fù)雜性。通信基站除少數(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)到每平方公里5～8個(gè)。基站天線的絕對(duì)高度一般不超過(guò)50 m，每個(gè)站點(diǎn)的天線數(shù)量，隨通信系統(tǒng)數(shù)的增加而不斷進(jìn)行調(diào)整，同時(shí)隨著共建共享的推進(jìn)，多運(yùn)營(yíng)商共享一個(gè)站點(diǎn)，使得一個(gè)站點(diǎn)甚至有幾十副天線。通信網(wǎng)絡(luò)的質(zhì)量在很大程度上取決于站點(diǎn)傳播環(huán)境和位置、天線高度、天線方位角的設(shè)計(jì)精度。隨著5G商用的臨近，宏、微、皮、飛立體組網(wǎng)的構(gòu)架將使得基站密度進(jìn)一步提升，而覆蓋距離的縮小，使天線掛高不斷下降、天線點(diǎn)位密度不斷增加，使得干擾控制成了重點(diǎn)，這又反過(guò)來(lái)更加要求站點(diǎn)布局、天線方位角和天線傾角的精確勘測(cè)和規(guī)劃設(shè)計(jì)。

基于上述因素，通信基礎(chǔ)設(shè)施立體影像采集系統(tǒng)有如下特征：

（1）無(wú)人機(jī)起降條件受限；

（2）無(wú)人機(jī)的體積受限導(dǎo)致載荷受限；

（3）需要在不同平面懸停；

（4）測(cè)量范圍有限；

（5）測(cè)量精度要求較高（絕對(duì)誤差5 cm～10 cm）；

（6）搭載的設(shè)備能滿足20 m距離內(nèi)對(duì)勘察對(duì)象和周邊場(chǎng)景進(jìn)行記錄；

（7）采集的數(shù)據(jù)處理后能形成數(shù)字化點(diǎn)云，能對(duì)勘察對(duì)象和周邊場(chǎng)景進(jìn)行三維建模和全景可測(cè)、可觀、可存儲(chǔ)、可復(fù)現(xiàn)。

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，能夠按需在不同平面懸停作業(yè)。而根據(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。因此二類多懸翼無(wú)人機(jī)適合本場(chǎng)景使用。

三維建模和立體影像全景復(fù)現(xiàn)可以通過(guò)多種手段實(shí)現(xiàn)，其中搭載設(shè)備常用的兩種方式是激光掃描+拍照設(shè)備或可見(jiàn)光成像設(shè)備。如表1所示，在精度可控的條件下，從性價(jià)比角度優(yōu)選可見(jiàn)光成像。

表1 搭載設(shè)備常用的兩種方式對(duì)比表

其中，對(duì)于可見(jiàn)光成像設(shè)備+后處理方式，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。如公式（1）所示：

GSD（cm）計(jì)算公式：

Sw：傳感器寬度（mm）；

A：高度（m）；

Iw：影像寬度；

F：焦距（mm）。

為了后期能夠精確地進(jìn)行處理，一般采用定焦相機(jī)，傳感器寬度和焦距是同量級(jí)的，由公式（1）可見(jiàn)，若理論上要在30 m的拍攝距離達(dá)到厘米級(jí)分辨率，影像寬度是關(guān)鍵因素，照片寬度至少需要達(dá)到4 000左右，即需要照片達(dá)到1 200萬(wàn)像素以上。實(shí)踐中，照片達(dá)到2 000萬(wàn)像素為最佳。

綜上所述，本文給出通信中采用的立體影像采集、圖像處理、成果生成的系統(tǒng)流程圖如圖1所示。

3 誤差控制與實(shí)證研究

本文采用輕小無(wú)人機(jī)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。

圖1 立體影像成果生成流程圖

3.1 誤差分析

當(dāng)搭載索尼QX30U相機(jī)，在距離天線20 m的范圍進(jìn)行可見(jiàn)光立體影像采集作業(yè)時(shí)，根據(jù)公式（1），GSD=0.54 cm（距離20 m，2 000萬(wàn)像素照片像素寬度5 184，QX30U的焦距為3.7 mm，傳感器寬度5.16 mm），軟件處理后理想的系統(tǒng)誤差在0.5 cm至1.5 cm（1-3GSD），滿足通信工程需要。

3.2 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)、圖像處理也有一定的要求。文獻(xiàn)[1]對(duì)飛行方案和飛行方式進(jìn)行了研究，指出近距離、蛇形平飛，可以保證采集的數(shù)據(jù)精度滿足建模要求。文獻(xiàn)[2]對(duì)可見(jiàn)光后處理三維誤差進(jìn)行研究，指出線段長(zhǎng)度由線段在三維空間的兩個(gè)頂點(diǎn)坐標(biāo)Vi和Vj定義，三維空間線段長(zhǎng)度的誤差需在頂點(diǎn)被標(biāo)記在至少兩張圖像上時(shí)才被估算，三維線段長(zhǎng)度的誤差是每個(gè)子線上誤差的累積。因此在PIX4D軟件中，在兩張以上圖像中精確標(biāo)注同一個(gè)特征點(diǎn)也是提升精度的重要手段。本文總結(jié)實(shí)踐中的關(guān)鍵因素如下：

（1）圖像質(zhì)量：航拍后的照片有時(shí)會(huì)存在噪點(diǎn)較多、曝光過(guò)低或過(guò)高、運(yùn)動(dòng)模糊、GPS/POS數(shù)據(jù)丟失或不同步等現(xiàn)象，要減少這些現(xiàn)象的發(fā)生，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，航拍人員熟練的無(wú)人機(jī)操控技能也非常重要。

（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)，并在軟件中，在兩張以上圖像中精確標(biāo)注同一個(gè)控制點(diǎn)也是提升精度的重要手段。

3.3 實(shí)證研究

本文據(jù)此實(shí)地開展了落地塔和樓頂天面兩類典型通信基站場(chǎng)景的三維數(shù)字化采集和建模試驗(yàn)，并且就天線下傾角角度測(cè)量展開了可見(jiàn)光方案和激光掃描測(cè)量方案的比對(duì)。圖2為可見(jiàn)光和激光測(cè)量天線下傾角結(jié)果對(duì)比。

測(cè)試結(jié)果對(duì)比分析表明，兩種方式測(cè)量的天線傾角的偏差均值在0.77°以內(nèi)，能夠滿足通信設(shè)計(jì)的需求。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：輕小無(wú)人機(jī)搭載2 000萬(wàn)可見(jiàn)光定焦成像設(shè)備，利用PIX4D后處理軟件可以滿足對(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)字化的需要，達(dá)到可測(cè)、可觀、易存儲(chǔ)、可復(fù)現(xiàn)的效果。具體效果如圖3和圖4所示。

圖2 可見(jiàn)光和激光測(cè)量天線下傾角結(jié)果對(duì)比

圖3 樓頂塔房天線建模

4 結(jié)束語(yǔ)

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，并實(shí)地開展了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)，提出了一套面向5G的立體影像采集系統(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)。考慮到少數(shù)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)基站進(jìn)行立體影像采集。

圖4 落地鐵塔及天線建模

[1]王欣玥,王星,張紅霞,等. 無(wú)人機(jī)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)在通信勘查中的應(yīng)用要點(diǎn)[J]. 電信工程技術(shù)與標(biāo)準(zhǔn)化,2017(4)： 7-10.

[2]陳鰲. 無(wú)人機(jī)影像數(shù)據(jù)在移動(dòng)通信應(yīng)用方面的幾點(diǎn)看法[J]. 電信工程技術(shù)與標(biāo)準(zhǔn)化, 2017(4)： 23-26.

[3]程多祥. 無(wú)人機(jī)移動(dòng)測(cè)量數(shù)據(jù)快速獲取與處理[M]. 北京： 測(cè)繪出版社, 2015.

[4]萬(wàn)剛. 無(wú)人機(jī)測(cè)繪技術(shù)及應(yīng)用[M]. 北京： 測(cè)繪出版社,2015.

[5]張新程,周曉津. LTE空中接口技術(shù)與性能[M]. 北京： 人民郵電出版社, 2009.

[6]蔣遠(yuǎn),湯利民. TD-LTE原理與網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃設(shè)計(jì)[M]. 北京：人民郵電出版社, 2012.

[7]楊學(xué)志. 通信之道[M]. 北京： 電子工業(yè)出版社, 2016.

[8]張新程,付航,李天璞,等. 物聯(lián)網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)[M]. 北京： 人民郵電出版社, 2011.

[9]高鵬,陳崴嵬,曾沂粲. 無(wú)線通信技術(shù)與網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃實(shí)踐[M]. 北京： 人民郵電出版社, 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的立體影像采集系統(tǒng)在通信中的應(yīng)用[J]. 移動(dòng)通信, 2017,41(20)： 85-88.

2017-06-26

責(zé)任編輯：劉妙 liumiao@mbcom.cn

王星：高級(jí)工程師，碩士畢業(yè)于北京郵電大學(xué)，現(xiàn)任中國(guó)移動(dòng)通信集團(tuán)設(shè)計(jì)院有限公司無(wú)線所咨詢?cè)O(shè)計(jì)總監(jiān)，長(zhǎng)期從事無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃、工程設(shè)計(jì)與技術(shù)研究，主持的工程設(shè)計(jì)與規(guī)劃多次獲獎(jiǎng)，發(fā)表論文多篇，主要研究方向?yàn)闊o(wú)線接入網(wǎng)絡(luò)、共建共享和工程設(shè)計(jì)新技術(shù)。

王欣玥：高級(jí)工程師，學(xué)士畢業(yè)于北京郵電大學(xué)，現(xiàn)任中國(guó)移動(dòng)通信集團(tuán)設(shè)計(jì)院有限公司黑龍江分公司網(wǎng)優(yōu)部高級(jí)咨詢?cè)O(shè)計(jì)師，從事通信行業(yè)無(wú)線專業(yè)設(shè)計(jì)、網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化、系統(tǒng)集成工作多年，獲得多項(xiàng)設(shè)計(jì)獎(jiǎng)項(xiàng)，發(fā)表多篇論文，主要研究方向?yàn)闊o(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化和工程設(shè)計(jì)新技術(shù)。