CN100580385C - 建筑物理数据快速三维采样方法 - Google Patents

Abstract

一种建筑物物理数据快速三维采样方法。本发明利用微型无人飞行器承载相应种类的传感设备、数据记录装置、信息传回设备等，对大型建筑室内物理数据(声强、声频、温度、湿度、照度、光色、气体成分、电磁场强度、空气离子浓度、辐射强度等)进行采集，在空间中往返飞行并不断获得途径各点的物理数据，同时利用摄影测量技术对微型飞行器进行定位。具体包括：室内飞行用微型无人飞行器的选择，建筑物理数据采样用传感设备或传感器的选择，系统同步时钟的建立，建筑物理数据的采样，采用近景摄影测量方法对采样点精确空间定位。由于飞行器移动速度快且不受地面运动条件限制，所以即使空间采样次数比地面作业大幅度增多了，也可以保证数据的等时性。

Description

建筑物理数据快速三维采样方法

【技术领域】：

本发明属于建筑技术领域，特别涉及建筑室内各种物理数据的采集。

【背景技术】：

建筑室内空间中任意位置的“物理数据”是指：空间中某一点的声强、声频、温度、湿度、照度、光色以及气体成分等。这些数据是建筑技术领域重要的研究资料，例如当一个建筑主体部分刚竣工的音乐厅，正准备进行内装修，就需要对空间中的声音分布状况进行测量用于分析，然后能够准确设计吸声材料的种类、面积、位置等；另外体育场馆中灯光的强度值、光线分布均匀程度都关系到比赛和观赛的效果，所以要进行采样。对于新兴的绿色建筑、节能建筑研究，建筑物理数据采样就更加重要了，这一作业可以帮助设计师验证节能型建筑内部气流、热量的流动是否符合原设计要求。

此外电磁场强度、空气离子浓度、辐射强度等等都是常见的测量内容，例如某些自然石材会含有强辐射元素，用于室内环境需要进行辐射强度测定等等。

建筑技术专业传统的采样工作是由人员携带传感设备在建筑中游走、记录完成的，不仅作业的速度比较慢，更重要的是采样位置受到限制，理论上有地面存在的位置人员都可以到达，都可以测量，但实际上遇到较大的障碍物或地面高差就会阻碍人员行动、极大减慢采样速度，在此条件下，对于大型建筑空间，测得的各点数据“等时性”就不能保证了。至于高大空间中的竖向多点测量则基本不可能，有些非常重要的建筑或者试验性建筑会在建筑顶部、侧墙上安装传感器，从而获得建筑内表面某些位置的数据，但也达不到空间中任意点的测量，而且限于成本，在建筑表面安装的传感器也不能数量太多。

所以说，原有的建筑物理数据采集作业既不快速，也局限于建筑内表面一定范围内，得不到空间三维化的数据集，对于深入的建筑物理环境研究，这是一个缺憾。

【发明内容】：

本发明的目的就是在一个作业平台上同时解决建筑物理数据采集和三维定位这两个问题，满足建筑技术领域中各种物理数据信息快速采集的需要，提供一种建筑物物理数据快速三维采样方法。

本发明所指“快速获取”和“三维采样”是针对以往的物理信息采集方法而言的。

本发明提供的建筑物理数据快速三维采样方法，依次包括以下各步：

第一、室内飞行用微型无人飞行器的选择，采用由遥控器控制的微型无人飞行器；

第二、建筑物理数据采样用传感设备的选择，根据所需采样的物理数据，选择相应的传感设备；

第三、系统同步时钟的建立：为保证建筑物理数据采样与微型无人飞行器上的数据采样用传感设备定位的同步，建立一个由微型无人飞行器遥控器控制的系统同步时钟，系统同步时钟由多个时钟脉冲发生单元和与之对应的无线电接收机组成，每一个摄影测量定位用相机配置一个时钟脉冲发生单元和一个接收机，飞行器采样平台上也有一个时钟脉冲单元和一个接收机，所有的接收机同时接收发射机发射的时钟启/闭信号，所有的脉冲单元同步开始和停止计时；

第四、建筑物理数据的采样：上步建筑物理数据采样用传感设备上设置的接收机接收到遥控器发出的控制信号后，启动系统同步时钟，开始采集建筑物理数据；

第五、采样点的精确空间定位：采用近景摄影测量方法对采样点精确空间定位，该方法的具体步骤是：

a)、相机的选择，在同一次作业中，选用至少2部以上完全相同的相机，并且参数设置也完全相同，以保证照片的一致性；

b)、相机的放置，与监控摄像机的放置原则相似，不需要确定相机的坐标，将相机放置于靠近建筑边缘的位置，并且拉开距离，镜头之间的角度区别比较明显，使相机具有尽量大的视角范围；

c)、系统同步时钟的设置，为保证照片的一致性，在每部相机上设置一个由第三步建立的系统同步时钟，用于接收由遥控器发出的系统同步时钟的开关信号；

d)、相机快门控制电路的设置，与相机上的系统同步时钟连接，按照事先设定好的时间间隔控制相机快门动作，以便进行拍摄；

e)、完成采样点的精确空间定位，相机在接到快门控制电路发出的控制信号后，开始对建筑和微型无人飞行器按照设定好的间隔时间进行连续拍摄，以便完成对各采样点的精确空间定位。

所述的微型无人飞行器可以是直升机、气球、飞碟、或飞艇。

所述的建筑物理数据采样用传感设备或传感器包括但不限于：噪音计、风速仪、温度仪、照度计、空气离子计数器、射线检测报警仪、或电磁场强度测试器等。

本发明的主要技术要点，要成功完成任务，该作业平台至少要满足以下条件：

1.微型无人飞行器要能够适应室内飞行环境，在各种建筑的内部主要空间中都能够正常飞行。

2.要组成用于物理环境分析的三维数据阵列，仅有采集的物理数据还是不够的，需要的信息还包括每一个采样点的准确三维坐标和采样时间(可以是大地绝对坐标，也可以是相对于被测建筑的相对空间位置)。

3.微型飞行器不能对采样设备、测量数据产生干扰。例如测量光照度时平台不能有遮挡，测量温度时温度传感器不能受到飞机上的发动机等部件产生的热气的影响。

4.飞行器对于室内物理环境的影响尽可能的小。例如航空器的空气尾流对室内气流的影响，发动机和大功率电子部件散发的热量对室内温度的影响。

第一、室内飞行用微型飞行器的选择

在类型上，微型飞行器可以分为直升机、固定翼机和气球类。固定翼机的飞行速度最快，但是不能够空中悬停，飞行动作不够细腻，不能适应狭小空间，所以通常我们选用直升机和气球类可悬停的飞行器。直升机又可以细分为普通布局和飞碟型布局两种，气球类可以分为人工线控的气球和遥控飞艇。普通布局直升机旋翼暴露在外，气动特性好，效率高，但是不能过于接近建筑构件，否则容易碰撞，所以它比较适合测量超大空间中测量点分布比较稀疏的项目；飞碟型和普通型一样也可以空中悬停、前进、后退，它的特点是旋翼被圆形外壳包裹，即使飞行器撞击到建筑墙面、屋面，也仅是被稍稍弹回一点，不影响继续作业，所以它适于钻进较小的空间或者障碍物比较多的环境。线控气球依靠人工移动位置、改变高度，作业速度低、适于特定点位、少量点位的测量工作；飞艇是具有自由飞行能力的气球，配备小型的风扇产生推进力，所以和直升机一样可以悬浮、前进、后退，而且在悬浮的时候没有噪音和震动，这是它的主要优点。在执行声场检测等任务时这一特点使得飞艇平台很有用处。

所以可以选择的飞行器平台包括直升机、气球、飞碟、飞艇，后两者的特性更适合于室内作业，应用较前两者多。

飞行器的大小型号：由于科技的发展，现在飞机的微型化程度已经很高了，最小的无人机比手掌还小，选择飞行器的大小主要看任务荷载的重量。温度、湿度、光敏、气敏探头现在都已经很小了，重量仅有几克甚至不到一克。另外一次建筑物理采集的数据量很少，几百个测点数据流量不到1KB，而今存储器芯片的容量都达到GB级，所以存储器的体积和重量也非常微小。加上电池、微处理芯片，推算一套完整的任务载荷(能够测量和记录数据，飞行器返回后通过数据线再转存到计算机上)按照任务种类的不同总重量从几克到几十克左右。这样的荷载所需直升机的旋翼直径约为20-50厘米，而气球容积则小于0.2立方米，飞艇艇囊容积小于0.5立方米。这些飞行器的体积都能够满足室内作业要求。

飞行器的飞行控制：大型无人飞行器(航空器)都采用卫星定位系统结合自动驾驶仪来实现自动飞行。卫星定位仪提供实时位置信息，驾驶仪与事先存储的数据进行比对，如果偏航就进行修正。这一技术无法应用在建筑物理室内作业无人飞行器上，因为在室内卫星定位信号受到屏蔽，无法稳定工作，而且一般的民用设备的定位精度仅为10米左右，大型无人机在高空作业，航线偏差几十米属于正常范围，一般不影响作业。但室内飞行需要更高的准确性、机动性、更高的“智能化”水平，否则飞行器偏差几米就有可能撞在建筑物上，或者航线上有建筑构件等障碍物，飞行器却无法觉察。

解决这一问题的办法是采用人员通过无线电遥控操纵和飞行自动增稳控制设备相结合的飞行方式。人员能够根据空间格局及时修正飞行的轨迹，机上的陀螺仪等增稳设备能够提高飞行器的安定性，用于辅助人员操纵。

第二、测量点的精确空间定位问题的解决办法。

这是本发明方案成立的最关键点，有了测量点的坐标才能准确制作采样数据的三维分布模型。但是卫星定位系统的精度远不能满足室内应用要求，而遥控操作也只能飞出比较稳定的航线，却不知道飞行器准确的坐标(例如究竟距离地面多高)，如何对测量点进行定位呢？有几种常见的高精度定位途径：

●波反射式测距技术。我们常用到的激光测距仪、超声波测距仪、红外线测距仪都是利用测距仪发射一束特定的波，撞击到被测物表面上反射回来被测距仪接收，通过计算时间差就可以得到测距仪与目标之间的距离。这种测距方法简便、直接、准确，一般精度都可以到厘米级，满足室内应用要求。全站仪、三维激光扫描仪也都应用这一原理。但是应用到本方案中有几个难题无法解决：首先飞机很小，缺乏足够的反射面积，手持测距仪对着飞机测距很困难；反过来如果把测距仪整合到任务荷载中，让飞机对着建筑物测距，飞行器又不得不增大很多；其次飞行器的移动速度很快，测距仪需要不断转动才能对准飞行器或建筑物上某一位置。总体上来看使用这一测距技术是很困难的。

●时差定位技术。类似于全球卫星定位技术，在飞行器上安装一个信号发生器，每隔一定时间发出一个波定位信号，可以是超声波、无线电波等；在建筑内有几个已知点，安装有接收装置，都接收这一信号，因为飞行器距离各点距离不同，信号的接收就会有先后顺序，通过计算时差就可以得到信号发生器相对于已知点的坐标。这一途径初看能够成立，细分析有三个缺点：首先无线电波传输速度太快，在近距离应用不如超声波准确，而超声波的传播容易受建筑内表面反射的影响而造成混乱，有障碍物遮挡某一个地面已知点的时候该点会接受某个反射波，极容易算错坐标。其次作业前需要准确的测量地面已知点的坐标，带来不便。另外飞行器上配备定位信号发射装置也会大幅度增加荷载总重量。所以这一方案有可行性，但并非最佳定位途径。

●近景摄影测量技术。这是本发明最终选择的采样点空间定位方法。近景摄影测量是测绘领域一种新兴的技术，与之相关的航空摄影测量多年前已经用于大地测绘、国土资源调查。

航空摄影测量的作业方法是飞机按照设定的航线往返飞行并以一定间隔竖直向下拍摄照片，照片之间是连续、部分重叠的。飞机坐标已知，就可以根据合成的照片绘制整个地图了。摄影测量实现的主要技术条件是照片数量超过2张，并且有一定的重叠面积，两(多)张照片拍摄的相机位置有所区别。近景摄影测量与航空摄影测量的不同点在于它的测绘对象尺度小以及注重地面应用的特点，相机拍摄的角度、机位可以是比较自由的，其坐标在计算机后期处理中能够被计算出来。如果测量一个建筑单体，人员可以手持相机围绕建筑任意走动，在不同的角度对着目标拍摄，而不用管自身位置，计算机会自动根据两张以上(一般可以拍3-4张)不同角度的照片对建筑物上的特征点和相机位置进行相对定位。所谓相对定位就是指被摄入照片中的建筑本身各部分、局部环境以及拍摄位置之间可以被准确的定位，但是这个系统与外界大地坐标系之间的方向关系未知。如果需要知道建筑实际尺寸，可以事先放入一把尺子被拍摄进照片中从而获得基准尺寸，或者作业完成后在任意两个特征点上用尺或其他测量手段获得一个真实尺度，这样整个系统中的各个尺度就是与实际相符的了。如果要测量与大地之间的定位关系，可以将建筑的水平地面也测绘进最终结果中，就可以确定采样点与地面之间的空间关系了。近景摄影测量的精度很高，市售高分辨率专业数码相机可以得到1/10000以上的尺寸精度，也就是测量一个100米长的建筑构件，误差不超过1厘米。

使用近景摄影测量技术对飞行器进行定位的原理是：在建筑内部设置几部(例如3-4部)同型号相机并控制它们在采样的同时进行间隔一定时间的连续拍摄，把飞行器和建筑室内都摄入照片，同样的摄影测量方法，计算机可以根据照片对建筑室内和飞行器之间进行相对定位。和上文介绍的作业过程类似，只不过我们用多个相机在不同角度同时拍摄，替代了原来单个相机变换角度拍摄。在作业过程中相机位置、建筑物位置都不变，唯一变化的是飞行器位置。经过连续拍摄，我们就可以得到每一次采样点相对于建筑物的坐标了，甚至能够绘制出飞行器的准确运动轨迹，精度达到厘米级。

根据摄影测量的要求，我们在同一次作业中要使用几部完全相同的相机，并且参数设置也完全相同，以保证照片的一致性。由于不需要确定相机的坐标，所以在建筑室内选择相机的位置时可以比较自由，需要注意的是相机放置于靠边的位置，并且拉开距离，镜头之间的角度区别比较明显即可。这和监控摄像机的放置原则很相似，主要是尽可能“看到”比较大的范围，并且能够从各个角度“看”飞行器，这样对其定位更加准确。

在拍摄时间控制方面，每一个相机都需要配备一个无线电接收机，一个时钟脉冲单元，一个快门控制电路。无线电接收机和遥控飞行器平台上的那个接收机是一样的型号，飞行器上也有一个相同的时钟脉冲单元。无线电遥控器有9个以上的控制通道，飞行器飞行控制一般需要占用6个通道，除了控制飞行器，接收机还有剩余的通道，利用某一个通道控制相机动作和采样动作。遥控器在操纵人员手中，当开关拨到“开”的状态时，四个接收机(假定用三个相机)都同时收到这个通道上的控制信号，此时所有的时钟开始同步计时，相机用的时钟按照事先设定好的时间间隔控制相机快门动作，时间间隔的多少就决定了带有坐标信息的采样点的“密度”。微型飞行器上的接收机收到信号时存储器就开始连续存储探头获得的数据，由于现在内存芯片容量都非常大，所以这一数据密度可以设定的比相机连续拍摄程度还要高，例如相机一般2秒拍摄一次，而采样工作1秒钟可以取样2次，甚至更多。飞行器上的存储器同时从系统时钟脉冲获取时间信息和物理采样数据一起存储，在作业完成后，我们就可以根据照片拍摄时间提取与摄影测量空间定位点相应的物理数据了。另外，如果某一段时间不用采样，人员可以让遥控器的该控制通道转为“关”状态，四个接收机会同时停止作业动作，等待下一次开始信号。

说明：这一同步定位与采样工作的方法与计算机、单片机等各种芯片中的时钟脉冲控制方法相同。就是利用系统时钟脉冲使所有的动作“协调一致”，伴随每一次脉冲，内存、计算处理单元等部件都完成一次动作，这是系统控制的基本方法。在采样、时钟数据结合存储的实际产品制作中，很多处理芯片都内置时钟、少量存储单元、数据传输标准接口(例如R232)，都近成品化、标准化，只需要正确配置电源、正确安装到机身上。

我们也可以在采样探头的附近安装一个发光二极管，当采样正在进行时二极管就会发光，一方面提示人员“采样正在进行”，另一方面在室内光线较弱的环境下也可以以正常的快门曝光时间在照片上获得一个亮点，从而让摄影测量用计算机识别该点，计算坐标。对于不同的环境，我们可以选用不同波长的二极管，发出不同颜色的光，用以和环境区别并使得测量目标的特征性强，便于计算机自动识别。

之所以采用发光二极管首先是因为它体积小，与灯泡或日光灯等光源相比定位更准确，而且它光效高，飞行器可以携带更小的电池，重量减轻，此外它几乎不产生热量，对探头和室内环境的影响小。如果光照测量时不允许有发光管，则可以用被动式发光的荧光材料贴在飞行器上作为替代。

本发明的优点和积极效果：

本发明利用微型无人飞行器承载相应种类的传感设备、数据记录装置、信息传回设备等，对大型建筑室内物理数据进行采集，在空间中往返飞行并不断获得途径各点的物理数据，同时利用三维摄影测量技术对微型无人飞行器进行空间定位。这样，微型无人飞行器尺寸可以小到只有几十厘米甚至十几厘米，能够在室内空间中灵活飞行。利用飞行器作业可以摆脱地面限制，获得空间中任意点的数据。这些数据可以组成三维模型，比平面数据阵列更便于分析，例如研究建筑内部的热能流动情况，过去我们只能得到地面、屋顶等局部温度数据，对于空气的热对流情况难以准确分析，现在有了空间数据阵列，热能运动的全过程就自然呈现了。由于飞行器移动速度快且不受地面运动条件限制，所以即使空间采样次数比地面作业大幅度增长了，也可以保证数据的等时性。

此外使用微型飞行器组成室内物理数据采样平台还有以下好处：

1.可以极大加快作业速度。飞行平台不仅移动速度快，还不会受到地面条件限制，保持稳定的、较高的作业效率。

2.可以实现室内空间中各种物理信息的三维化采集，这是该技术的最主要优势，完整的采样数据阵列才能够呈现该种类信息的完整分布情况。例如在绿色建筑研究中，我们可以得到完整的气温梯度分布图、自然光照强度分布图、气流运动三维模型，这些对于科学验证都很有价值。

3.设备小巧运输和使用成本低、操作便捷、启动迅速，可以连续作业获得目标在时间上的变化情况。以锂电池和无刷电机为动力源的微型航空器不仅体积小、重量轻，最适合在室内飞行，而且启动容易，拨动开关即可。工作过程中所需要做的辅助工作就是充电以及将存储器中的数据下载下来，所以这一平台反应速度快、作业成本低，如果有多块电池还可以连续工作。这些优点使其可以获得目标空间物理状态随时间变化的情况。这一功能在科研中很有用，例如我们在早晨、中午、傍晚不同时段对同一个实验性建筑进行观测，就可以得到室内温度变化曲线，并且这种成果是“四维”的，不仅有时间轴上的变化情况，同一个时间段的数据集还是三维分布式的。

需要额外说明的是飞艇由于是悬浮飞行器，所以停留在空中不需动力，电机只是为了移动和调整姿态。这就使它在同样的电池携带量的情况下可以比直升机类飞行器在空中停留更长的时间，为长时、连续工作提供平台基础。

采用地面相机摄影测量技术也为保证飞行器的小型化、微型化提供了技术上的保证。飞行器上不用设置任何用于定位的器材，而高精度的定位、导航设备重量动辄几百克、几千克，采样设备重量才几十克，如果为了安装定位设备而使得飞行器尺寸猛增可能导致本方案的整体失败。正是采用了摄影测量技术我们才能达到飞行器的最小化。

4.对环境适应能力强，作业条件要求低。这一平台非常适合室内作业，飞行器平台体积小，并且飞碟和飞艇型平台不仅自身有灵活飞行能力，而且高速旋转机械部分(例如螺旋桨)都被包裹在内部，飞行器在狭窄空间中飞行灵活而且安全，即使接触建筑表面也没有太大关系。除此之外，由于采用了摄影测量技术，地面定位设备的构造、使用方法得到了极大的简化。采用定焦(定焦是摄影测量对相机的基本要求)、广角镜头的定位用照相机既不用变焦，也不用像激光测距仪类产品需要转动云台来对准飞机，只要把相机放在角落里能够拍到飞机即可，而且放置的位置是比较自由的，几个相机之间的相对距离、方向也不用人工测量，计算机在后期处理解析相片时候就会算出。这给我们作业带来了极大方便，桌子、墙面、地面，任何位置都可以架设相机。该系统对环境的适应性非常好。

5.多功能平台。四种飞行器的综合使用，尤其通过飞碟、飞艇两种平台的组合，该平台可以执行建筑物理研究领域很多类型的室内数据采样任务。正所谓“一机多能”。

总之，使用微型无人飞行器作为采样平台“解放”了我们的双手，也“解放”了信息采集的“生产力”；而采用地面相机对飞行器和建筑同期拍照进行摄影测量定位技术则是“解放”了飞行器作业平台。这一技术方案的实质是将定位设备从机上完全转移到地面，去掉飞行器的主要负担；在时间上将定位工作转移到飞行、采样任务完成以后，在计算机上进行后期解析。这样做有几个好处：首先飞行、采样过程没有了定位任务，时间缩短，作业时只需要操纵人员在增稳器材的辅助下在有一定距离间隔的航线上往返飞行，尽量多的获取不同高度、水平位置航线上的数据即可。这样不仅对人员遥控飞行水平要求降低，现场作业流程简单，而且保证了数据近似等时性。另外摄影测量通过拍照使飞行器空间位置信息“存储”在多张图像中，再由计算机解算，自动化程度高，所获得的成果不仅包括飞行器位置坐标，还同时对建筑内空间进行了三维测量及建模，“一石二鸟”。当我们把各采样点坐标及对应的物理数据输入计算机生成的采样点阵列模型和建筑模型共同构成的三维模型中，成果就是包含了测量信息、测量点阵列以及建筑环境的完整成果，从信息快速采集到信息处理、成果合成是“一气呵成”的。

使用摄影测量定位手段还有一个非常大的好处：我们可以使用多架飞行器同时作业。如果用别的定位手段，多架飞行器同时定位就需要更多的定位设备，但是摄影测量不用，只要飞行器出现在同时间拍摄的多张照片中，摄影测量技术就可以对其定位，而不论目标数量的多少。而且对于摄影测量过程来说，凡了解摄影测量定位原理的都会知道，目标特征点增多对于定位解析具有好处。

【附图说明】：

图1是飞碟形微型飞行器作业平台示意图，A为俯视图，B为主视图；

1-螺旋桨保护罩、2-无刷电机、3-螺旋桨、4-探头支架、5-备用探头支架、6-飞行器支脚、7-发光管、8-探头、9-设备舱、10-垂直尾翼、11-方向舵、12-水平尾翼、13-气囊、14-尾桨旋翼、

图2是微型飞艇平台示意图；其中，A为主视图，B为右视图；

图3是微型直升机作业平台示意图；其中，A为主视图，B为俯视图；

图4是作业现场示意图(说明：至少要有三部相机，数量越多拍摄范围就越广，更不容易产生拍摄“死角”)，其中，A为俯视图，B为主视图；

15-飞行器、16-1号相机、17-2号相机、18-3号相机、19-建筑外墙、20-建筑屋顶；

图5是作业控制信号传输示意图；

21-电子时钟、22-遥控发射机；

图6是人工作业方法人-机工作模式示意图；

图7是本发明设计方案的人-机工作模式示意图；

图8是控制电路原理简图；

图9是飞行器用舵机(伺服器)控制电路图；

图10是采用摄影测量技术对测量点进行精确定位的实例1示意图；图10A被测目标实物照片，图10B为按照需要得到目标上的特征点的三维坐标，图10C为软件对相机的自身坐标、镜头方向进行的三维定位，图10D为利用图像得到拟真的计算机模型三维模型成果；

图11是采用摄影测量技术对测量点进行精确定位的实例2示意图；图11A为塔顶航拍照片举例，图11B为摄影测量软件解算出的特征点三维点云图，图11C为软件计算出的每张照片对应的相机位置和镜头方向，图11D为测绘成果(三维模型)；

图12是实例3中由相机2在作业过程中拍摄的一张照片，可见相机1和飞机；

图13是由软件计算出的从水平方向观察测点的三维模型；

图14是由软件计算出的从鸟瞰方向观察测点的三维模型。

【具体实施方式】：

实施例1：

第一、微型飞行器的选择，

微型飞行器对测量传感设备或传感器以及室内环境影响的分析。

就像人员在室内工作时会散发热量、搅动气流，微型航空器也会或多或少对室内环境产生影响。我们通过技术手段把这种影响减到最低的程度。

飞机、飞艇都是带动力飞行，发动机将会是主要的干扰因素，会产生噪音、振动、散发热量、内燃机等热机还会排出废气，螺旋桨也会造成气流的变化。根据任务特点，我们选择微型无刷电机作为动力源，和热机相比，电机的马力小、续航时间短是缺点，但是对于室内近距离作业这不是主要问题。电机的震动、噪音相对小很多，启动、关闭容易，可以在空中间歇作业，而且还没有污染，所以是最适合的动力源。无刷电机是近年才出现的新型动力电机，其效率可以达到95％以上，而普通电机的效率约为50％，所以不仅在同样的飞行器上电机、电池的重量都可以做的更小，而且散发的热量非常少，对于环境的影响小。按照前文所述的一般作业要求，总重量为400-500克的直升机需要一个最大动力输出约为200瓦的无刷电机，相应转化为热能的功率为10瓦，可以计算出5分钟的工作释放的热能为3000焦耳，这些能量究竟有多少呢？在理想情况下(不计整个时间段内的热散失)能够将1000立方米(边长10米的正方形房间)的空气温度提高0.0023度。这还没有考虑到电机并非一直满负荷工作，而且飞艇所需的水平推进力比直升机小得多，50瓦左右即可满足。与之相比较，一个从事中度体力劳动的成年男子一天消耗的热量约为3000大卡，即12540000焦耳，这些热量大多被散发掉，按12小时工作平均计算，估算5分钟工作散热近80000焦耳。由此我们可以看出：使用微型航空器不仅不会增加额外热量，而且由于减少了工作人员数量和作业时间，还有利于提高成果准确度。我们所需要注意的就是把探头设置在距离发动机比较远的位置或者设置在飞行器的端部、前部，这样发动机或者其他电子部件散发的热量就不会对结果有影响。

测量风速时也是一样的设置方法，将空速管设于飞行器前端并且远远地伸出一段距离(各种飞行器的空速管都是这样设计的)，测量结果就不会受到机翼、螺旋桨等部件空气绕流的影响。飞行器悬停的时候测得的空速就是室内空气的真实流速。

与内燃机不同，电机的转速很高、振动频率高、幅度很小，现在电子产品都能够承受这种程度的振动，所以采用电机就等于消除了振动的影响。

电机在工作的时候还会产生一定程度的高频噪音，螺旋桨叶拨动空气也会发出声音，在声音测量方面这还是不能被接受的，所以我们选用飞艇作为声场测量平台。飞艇的推进电机可以间歇工作，在采样过程中，操纵手可控制电机、螺旋桨暂时停止工作，得到该点的采样数据后再打开动力，这样就不会影响测量结果。飞艇可以悬停，不会像飞机那样没动力就坠落下来，而且利用自身惯性仍可由方向舵面控制姿态，采样完成后需要转移采样点时，仍然可以恢复推进力。

第二、建筑物理数据采样用传感设备或传感器的选择

常见手持式采样设备的性能参数。目前采样设备的总重已经能够满足小型飞行器对荷载的要求，这些设备都已经实现了小型化、微型化，微型飞行器空中作业平台也可以承载他们进行采样作业。此外，这些设备大部分重量分布于外壳、电源、充电电路、液晶显示器及其附属电路等部件，安装到飞行平台上以后有些部件没有用(例如外壳、液晶屏、220伏市电充电电路等)，而有些部分可以整合、共享(例如电池)，有些部件需要独立出来安装(例如探头部分)，所以我们需要对这些器材进行改装或者特制，去掉不必要的部件，把探头部分独立出来，添加遥控电路部分，这样设备总重量、体积还可以缩减很多。

这些数据采样设备包括但不限于：

1、AZ8928噪音计，

噪音量程A环境噪音：40～130dB

C机械噪音：45～130dB

分辩率0.1dB

准确度±2dB(ref 94dB@1KHz)

响应时间选择FAST(快)/SLOW(慢)

频率范围300～8000Hz

显示4位液晶及条码显示

信号输出AC/DC信号输出AC：0.707Vrms

操作/储存温湿度0℃to 50℃＜80％R.H

-10℃to 60℃＜70％R.H

尺寸72×182×30mm

重量150g

供电电源9V电池

2、AZ8918风速/温度/湿度仪

量程范围：风速：1.1～20m/s，风温：-10℃～50℃，湿度：0～100％(仅8918)分辩率：风速：0.1m/s，温度：0.1℃，湿度：0.1％，单位转换风速m/s，ft/min，MPH，knots，Km/hr，温度℃/°F，准确度风速±2％，温度：±1℃，显示2×4四位数双显示LCD风速风温同时显示，尺寸180度打开时：235×45×25mm，合闭时：140×45×25mm，重量约90g，供电电源1.5V电池供电，工作环境温度：0-50℃，湿度：＜90％RH。

3、AZ8701温湿度仪

技术参数

量程范围湿度：5％～95％R.H.

温度：-10～50℃(10～122°F)

分辩率

0.1％R.H.0.1℃，0.1°F

准确度湿度：±4％温度：±1℃

尺寸16.5(H)×48.25(W)×170mm(L)

显示双显示温度及湿度

重量75g

供电电源2×1.5V AAA电池

附件皮盒，电池，使用说明书

4、AZ8581数字式照度计

技术参数

测量范围0.01～20000Lux/0.001～2000fc(尺烛光)分四档显示

分辩率最低0.01Lux/0.001fc(1FC＝10.764lux)

准确度±3％(Basic spec.)+10dgts

尺寸142×42.3×26.4mm(L×W×T)Folded合闭状态

234×42.3×26.4mm(L×W×T)Fully opened伸开状态

显示3位半液晶显示

重量90g

工作环境-5～80℃

供电电源9V，单节钮扣电池

5、空气离子计数器

·空气离子计数器用于检测自然或人工产生的离子，如放射性元素衰变、闪电和暴风雨、等离子放电、离子发生器、空调出风口等产生的离子

·空气离子计数器吸入空气(或者其它含离子的气体)通过一个平行极板装置。外侧的两块极板保持正的或负的极化电压，中间是线性检测极板。极板空气间隙4mm，极化电场强度1000V/m

·灵敏度高，可测离子浓度低到10个离子/cm3

·由于具有整体的静电防护和强力的风扇，即使在有很强的静电场或有风的不利条件下也能给出精确的读数

·响应速度快，只需约2秒，提高测试效率

·体积小重量轻，操作简单方便

技术指标

测量范围10-1,999,000ions/cm3

精度    ±25％对快速离子(迁移率大于8×10-5m/s per V/m)

稳定时间响应时间2秒，正负离子切换10秒

噪声    10ions/cm3(10秒内)

串扰    1∶5000(离子选择性，正负离子间的干扰)

电池    9V碱性电池，备用状态10h，测量2h

尺寸重量175×90×65(mm)/450g

6、Radalert100便携式射线检测报警仪

Radalert100射线检测仪是一款通用盖革计数器，用于检测α、β、γ和X射线。LCD数字显示读数，可选择每分钟计数(CPM)、mR/hr或累计计数，最高可达350,000CPM或100mR/hr。每次计数伴有红色LED闪烁和蜂鸣声提示。当辐射达到用户设定水平时有声音报警。Radalert100符合欧洲CE认证要求

应用领域

·监测个人辐射暴露量

·区域或周界监测

·检测辐射泄漏和污染

·确保符合管理部门规定

·监测本底辐射的变化

·核物理原理演示

·检查辐射性矿物

技术规格

传感器  卤素淬灭剂GM检测器，云母底窗(LND712)密度1.5-2.0mg/cm2，侧壁为0.3mm的#446不锈钢

显示    四位数值液晶显示，模式指示

测量范围0.001-110.00mR/hr或0.01-1100μSV/hr，计数0-350,000CPM或CPS：0-3,500，总计数1-9,999,000；

校准    Cs-137(gamma)

灵敏度  1000CPM/mR/hr(对于Cs-137)

精度    ±10％(典型)，±15％max

报警    用产可调报警级别，三个调整按钮(当辐射水平达到用户设定值时发出声音报警)

计数灯  每个计数，红色LED闪烁

声音    每个计数，蜂鸣器声音提示(可以设置成静音)

输出    两用微型插孔发送计数到计算机、数据记录器、教学数据收集系统及其它CMOS兼容设备。超微型插孔提供输出到外接耳机、放大器或磁带录音机

电源    9V电池

尺寸重量150×80×30mm，225g(含电池)

7、TES-1392电磁场强度测试器

技术规格

读值显示3-1/2位液晶显示器，最大读值1999

檔位    200/2000毫高斯，20/200微泰斯拉

分辨率         0.1/1毫高斯，0.01/0.1微泰斯拉

频宽           30Hz到300Hz

感测头         单轴

准确度         ±(3％+3位)在50Hz/60HZ

过载指示       LCD显示″OL″

取样时间       约0.4秒

电源           4颗AAA碱性电池(限用碱性电池)

电池寿命       约60小时

操作温度及湿度 0℃到40℃(32°F到104°F)相对湿度80％以下

储存温度及湿度 -10℃到60℃，相对湿度70％以下

重量           约165公克

尺寸           111(长)×64(宽)×34(高)mm

内存容量       最大一组可记录15750笔

以下结合附图对设备构造原理进行分析。

微型飞行器可以自己制作，也可以购买成熟的产品进行改装，将任务荷载安装到现成的飞行器上并使之可以正常工作即可。主要要求是外壳能够在各个方向上保护螺旋桨不会触碰建筑表面。

安装的原则：任务荷载中的探头部分与发动机、螺旋桨等干扰部件保持一定距离，对于飞机一般采用从飞行器前端(前进方向)伸出探杆，在探杆上安装探头。球类飞行器表面积大，探头可以根据需要贴在气囊表面。

探头的探测朝向可以根据任务需要而改变，但是探头附近用于摄影定位的发光二极管、荧光材料一般应放置在飞行器底面，因为照相机一般放置于地面，比飞行器位置低而镜头上仰拍摄所致。

采样用控制电路(包括无线电接收机、电子时钟、采样存储器)等放置在飞行器仓身内，通过信号连接线与探头相连。

如图4所示为作业现场示意图，图中以一个大型场馆建筑室内作业为例。我们事先将多个相机摆放于场馆室内靠近外墙的各个角落(如图中给出3个相机分别为16、17、18)，镜头朝向室内空间中央区域。飞行器(如图中15)则受操纵人员控制，在空间中往返飞行并采样，各相机在某一时刻同时拍摄照片，获取飞行器当时的空间位置。这一作业过程不断进行，就可以连续对飞行器进行定位了。说明：相机数量越多、镜头越广角，定位“盲区”越少，不论飞行器到何位置都能保证同时拍到飞行器的照片数量。如果购置多个同型号相机或者购买广角镜头有困难，可以采用分区作业的方法，例如从场地中轴线划分，先对一半空间作业，将镜头对着这一半空间拍摄，飞行器也在这一半空域飞行作业。做完后再采样另一半空间的数据。

图5是作业控制信号传输示意图，图中遥控器20由操作人员手持，主要功能是通过多通道无线电信号控制飞行器15飞行，利用剩余的一个通道控制系统时钟19的开关。当此通道开关打开，相机(16、17、18)和飞行器上的接收机收到控制信号，时钟脉冲开始同步计时并控制相机以一定时间间隔拍摄、控制采样设备进行采样并存储数据。时钟脉冲是用来保证每一次拍摄、数据采样的时间准确性、共时性。

图6是人工作业方法人-机工作模式示意图，图中采样设备通过按键、传感器、显示屏、数据接口与外界信息沟通。人员操作按键，处理器单元收到指令后读传感器的采样数据，可以存储到内存中，并在显示屏上显示出来供人员读数。在作业完成后，人员可以将所有的数据下载到计算机上。

图7是本发明设计方案的人-机工作模式示意图，图中原来采样设备被置入飞行器舱室中，去掉按键输入单元和数据显示屏输出单元，代之以无线电控制信号接收机和时钟脉冲单元。无线电发射机发出飞行器飞行控制信号和时钟开关信号，飞机上的无线电接收机接收两种信号，一种控制飞行，另一种通过时钟控制采样数据处理单元。采样数据的存储和计算机传输工作与人工作业相同，区别在于在存储采样数据的同时也存储对应的时间信息。

相机配备的无线电接收机只接收时钟控制信号，通过时钟控制拍摄间隔时间。

最终采样获得的数据、对应的时间和拍摄得到的照片都输入后期处理计算机，最终采样成果显示给使用者。

图8是控制电路原理简图，图中无线电发射机(遥控器)有七个控制通道(CH1-CH7)，CH1-CH6用来控制飞行器的油门、升降舵、副翼、方向舵、桨矩等舵面，必须是比例遥控的，所以人员通过调整电位器的电阻值变化控制飞行器舵面相应转动角度(或者油门、桨矩大小)，实际使用中，电位器具有类似飞机操纵杆的外形，人员可以通过手指方便的操控。通道7(CH7)只用来控制采样和定位作业的开始/停止，所以只要一个开关通道即可，开关打开，拍摄和采样工作，开关关闭，则作业停止。

发射机将这些电阻变化或开关通断变化加以调制加载到无线电调频信号通过天线发射到空间中，接收机通过天线接收下来这些无线电信号并解调，控制各通道产生相应动作。

飞行器上的接收机接收所有七个通道的信号。第一个通道与电机连接，控制飞行动力输出大小；第二至第六通道与各舵面伺服器相连，控制伺服器摇臂转动角度，从而控制舵面变化，按照人员操作产生飞行动作；第七通道输出的开关控制信号与脉冲发生单元的脉冲信号都连接到一个与门逻辑电路，其工作原理是，只有当开关控制信号和时钟信号都为高电平(即表示“开始工作”)时，逻辑电路才会输出采样控制信号，进行一次采样。我们预先设定好时钟间隔，这样采样工作就可以按照需要间隔进行。

相机上的接收机只接收第七通道的信号，工作原理与飞行器采样控制相同，时钟间隔可以和飞行器时钟设置成一样的，这样每一个采样对应一个定位坐标，当然也可以将采样设得更“密”一些(间隔短于拍摄)。

图9是飞行器用舵机(伺服器)控制电路图，图中左边为接收机主运算芯片，可以接收各通道控制信号，并实现通道混控、动作延时等飞行控制运算功能。通过数/模转换电路，最终控制信号被输送给右侧舵机控制芯片8253。舵机控制芯片将控制编码转换为伺服器的方波脉冲控制信号，方波的脉冲宽度控制伺服器摇臂转动角度。伺服器有三颗线，一颗与控制芯片连接，为信号线，另两颗线为动力线，用于连接电源。此外舵机控制芯片也使用一个时钟脉冲单元3，产生频率为1MHz的时钟信号，用于控制伺服器动作。

第三、测量点的精确空间定位实例

实例1、陕西省某史前聚落遗址现状测绘。

2007年6月，发明人用小型固定翼飞机对陕西省榆林地区子洲县“金山寨”遗址(省级文物保护单位)及其周边局部山体环境进行了航拍、三维测绘。航拍过程是飞机围绕目标周圈飞行，测绘对于航线的精确性、拍摄的距离并没有特殊要求，可以根据气流、地形等条件比较自由的作业，需要注意的是如果要得到复杂形状目标的各个位置，那么照片要多，不能有“死角”，拍摄大多周圈进行(图10A)。所以用于测绘的实际照片数量大都多于三张，测绘效果更好。

我们可以看出，通过计算机对同一目标的不同角度多张照片的解析，我们就可以按照需要得到目标上的特征点的三维坐标了(图10B)，所谓特征点可以是任何目标，只要在亮度、色彩等方面能够在2张以上的照片中通过视觉可以分辨即可，例如一块黑色的石头、房屋的屋角、人工投射的亮点(激光点、点状灯、反光点)等都可以。

另外可以说明的是，对于一个摄影测量项目，拍摄机位不应少于3个，在3个以上(包括3个)机位的基础上，某些个别点如果只在两张照片中出现也是允许的，能够得到三维坐标。在计算出特征点坐标的同时，软件也对相机的自身坐标、镜头方向进行了三维定位。(图10C)软件还可以利用图像得到拟真的计算机模型三维模型成果(图10D)。

实例2、山西应县木塔塔顶测绘。

山西省应县佛宫寺释迦塔通常被称作应县木塔，建于辽代，高六十多米，是世界上最古老、最高大的全木结构建筑，是国家级重点文物保护单位，已经列入世界文化遗产备选名单。今年国家文物部门决定对木塔进行一次大规模整修，塔上大部分区域人员可以攀爬观测，但是顶部仅有一个几十厘米的小口供出入，且顶部坡度大容易滑倒，人工作业十分危险，所以今年9月发明人使用了小型无人直升机携带高分辨率相机，飞到距离塔顶半径约10-30米左右的距离上从空间各个角度对顶部进行了航拍，从图像中可以分辨每一块砖瓦的保存状况、破坏情况，这样就不用人员在上面进行危险作业。航拍完成后对航片进行了测绘作业，得到木塔顶部的三维测绘图，精度达到厘米级，满足一般测绘应用的要求。从测绘图上可以精确测量出塔尖的倾斜方向和角度、莲花座的原有形状和破坏程度、金属鼓座的锈蚀程度等。这些结论都为后续修缮工作打下了良好基础。图11中，图11A为塔顶航拍照片举例(为满足摄影测量的照片数量要求，实际在其它角度还拍摄了多张照片)，图11B为摄影测量软件解算出的特征点三维点云图，图11C为软件计算出的每张照片对应的相机位置和镜头方向，图11D为测绘成果(三维模型)。

从以上两个实例可以看出：

1.本发明方案中的关键技术之一摄影测量技术对于拍摄位置的确没有特别要求，软件能够对相机坐标、镜头方向进行解析。只要各机位有较大的拍摄角度区别即可，照片数量不能少于3张，当然对于某一个目标，张数越多越好，可以保证没有死角。对于本发明方案，主要被测点仅为1个或几个(允许多架飞机同时作业)，张数不必像测量山体、古建筑这么多。

2.得到被测点的坐标是摄影测量的基本功能，正是在这一环节的基础上才建立起目标模型和其他更高级成果。

3.对于本发明方案中飞行器的定位方案推证：已知我们可以对固定不动的目标有先后顺序地拍摄多张照片进行测绘。如果我们反过来看，用几个参数相同的相机同时对某一个场景进行拍摄，即使这个场景中有活动元素，在拍摄的瞬间它也是有确定的位置的，我们同样可以获得这个位置的坐标。如果我们不停的拍摄，就可以获得这个活动元素相对于整个场景的运动轨迹了。这就是本发明方案的采样点定位原理。

第四、测量点的精确空间定位与物理数据采集实例

实例3、建筑室内空间中温度的三维采样实验记录

地点：天津大学第三学生食堂内

实验使用的设备：一架旋翼直径为50厘米的电动直升机，9通道无线电遥控设备一部，电子速读温度计一个，测量精度0.1摄氏度，两部佳能s80数码相机，28毫米镜头，800万像素，两个相机三脚架。

实验过程和结果：

实验操作中获得7个点的温度数据，从数据中我们可以看出冬季室内温度分布规律：建筑上部温度高于地面附近、外墙附近低于建筑中部。整个作业过程直升机仅消耗一个11.4伏2200毫安时锂电池的电能，非常节省能源。如图12-14所示，画面中的两个相机是由测绘软件计算得到的，与拍摄时的相机位置相符合(在拍摄时相机的摆放是随意的，没有经过事先定位)。粗线条表示出飞行器的大致运动轨迹，7个点为获得温度数据时的飞机对应点位。

测量结果表：

测点编号	温度值(摄氏)	测量点位置描述	结果分析备注
				D1	14.3度	距室内地面高度4.7米，距离入口侧外墙面8.2米	典型室内温度
D2	14.2度	距室内地面高度4.8米，距离入口侧外墙面2米	外墙处，但没有受门口影响，温稍低
				D3	13.9度	距室内地面高度3.9米，距离入口侧外墙面2.3米	处于门口冷空气交换区
D4	13.9度	距室内地面高度4.3米，距离入口侧外墙面2.7米	处于门口冷空气交换区
				D5	13.8度	距室内地面高度1.9米，距离入口侧外墙面9.2米	室内低点，受大门气流影响，温度低
D6	14.3度	距室内地面高度6.1米，距离入口侧外墙面9米	最高点，温度高
				D7	14.2度	距室内地面高度4.2米，距离入口侧外墙面11.9米	中高度，但没有受门口冷气影响

注：钢架下表面距地面实际高度为5.9米。

关于摄影测量定位精度：根据摄影测量软件提供的指标，使用消费级数码相机的设备测量误差不大于1/2000，考虑到人为操作测量误差，如果探头附近有微型光源指示位置，实际作业平均定位精度约为1/1000，对于100米长的建筑，即误差小于10厘米；如果没有指示灯，由于相机像素数不够高、室内环境昏暗，只能对飞行器机体核心部分进行定位，实际误差最大不超过30厘米。

实验结论：

在建筑室内狭小空间中，使用2部以上数码相机，利用摄影测量技术对飞行平台进行空间三维定位，并使用飞行器获取物理采样数据是完全可行性的。

Claims (3)

1、一种建筑物理数据快速三维采样方法，其特征在于，该方法依次包括以下各步：

第一、室内飞行用微型无人飞行器的选择，采用由遥控器控制的微型无人飞行器；

第二、建筑物理数据采样用传感设备的选择，根据所需采样的物理数据，选择相应的传感设备；

第三、系统同步时钟的建立：为保证建筑物理数据采样与微型无人飞行器上的数据采样用传感设备定位的同步，建立一个在各数据采样用传感设备上，以及摄影测量定位用相机上设置由接收机控制的系统同步时钟，由操纵微型无人飞行器的遥控器发射无线电控制信号，通过接收机控制系统同步时钟的启/闭；

第四、建筑物理数据的采样：上步建筑物理数据采样用传感设备上设置的接收机接收到遥控器发出的控制信号后，启动系统同步时钟，开始采集建筑物理数据；

第五、采样点的精确空间定位：采用近景摄影测量方法对采样点精确空间定位，该方法的具体步骤是：

a)、相机的选择，在同一次作业中，选用至少2部以上完全相同的相机，并且参数设置也完全相同，以保证照片的一致性；

b)、相机的放置，不需要确定相机的坐标，将相机放置于靠近建筑边缘的位置，并且拉开距离，使相机具有尽量大的、各自不同的视角范围，各镜头之间的拍摄角度区别比较明显；

c)、系统同步时钟的设置，为保证照片的拍摄时间一致性，在每部相机上设置一个由第三步建立的系统同步时钟，该系统同步时钟与接收机连接，用于接收由遥控器发出的系统同步时钟的开关信号；

d)、相机快门控制电路的设置，与相机上的系统同步时钟连接，按照事先设定好的时间间隔控制相机快门动作，以便进行拍摄；

e)、完成采样点的精确空间定位，相机在接到快门控制电路发出的控制信号后，开始对建筑和微型无人飞行器进行拍摄，以便完成对各采样点的精确空间定位。

2、根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的微型无人飞行器是直升机、气球、飞碟、或飞艇。

3、根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述的建筑物理数据采样用传感设备或传感器是：噪音计、风速仪、温度仪、照度计、空气离子计数器、射线检测报警仪、或电磁场强度测试器。

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