D20 equipaggiato con DV-LiDAR10: un caso applicativo complesso per la misurazione di montagne nella regione montuosa dello Yunnan.

Il rilevamento topografico montano è da sempre uno degli scenari applicativi più importanti del lidar aviotrasportato. Quando si utilizza il lidar per il rilevamento in montagna, è necessario selezionare un carico utile radar con caratteristiche quali elevata precisione, alta frequenza di punti, elevata penetrazione ed elevato numero di echi. Un carico utile con tali prestazioni può garantire che il laser possa attraversare la vegetazione fitta e acquisire dati sempre più precisi sulla nuvola di punti del terreno montano, producendo così risultati di alta precisione e qualità del terreno montano.

Il DV-LiDAR10 è il primo payload lidar a lungo raggio di produzione nazionale lanciato da Foxtech Robot. È in grado di soddisfare tutte le esigenze di rilevamento topografico in montagna. Può essere montato sulla piattaforma per droni a decollo e atterraggio verticale Foxtech Robot V10 e sul drone multirotore D20, a seconda delle diverse esigenze di rilevamento aereo. La piattaforma è in grado di soddisfare le esigenze di rilievi topografici in montagna su larga scala, con notevoli dislivelli e ad alta precisione.

DV-LiDAR10

1.1 Introduzione all'area oggetto dell'indagine

L'area di rilevamento si trova nella parte settentrionale della città di Kunming, nella provincia dello Yunnan. Foxtech Robot ha collaborato con un'unità di rilevamento e cartografia di Classe A per condurre rilievi topografici montani per i suoi principali progetti di tunnel. L'area di rilevamento copre una superficie di circa 0,24 chilometri quadrati e presenta un dislivello complessivo di circa 300 metri. L'area di rilevamento è caratterizzata da una fitta vegetazione e da un terreno variegato, tipico di un'area montuosa.

1.2 Introduzione alle apparecchiature

Poiché l'area del progetto presenta un terreno montuoso complesso con notevoli dislivelli e il progetto del tunnel richiede un'elevata precisione altimetrica, la piattaforma volante D20 equipaggiata con radar laser DV-LiDAR10 è stata infine scelta per la raccolta dati in base alle caratteristiche e ai requisiti di precisione dell'area di misurazione. L'immagine dell'area di misurazione è mostrata di seguito.

Scatti reali nell'area di prova

Il DV-LiDAR10 è composto principalmente da un lidar a lungo raggio, un sistema POS ad alta precisione e una fotocamera digitale full-frame ad alta risoluzione. I parametri dettagliati sono riportati nella tabella sottostante.

Il DV-LiDAR10 è caratterizzato da un'elevata frequenza di punti, alta precisione, elevato numero di echi e alta penetrazione. È in grado di penetrare aree con vegetazione fitta e acquisire un gran numero di nuvole di punti ad alta precisione del terreno montuoso. Allo stesso tempo, è dotato di una fotocamera digitale full-frame ad alta risoluzione da 42 megapixel, che consente di ottenere immagini del terreno ad alta definizione durante l'acquisizione dei dati della nuvola di punti.

La piattaforma volante D20, equipaggiata con LiDAR10, ha un'autonomia di circa 40 minuti, una resistenza al vento di livello 6 e può effettuare voli con cambio di altitudine completamente automatico anche in presenza di grandi variazioni di quota, soddisfacendo così i requisiti di alta precisione ed efficienza richiesti per la raccolta dati sul campo.

D20 equipaggiato con DV-LiDAR10

2.1 Processo di lavoro

Per far fronte al dislivello nell'area di rilevamento e ai requisiti di elevata precisione richiesti dal progetto, il personale sul campo ha innanzitutto effettuato un'ispezione dell'area, selezionato punti di decollo e atterraggio appropriati e pianificato percorsi adeguati per la raccolta dati; successivamente, sono stati utilizzati droni e altri software per l'elaborazione interna dei dati al fine di generare una serie di prodotti di telerilevamento per la misurazione del terreno montuoso, a supporto dello sviluppo di progetti successivi.

2.2 Volo di campo

Nella misurazione di aree con grandi differenze di altitudine e ambienti complessi, per garantire la stabilità e l'accuratezza dei risultati dei dati, è generalmente necessario mantenere costante l'altezza relativa del velivolo rispetto al suolo, ovvero pianificare una rotta di volo ad altitudini più elevate. Il modulo "Smart Route" di UAV Manager offre la progettazione automatica di rotte a altitudine variabile per soddisfare le esigenze di volo di aree di misurazione complesse con grandi differenze di altitudine. È sufficiente importare l'area di misurazione, inserire l'altitudine e la velocità corrispondenti e selezionare la rotta a altitudine variabile. I parametri rimanenti verranno calcolati automaticamente dal sistema di controllo del drone in base ai parametri di input. Una volta completato il calcolo, il sistema di controllo del drone completerà automaticamente la progettazione della rotta in base all'altezza del suolo e ai parametri correlati per garantire che l'altezza del velivolo rispetto al suolo rimanga stabile.

L'altitudine di progetto per questo progetto è di 270 metri e la velocità di volo di progetto è di 8 metri al secondo. La distanza totale di volo è calcolata dal responsabile del drone in circa 6 chilometri e il tempo di volo stimato è di 16 minuti. Gli altri parametri e la progettazione del percorso sono i seguenti.

Parametri di volo e progettazione del percorso di Butler

Una volta completata la pianificazione del percorso, il D20 e il DV-LiDAR10 vengono assemblati e posizionati nel punto di decollo e atterraggio. Tramite il modulo "volo intelligente" del gestore del drone, il velivolo viene controllato per decollare automaticamente e i dati vengono acquisiti lungo il percorso progettato. Al termine della missione di volo prevista, il drone ritorna automaticamente al punto di decollo e atterraggio senza intervento manuale.

2.3 Pre-elaborazione interna

(1) Soluzione della traiettoria

Copiare la nuvola di punti originale, i dati IMU, i dati POS e altri dati necessari acquisiti sul campo nel computer e verificarne l'integrità. Il primo passo nell'elaborazione interna è il calcolo della traiettoria, la cui precisione è direttamente correlata alla precisione del risultato finale.

Innanzitutto, il POS aereo viene formattato utilizzando il modulo "Mappa Intellettuale" di UAV Manager e i dati POS convertiti vengono utilizzati per scaricare il file della stazione base. I dati POS convertiti, i file della stazione base e i dati IMU vengono importati nel software di calcolo della traiettoria, si inseriscono i parametri di eccentricità e il modello IMU corrispondenti al DV-LiDAR10, si utilizza il metodo di accoppiamento stretto per risolvere la traiettoria e infine si generano i risultati POS della traiettoria e del punto di ripresa della telecamera che soddisfano i requisiti di precisione.

(2) Calcolo della nuvola di punti

Inserisci i dati della traiettoria calcolata e i dati della nuvola di punti nel modulo "Smart Laser" di UAV Butler e inserisci le informazioni necessarie, come il percorso del progetto, il sistema di coordinate e il numero di carico, seguendo le istruzioni. UAV Butler scaricherà automaticamente, in base al numero di carico e ad altre informazioni, il report di calibrazione della nuvola di punti per garantire la precisione del calcolo. Dopo aver verificato la correttezza delle informazioni inserite, fai clic su "Risolvi nuvola di punti" e UAV Butler genererà automaticamente dati di nuvola di punti ad alta precisione, come mostrato nella figura seguente.

Risultati della soluzione a nuvola di punti

Per verificare la presenza di stratificazione nei dati della nuvola di punti elaborata, il modulo "Smart Laser" non solo fornisce strumenti di profilazione, ma anche strumenti di controllo qualità per rilevare rapidamente la stratificazione tra ciascun percorso (più scuro è il colore, più profondo è lo strato, più evidente è). In presenza di una stratificazione evidente, è possibile utilizzare la regolazione del nastro d'aria per attenuare il fenomeno di stratificazione e migliorare la qualità dei dati. Il grafico di controllo qualità per questo progetto è mostrato di seguito.

Mappa di controllo qualità dell'area di misurazione

Come mostrato nella figura precedente, i dati della nuvola di punti ottenuti da questo progetto non presentano una stratificazione evidente dopo l'elaborazione, il che indica che la qualità dei dati acquisiti dal radar è buona e possono essere utilizzati per le successive elaborazioni e produzioni.

(3) Rilevamento del terreno montuoso

I risultati del rilevamento del terreno montuoso includono principalmente ortofoto dell'area di rilevamento, nuvole di punti a colori, classificazione ed estrazione di elementi, modelli digitali di elevazione (DEM) e curve di livello ad alta precisione, ecc.

Le ortofoto possono acquisire immagini ad alta definizione di oggetti a terra nell'area di rilevamento e possono anche generare un DSM (Modello Digitale di Superficie) dell'area stessa, aiutando il personale a comprendere rapidamente l'ambiente e a formulare piani operativi più efficaci. Il DV-LiDAR10 è dotato di una fotocamera full-frame da 42 megapixel in grado di acquisire immagini di telerilevamento del terreno ad alta risoluzione. Importando le immagini dell'area di rilevamento e i punti POS (Point of Salem) acquisiti, il sistema genera automaticamente un'ortofoto e un DSM dell'area di rilevamento. I risultati sono illustrati nella figura seguente.

Ortofoto e DSM

La nuvola di punti colorata è un risultato ottenuto combinando dati di nuvola di punti standard e un'ortofoto. Non solo contiene le informazioni di elevazione della nuvola di punti standard, ma anche le informazioni di colore e texture dell'ortofoto. Questa modalità di rappresentazione arricchisce le dimensioni dei dati e migliora la leggibilità e la comprensione della nuvola di punti. Seleziona l'opzione di colorazione nel gestore del drone "Smart Point Cloud" e inserisci i dati della nuvola di punti e dell'ortofoto necessari per la colorazione; verrà generata automaticamente un'immagine a colori, come mostrato di seguito.

Nuvola di punti colorata dell'area di rilevamento

Il DEM (Modello Digitale di Equazione) è un risultato di telerilevamento generato da dati di nuvole di punti a terra, in grado di riflettere accuratamente le informazioni altimetriche del terreno. Rappresenta uno dei principali risultati dei rilievi topografici montani. Poiché le aree montuose dello Yunnan sono ricoperte da una fitta vegetazione durante tutto l'anno, per ottenere una grande quantità di dati precisi sui punti a terra è necessario un carico utile radar con caratteristiche quali elevata penetrazione e alto numero di echi. Il DV-LiDAR10 è dotato di un lidar a lungo raggio interamente di produzione nazionale. Questo carico utile utilizza un laser a 1550 nm come sorgente luminosa di rilevamento, ha 7 echi e possiede tutte le caratteristiche richieste per le misurazioni in montagna.

Utilizza lo strumento profilo per osservare i dati della nuvola di punti della montagna ottenuti in questo progetto, come mostrato nella figura seguente.

Profilo dati della nuvola di punti della montagna

Come mostrato nella figura precedente, il DV-LiDAR10 non solo è in grado di acquisire dati puntuali sulla vegetazione, ma anche una grande quantità di dati puntuali sul terreno, a dimostrazione dell'elevata capacità di penetrazione del dispositivo e della sua elevata idoneità per le misurazioni in aree montuose.

Per generare un DEM e delle curve di livello ad alta precisione, si importano innanzitutto i dati standard della nuvola di punti elaborati nel modulo "Smart Point Cloud" di UAV Butler, quindi si utilizza lo strumento di estrazione dei punti a terra per estrarre l'altezza degli oggetti a terra, la soglia di pendenza massima e l'angolo di iterazione. Si attende l'inserimento dei parametri e si seleziona un algoritmo di filtraggio appropriato per realizzare l'estrazione automatica dei punti a terra. Infine, si verifica manualmente l'accuratezza dell'estrazione dei punti a terra, si ottimizzano le aree con scarsa precisione e si generano il DEM e le curve di livello dell'area di rilevamento sulla base dei dati dei punti a terra ottimizzati. Per verificare l'accuratezza del DEM, questo progetto utilizza RTK e altri strumenti per raccogliere punti di controllo sul campo, utilizzarli come punti di controllo e importarli nel modello DEM, come mostrato nella figura seguente.

L'area di rilevamento di questo progetto è una zona montuosa nello Yunnan. Per condurre il rilievo del terreno montuoso è stato utilizzato un drone D20 equipaggiato con DV-LiDAR10. Attraverso l'acquisizione di ortofoto, nuvole di punti a colori, classificazione degli oggetti a terra nell'area di rilevamento, DEM ad alta precisione e altri risultati di precisione del terreno montuoso, si può constatare che il DV-LiDAR10 possiede caratteristiche di elevata precisione, elevata penetrazione e può acquisire simultaneamente immagini degli oggetti a terra e dati di nuvole di punti, nonché l'elevata efficienza, l'alta precisione e le capacità di volo ad alta quota della piattaforma di volo D20, che la rendono adatta a grandi dislivelli e all'importanza dell'alta precisione nella topografia montana. Infine, sono stati utilizzati punti di controllo a terra per verificare che i risultati del progetto avessero un'elevata precisione e soddisfacessero i requisiti del progetto.