案例 | 四台红外热像仪+四台摄像机 看安哈尔特应用科学大学如何采集三维图像

　　
　　斜视角的航空热像仪系统（记录高分辨率三维图像）通常用于勘查城市地区以及从空中获取地理数据。直到2017年，这些系统都未能记录3D热图像。为了满足这一需求，德国德绍的安哈尔特应用科学大学的一个研究小组开发了一种热成像/ RGB系统，该系统通过重叠使用四台数字摄像机和四台FLIR A65sc红外热像仪采用25°视场拍摄的图像，生成三维图像。

　　
　　FLIR A65sc热成像温度传感器。

　　

　　德绍的安哈尔特应用科学大学自1992年以来一直提供测量领域的课程，并且自2002年以来一直提供地理信息学课程。前测量部门改为地理信息与测量研究所。作为建筑学、设施管理和地理信息的一家研究所，该研究所将测量与地理信息学科的学术和研究能力结合在一起。除了教学，该研究所还专注于应用研究。

　

　　研究所的其中一个项目包括开发一种新型热成像和RGB摄像机系统，该系统通过重叠使用八台摄像机从旋翼机拍摄的图片来生成三维图像。2016年4月，负责研究所的地理数据采集和传感技术部门的Lutz Bannehr教授提出了这个想法。虽然具有极高分辨率的3D摄像机系统（称为RGB斜视角摄像机系统）可用，但这些系统都不能提供热数据提供的优势。

　　
　　AOS-Tx8包括四台A65sc FLIR红外热像仪和四台紧凑型RGB摄像机，进行螺旋排列，这些摄像机都能生成重叠图像。

　　Bannehr教授在热成像领域拥有丰富的经验，他于2001年购买了FLIR SC3000制冷型红外热像仪，并参加了热成像培训。他确信使用非制冷型红外热像仪的解决方案也是可行的。红外热像仪有许多潜在用途，包括：收集库存数据、监视、露天采矿作业中的体积监测、森林火灾监测、绝缘分析、光伏和太阳能供热系统的产量估算、环境监测、地质和地形成像，甚至用于生成数字城市模型。

　　
　　安哈尔特应用科学大学Strenzfeld校区的红外正射图像。

　　

　　Bannehr教授提交了研究计划，并组建了一个包括他的博士研究生在内的小型研发小组。包括来自bgk infrarot service GmbH（里萨）——FLIR集成公司的Christoph Ulrich和Hermann Kaubitzsch，以及来自旋翼机生产商Airborne Technical Systems（柏林）的Henrik Poh。

　　即使在长度和宽度上都有85％的重叠，传统的高分辨率摄像机也无法拍摄建筑物侧面的每个细节。因此，研究小组设计了一个由四台RGB摄像机和四台红外热像仪组成的系统，这些摄像机的布置方式使拍摄图像能够重叠，以生成3D热图像和3D地理数据。再使用标准软件对这些数据进行分析和评估。

　　

　　为了创建该系统，研究小组选择了四台FLIR A65sc红外热像仪以及选自另一家制造商的四台紧凑型RGB摄像机，这些摄像机都能生成约5百万像素的图像。Kaubitzsch推荐研究小组使用FLIR A65sc红外热像仪，“由于其良好的640x512像素热成像分辨率、30Hz的帧频、以太网端口以及106x40x43mm的紧凑型尺寸”。 Hermann Kaubitzsch还负责对摄像机进行同步和评估，这项任务也不容小觑。

　　

　　一组博士研究生为8台摄像机开发了3D布置，这些摄像机必须在超轻型飞机上占用尽可能小的空间。甚至还制作了一块敞开的定制基板，将系统安装在旋翼机上。也很快就为该“航空斜视角系统”取名为：AOS--Tx8。该系统通过以太网控制，图像数据显示在10英寸的屏幕上。“几年前，我们尝试过使用不同型号的红外热像仪，但是通过以太网对其进行控制并没有达到预期的效果，”Bannehr教授解释道。“然而，使用FLIR A65sc型号，所有问题都迎刃而解。”整个AOS--Tx8系统仅重11.6kg，尺寸为330 x 400 x 320mm。该系统提供手动摄像机操作和飞行管理系统的连接，还提供鼠标、屏幕、键盘（全部通过USB）和电源。

　　

　　FLIR热像仪之间的重叠度为12％或3°。四台FLIR红外热像仪必须进行同步以获取有用的数据，并避免图像重叠时测量值的温度变化。由于技术原因，非制冷型红外热像仪的温度测量差异最高为+/- 5％。使用参考聚光灯对所有四台热像仪进行测试，测试结果表明同样存在预测的偏差，但偏差在整个光谱范围内呈线性分布。因此可以将其中一台热像仪用作参考热像仪（理想情况下为具有平均值的热像仪），然后调整其他热像仪以匹配参考热像仪。

　　
　　在校准过程中，与参考聚光灯相比，红外热像仪的温度偏差最高为5°C。选择热像仪1作为参考热像仪，并调整其他热像仪以匹配其参考值。

　　

　　2017年8月15日，进行了试飞。AOS--Tx8已经安装在旋翼机上，准备从空中进行初始测量。试验步骤的顺序已经明确定义。研究小组使用飞行计划程序来绘制首航时间，并使用Google Earth获取地图数据。将包括拍摄图片地点在内的飞行计划数据复制到飞行管理系统中。在飞行过程中，使用这些数据来触发AOS--Tx8和其他传感器。在安哈尔特大学Strenzfeld校园试飞之后，8月份还在马格德堡进行了飞行。不仅从垂直角度拍摄了图像（称为红外正射图像），还用于生成大型3D热图像，同时显示建筑物隔热效果。

　　
　　马格德堡的3D热图像（中心：马格德堡大教堂）

　　

　　使用AOS--Tx8，有可能首次获得具有精确建筑物高度的数字表面模型以及RGB和红外数字地形模型。AOS--Tx8易于操作，可以使用标准软件产品（如Photoscan或Pix4D）对数据进行评估。

　　
　　2017年8月首飞前，安装在旋翼机上的AOS-Tx8。

　　

　　该研究所现在也使用FLIR A655sc，用于收集航空数据，这款红外热像仪不需要3D成像。因此，我们期待着Bannehr教授和他的创新研究小组在德绍的安哈尔特应用科学大学的地理信息与测量研究所进行的下一个红外研究项目。