تطبيق قياسات الجبال المعقدة باستخدام كاميرا D20 المزودة بتقنية DV-LiDAR10 في منطقة جبال يونان

لطالما شكّل مسح التضاريس الجبلية أحد أهم تطبيقات تقنية الليدار المحمولة جواً. عند استخدام الليدار في مسح الجبال، من الضروري اختيار حمولة رادار تتميز بخصائص مثل الدقة العالية، وتردد النقاط العالي، والاختراق العالي، وعدد الصدى العالي. تضمن هذه الحمولة قدرة الليزر على اختراق الغطاء النباتي الكثيف والحصول على بيانات دقيقة ومتزايدة الدقة لسحابة نقاط سطح الأرض الجبلية، مما ينتج عنه نتائج عالية الدقة والجودة للتضاريس الجبلية.

يُعدّ جهاز DV-LiDAR10 أول حمولة ليدار بعيدة المدى محلية الصنع تُطلقها شركة فوكستك روبوت. وهو يلبي جميع احتياجات المسح الطبوغرافي الجبلي. ويمكن تركيبه على منصة فوكستك روبوت V10 للإقلاع والهبوط العمودي، وعلى طائرة D20 متعددة المراوح، وفقًا لمتطلبات المسح الجوي المختلفة. وتلبي منصة الجهاز احتياجات أعمال المسح الطبوغرافي الجبلي واسعة النطاق، والتي تتطلب دقة عالية، مع وجود اختلافات كبيرة في الارتفاع.

DV-LiDAR10

1.1 مقدمة عن منطقة المسح

تقع منطقة المسح في الجزء الشمالي من مدينة كونمينغ، بمقاطعة يونان. تعاونت شركة فوكستك روبوت مع وحدة مسح ورسم خرائط من الفئة (أ) لإجراء مسوحات طبوغرافية جبلية لمشاريع الأنفاق الرئيسية. تغطي منطقة المسح مساحة تقارب 0.24 كيلومتر مربع، ويبلغ فرق الارتفاع الإجمالي حوالي 300 متر. تتميز منطقة المسح بغطاء نباتي كثيف وتضاريس متنوعة، وهي تضاريس جبلية نموذجية.

1.2 مقدمة عن المعدات

نظراً لطبيعة المنطقة الجبلية المعقدة ذات الارتفاعات المتفاوتة، ولأن مشروع النفق يتطلب دقة عالية في قياس الارتفاع، فقد تم اختيار منصة الطيران D20 المزودة برادار ليزري DV-LiDAR10 لجمع البيانات، وذلك بناءً على خصائص منطقة القياس ومتطلبات الدقة. يظهر مشهد منطقة القياس أدناه.

لقطات حقيقية في منطقة الاختبار

يتكون نظام DV-LiDAR10 بشكل أساسي من جهاز ليدار بعيد المدى، ونظام تحديد المواقع عالي الدقة، وكاميرا رقمية كاملة الإطار عالية الدقة. تُعرض المعايير التفصيلية في الجدول أدناه.

يتميز جهاز DV-LiDAR10 بتردد نقاط عالٍ، ودقة عالية، وعدد صدى عالٍ، وقدرة اختراق عالية. فهو قادر على اختراق المناطق ذات الغطاء النباتي الكثيف والحصول على عدد كبير من سحب النقاط الأرضية الجبلية عالية الدقة. كما أنه مزود بكاميرا رقمية كاملة الإطار عالية الدقة بدقة 42 ميجابكسل، مما يتيح الحصول على صور أرضية عالية الوضوح أثناء جمع بيانات سحابة النقاط.

يمكن لمنصة الطيران D20 المزودة بجهاز LiDAR10 أن تستمر فعليًا لمدة 40 دقيقة تقريبًا، ولديها مستوى مقاومة للرياح يبلغ 6، ويمكنها القيام برحلات تغيير الارتفاع التلقائية بالكامل في ظل اختلافات كبيرة في الارتفاع لتلبية متطلبات الدقة العالية والكفاءة العالية لجمع البيانات الميدانية.

كاميرا D20 مزودة بتقنية DV-LiDAR10

2.1 عملية العمل

من أجل التعامل مع اختلاف الارتفاع في منطقة المسح ومتطلبات جمع البيانات عالية الدقة للمشروع، قام العاملون الميدانيون أولاً بمسح منطقة المسح، واختيار نقاط الإقلاع والهبوط المناسبة، وتخطيط مسارات معقولة لجمع البيانات الميدانية؛ ثم تم استخدام برامج تشغيل الطائرات بدون طيار وبرامج أخرى لمعالجة البيانات الداخلية لإنشاء سلسلة من منتجات الاستشعار عن بعد لقياس التضاريس الجبلية لتوفير دعم البيانات لتطوير المشاريع اللاحقة.

2.2 الطيران الميداني

عند قياس المناطق ذات الفروقات الكبيرة في الارتفاع والبيئات المعقدة، ولضمان استقرار دقة نتائج البيانات، من الضروري عمومًا الحفاظ على الارتفاع النسبي للطائرة بالنسبة للأرض ثابتًا، أي تخطيط مسار طيران بارتفاعات أعلى. توفر وحدة "المسار الذكي" في برنامج إدارة الطائرات بدون طيار تصميمًا تلقائيًا للمسارات المتغيرة الارتفاع لتلبية احتياجات الطيران في مناطق القياس المعقدة ذات الفروقات الكبيرة في الارتفاع. ما عليك سوى استيراد نطاق منطقة القياس، وإدخال الارتفاع والسرعة المناسبين، واختيار المسار المتغير الارتفاع. سيقوم برنامج إدارة الطائرات بدون طيار بحساب المعلمات المتبقية تلقائيًا بناءً على المعلمات المدخلة. بعد اكتمال الحساب، سيكمل برنامج إدارة الطائرات بدون طيار تصميم المسار تلقائيًا بناءً على ارتفاع الأرض والمعلمات ذات الصلة لضمان ثبات ارتفاع الطائرة بالنسبة للأرض.

يبلغ الارتفاع التصميمي لهذا المشروع 270 مترًا، وسرعة الطيران التصميمية 8 أمتار/ثانية. وقدّر مُشغّل الطائرة المسيّرة المسافة الإجمالية للرحلة بحوالي 6 كيلومترات، والمدة الزمنية المُقدّرة للرحلة 16 دقيقة. وفيما يلي تفاصيل المعايير الأخرى وتصميم المسار.

معايير رحلة بتلر وتصميم المسار

بعد اكتمال تخطيط المسار، يتم تجميع جهازي D20 وDV-LiDAR10 ووضعهما في نقطتي الإقلاع والهبوط. ومن خلال وحدة "الطيران الذكي" في نظام إدارة الطائرات المسيّرة، يتم التحكم في الطائرة للإقلاع تلقائيًا وجمع البيانات على طول المسار المحدد. وبعد إتمام مهمة الطيران، تعود الطائرة المسيّرة تلقائيًا إلى نقطتي الإقلاع والهبوط دون أي تدخل يدوي.

2.3 المعالجة المسبقة الداخلية

(1) حل المسار

انسخ سحابة النقاط الأصلية، وبيانات وحدة القياس بالقصور الذاتي (IMU)، وبيانات نقطة الموقع (POS)، وغيرها من البيانات الضرورية التي تم الحصول عليها ميدانيًا إلى الحاسوب، وتأكد من سلامة البيانات. الخطوة الأولى في المعالجة الداخلية هي حساب المسار، وتعتمد دقة هذا الحساب بشكل مباشر على دقة النتيجة النهائية.

أولاً، يتم تنسيق بيانات نقطة الموقع المحمولة جواً باستخدام وحدة "الخريطة الذكية" في برنامج إدارة الطائرات بدون طيار، ثم تُستخدم البيانات المُحوّلة لتنزيل ملف المحطة الأساسية. بعد ذلك، يتم استيراد بيانات نقطة الموقع المُحوّلة، وملفات المحطة الأساسية، وبيانات وحدة القياس بالقصور الذاتي (IMU) إلى برنامج حساب المسار. يتم إدخال معلمات الانحراف المركزي ونموذج وحدة القياس بالقصور الذاتي (IMU) الخاص بجهاز DV-LiDAR10، ثم تُستخدم طريقة الربط المُحكم لحساب المسار، وأخيراً يتم إخراج نتائج المسار ونقطة تصوير الكاميرا التي تُلبي متطلبات الدقة.

(2) حساب السحابة النقطية

أدخل بيانات المسار المحسوبة وبيانات السحابة النقطية في وحدة "الليزر الذكي" في برنامج UAV Butler، وأدخل المعلومات اللازمة مثل مسار المشروع ونظام الإحداثيات ورقم الحمولة وفقًا للتعليمات. سيقوم برنامج UAV Butler بتنزيل تقرير معايرة السحابة تلقائيًا بناءً على رقم الحمولة والمعلومات الأخرى، وذلك لضمان دقة حساب السحابة النقطية. بعد التأكد من صحة المعلومات المدخلة، انقر على "حل السحابة النقطية"، وسيقوم البرنامج تلقائيًا بإنشاء بيانات سحابة نقطية عالية الدقة، كما هو موضح في الشكل أدناه.

نتائج حلول السحابة النقطية

للتحقق من وجود تدرج طبقي في بيانات السحابة النقطية المُعالجة، لا توفر وحدة "الليزر الذكي" أدوات تحليل الملفات الشخصية فحسب، بل توفر أيضًا أدوات فحص الجودة للكشف السريع عن التدرج الطبقي بين كل مسار (كلما كان اللون أغمق، كان عمق الطبقة أكبر، وكان التدرج أكثر وضوحًا). في حال وجود تدرج طبقي واضح، يمكن استخدام تعديل حزام الهواء لتقليل ظاهرة التدرج الطبقي وتحسين جودة البيانات. يظهر مخطط فحص الجودة لهذا المشروع أدناه.

خريطة فحص جودة منطقة القياس

كما هو موضح في الشكل أعلاه، فإن بيانات السحابة النقطية التي تم الحصول عليها من خلال هذا المشروع لا تحتوي على طبقات واضحة بعد المعالجة، مما يشير إلى أن جودة البيانات التي تم الحصول عليها بواسطة الرادار جيدة ويمكن استخدامها للمعالجة والإنتاج اللاحقين.

(3) مسح التضاريس الجبلية

تشمل نتائج مسح التضاريس الجبلية بشكل رئيسي الصور الجوية لمنطقة المسح، وسحب النقاط الملونة، وتصنيف واستخراج الميزات، ونموذج الارتفاع الرقمي عالي الدقة والخطوط الكنتورية، وما إلى ذلك.

تُتيح الصور الجوية الحصول على صور عالية الدقة للأجسام الأرضية في منطقة المسح، بالإضافة إلى نموذج الارتفاع الرقمي (DSM) الخاص بها، مما يُساعد فريق العمل على فهم بيئة منطقة المسح بسرعة ووضع خطط تشغيل أكثر فعالية. يُجهز جهاز DV-LiDAR10 بكاميرا كاملة الإطار بدقة 42 ميجابكسل، قادرة على التقاط صور عالية الدقة للاستشعار عن بُعد للأرض. يتم استيراد صور منطقة المسح ونقاط الصور الملتقطة إلى وحدة "Smart Puzzle" في برنامج Drone Manager لإنشاء منطقة المسح تلقائيًا، بالإضافة إلى الصور الجوية ونموذج الارتفاع الرقمي (DSM). تظهر النتائج في الشكل أدناه.

الصور الجوية المصححة ونموذج الارتفاع الرقمي

سحابة النقاط الملونة هي نتيجة سحابة نقاط مُولَّدة من بيانات سحابة النقاط القياسية وصورة جوية مُصحَّحة. لا تقتصر على معلومات الارتفاع الخاصة بسحابة النقاط القياسية فحسب، بل تشمل أيضًا معلومات اللون والملمس الخاصة بالصورة الجوية المُصحَّحة. يُثري هذا الشكل من العرض أبعاد البيانات ويُحسِّن من سهولة قراءة بيانات سحابة النقاط وفهمها. اختر خيار التلوين في مدير الطائرات بدون طيار "سحابة النقاط الذكية"، وأدخل بيانات سحابة النقاط وبيانات الصورة الجوية المُصحَّحة المطلوبة للتلوين، وسيتم إنشاء صورة ملونة تلقائيًا، كما هو موضح أدناه.

سحابة نقاط ملونة لمنطقة المسح

نموذج الارتفاع الرقمي (DEM) هو نتيجة استشعار عن بُعد مُستمدة من بيانات سحابة النقاط الأرضية، ويعكس بدقة معلومات الارتفاع على سطح الأرض. وهو أحد أهم نتائج المسح الطبوغرافي الجبلي. ونظرًا لأن المناطق الجبلية في يونان مغطاة بغطاء نباتي كثيف على مدار العام، فإن الحصول على كمية كبيرة من بيانات النقاط الأرضية الدقيقة يتطلب حمولة رادار تتميز بقدرة اختراق عالية وعدد صدى كبير. تم تجهيز جهاز DV-LiDAR10 بتقنية ليدار محلية الصنع بعيدة المدى. تستخدم هذه الحمولة ليزرًا بطول موجي 1550 نانومتر كمصدر ضوئي للكشف، ولديها 7 أصداء، وتتمتع بجميع الخصائص المطلوبة لقياسات الجبال.

استخدم أداة الملف الشخصي لمراقبة بيانات سحابة النقاط الجبلية التي تم الحصول عليها في هذا المشروع كما هو موضح في الشكل أدناه.

ملف بيانات سحابة النقاط الجبلية

كما هو موضح في الشكل أعلاه، لا يستطيع جهاز DV-LiDAR10 الحصول على بيانات نقاط الغطاء النباتي فحسب، بل يمكنه أيضًا الحصول على كمية كبيرة من بيانات نقاط الأرض، مما يشير إلى أن الجهاز يتمتع بقدرة اختراق جيدة وهو مناسب جدًا لقياسات التضاريس الجبلية.

لإنشاء نموذج الارتفاع الرقمي (DEM) وخطوط الكنتور بدقة عالية، يتم أولاً استيراد بيانات سحابة النقاط القياسية المُعالجة إلى وحدة "سحابة النقاط الذكية" في برنامج UAV Butler، ثم استخدام أداة استخراج نقاط الأرض لاستخراج ارتفاع الأجسام الأرضية، وعتبة الميل القصوى، وزاوية التكرار. بعد إدخال المعلمات، يتم اختيار خوارزمية ترشيح مناسبة لاستخراج نقاط الأرض تلقائيًا. أخيرًا، يتم التحقق يدويًا من دقة استخراج نقاط الأرض، وتحسين المناطق ذات الدقة المنخفضة، وإنشاء نموذج الارتفاع الرقمي وخطوط الكنتور لمنطقة المسح بناءً على بيانات نقاط الأرض المُحسّنة. وللتحقق من دقة نموذج الارتفاع الرقمي، يستخدم هذا المشروع تقنية RTK وأدوات أخرى لجمع نقاط التحكم الميدانية، واستخدامها كنقاط تحقق، واستيرادها إلى نموذج الارتفاع الرقمي، كما هو موضح في الشكل أدناه.

تقع منطقة المسح لهذا المشروع في منطقة جبلية في يونان. استُخدمت طائرة D20 المزودة بجهاز DV-LiDAR10 لإجراء مسح التضاريس الجبلية. ومن خلال الحصول على الصور الجوية، وسحب النقاط الملونة، وتصنيف الأجسام الأرضية في منطقة المسح، ونموذج الارتفاع الرقمي عالي الدقة، وغيرها من نتائج التضاريس الجبلية عالية الدقة، يتضح أن جهاز DV-LiDAR10 يتميز بدقة عالية وقدرة اختراق عالية، كما أنه قادر على الحصول على صور الأجسام الأرضية وبيانات سحابة النقاط في آن واحد. بالإضافة إلى ذلك، تتميز منصة الطيران D20 بكفاءة عالية ودقة عالية وقدرة على التحليق على ارتفاعات شاهقة، مما يجعلها مناسبة للتضاريس الجبلية ذات الفروقات الكبيرة في الارتفاع والأهمية البالغة للدقة. وأخيرًا، استُخدمت نقاط التحكم الأرضية للتحقق من دقة نتائج المشروع ومطابقتها لمتطلباته.