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四臺紅外熱像儀+四臺攝像機 看安哈爾特應用科學大學如何采集三維圖像

FLIR A65sc熱成像溫度傳感器

斜視角的航空熱像儀系統(記錄高分辨率三維圖像)通常用于勘查城市地區以及從空中獲取地理數據。直到2017年,這些系統都未能記錄3D熱圖像。為了滿足這一需求,德國德紹的安哈爾特應用科學大學的一個研究小組開發了一種熱成像/ RGB系統,該系統通過重疊使用四臺數字攝像機和四臺FLIR A65sc紅外熱像儀采用25°視場拍攝的圖像,生成三維圖像。

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FLIR A65sc熱成像溫度傳感器

地理信息與測量研究所  

德紹的安哈爾特應用科學大學自1992年以來一直提供測量領域的課程,并且自2002年以來一直提供地理信息學課程。前測量部門改為地理信息與測量研究所。作為建筑學、設施管理和地理信息的一家研究所,該研究所將測量與地理信息學科的學術和研究能力結合在一起。除了教學,該研究所還專注于應用研究。

理念及其應用領域

研究所的其中一個項目包括開發一種新型熱成像和RGB攝像機系統,該系統通過重疊使用八臺攝像機從旋翼機拍攝的圖片來生成三維圖像。2016年4月,負責研究所的地理數據采集和傳感技術部門的Lutz Bannehr教授提出了這個想法。雖然具有極高分辨率的3D攝像機系統(稱為RGB斜視角攝像機系統)可用,但這些系統都不能提供熱數據提供的優勢。

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AOS-Tx8包括四臺A65sc FLIR紅外熱像儀和四臺緊湊型RGB攝像機,進行螺旋排列,這些攝像機都能生成重疊圖像

Bannehr教授在熱成像領域擁有豐富的經驗,他于2001年購買了FLIR SC3000制冷型紅外熱像儀,并參加了熱成像培訓。他確信使用非制冷型紅外熱像儀的解決方案也是可行的。紅外熱像儀有許多潛在用途,包括:收集庫存數據、監視、露天采礦作業中的體積監測、森林火災監測、絕緣分析、光伏和太陽能供熱系統的產量估算、環境監測、地質和地形成像,甚至用于生成數字城市模型。

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安哈爾特應用科學大學Strenzfeld校區的紅外正射圖像

項目實例

Bannehr教授提交了研究計劃,并組建了一個包括他的博士研究生在內的小型研發小組。包括來自bgk infrarot service GmbH(里薩)——FLIR集成公司的Christoph Ulrich和Hermann Kaubitzsch,以及來自旋翼機生產商Airborne Technical Systems(柏林)的Henrik Poh。

即使在長度和寬度上都有85%的重疊,傳統的高分辨率攝像機也無法拍攝建筑物側面的每個細節。因此,研究小組設計了一個由四臺RGB攝像機和四臺紅外熱像儀組成的系統,這些攝像機的布置方式使拍攝圖像能夠重疊,以生成3D熱圖像和3D地理數據。再使用標準軟件對這些數據進行分析和評估。

攝像機

為了創建該系統,研究小組選擇了四臺FLIR A65sc紅外熱像儀以及選自另一家制造商的四臺緊湊型RGB攝像機,這些攝像機都能生成約5百萬像素的圖像。Kaubitzsch推薦研究小組使用FLIR A65sc紅外熱像儀,“由于其良好的640x512像素熱成像分辨率、30Hz的幀頻、以太網端口以及106x40x43mm的緊湊型尺寸”。 Hermann Kaubitzsch還負責對攝像機進行同步和評估,這項任務也不容小覷。

AOS-TX8的控制及其參數

一組博士研究生為8臺攝像機開發了3D布置,這些攝像機必須在超輕型飛機上占用盡可能小的空間。甚至還制作了一塊敞開的定制基板,將系統安裝在旋翼機上。也很快就為該“航空斜視角系統”取名為:AOS­-Tx8。該系統通過以太網控制,圖像數據顯示在10英寸的屏幕上。“幾年前,我們嘗試過使用不同型號的紅外熱像儀,但是通過以太網對其進行控制并沒有達到預期的效果,”Bannehr教授解釋道。“然而,使用FLIR A65sc型號,所有問題都迎刃而解。”整個AOS­-Tx8系統僅重11.6kg,尺寸為330 x 400 x 320mm。該系統提供手動攝像機操作和飛行管理系統的連接,還提供鼠標、屏幕、鍵盤(全部通過USB)和電源。

紅外熱像儀的同步

FLIR熱像儀之間的重疊度為12%或3°。四臺FLIR紅外熱像儀必須進行同步以獲取有用的數據,并避免圖像重疊時測量值的溫度變化。由于技術原因,非制冷型紅外熱像儀的溫度測量差異最高為+/- 5%。使用參考聚光燈對所有四臺熱像儀進行測試,測試結果表明同樣存在預測的偏差,但偏差在整個光譜范圍內呈線性分布。因此可以將其中一臺熱像儀用作參考熱像儀(理想情況下為具有平均值的熱像儀),然后調整其他熱像儀以匹配參考熱像儀。

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在校準過程中,與參考聚光燈相比,紅外熱像儀的溫度偏差最高為5°C。選擇

熱像儀1作為參考熱像儀,并調整其他熱像儀以匹配其參考值

首航

2017年8月15日,進行了試飛。AOS­-Tx8已經安裝在旋翼機上,準備從空中進行初始測量。試驗步驟的順序已經明確定義。研究小組使用飛行計劃程序來繪制首航時間,并使用Google Earth獲取地圖數據。將包括拍攝圖片地點在內的飛行計劃數據復制到飛行管理系統中。在飛行過程中,使用這些數據來觸發AOS­-Tx8和其他傳感器。在安哈爾特大學Strenzfeld校園試飛之后,8月份還在馬格德堡進行了飛行。不僅從垂直角度拍攝了圖像(稱為紅外正射圖像),還用于生成大型3D熱圖像,同時顯示建筑物隔熱效果。

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馬格德堡的3D熱圖像(中心:馬格德堡大教堂)

航空斜視角系統(AOS-TX8)實現的結果

使用AOS-­Tx8,有可能首次獲得具有精確建筑物高度的數字表面模型以及RGB和紅外數字地形模型。AOS-­Tx8易于操作,可以使用標準軟件產品(如Photoscan或Pix4D)對數據進行評估。

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2017年8月首飛前,安裝在旋翼機上的AOS-Tx8

前景

該研究所現在也使用FLIR A655sc,用于收集航空數據,這款紅外熱像儀不需要3D成像。因此,我們期待著Bannehr教授和他的創新研究小組在德紹的安哈爾特應用科學大學的地理信息與測量研究所進行的下一個紅外研究項目。

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