D20 équipé du DV-LiDAR10 : Application de mesure complexe en montagne dans la région montagneuse du Yunnan

La topographie des terrains montagneux a toujours constitué l'une des principales applications du lidar aéroporté. Pour ce faire, il est essentiel de choisir une charge utile radar présentant des caractéristiques telles qu'une haute précision, une fréquence de points élevée, une forte pénétration et un nombre d'échos élevé. Une charge utile aussi performante permet au laser de traverser une végétation dense et d'obtenir des nuages ​​de points de plus en plus précis sur le terrain montagneux, garantissant ainsi des résultats topographiques de haute précision et de haute qualité.

Le DV-LiDAR10 est la première charge utile lidar longue portée chinoise lancée par Foxtech Robot. Elle répond à tous les besoins des levés topographiques de montagne. Elle peut être montée sur la plateforme de drone à décollage et atterrissage vertical V10 de Foxtech Robot ou sur le drone multirotor D20, selon les exigences des levés aériens. La plateforme permet de réaliser des levés topographiques de montagne de grande envergure, présentant d'importants dénivelés et nécessitant une haute précision.

DV-LiDAR10

1.1 Introduction à la zone d'étude

La zone d'étude se situe au nord de la ville de Kunming, dans la province du Yunnan. Foxtech Robot a collaboré avec un bureau d'études topographiques de catégorie A pour réaliser des levés topographiques de montagne dans le cadre de ses projets de tunnels stratégiques. La zone d'étude couvre une superficie d'environ 0,24 km² et présente un dénivelé total d'environ 300 mètres. Elle se caractérise par une végétation dense et un relief varié, typiques d'une zone montagneuse.

1.2 Présentation du matériel

Compte tenu du relief montagneux complexe et des importants dénivelés de la zone du projet, et des exigences de haute précision en matière d'altitude pour le tunnel, la plateforme volante D20 équipée d'un radar laser DV-LiDAR10 a finalement été choisie pour la collecte des données, en fonction des caractéristiques et des exigences de précision de la zone de mesure. La zone de mesure est illustrée ci-dessous.

Tirs réels dans la zone d'essai

Le DV-LiDAR10 est principalement composé d'un lidar longue portée, d'un système de pointage de haute précision et d'une caméra numérique plein format haute résolution. Ses caractéristiques détaillées sont présentées dans le tableau ci-dessous.

Le DV-LiDAR10 se caractérise par une fréquence de points élevée, une grande précision, un nombre d'échos important et une forte pénétration. Il peut pénétrer les zones de végétation dense et obtenir un grand nombre de nuages ​​de points de haute précision pour les terrains montagneux. De plus, il est équipé d'une caméra numérique plein format haute résolution de 42 mégapixels, permettant d'acquérir des images du sol haute définition simultanément aux données du nuage de points.

La plateforme volante D20 équipée du LiDAR10 peut en fait durer environ 40 minutes, a un niveau de résistance au vent de 6 et peut effectuer des vols à changement d'altitude entièrement automatiques sous de grandes différences d'altitude pour répondre aux exigences de haute précision et de haute efficacité de la collecte de données sur le terrain.

D20 équipé d'un DV-LiDAR10

2.1 Processus de travail

Afin de gérer les différences d'altitude dans la zone d'étude et les exigences de collecte de haute précision du projet, le personnel de terrain a d'abord cartographié la zone, sélectionné des points de décollage et d'atterrissage appropriés et planifié des itinéraires raisonnables pour la collecte sur le terrain ; ensuite, des systèmes de pilotage de drones et d'autres logiciels de traitement de données internes ont été utilisés pour générer une série de produits de télédétection de mesure du terrain montagneux afin de fournir un support de données pour le développement de projets ultérieurs.

2.2 Vol sur terrain

Lors de la mesure de zones présentant d'importants dénivelés et des environnements complexes, il est généralement nécessaire, pour garantir la stabilité et la précision des données, de maintenir une altitude relative constante entre l'aéronef et le sol, c'est-à-dire de planifier un itinéraire de vol à altitude élevée. Le module « Itinéraire intelligent » de UAV Manager propose une conception d'itinéraire à altitude variable automatique, adaptée aux besoins de vol dans les zones de mesure complexes à fort dénivelé. Il vous suffit d'importer la zone de mesure, de saisir l'altitude et la vitesse correspondantes, puis de sélectionner l'itinéraire à altitude variable. Les autres paramètres seront calculés automatiquement par le système de pilotage du drone à partir des données saisies. Une fois le calcul terminé, le système finalisera automatiquement la conception de l'itinéraire en fonction de l'altitude du sol et des paramètres associés, afin de garantir la stabilité de l'altitude de l'aéronef par rapport au sol.

L'altitude de conception de ce projet est de 270 mètres et sa vitesse de vol de 8 mètres par seconde. La distance totale de vol, calculée par le responsable du drone, est d'environ 6 kilomètres, pour une durée de vol estimée à 16 minutes. Les autres paramètres et le tracé de l'itinéraire sont détaillés ci-dessous.

Paramètres de vol et conception de la route de Butler

Une fois la planification de l'itinéraire terminée, le D20 et le DV-LiDAR10 sont assemblés et positionnés aux points de décollage et d'atterrissage. Grâce au module de vol intelligent du système de gestion du drone, l'appareil est piloté pour un décollage automatique et l'acquisition de données est effectuée le long de l'itinéraire prévu. Après avoir accompli sa mission de vol, le drone retourne automatiquement à son point de départ, sans intervention manuelle.

2.3 Prétraitement interne

(1) Solution de trajectoire

Copiez sur ordinateur le nuage de points original, les données IMU, les données POS et toutes les autres données nécessaires recueillies sur le terrain, puis vérifiez leur intégrité. La première étape du traitement interne consiste à calculer la trajectoire ; la précision de ce calcul influe directement sur la précision du résultat final.

Tout d'abord, les données de positionnement aéroportées sont formatées à l'aide du module « Carte intelligente » de UAV Manager, puis les données converties servent à télécharger le fichier de la station de base. Ces données, ainsi que les fichiers de la station de base et les données de l'IMU, sont ensuite importés dans le logiciel de calcul de trajectoire. Ce dernier saisit les paramètres d'excentricité et le modèle d'IMU correspondant au DV-LiDAR10, utilise la méthode de couplage étroit pour calculer la trajectoire, et génère enfin la trajectoire ainsi que les résultats de positionnement des points de prise de vue, conformes aux exigences de précision.

(2) Calcul du nuage de points

Saisissez les données de trajectoire calculées et les données du nuage de points dans le module « Smart Laser » d'UAV Butler, puis indiquez les informations nécessaires telles que la trajectoire du projet, le système de coordonnées et le numéro de charge en suivant les instructions. UAV Butler téléchargera automatiquement un rapport d'étalonnage du nuage de points, basé sur le numéro de charge et les autres informations, afin de garantir la précision du calcul. Après avoir vérifié l'exactitude des informations saisies, cliquez sur « Résoudre le nuage de points » ; UAV Butler générera alors automatiquement des données de nuage de points haute précision, comme illustré ci-dessous.

Résultats de la solution du nuage de points

Afin de vérifier la présence d'une stratification dans les données du nuage de points résolu, le module « Laser intelligent » propose non seulement des outils de profilage, mais aussi des outils de contrôle qualité permettant de détecter rapidement la stratification entre chaque trajet (plus la couleur est foncée, plus la couche est profonde et donc plus visible). En cas de stratification marquée, un ajustement par bande d'air peut être utilisé pour atténuer ce phénomène et améliorer la qualité des données. Le graphique de contrôle qualité de ce projet est présenté ci-dessous.

carte d'inspection de la qualité de la zone de mesure

Comme le montre la figure ci-dessus, les données du nuage de points obtenues par ce projet ne présentent aucune stratification évidente après traitement, ce qui indique que la qualité des données obtenues par le radar est bonne et qu'elles peuvent être utilisées pour un traitement et une production ultérieurs.

(3) Étude du terrain montagneux

Les résultats des relevés topographiques en montagne comprennent principalement des orthophotos de la zone étudiée, des nuages ​​de points en couleur, la classification et l'extraction des caractéristiques, un MNT de haute précision et des courbes de niveau, etc.

Les orthophotos permettent d'obtenir des images haute définition des objets au sol dans la zone d'étude, ainsi qu'un MNT (Modèle Numérique de Terrain) de cette zone. Ces données aident le personnel à appréhender rapidement l'environnement et à élaborer des plans d'intervention plus efficaces. Le DV-LiDAR10 est équipé d'une caméra plein format de 42 mégapixels capable d'acquérir des images de télédétection du sol haute résolution. Importez les images de la zone d'étude et les points de visée photographiques acquis dans le module « Smart Puzzle » de Drone Manager pour générer automatiquement une orthophoto et un MNT de la zone d'étude. Les résultats sont présentés dans la figure ci-dessous.

Orthophotos et DSM

Un nuage de points coloré est un nuage de points généré à partir de données de nuage de points standard et d'une orthophoto. Il contient non seulement les informations d'altitude du nuage de points standard, mais aussi les informations de couleur et de texture de l'orthophoto. Ce format de présentation enrichit les données et améliore leur lisibilité et leur appréciation. Sélectionnez l'option « Nuage de points intelligent » dans le gestionnaire de drone, puis saisissez les données de nuage de points et d'orthophoto nécessaires. Une image en couleur sera alors générée automatiquement, comme illustré ci-dessous.

Nuage de points coloré de la zone d'étude

Le MNT (Modèle Numérique de Terrain) est un résultat de télédétection généré à partir de nuages ​​de points au sol, reflétant avec précision l'altitude du terrain. Il constitue l'un des principaux résultats des levés topographiques de montagne. Les zones montagneuses du Yunnan étant couvertes d'une végétation dense toute l'année, l'obtention d'une grande quantité de données topographiques précises nécessite un radar à haute pénétration et à grand nombre d'échos. Le DV-LiDAR10 est équipé d'un lidar longue portée de conception entièrement chinoise. Ce système utilise un laser de 1550 nm comme source de détection, génère 7 échos et possède toutes les caractéristiques requises pour les mesures en montagne.

Utilisez l'outil de profil pour observer les données du nuage de points de la montagne obtenues dans ce projet, comme illustré dans la figure ci-dessous.

Profil de données du nuage de points de montagne

Comme le montre la figure ci-dessus, le DV-LiDAR10 peut non seulement obtenir des données ponctuelles sur la végétation, mais aussi une grande quantité de données ponctuelles sur le sol, ce qui indique que l'appareil possède une bonne pénétration et est très adapté aux mesures en terrain montagneux.

Pour générer un MNT et des courbes de niveau de haute précision, importez d'abord les données du nuage de points standard traitées dans le module « Smart Point Cloud » de UAV Butler. Utilisez ensuite l'outil d'extraction de points au sol pour extraire l'altitude des objets au sol, le seuil de pente maximale et l'angle d'itération. Après la saisie des paramètres, sélectionnez un algorithme de filtrage adapté pour réaliser l'extraction automatique des points au sol. Enfin, vérifiez manuellement la précision de l'extraction, optimisez les zones imprécises et générez le MNT et les courbes de niveau de la zone étudiée à partir des données de points au sol optimisées. Pour vérifier la précision du MNT, ce projet utilise le RTK et d'autres outils pour collecter des points de contrôle sur le terrain, les utilise comme points de vérification et les importe dans le modèle MNT, comme illustré dans la figure ci-dessous.

La zone d'étude de ce projet est une région montagneuse du Yunnan. Un drone D20, équipé d'un LiDAR DV-LiDAR10, a été utilisé pour réaliser le levé topographique. L'acquisition d'orthophotos, de nuages ​​de points couleur, la classification des objets au sol, ainsi que la production d'un MNT haute précision et d'autres données topographiques de haute précision ont permis de constater que le LiDAR DV-LiDAR10 se caractérise par une haute précision, une forte pénétration et la capacité d'acquérir simultanément des images des objets au sol et des données de nuages ​​de points. L'efficacité, la précision et les capacités de vol à haute altitude de la plateforme de vol D20 la rendent particulièrement adaptée aux fortes variations d'altitude et à la topographie montagneuse exigeante en termes de précision. Enfin, des points de contrôle au sol ont permis de vérifier la haute précision des résultats obtenus et leur conformité aux exigences du projet.