D20にDV-LiDAR10を搭載した雲南省山岳地帯における複雑な山岳測量応用事例

山岳地形測量は、航空レーザー測量の重要な応用分野の一つです。山岳測量にレーザー測量を用いる場合、高精度、高点周波数、高透過性、高エコー数といった特性を持つレーダーペイロードを選択する必要があります。このような性能を持つペイロードを用いることで、レーザー光が密生した植生を透過し、より高精度な山岳地表面点群データを取得することが可能となり、高精度かつ高品質な山岳地形測量結果が得られます。

DV-LiDAR10は、Foxtech Robot社が開発した初の国産長距離ライダー搭載型測量装置です。山岳地形測量のあらゆるニーズに対応し、Foxtech Robot社のV10垂直離着陸ドローンプラットフォームやD20マルチロータードローンなど、様々な空中測量要件に合わせて搭載可能です。このプラットフォームは、大規模かつ高低差が大きく、高精度な山岳地形測量作業のニーズを満たすことができます。

DV-LiDAR10

1.1 調査地域の概要

調査対象地域は雲南省昆明市の北部に位置しています。フォックステック・ロボット社は、主要トンネルプロジェクトのために、一級測量・地図作成会社と協力して山岳地形測量を実施しました。調査対象地域は約0.24平方キロメートルの面積をカバーし、全体の標高差は約300メートルです。調査対象地域は植生が密生し、地形も変化に富んでおり、典型的な山岳地帯です。

1.2 機器の紹介

プロジェクトエリアは標高差の大きい複雑な山岳地形であり、トンネルプロジェクトには高い標高精度が求められるため、測定エリアの特性と精度要件に基づき、最終的にDV-LiDAR10レーザーレーダーを搭載したD20飛行プラットフォームがデータ収集装置として選定されました。測定エリアの様子を以下に示します。

テストエリアでの実写映像

DV-LiDAR10は、主に長距離ライダー、高精度POSシステム、高解像度フルフレームデジタルカメラで構成されています。詳細な仕様は下表に示します。

DV-LiDAR10は、高点頻度、高精度、高エコー数、高透過性といった特徴を備えています。密集した植生地域を透過し、高精度な山岳地表面点群を大量に取得できます。同時に、42メガピクセルの高解像度フルフレームデジタルカメラを搭載しており、点群データ取得と同時に高精細な地上画像も撮影可能です。

LiDAR10を搭載したD20飛行プラットフォームは、実際に約40分間飛行でき、耐風レベルは6で、大きな高度差の下でも完全自動の高度変更飛行を実行できるため、現場データ収集における高精度かつ高効率な要求を満たすことができる。

DV-LiDAR10を搭載したD20

2.1 作業プロセス

調査区域の標高差とプロジェクトの高精度なデータ収集要件に対応するため、まず現場担当者が調査区域を調査し、適切な離着陸地点を選定し、現場収集のための合理的なルートを計画しました。その後、ドローン操縦者と社内データ処理ソフトウェアを用いて、一連の山岳地形計測リモートセンシング製品を作成し、後続プロジェクトの開発のためのデータサポートを提供しました。

2.2 野外飛行

標高差が大きく環境が複雑なエリアを測定する場合、データ結果の精度を安定させるためには、一般的に航空機と地上の相対高度を一定に保つ、つまり、より高い高度で飛行ルートを計画する必要があります。UAV Managerの「スマートルート」モジュールは、標高差の大きい複雑な測定エリアの飛行ニーズに対応するため、高度を自動的に変更するルート設計を提供します。測定エリアの範囲をインポートし、対応する高度と速度を入力して、高度可変ルートを選択するだけで済みます。残りのパラメータは、入力されたパラメータに基づいてドローン管理者によって自動的に計算されます。計算が完了すると、ドローン管理者は地上高と関連パラメータに基づいてルート設計を自動的に完了し、航空機の地上に対する相対高度が安定するようにします。

本プロジェクトの設計高度は270メートル、設計飛行速度は8メートル/秒です。ドローン操縦士の計算によると、総飛行距離は約6キロメートル、推定飛行時間は16分です。その他のパラメータとルート設計は以下のとおりです。

バトラー飛行パラメータとルート設計

ルートプランニングが完了すると、D20とDV-LiDAR10が組み立てられ、離着陸地点に設置されます。ドローンマネージャーの「インテリジェントフライト」モジュールを介して、機体は自動的に離陸し、設計されたルートに沿ってデータが取得されます。予定された飛行ミッションが完了すると、ドローンは手動操作なしで自動的に離着陸地点に戻ります。

2.3 社内前処理

（１）軌道解

現場で取得した元の点群データ、IMUデータ、POSデータ、その他の必要なデータをコンピュータにコピーし、データの整合性を確認します。社内処理の最初のステップは軌跡計算であり、その計算精度は最終結果の精度に直接影響します。

まず、UAV Managerの「Intellectual Map」モジュールを使用して空中POSをフォーマットし、変換されたPOSデータを使用して基地局ファイルをダウンロードします。フォーマット変換されたPOSデータ、基地局ファイル、およびIMUデータを軌道計算ソフトウェアにインポートし、DV-LiDAR10に対応する偏心パラメータとIMUモデルを入力し、密結合法を使用して軌道を解き、最終的に精度要件を満たす軌道とカメラ撮影点POSの結果を出力します。

（２）点群計算

計算された軌道データと点群データをUAV Butlerの「スマートレーザー」モジュールに入力し、プロンプトに従ってプロジェクトパス、座標系、積載数などの必要な情報を入力します。UAV Butlerは、積載数などの情報に基づいて、点群計算の精度を保証するための点群キャリブレーションレポートを自動的にダウンロードします。入力情報が正しいことを確認したら、「点群解決」をクリックすると、図に示すように、Butlerが自動的に高精度の点群データを生成します。

点群解析結果

解決された点群データに層状構造が存在するかどうかを確認するために、「スマートレーザー」モジュールはプロファイルツールだけでなく、各ルート間の層状構造を迅速に検出する品質検査ツールも提供します（色が濃いほど層が深く、より顕著になります）。明らかな層状構造が存在する場合は、エアベルト調整を使用して層状構造を弱め、データ品質を向上させることができます。このプロジェクトの品質検査チャートを以下に示します。

測定エリア品質検査マップ

上の図に示すように、このプロジェクトで取得した点群データは処理後も明らかな層状構造を示さず、レーダーで取得したデータの品質が良好であり、後続の処理や生産に使用できることを示しています。

（３）山岳地形調査

山岳地形調査の結果には、主に調査区域のオルソフォト、カラー点群、特徴分類と抽出、高精度DEMおよび等高線などが含まれます。

オルソフォトは、調査エリア内の地上物体の高解像度画像を取得でき、調査エリアのDSMも取得できるため、スタッフが調査エリアの環境を迅速に理解し、より効果的な作業計画を策定するのに役立ちます。DV-LiDAR10は、高解像度の地上リモートセンシング画像を取得できる42メガピクセルのフルフレームカメラを搭載しています。取得した調査エリア画像と撮影ポイントPOSをDrone Managerの「Smart Puzzle」モジュールにインポートして、調査エリアのオルソフォトとDSMを自動的に生成します。結果は下図に示されています。

オルソフォトとDSM

カラー点群は、標準点群データとオルソフォトから生成される点群データです。標準点群の標高情報だけでなく、オルソフォトの色情報やテクスチャ情報も含まれています。この表示形式により、データの次元が豊かになり、点群データの読みやすさと理解度が向上します。ドローンマネージャーの「スマート点群」でカラー化オプションを選択し、カラー化に必要な点群データとオルソフォトデータを入力すると、下図のようにカラー画像が自動的に生成されます。

調査エリアのカラーポイントクラウド

DEMは、地表点群データから生成されるリモートセンシング結果であり、地表の標高情報を正確に反映できます。これは、山岳地形測量の主要な成果の1つです。雲南省の山岳地帯は一年中密生した植生に覆われているため、大量の正確な地表点データを取得するには、高い透過性と高いエコー数などの特性を持つレーダーペイロードが必要です。DV-LiDAR10は、完全国産の長距離ライダーを搭載しています。このペイロードは、検出光源として1550nmレーザーを使用し、7つのエコーを持ち、山岳測量に必要なすべての特性を備えています。

プロファイルツールを使用して、このプロジェクトで取得した山岳点群データを、下図に示すように観察してください。

山頂のクラウドデータプロファイル

上の図に示すように、DV-LiDAR10は植生点データだけでなく、大量の地表面点データも取得できるため、優れた透過性能を持ち、山岳地帯の地形計測に非常に適していることがわかります。

高精度の DEM と等高線を生成するために、まず処理済みの標準点群データを UAV Butler の「スマート点群」モジュールにインポートし、次に地表点抽出ツールを使用して地表オブジェクトの高さ、最大傾斜閾値、反復角度を抽出します。パラメータが入力されるまで待ち、適切なフィルタリングアルゴリズムを選択して地表点の自動抽出を実現します。最後に、地表点抽出の精度を手動で確認し、精度が低い領域を最適化し、最適化された地表点データに基づいて調査領域の DEM と等高線を生成します。DEM の精度を検証するために、このプロジェクトでは RTK などのツールを使用してフィールド制御点を収集し、それらをチェックポイントとして使用して、下図に示すように DEM モデルにインポートします。

本プロジェクトの調査対象地域は雲南省の山岳地帯です。DV-LiDAR10を搭載したD20を用いて山岳地形調査を実施しました。オルソフォト、カラー点群、調査対象地域の地物分類、高精度DEMなどの高精度山岳地形データを取得した結果、DV-LiDAR10は高精度、高透過性、地物画像と点群データの同時取得が可能であること、またD20飛行プラットフォームは高効率、高精度、高高度飛行能力を備えていることから、高低差が大きく高精度が求められる山岳地形に適していることが分かりました。最後に、地上基準点を用いてプロジェクト結果の精度を検証し、プロジェクト要件を満たしていることを確認できました。