D20 ausgestattet mit DV-LiDAR10: Anwendungsfall für komplexe Gebirgsvermessungen im Berggebiet von Yunnan

Die Vermessung von Gebirgsgelände zählt seit jeher zu den wichtigsten Anwendungsgebieten von Airborne-Lidar. Bei der Gebirgsvermessung mit Lidar ist die Auswahl einer Radar-Nutzlast mit Eigenschaften wie hoher Genauigkeit, hoher Punktfrequenz, hoher Eindringtiefe und hoher Echozahl unerlässlich. Eine Nutzlast mit diesen Eigenschaften gewährleistet, dass der Laser dichte Vegetation durchdringen und immer präzisere Punktwolkendaten des Gebirgsgeländes erfassen kann. Dies führt zu hochpräzisen und qualitativ hochwertigen Ergebnissen der Gebirgsvermessung.

DV-LiDAR10 ist die erste inländische Langstrecken-LiDAR-Nutzlast von Foxtech Robot. Sie erfüllt alle Anforderungen der Gebirgsvermessung. Je nach Bedarf kann sie auf der Foxtech Robot V10 Senkrechtstart- und Landeplattform oder der Multikopter-Drohne D20 montiert werden. Die Plattform eignet sich für großflächige, hochpräzise Gebirgsvermessungen mit großen Höhenunterschieden.

DV-LiDAR10

1.1 Einführung in das Untersuchungsgebiet

Das Untersuchungsgebiet liegt im Norden von Kunming, Provinz Yunnan. Foxtech Robot führte in Zusammenarbeit mit einem Vermessungs- und Kartierungsunternehmen der Klasse A topografische Gebirgsvermessungen für seine wichtigsten Tunnelprojekte durch. Das Gebiet umfasst eine Fläche von ca. 0,24 Quadratkilometern und weist einen durchschnittlichen Höhenunterschied von ca. 300 Metern auf. Es ist dicht bewachsen und weist abwechslungsreiches Terrain auf – typisch für Gebirgsregionen.

1.2 Einführung in die Ausrüstung

Da das Projektgebiet durch komplexes, gebirgiges Gelände mit großen Höhenunterschieden gekennzeichnet ist und das Tunnelprojekt eine hohe Höhengenauigkeit erfordert, wurde schließlich die mit einem DV-LiDAR10-Laserradar ausgestattete Flugplattform D20 aufgrund der Eigenschaften und Genauigkeitsanforderungen des Messbereichs für die Datenerfassung ausgewählt. Die Szenerie des Messbereichs ist unten dargestellt.

Echte Aufnahmen im Testbereich

DV-LiDAR10 besteht im Wesentlichen aus einem Langstrecken-LiDAR-System, einem hochpräzisen POS-System und einer hochauflösenden Vollformat-Digitalkamera. Die detaillierten Parameter sind in der folgenden Tabelle aufgeführt.

Das DV-LiDAR10 zeichnet sich durch hohe Punktfrequenz, hohe Präzision, hohe Echozahlen und hohe Eindringtiefe aus. Es durchdringt dichte Vegetationsgebiete und erfasst eine große Anzahl hochpräziser Punktwolken des Gebirgsbodens. Gleichzeitig ist es mit einer hochauflösenden 42-Megapixel-Vollformat-Digitalkamera ausgestattet, die während der Punktwolkenerfassung hochauflösende Bodenbilder aufnimmt.

Die mit LiDAR10 ausgestattete Flugplattform D20 kann tatsächlich etwa 40 Minuten durchhalten, hat eine Windbeständigkeitsklasse von 6 und kann vollautomatische Höhenwechselflüge unter großen Höhenunterschieden durchführen, um den hohen Anforderungen an Präzision und Effizienz bei der Datenerfassung im Feld gerecht zu werden.

D20 ausgestattet mit DV-LiDAR10

2.1 Arbeitsprozess

Um den Höhenunterschied im Untersuchungsgebiet und die hohen Anforderungen an die Datenerfassung des Projekts zu bewältigen, erkundete das Feldpersonal zunächst das Untersuchungsgebiet, wählte geeignete Start- und Landepunkte aus und plante sinnvolle Routen für die Datenerfassung im Gelände. Anschließend wurden Drohnenpiloten und andere Software für die interne Datenverarbeitung eingesetzt, um eine Reihe von Fernerkundungsprodukten zur Messung des Gebirgsgeländes zu generieren und so die Datengrundlage für die Entwicklung nachfolgender Projekte zu schaffen.

2.2 Feldfliegen

In Messgebieten mit großen Höhenunterschieden und komplexen Umgebungen ist es zur Gewährleistung der Genauigkeit und Stabilität der Messergebnisse in der Regel erforderlich, die relative Höhe des Fluggeräts zum Boden konstant zu halten, d. h. eine Flugroute mit größeren Höhen zu planen. Das Modul „Intelligente Route“ des UAV Managers bietet eine automatische Routenplanung mit variabler Flughöhe, um den Anforderungen komplexer Messgebiete mit großen Höhenunterschieden gerecht zu werden. Sie müssen lediglich den Messbereich importieren, die entsprechende Höhe und Geschwindigkeit eingeben und die Route mit variabler Flughöhe auswählen. Die übrigen Parameter werden vom Drohnenpiloten anhand der eingegebenen Daten automatisch berechnet. Nach Abschluss der Berechnung erstellt der Drohnenpilot automatisch die Route unter Berücksichtigung der Bodenhöhe und der relevanten Parameter, um eine stabile relative Flughöhe zum Boden zu gewährleisten.

Die geplante Flughöhe dieses Projekts beträgt 270 Meter, die geplante Fluggeschwindigkeit 8 Meter pro Sekunde. Die vom Drohnenpiloten berechnete Gesamtflugstrecke beträgt etwa 6 Kilometer, die geschätzte Flugzeit 16 Minuten. Weitere Parameter und die Flugroute sind im Folgenden aufgeführt.

Butler-Flugparameter und Routenplanung

Nach Abschluss der Routenplanung werden die D20 und der DV-LiDAR10 montiert und am Start- und Landepunkt positioniert. Mithilfe des Moduls „Intelligenter Flug“ der Drohnensteuerung wird das Fluggerät automatisch zum Start geleitet und erfasst entlang der geplanten Route Daten. Nach Abschluss des Fluges kehrt die Drohne ohne manuelles Eingreifen automatisch zum Start- und Landepunkt zurück.

2.3 Interne Vorverarbeitung

(1) Trajektorienlösung

Kopieren Sie die ursprüngliche Punktwolke, die IMU-Daten, die POS-Daten und alle weiteren im Feld erfassten Daten auf den Computer und überprüfen Sie die Datenintegrität. Der erste Schritt der internen Verarbeitung ist die Trajektorienberechnung, deren Genauigkeit direkt mit der Genauigkeit des Endergebnisses zusammenhängt.

Zunächst werden die luftgestützten POS-Daten mithilfe des Moduls „Intelligente Karte“ des UAV Managers formatiert. Anschließend werden die konvertierten POS-Daten zum Herunterladen der Basisstationsdatei verwendet. Die formatierten POS-Daten, die Basisstationsdateien und die IMU-Daten werden in die Trajektorienberechnungssoftware importiert. Dort werden die Exzentrizitätsparameter und das dem DV-LiDAR10 entsprechende IMU-Modell eingegeben. Mithilfe der Methode der engen Kopplung wird die Trajektorie berechnet, und schließlich werden die Trajektorie und die POS-Ergebnisse für den Kameraaufnahmepunkt ausgegeben, die den Genauigkeitsanforderungen entsprechen.

(2) Berechnung der Punktwolke

Geben Sie die berechneten Trajektoriendaten und Punktwolkendaten in das Modul „Smart Laser“ von UAV Butler ein und folgen Sie den Anweisungen, um die erforderlichen Informationen wie Projektpfad, Koordinatensystem und Lastnummer einzugeben. UAV Butler lädt anschließend automatisch einen Kalibrierungsbericht für die Punktwolke herunter, der die Genauigkeit der Berechnung anhand der Lastnummer und der weiteren Informationen sicherstellt. Nachdem Sie die Korrektheit der Eingaben bestätigt haben, klicken Sie auf „Punktwolke berechnen“. UAV Butler generiert dann automatisch hochpräzise Punktwolkendaten (siehe Abbildung unten).

Ergebnisse der Punktwolkenlösung

Um zu überprüfen, ob in den berechneten Punktwolkendaten Schichtungen vorliegen, bietet das Modul „Smart Laser“ neben Profilierungswerkzeugen auch Werkzeuge zur Qualitätsprüfung. Diese ermöglichen die schnelle Erkennung von Schichtungen zwischen den einzelnen Routen (je dunkler die Farbe, desto tiefer die Schicht und desto deutlicher). Bei deutlichen Schichtungen kann die Luftbandanpassung eingesetzt werden, um diese zu reduzieren und die Datenqualität zu verbessern. Das Qualitätsprüfungsdiagramm für dieses Projekt ist unten dargestellt.

Messbereichs-Qualitätsprüfungskarte

Wie in der obigen Abbildung dargestellt, weisen die im Rahmen dieses Projekts gewonnenen Punktwolkendaten nach der Verarbeitung keine deutliche Schichtung auf, was darauf hindeutet, dass die Qualität der mit dem Radar gewonnenen Daten gut ist und diese für die weitere Verarbeitung und Produktion verwendet werden können.

(3) Gebirgsgeländeerkundung

Die Ergebnisse der Geländevermessung im Gebirge umfassen hauptsächlich Orthofotos des Vermessungsgebiets, farbige Punktwolken, Merkmalsklassifizierung und -extraktion, hochpräzise digitale Geländemodelle und Konturen usw.

Orthofotos liefern hochauflösende Bilder von Objekten im Untersuchungsgebiet und ermöglichen die Erstellung eines digitalen Oberflächenmodells (DOM). Dies hilft dem Personal, sich schnell einen Überblick über die Umgebung zu verschaffen und effektivere Einsatzpläne zu entwickeln. Das DV-LiDAR10 ist mit einer 42-Megapixel-Vollformatkamera ausgestattet, die hochauflösende Fernerkundungsbilder vom Boden aufnimmt. Importieren Sie die Bilder und die erfassten Fotopunkte des Untersuchungsgebiets in das Modul „Smart Puzzle“ des Drone Managers, um automatisch ein Untersuchungsgebiet, ein Orthofoto und ein DOM zu generieren. Die Ergebnisse sind in der folgenden Abbildung dargestellt.

Orthofotos und DSM

Eine farbige Punktwolke ist ein Ergebnis der Punktwolkenberechnung aus Standard-Punktwolkendaten und Orthofotos. Sie enthält neben den Höheninformationen der Standard-Punktwolke auch die Farb- und Texturinformationen des Orthofotos. Diese Darstellungsform erweitert die Datendimensionen und verbessert die Lesbarkeit und Verständlichkeit der Punktwolkendaten. Wählen Sie im Drohnenmanager die Option „Intelligente Punktwolke“ aus und geben Sie die benötigten Punktwolken- und Orthofotodaten ein. Anschließend wird automatisch ein Farbbild generiert (siehe unten).

Farbige Punktwolke des Vermessungsbereichs

Das digitale Höhenmodell (DEM) ist ein Fernerkundungsergebnis, das aus Bodenpunktwolkendaten generiert wird und die Höheninformationen des Geländes präzise wiedergibt. Es ist eines der wichtigsten Ergebnisse topografischer Vermessungen in Gebirgen. Da die Bergregionen Yunnans ganzjährig von dichter Vegetation bedeckt sind, benötigt man für die Gewinnung großer Mengen präziser Bodenpunktdaten ein Radar mit Eigenschaften wie hoher Eindringtiefe und hoher Echoanzahl. Das DV-LiDAR10 ist mit einem rein in China entwickelten Langstrecken-Lidar ausgestattet. Dieses System verwendet einen 1550-nm-Laser als Detektionslichtquelle, erzeugt sieben Echos und erfüllt alle Anforderungen für Messungen in Gebirgen.

Nutzen Sie das Profilwerkzeug, um die in diesem Projekt gewonnenen Bergpunktwolkendaten wie in der folgenden Abbildung dargestellt zu betrachten.

Gebirgspunktwolken-Datenprofil

Wie aus der obigen Abbildung hervorgeht, kann DV-LiDAR10 nicht nur Vegetationspunktdaten erfassen, sondern auch eine große Menge an Bodenpunktdaten gewinnen, was darauf hindeutet, dass das Gerät eine gute Durchdringung besitzt und sich sehr gut für Messungen in gebirgigem Gelände eignet.

Um ein hochpräzises digitales Höhenmodell (DEM) und Konturen zu generieren, werden zunächst die verarbeiteten Standard-Punktwolkendaten in das Modul „Smart Point Cloud“ von UAV Butler importiert. Anschließend werden mithilfe des Werkzeugs zur Bodenpunktextraktion die Höhe von Bodenobjekten, der maximale Neigungsschwellenwert und der Iterationswinkel extrahiert. Nach Eingabe der Parameter wird ein geeigneter Filteralgorithmus ausgewählt, um die automatische Extraktion von Bodenpunkten zu realisieren. Abschließend wird die Genauigkeit der Bodenpunktextraktion manuell überprüft, Bereiche mit geringer Genauigkeit werden optimiert und das DEM sowie die Konturen des Untersuchungsgebiets auf Basis der optimierten Bodenpunktdaten generiert. Zur Überprüfung der DEM-Genauigkeit werden in diesem Projekt mithilfe von RTK und anderen Werkzeugen Feldkontrollpunkte erfasst, als Prüfpunkte verwendet und in das DEM-Modell importiert (siehe Abbildung unten).

Das Untersuchungsgebiet dieses Projekts ist ein Gebirgsgebiet in Yunnan. Zur Vermessung des Gebirges wurde eine D20 mit DV-LiDAR10 eingesetzt. Durch die Erfassung von Orthofotos, Farbpunktwolken, die Klassifizierung von Bodenobjekten im Untersuchungsgebiet sowie die Erstellung eines hochpräzisen digitalen Geländemodells (DEM) und weiterer hochpräziser Ergebnisse zeigt sich, dass der DV-LiDAR10 hohe Präzision und Eindringtiefe aufweist und gleichzeitig Bilder von Bodenobjekten und Punktwolkendaten erfassen kann. Die D20-Flugplattform zeichnet sich zudem durch hohe Effizienz, Präzision und große Flughöhen aus und eignet sich daher für die Erfassung großer Höhenunterschiede und die damit verbundenen Anforderungen an die Topografie von Gebirgen. Abschließend wurde anhand von Passpunkten überprüft, ob die Projektergebnisse hochpräzise sind und die Projektanforderungen erfüllen.