CN207976923U - 一种基于系留浮空器的三维建模装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种基于系留浮空器的三维建模装置，该三维建模装置包括：通信载荷系统，通信载荷系统设置在系留浮空器的吊舱上，且通信载荷系统包括：图像采集装置、数据传输装置，图像采集装置和数据传输装置通信连接，数据传输装置将图像采集装置采集的监测区域的影像进行传输；地面数据分析站，地面数据分析站和通信载荷系统通信连接，地面分析站用于根据监测区域的影像，构建监测区域的三维模型。本实用新型通过将三维建模装置应用于长时间驻留的系留浮空器上，从而三维建模装置将会以数据更新速度快、成像质量好等优点应用于大城市的三维建模领域，进而极大程度地促进城市三维建模在智慧城市建设中的应用。

Description

一种基于系留浮空器的三维建模装置

技术领域

本实用新型涉及浮空器领域，具体来说，涉及一种基于系留浮空器的三维建模装置。

背景技术

传统的三维建模装置一般是基于无人机或有人机平台的，从而通过对监测的对象建立立体像对来实现三维景观的景观重现，但现有方案存在以下三方面的缺陷：

一是现有技术方案存在航向重叠和旁向重叠不规则和成像像幅较小的缺陷，这是因为无人机飞行稳定性差，成像倾角过大且方向没有规律；

二是由于无人机载荷重量轻，使得其无法负载高精度的姿态测量及位置测量传感器，从而使得该方法的影像处理略显不足；

三是现有技术方案还存在数据更新速度慢的缺陷，同时，由于其时间周期往往长达一年甚至更长时间，从而对于在一些发展较快的开发区，这样的更新速度远远不能满足需求。

针对相关技术中的问题，目前尚未提出有效的解决方案。

实用新型内容

针对相关技术中的问题，本实用新型提出了一种基于系留浮空器的三维建模装置，其解决了现有技术中存在的三维模型数据更新率低、数据质量可靠性不足的问题。

本实用新型的技术方案是这样实现的：

为了解决现有技术中存在的问题，本实用新型提出了一种基于系留浮空器的三维建模装置，该系留浮空器设置在监测区域上方，并且该三维建模装置包括：通信载荷系统，通信载荷系统设置在系留浮空器的吊舱上，且通信载荷系统包括：图像采集装置、数据传输装置，图像采集装置和数据传输装置通信连接，数据传输装置将图像采集装置采集的监测区域的影像进行传输；地面数据分析站，地面数据分析站和通信载荷系统通信连接，地面分析站用于根据监测区域的影像，构建监测区域的三维模型。

根据本实用新型的一个实施例，通信载荷系统包括：云台装置，云台装置设置在吊舱上，以及图像采集装置固定设置在云台装置上，云台装置用于调整图像采集装置的影像的拍摄角度，以获得监测区域的多个视角的影像。

根据本实用新型的一个实施例，云台装置包括：支撑座、外框架、内框架，且图像采集装置设置在内框架内，外框架设置于支撑座上且外框架可绕支撑座的竖直轴线相对于支撑座转动，内框架设置在外框架内且内框架可绕外框架的水平轴线相对于外框架转动。

根据本实用新型的一个实施例，数据传输装置包括：以太网交换机，以太网交换机和图像采集装置通信连接，且以太网交换机通过光电复合缆或无线通信装置与地面分析站通信连接。

根据本实用新型的一个实施例，三维建模装置还包括：驱动装置，驱动装置设置在吊舱上且与以太网交换机通信连接，驱动装置用于根据地面分析站发送的指令，调整云台装置的姿态，从而调整图像采集装置的影像的拍摄角度。

根据本实用新型的一个实施例，三维建模装置还包括：串口服务器，串口服务器设置在吊舱上，串口服务器分别与以太网交换机和驱动装置连接。

根据本实用新型的一个实施例，三维建模装置还包括：设于吊舱上的电源分配模块，电源分配模块分别和光电复合缆、以太网交换机、无线通信设置和图像采集装置电连接，电源分配模块用于将通过光电复合缆传输的电压进行转换和分配。

根据本实用新型的一个实施例，图像采集装置包括：五个镜头，包括一个第一镜头和四个第二镜头，第一镜头竖直朝下地设置，四个第二镜头分别与竖直方向呈倾斜角度地设置在第一镜头的周向，以获取监测区域的垂直影像和倾斜影像。

根据本实用新型的一个实施例，三维建模装置还包括：惯性导航装置，惯性导航装置设置在吊舱上且与通信载荷通信连接，惯性导航系统用于定位监测区域。

根据本实用新型的一个实施例，系留浮空器与监测区域的垂直距离大于4千米。

本实用新型的有益技术效果在于：

本实用新型通过将三维建模装置应用于长时间驻留的系留浮空器上，从而三维建模装置将会以数据更新速度快、成像质量好等优点应用于大城市的三维建模领域，进而极大程度地促进城市三维建模在智慧城市建设中的应用。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是根据本实用新型实施例的通信载荷系统的示意图；

图2是根据本实用新型实施例的系留浮空器和地面分析站的通信方式的示意图；

图3是根据本实用新型实施例的第二镜头的布置示意图。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

为了解决现有技术中存在的问题，本实用新型提出了一种基于系留浮空器的三维建模装置，该系留浮空器设置在监测区域上方，并且该三维建模装置包括：通信载荷系统，通信载荷系统设置在系留浮空器的吊舱上，以及如图1所示，该通信载荷系统包括：图像采集装置、数据传输装置，图像采集装置和数据传输装置通信连接，数据传输装置将图像采集装置采集的监测区域的影像进行传输；地面数据分析站，地面数据分析站和通信载荷系统通信连接，地面分析站用于根据监测区域的影像，构建监测区域的三维模型。

在该实施例中，系留浮空器一般是由以下几个分系统组成：结构系统、航电系统、防雷系统、飞控系统、通信载荷系统、地面保障系统、地面锚泊系统、地面分析站、测控及应用系统。此外，该系留浮空器一般工作在高于1000m的高空中，并且该系留浮空器依靠高强度的光电复合缆(或光电复合系留缆、或系留绳)连接地面分析站，同时，该光电复合缆包含2路光纤接口和2路供电接口，从而完成地面和系留浮空器之间的供电和数据传输。

此外，通信载荷系统是实现三维重建的关键，其是由图像采集装置和数据传输装置组成，同时，上述图像采集装置和数据传输装置可根据实际需求进行选择，例如，根据本实用新型的一个实施例，如图1所示，图像采集装置包括五镜头倾斜相机以实现多角度获取监测区域的影像，数据传输装置包括千兆以太网交换机，此外，当然可以理解，该图像采集装置和数据装置还包括其他的装置，例如，根据本实用新型的一个实施例，该图像采集装置还包括姿态测量与控制组件、定位与导航组件。以下为了描述清楚，下面通过图1对本实用新型的技术方案进行描述。

如图1所示，设置在系留浮空器的吊舱上的通信载荷系统和地面分析站之间通过光电复合缆连接，并且该光电复合缆中的供电接口与电源转换模块连接，从而通过电源转换模块将地面上传输的电压转换为220V交流电(AC)和48V直流电(DC)，随后通过电源分配模块进行电源的分配，该电源分配模块将24V交流电分配给五镜头倾斜相机，以保证五镜头倾斜相机的正常工作，同时，该电源分配模块将220V交流电分配给千兆以太网交换机，以保证千兆以太网交换机正常工作，并且该千兆以太网交换机具有由RJ45接口构成的以太网接口和SFP(Small Form-factor Pluggable，光模块)接口，同时，该SFP接口和光电复合缆的光纤接口连接，该以太网接口和串口服务器的RJ45接口构成的以太网接口连接，该串口服务器用于提供信号的转换功能，同时，该串口服务器通过串口和云台电机1、云台电机2、云台电机3、云台电机4连接，上述多个云台电机1、云台电机2、云台电机3和云台电机4用作驱动装置，串口服务器和驱动装置均设置在系留浮空器的吊舱上，从而能够通过调整云台电机来调整云台装置的姿态，从而调整图像采集装置的影像的拍摄角度。此外，在地面分析站通过光电复合缆对系留浮空器下发控制指令后，以太网交换机通过控制云台电机来调整五镜头倾斜相机的拍摄角度，以及同时该以太网交换机还在调整五镜头倾斜相机的拍摄角度的过程中，控制该五镜头倾斜相机采集监测区域的影像，随后该五镜头倾斜相机将采集到的监测区域的影像传输至以太网交换机，随后以太网交换机将系留浮空器上的机载数据整合，并统一通过光电复合缆将数据传输到地面分析站，随后地面分析站通过采集到的监测区域的影像，构建监测区域的三维模型，从而实现了信号的稳定传输、高空的清晰成像和数据的传输功能。

当然可以理解，虽然在本实施例中示出了系留浮空器和地面分析站之间通过光电复合缆通信连接的方式，但是系留浮空器和地面分析站的通信方式还可根据实际需求进行设定，例如，根据本实用新型的一个实施例，在地面分析站和系留浮空器之间的距离较近的情况下，该系留浮空器和地面分析站可通过光电复合缆进行通信；然而在地面分析站和系留浮空器之间的距离较远(如水平距离大于40Km)的情况下，光电复合缆的长度限制已不满足需求，从而该系留复合缆和地面分析站可通过无线通信设备(如无线网桥、WIFF等)进行通信。

此外，在系留浮空器和地面分析站之间通过无线网桥来实现通信的情况下，继续参见图1，该电源分配模块将12V直流电分配给点对多点无线网桥1#、点对多点无线网桥2#、点对多点无线网桥3#、点对多点无线网桥4#，另外，还需将系留浮空器上的点对多点无线网桥的天线和地面分析站上的无线网桥的天线对准来实现无线通信。

另外，在本实施例中，虽然示出了云台电机和点对多点无线网桥的具体数量，本领域的技术人员还可根据实际需求调整云台电机和点对多点无线网桥的数量，本实用新型对此不作限定。

借助于本实用新型的上述技术方案，通过将三维建模装置应用于长时间驻留的系留浮空器上，从而三维建模装置将会以数据更新速度快、成像质量好等优点应用于大城市的三维建模领域，进而极大程度地促进城市三维建模在智慧城市建设中的应用。

根据本实用新型的一个实施例，通信载荷系统包括：设置在系留浮空器的吊舱上的云台装置，图像采集装置固定设置在云台装置上，云台装置用于调整图像采集装置的图像的拍摄角度，以获得监测区域的多个视角的图像。

在该实施例中，该云台装置包括：支撑座、外框架、内框架，且图像采集装置设置在内框架内，外框架设置于支撑座上且外框架可绕支撑座的竖直轴线相对于支撑座转动，内框架设置在外框架内且内框架可绕外框架的水平轴线相对于外框架转动。

根据本实用新型的一个实施例，图像采集装置包括：五个镜头，包括一个第一镜头和四个第二镜头，第一镜头竖直朝下地设置，四个第二镜头分别与竖直方向呈倾斜角度地设置在第一镜头的周向，以获取监测区域的垂直影像和倾斜影像。

在该实施例中，如图3所示，其示出了四个第二镜头所形成的图像坐标系，上述四个第二镜头设置在物体点(或监测区域)的四周，从而能够获取不同角度的影像，同时，每个第二镜头设置在XYZ坐标系中，从而能够调整第二镜头在坐标系中的坐标来调整每个第二镜头的拍摄角度，同时，由于每个镜头拍摄的是监测区域不同角度的影像，从而为了区域拍摄角度，从而在每个镜头上设置XY图像坐标系，此外，第二镜头的具体设置参数还可根据实际需求设置，例如，根据本实用新型的一个实施例，第二镜头的单机幅面为5412*7216，以及像元大小为6.8um，以及焦距为为100mm，以及通过第二镜头获取的倾斜影像的倾角为40°到45°。此外，虽然图3仅示出了四个第二镜头所形成的图像坐标系，本领域的技术人员应当理解，该图像采集装置还设有一个第一镜头，该第一镜头竖直朝下设置，并且四个第二镜头与竖直方向呈倾斜角度地设置在第一镜头的周向，从而通过第一镜头和第二镜头来获取监测区域的垂直影像和倾斜影像。

根据本实用新型的一个实施例，三维建模装置还包括：设置在系留浮空器的吊舱上的惯性导航装置，惯性导航装置和通信载荷通信连接，惯性导航系统用于定位监测区域。

在该实施例中，该惯性导航装置可采用机载POS(Positioning and OrientationSystem，定位定姿系统)系统，该机载POS系统主要包括内嵌式低噪双频GPS接收机、惯性导航组件以及大容量存储系统和运行一体化惯性导航软件，同时，该惯性导航装置用于监测云台装置的姿态信息(如方位角、俯仰角等)，从而在GPS信号良好的情况下，俯仰角误差和方位角误差可以达到0.3°，航向角误差可以达到0.1°，位置误差精度可以达到2m。

根据本实用新型的一个实施例，系留浮空器与监测区域的垂直距离大于4千米，使之可监测的范围更广。

在该实施例中，如图2所示，系留浮空器和监测区域的垂直距离大于4千米，并且在系留浮空器和地面分析站的水平距离大于40Km的情况下，通过系留浮空器上的无线网桥和地面分析站上的无线网桥进行通信，并且无线网桥通过接入AP(无线访问接入点)来将无线网络接入以太网，此外，通过保证两个无线网桥之间正常通信的准视距路径，实现了系留浮空器与地面的通信。

为了更好的描述本实用新型的技术方案，下面通过具体的实施例描述三维影像的建立过程。

通过多个系留浮空器组网对地观测，光学相机采用五镜头倾斜相机，可获取多视影像，进而构成立体像对。此外，该三维建模的具体过程如下：

1、多个系留浮空器组网，同时，由于三角网具有几何强度好、抗粗差能力强、可靠性高的优点，从而该组网方式采取三角形作为基本图形；

2、根据监测区域的地面模型和相机分辨力调整网点的高度和相对位置，使得系留浮空器相邻影像的重叠率在30％以上，以保证影像之间的关联性，例如，将监测区域划分为9份，并且在每份中，通过一系留浮空器上的五镜头倾斜相机的五个镜头之间的相邻影像的重叠率在30％以上，以及每份之间的相邻影像的重叠率在30％以上，从而保证了影像之间的关联性；

3、通过全局扫描的方式来获取覆盖整个监测区域的高清影像；

4、选择具有姿势不变的形状直径函数(Shape Diameter Function，SDF)、灰度和纹理作为特征描述符，从而提取出影像的特征向量，若在系留浮空器实时拍摄的监测区域的特征向量发生变化则表明需要进行数据更新，从而实现了变化的检测，此外，其还可在三维图像的基础上，进行更新；

5、使用摄影测量系统进行空三加密处理，随后直接导入工程，随后经过测区构建、自动匹配连接点、空三加密、影像匀光匀色、正射纠正、影像镶嵌等处理，完成点云、DEM(Digital Elevation Model，数字高程模型)、DOM(Digital Orthophoto Map，数字正射影像图)数据提取，同时，本领域的人员应当理解，该三维模型的建立与现有的三维模型的建立过程类似，在此不再详细描述；

6、将生成的DOM影像叠加原有的三维模型上，可见影像不存在扭曲变形，且与Google卫星影像接边处道路等特征地物基本对齐，反映了自由网平差结果一致性较好，从而进行精度检核；

7、随后三维成图。

综上所述，借助于本实用新型的上述技术方案，通过将三维建模装置应用于长时间驻留的系留浮空器上，从而三维建模装置将会以数据更新速度快、成像质量好等优点应用于大城市的三维建模领域，进而极大程度地促进城市三维建模在智慧城市建设中的应用。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于系留浮空器的三维建模装置，所述系留浮空器设置在监测区域上方，其特征在于，包括：

通信载荷系统，所述通信载荷系统设置在所述系留浮空器的吊舱上，且所述通信载荷系统包括：图像采集装置、数据传输装置，所述图像采集装置和所述数据传输装置通信连接，所述数据传输装置将所述图像采集装置采集的所述监测区域的影像进行传输；

地面数据分析站，所述地面数据分析站和所述通信载荷系统通信连接，所述地面分析站用于根据所述监测区域的影像，构建所述监测区域的三维模型。

2.根据权利要求1所述的三维建模装置，其特征在于，所述通信载荷系统包括：

云台装置，所述云台装置设置在所述吊舱上，以及所述图像采集装置固定设置在所述云台装置上，所述云台装置用于调整所述图像采集装置的影像的拍摄角度，以获得所述监测区域的多个视角的影像。

3.根据权利要求2所述的三维建模装置，其特征在于，所述云台装置包括：

支撑座、外框架、内框架，且所述图像采集装置设置在所述内框架内，所述外框架设置于所述支撑座上且所述外框架可绕所述支撑座的竖直轴线相对于所述支撑座转动，所述内框架设置在所述外框架内且所述内框架可绕所述外框架的水平轴线相对于所述外框架转动。

4.根据权利要求2所述的三维建模装置，其特征在于，所述数据传输装置包括：

以太网交换机，所述以太网交换机和所述图像采集装置通信连接，且所述以太网交换机通过光电复合缆或无线通信装置与地面分析站通信连接。

5.根据权利要求4所述的三维建模装置，其特征在于，所述三维建模装置还包括：

驱动装置，所述驱动装置设置在所述吊舱上且与所述以太网交换机通信连接，所述驱动装置用于根据所述地面分析站发送的指令，调整所述云台装置的姿态，从而调整所述图像采集装置的影像的拍摄角度。

6.根据权利要求5所述的三维建模装置，其特征在于，所述三维建模装置还包括：

串口服务器，所述串口服务器设置在所述吊舱上，所述串口服务器分别与所述以太网交换机和所述驱动装置连接。

7.根据权利要求4所述的三维建模装置，其特征在于，所述三维建模装置还包括：

设于所述吊舱上的电源分配模块，所述电源分配模块分别和所述光电复合缆、以太网交换机、无线通信设置和图像采集装置电连接，所述电源分配模块用于将通过光电复合缆传输的电压进行转换和分配。

8.根据权利要求1所述的三维建模装置，其特征在于，所述图像采集装置包括：

五个镜头，包括一个第一镜头和四个第二镜头，所述第一镜头竖直朝下地设置，所述四个第二镜头分别与竖直方向呈倾斜角度地设置在所述第一镜头的周向，以获取所述监测区域的垂直影像和倾斜影像。

9.根据权利要求1所述的三维建模装置，其特征在于，所述三维建模装置还包括：

惯性导航装置，所述惯性导航装置设置在所述吊舱上且与所述通信载荷通信连接，所述惯性导航系统用于定位所述监测区域。

10.根据权利要求1所述的三维建模装置，其特征在于，所述系留浮空器与所述监测区域的垂直距离大于4千米。