【双目相机-广州知行-VECTOR】精准高效、安全便携-双目倾斜 摄影系统助力城市更新与违建巡查

项目简介

    无人机行业应用存在需求多样化、方案定制化、负载差异化的特点。为有效解决行业应用问题，无人机应用从业者不仅需考虑飞行平台、负载传感器等硬件因素，还应综合考量控制软件及数据挖掘等软件因素。因此，一个切实可行的无人机解决方案应是软硬件一体化、智能化的整体解决方案。2018 年 3 月，大疆在美国正式发布DJIPayloadSDK，旨在让更多的无人机生态开发者能够利用该平台开发出更加定制化、智能化、软硬件一体化的行业解决方案。

    广州知行机器人科技有限公司是行业领先的无人机智能化解决方案提供商。广州知行团队植根于中山大学，致力于通过物联网、机器学习和大数据挖掘技术，解决无人机行业应用中传感器开发集成、飞行器智能巡航、人机协同作业、精确勘测识别等应用难题。

    广州知行团队基于多年倾斜摄影测量项目实施和遥感影像算法研发经验，利用大疆PayloadSDK和MobileSDK开发生态，创新研发了挂载于大疆经纬M200系列无人机的双目倾斜航空影像系统。该系统包含双目倾斜摄影相机 VECTOR 和航线规划移动应用软件 WING，其中 VECTOR 是大疆首款基于 Payload SDK 开发的超轻型倾斜摄影云台相机，经大疆官方认证，可与大疆 M200 系列无人机 无缝挂接，具有较高的集成性、易用性和安全性。该相机仅重约 500 克，像素约 4800 万，采用 APS-C 大画幅，可更换镜头，地面分辨率可达 0.78cm（35mm 镜 头），配有 USB 统一存储接口；其中 WING 航线规划软件基于大疆 MobileSDK 开发，与 VECTOR 参数无缝对接，无须繁琐参数设置，即可实现轻松全自动三维建模飞行，具有多边形航线、一键起飞、断点续飞、自动返航等功能。可为高精度三维实景建模、大比例尺正射影像图制作等基础测绘地理信息工作提供生产力工具。为国土规划、城市更新、安防巡查、环保水务等行业提供一体化智能解决方案。

行业情况及挑战

市面上传统倾斜摄影测量多采用“5 目倾斜云台相机+大疆 M600Pro 无人机”解决方案。传统倾斜摄影测量方案，往往具有以下劣势：

（1）机身庞大、安全性差。

    根据中国民用航空局《无人机驾驶航空器飞行管理暂行条例》规定：“同时满足空机重量不超过 4 千克，最大起飞重量不超过 7 千克的轻型无人机，在相应适飞空域飞行，只需实时报送动态信息。”市面上 搭载 5 目倾斜云台相机的飞行平台起飞重量基本均超过 7 千克，过重的机身不仅带来作业报备程序上的困难，更带来实际作业中的安全隐患。此外，庞大的外形和重量导致外业作业人数增多和搬运的困难，工作成本和工作难度增大。

（2）一机单用，兼容性差。

    为搭载 5 目倾斜云台相机，飞行平台均需额外配置负载挂接装置，并固定安装于飞行平台之上。由于 5 目倾斜云台相机挂接接口与其他负载接口标准不统一，导致单个飞行平台基本只能挂载一种负载设备，只可做一种无人机应用任务，且挂接装置拆装困难，兼容性较差。

（3）数据缺失，精确性差。

    由于 M600pro 采用 A3 飞控，飞控触发拍照信号和 POS点信息记录分属两路不同信号源，作业人员在归集成果数据时，经常会发现照片数量和 POS 点信息数量不对应，从而增加内业数据处理人员工作量。

（4）机-载分离，整体性差。

    为实现 M600Pro 无人机对挂接云台相机负载的信号控制，必须从飞控接口外接信号线至云台相机负载。该控制为单向信号控制，负载无法与当前无人机实时双向通讯，无法获取当前无人机状态信息。

    作为无人机航空摄影测量的从业者和国内首批 PSDK 开发者，广州知行深知飞行安全性、负载易用性、成果准确性是衡量倾斜摄影行业应用水平的重要标准。抓准倾斜摄影行业痛点，广州知行团队提出双目倾斜航空影像系统 VECTOR 整体解决方案：

（1）安全性飞行平台：

    选取大疆经纬 M200 系列无人机作为飞行平台。大疆 M200 系列无人机是业内知名高安全性行业级无人机，空机重量 3.8 千克，最 大起飞重量 6.14 千克，满足中国民用航空局《无人机驾驶航空器飞行管理暂行条例》关于轻型无人机的管理规定。

（2）定制化开发工具：

    选取大疆 PayloadSDK 和 MobileSDK 开发工具包， 从飞机硬件层、云台负载层、操控软件层和数据传输层入手，基于下图 6 大功能，开展倾斜摄影定制化开发设计，实现了飞控与负载传感器之间的实时通讯和无缝控制。此外，开发了 WING 航线规划 APP，实现了获取电源、飞行状态、多边形航线、一键返航、断点续飞等功能。

（3）集成化电路设计：

    在 DJIPayload SDK 开发环境下，广州知行团队使用嵌入式开发技术，基于 STM32 单片机系统开展集成化电路设计。同时，为保证电路的集成性、定制性和高效性，广州知行团队根据倾斜摄影传感器的控制原理重新设计控制电路板，打通飞控和倾斜摄影传感器间握手通讯机制，实现与大 疆 M200 系列无人机 SKYPORT 标准化接口集成，从根本上保证了传感器图像 数据和 POS 位置信息的一一对应。同时采用 BGA 封装方式，保证了电路板的轻 便小巧。此外使用 SKYPORT接口，使得第三方负载和大疆自有负载标准化统一， M200 系列飞机有更多负载（禅思系列云台负载）可以选配，可完成更多的行业应用任务。

（4）双目倾斜摄影技术：

    采用双目倾斜摄影技术，配合独创的视角交叉和侧边叠合技术，可实现五目镜头数据成像效果。此外，双目镜头大大减少了倾斜相机的重量，在使用 TB55 电池条件下，单个飞行架次，双目航空影像系统 VECTOR 可实现约 35 分钟，0.5 平方公里的作业面积。

应用案例

    针对城市更新和违建巡查行业的应用特点，广州知行团队凭借强大的无人机硬件和算法研发技术优势及行业经验，提供智能化的整体解决方案。广州知行团队技术总监刘凯教授介绍：“在无人机基础设施行业应用领域，双目倾斜航空影像系统可快速获取地面构筑物的三维实景影像数据、大比例尺正射影像图数据及相应衍生数据，以此可作为开展地物调查的基础性地理信息数据，为城市更新、违建巡查行业应用提供强有力的技术支撑”。

行业特点

    城市更新是将城市中已经不适应现代化城市社会生活的地区作有计划的改建活动。城市更新过程中，要摸清城市现状开展调查工作，调查内容一般包括建筑物调查、土地使用调查、交通调查、公共服务设施调查、市政设施调查等十个方面。违建巡查是针对未经法定批准而开工建设的违法用地、违法建筑-“两违建筑”开展的日常性巡查及取证工作。

    城市更新和违建巡查应用领域：具有待查地块分布散、巡查人员少、管控空间复杂的特点，利用传统人工摸查方式时间久、成本高。传统 1 平方公里的城中 村，需要 10 人测绘队伍入户摸查，需花费 60 天-90 天时间完成，项目经费往往在 100 万左右。利用无人机倾斜摄影技术，2 人即可在 2-3 天内完成所有工作，项目经费仅需 10 万左右。此外，无人机倾斜摄影测量除可提供传统的正射影像图（DOM）、数字线划图（DLG）以及视频照片数据之外，还可提供能够真实反映地物的三维实景模型数据，大大弥补了传统二维空间数据的不足。

项目实施

    利用广州知行双目倾斜航空影像系统，可快速开展外业航拍任务，外业人员仅需携带大疆 M200 无人机和手提式 VECTOR 倾斜摄影云台相机和装有 WING 航线规划 APP 的 IPAD 即可作业。大大减轻了外业车辆运载设备难和外业人员搬运设备难的问题，真正实现轻型化、小型化作业。

    倾斜摄影云台相机 VECTOR 设备采用大疆标准 SKYPORT连接环挂载，挂环轻轻一扭，即可完成与飞机的对接安装，拆装十分便捷。

    利用广州知行 WING 倾斜摄影航线规划软件，可快速方便的设计不规则多边形航线。实施作业过程中，可监控 VECTOR 拍照状态、电池电量、高度、速度等状态信息。

    完成所有项目准备工作和 APP 设置，待上传航线上传至大疆 M200 无人机后，即可实施倾斜摄影项目作业。

    飞行航拍任务结束后，通过连接 VECTOR 后部 USB 接口至电脑并拔下 TF 卡连至电脑，即可查看航拍照片和 POS 坐标点信息。经检查，航拍照片数量和 POS 坐标点信息数据量完全一一对应。

数据应用

    无人机航拍数据的深度挖掘是无人机行业应用的重中之重。根据城市更新违建巡查的行业特点，将航拍原始数据经特定算法深度挖掘，形成客户业务需求的数据成果及应用平台，这是无人机应用水平的具体体现。广州知行团队将倾斜摄影原始数据经内业数据处理，形成真实形象的三维数据模型，利用三维模型形成待摸查/巡查地块的土地房屋建基面积、楼房层数、建筑结构等信息，并形成空间数据库待用。此外，为实现政府精细化管理，广州知行团队将倾斜摄影模型进一步单体化处理，实现了楼栋单体化和每户单体化，更加方便摸查/巡查的管理工作。

    此外，针对城中村违法建设巡查工作，广州知行团队定制了无人机违建巡查业务流程，实现成为软件工具，方便开展违法巡查工作。做到违法建筑一键标识、一键统计。

展望

    无人机行业应用解决方案是软硬件一体化、智能化、数据化的整体解决方案。面对未来更加丰富的无人机行业应用，广州知行团队将在未来打造基于深度学习的无人机实时识别系统。借助大疆愈发强大的 DJISDK 开发包和硬件产品，构建无人机行业应用生态系统，不断拓展无人机行业应用领域，持续为大疆行业应用技术升级贡献自己力量。