Caso de aplicación de medición de montaña compleja con D20 equipado con DV-LiDAR10 en la zona montañosa de Yunnan.

El levantamiento topográfico de terrenos montañosos siempre ha sido uno de los escenarios de aplicación más importantes del lidar aerotransportado. Al utilizar lidar para levantamientos de montaña, es necesario seleccionar una carga útil de radar con características como alta precisión, alta frecuencia de puntos, alta penetración y alto número de ecos. Una carga útil con estas características garantiza que el láser pueda atravesar la vegetación densa y obtener datos de nube de puntos del terreno montañoso cada vez más precisos, lo que produce resultados de alta precisión y calidad.

El DV-LiDAR10 es la primera carga útil lidar de largo alcance de fabricación nacional lanzada por Foxtech Robot. Satisface todas las necesidades de levantamientos topográficos de montaña. Puede montarse en la plataforma de despegue y aterrizaje vertical Foxtech Robot V10 y en el dron multirrotor D20, según los requisitos de los levantamientos aéreos. La plataforma permite realizar trabajos de levantamiento topográfico de montaña a gran escala, con grandes desniveles y de alta precisión.

DV-LiDAR10

1.1 Introducción al área de estudio

El área de estudio se ubica en la parte norte de la ciudad de Kunming, provincia de Yunnan. Foxtech Robot colaboró ​​con una empresa de topografía y cartografía de categoría A para realizar estudios topográficos de montaña para sus proyectos clave de túneles. El área de estudio abarca aproximadamente 0,24 kilómetros cuadrados y presenta un desnivel total de unos 300 metros. La zona se caracteriza por una vegetación densa y un terreno variado, típico de una región montañosa.

1.2 Introducción al equipo

Debido a que la zona del proyecto presenta un terreno montañoso complejo con grandes desniveles, y el proyecto del túnel requiere una alta precisión de elevación, finalmente se seleccionó la plataforma voladora D20 equipada con el radar láser DV-LiDAR10 para la recopilación de datos, en función de las características y los requisitos de precisión de la zona de medición. A continuación se muestra una imagen de la zona de medición.

Imágenes reales en la zona de pruebas.

El DV-LiDAR10 se compone principalmente de un lidar de largo alcance, un sistema POS de alta precisión y una cámara digital de fotograma completo de alta resolución. Los parámetros detallados se muestran en la tabla a continuación.

El DV-LiDAR10 se caracteriza por su alta frecuencia de puntos, alta precisión, gran número de ecos y alta penetración. Puede penetrar zonas de vegetación densa y obtener una gran cantidad de nubes de puntos de alta precisión en terrenos montañosos. Además, está equipado con una cámara digital de fotograma completo de alta resolución de 42 megapíxeles, que permite obtener imágenes del terreno en alta definición simultáneamente con la adquisición de datos de la nube de puntos.

La plataforma voladora D20 equipada con LiDAR10 tiene una autonomía de aproximadamente 40 minutos, un nivel de resistencia al viento de 6 y puede realizar vuelos de cambio de altitud totalmente automáticos con grandes diferencias de altitud para satisfacer los requisitos de alta precisión y alta eficiencia de la recopilación de datos de campo.

D20 equipado con DV-LiDAR10

2.1 Proceso de trabajo

Para hacer frente a la diferencia de altura en la zona de estudio y a los requisitos de recopilación de datos de alta precisión del proyecto, el personal de campo primero inspeccionó la zona de estudio, seleccionó los puntos de despegue y aterrizaje adecuados y planificó rutas razonables para la recopilación de datos sobre el terreno; luego, se utilizaron operadores de drones y otro software para el procesamiento interno de datos con el fin de generar una serie de productos de teledetección para la medición del terreno montañoso que sirvieran de apoyo de datos para el desarrollo de proyectos posteriores.

2.2 Vuelo en campo

Al medir áreas con grandes diferencias de altitud y entornos complejos, para garantizar la estabilidad y precisión de los resultados, generalmente es necesario mantener constante la altura relativa de la aeronave con respecto al suelo, es decir, planificar una ruta de vuelo a mayor altitud. El módulo "Ruta Inteligente" de UAV Manager ofrece un diseño automático de rutas con variación de altitud para satisfacer las necesidades de vuelo en áreas de medición complejas con grandes diferencias de altitud. Solo necesita importar el rango del área de medición, ingresar la altitud y la velocidad correspondientes y seleccionar la ruta con altitud variable. El operador del dron calculará automáticamente los parámetros restantes en función de los parámetros ingresados. Una vez finalizado el cálculo, el operador del dron completará automáticamente el diseño de la ruta en función de la altura del suelo y los parámetros relacionados para garantizar que la altura de la aeronave con respecto al suelo se mantenga estable.

La altitud de diseño de este proyecto es de 270 metros y la velocidad de vuelo de diseño es de 8 metros por segundo. El operador del dron calcula que la distancia total de vuelo es de aproximadamente 6 kilómetros y el tiempo de vuelo estimado es de 16 minutos. Los demás parámetros y el diseño de la ruta son los siguientes.

Parámetros de vuelo y diseño de ruta de Butler

Una vez finalizada la planificación de la ruta, el dron D20 y el sensor DV-LiDAR10 se ensamblan y se colocan en los puntos de despegue y aterrizaje. Mediante el módulo de "vuelo inteligente" del gestor del dron, se controla la aeronave para que despegue automáticamente y se adquieran datos a lo largo de la ruta diseñada. Tras completar la misión de vuelo prevista, el dron regresa automáticamente a los puntos de despegue y aterrizaje sin intervención manual.

2.3 Preprocesamiento interno

(1) Solución de trayectoria

Copie la nube de puntos original, los datos de la IMU, los datos del POS y demás datos necesarios obtenidos en campo al ordenador y verifique la integridad de los datos. El primer paso del procesamiento interno es el cálculo de la trayectoria, cuya precisión está directamente relacionada con la precisión del resultado final.

Primero, el sistema POS aerotransportado se formatea utilizando el módulo "Mapa Intelectual" de UAV Manager, y los datos POS convertidos se utilizan para descargar el archivo de la estación base. Los datos POS convertidos, los archivos de la estación base y los datos IMU se importan al software de cálculo de trayectorias, se introducen los parámetros de excentricidad y el modelo IMU correspondiente al DV-LiDAR10, se utiliza el método de acoplamiento estrecho para resolver la trayectoria y, finalmente, se obtienen la trayectoria y los resultados POS del punto de disparo de la cámara que cumplen con los requisitos de precisión.

(2) Cálculo de nube de puntos

Introduzca los datos de trayectoria calculada y de nube de puntos en el módulo "Smart Laser" de UAV Butler, e ingrese la información necesaria, como la ruta del proyecto, el sistema de coordenadas y el número de carga, según las indicaciones. UAV Butler descargará automáticamente, en función del número de carga y demás información, el informe de calibración de la nube para garantizar la precisión del cálculo de la nube de puntos. Tras confirmar que la información introducida es correcta, haga clic en "Resolver nube de puntos" y UAV Butler generará automáticamente datos de nube de puntos de alta precisión, como se muestra en la figura siguiente.

Resultados de la solución de nube de puntos

Para verificar la presencia de estratificación en los datos de la nube de puntos resuelta, el módulo "Smart Laser" ofrece herramientas de perfilado y de inspección de calidad para detectar rápidamente la estratificación entre cada ruta (cuanto más oscuro sea el color, más profunda y evidente será la capa). Si se observa una estratificación evidente, se puede utilizar el ajuste de la banda de aire para atenuarla y mejorar la calidad de los datos. A continuación se muestra el gráfico de inspección de calidad para este proyecto.

Mapa de inspección de calidad del área de medición

Como se muestra en la figura anterior, los datos de la nube de puntos obtenidos por este proyecto no presentan una estratificación evidente después del procesamiento, lo que indica que la calidad de los datos obtenidos por el radar es buena y se pueden utilizar para su posterior procesamiento y producción.

(3) Levantamiento topográfico de terreno montañoso

Los resultados del levantamiento topográfico del terreno montañoso incluyen principalmente ortofotos del área de estudio, nubes de puntos en color, clasificación y extracción de características, modelos digitales de elevación (MDE) de alta precisión y curvas de nivel, etc.

Las ortofotos permiten obtener imágenes de alta definición de objetos terrestres en el área de estudio, así como un modelo digital de superficie (MDS) del mismo. Esto facilita la comprensión del entorno y la elaboración de planes operativos más eficaces. El DV-LiDAR10 cuenta con una cámara de fotograma completo de 42 megapíxeles que captura imágenes de teledetección terrestre de alta resolución. Al importar las imágenes del área de estudio y los puntos de referencia (POS) obtenidos, se introducen en el módulo "Smart Puzzle" del Administrador de Drones para generar automáticamente una ortofoto y un MDS del área de estudio. Los resultados se muestran en la figura siguiente.

Ortofotos y DSM

La nube de puntos coloreada es el resultado de generar una nube de puntos a partir de datos estándar y una ortofoto. No solo incluye la información de elevación de la nube de puntos estándar, sino también la información de color y textura de la ortofoto. Este formato de presentación enriquece la información y mejora la legibilidad y la comprensión de los datos de la nube de puntos. Seleccione la opción de coloración "Nube de puntos inteligente" en el administrador del dron e introduzca los datos de la nube de puntos y la ortofoto necesarios para la coloración. Se generará automáticamente una imagen a color, como se muestra a continuación.

Nube de puntos de color del área de estudio

El DEM es un resultado de teledetección generado a partir de datos de nube de puntos terrestres, que refleja con precisión la información de elevación del terreno. Es uno de los principales resultados del levantamiento topográfico de montaña. Dado que las zonas montañosas de Yunnan están cubiertas de densa vegetación durante todo el año, para obtener una gran cantidad de datos de puntos terrestres precisos, se necesita una carga útil de radar con características como alta penetración y un elevado número de ecos. El DV-LiDAR10 está equipado con un lidar de largo alcance de fabricación nacional. Esta carga útil utiliza un láser de 1550 nm como fuente de luz de detección, tiene 7 ecos y posee todas las características necesarias para la medición en montaña.

Utilice la herramienta de perfil para observar los datos de la nube de puntos de la montaña obtenidos en este proyecto, como se muestra en la siguiente figura.

Perfil de datos de nube de puntos de montaña

Como se muestra en la figura anterior, el DV-LiDAR10 no solo puede obtener datos de puntos de vegetación, sino también una gran cantidad de datos de puntos del suelo, lo que indica que el dispositivo tiene una buena penetración y es muy adecuado para mediciones en terrenos montañosos.

Para generar DEM y curvas de nivel de alta precisión, primero importe los datos de nube de puntos estándar procesados ​​al módulo "Smart Point Cloud" de UAV Butler y luego use la herramienta de extracción de puntos del terreno para extraer la altura de los objetos del terreno, el umbral de pendiente máxima y el ángulo de iteración. Espere a que se ingresen los parámetros y luego seleccione un algoritmo de filtrado adecuado para realizar la extracción automática de puntos del terreno. Finalmente, verifique manualmente la precisión de la extracción de puntos del terreno, optimice las áreas con baja precisión y genere el DEM y las curvas de nivel del área de estudio basándose en los datos de puntos del terreno optimizados. Para verificar la precisión del DEM, este proyecto usa RTK y otras herramientas para recopilar puntos de control de campo, usarlos como puntos de verificación e importarlos al modelo DEM, como se muestra en la figura a continuación.

El área de estudio de este proyecto es una zona montañosa en Yunnan. Se utilizó un dron D20 equipado con el sensor DV-LiDAR10 para realizar el levantamiento topográfico del terreno montañoso. Mediante la adquisición de ortofotos, nubes de puntos en color, clasificación de objetos terrestres en el área de estudio, modelos digitales de elevación (MDE) de alta precisión y otros resultados topográficos de alta precisión, se pudo observar que el sensor DV-LiDAR10 posee características de alta precisión y gran penetración, y puede adquirir simultáneamente imágenes de objetos terrestres y datos de nubes de puntos, así como la alta eficiencia, alta precisión y capacidad de vuelo a gran altitud de la plataforma de vuelo D20, lo que resulta adecuado para grandes diferencias de altura y requiere alta precisión en la topografía de montaña. Finalmente, se utilizaron puntos de control terrestre para verificar que los resultados del proyecto tuvieran alta precisión y cumplieran con los requisitos del proyecto.