DV-LiDAR10이 장착된 D20을 이용한 윈난 산악 지역의 복합 산악 측정 적용 사례

산악 지형 측량은 항공 LiDAR의 중요한 응용 분야 중 하나입니다. 산악 측량에 LiDAR를 사용할 때는 높은 정확도, 높은 포인트 주파수, 높은 투과율, 그리고 많은 에코 수와 같은 특성을 갖춘 레이더 페이로드를 선택해야 합니다. 이러한 성능을 갖춘 페이로드는 레이저가 빽빽한 식생을 통과하여 더욱 정확한 산악 지형 포인트 클라우드 데이터를 획득할 수 있도록 해주며, 결과적으로 고정밀, 고품질의 산악 지형 측량 결과를 도출할 수 있습니다.

DV-LiDAR10은 폭스텍 로봇이 개발한 최초의 국내 장거리 라이다 탑재체입니다. 산악 지형 측량의 모든 요구 사항을 충족할 수 있으며, 항공 측량 조건에 따라 폭스텍 로봇 V10 수직 이착륙 드론 플랫폼과 D20 멀티콥터 드론에 장착할 수 있습니다. 이 플랫폼은 대규모, 고저차, 고정밀 산악 지형 측량 작업에 필요한 모든 것을 제공합니다.

DV-LiDAR10

1.1 조사 지역 소개

조사 지역은 윈난성 쿤밍시 북부에 위치해 있습니다. 폭스텍 로봇은 A급 측량 및 지도 제작 업체와 협력하여 주요 터널 프로젝트를 위한 산악 지형 측량을 수행했습니다. 조사 지역은 약 0.24제곱킬로미터 면적에 걸쳐 있으며, 전체 고도차는 약 300미터입니다. 조사 지역은 울창한 식생과 다양한 지형을 가진 전형적인 산악 지형입니다.

1.2 장비 소개

프로젝트 지역은 고도차가 큰 복잡한 산악 지형이며, 터널 공사에는 높은 고도 정확도가 요구되므로, 측정 지역의 특성과 정확도 요구 사항을 고려하여 DV-LiDAR10 레이저 레이더가 장착된 D20 비행 플랫폼이 최종적으로 데이터 수집 장비로 선정되었습니다. 측정 지역의 모습은 아래 그림과 같습니다.

테스트 구역에서 촬영한 실제 사진입니다.

DV-LiDAR10은 장거리 라이다, 고정밀 POS 시스템 및 고해상도 풀프레임 디지털 카메라로 구성되어 있습니다. 자세한 사양은 아래 표를 참조하십시오.

DV-LiDAR10은 높은 포인트 빈도, 높은 정밀도, 많은 에코 수, 그리고 뛰어난 투과율을 특징으로 합니다. 빽빽한 식생 지역을 투과하여 고품질의 산악 지형 포인트 클라우드를 대량으로 획득할 수 있습니다. 또한, 4200만 화소의 고해상도 풀프레임 디지털 카메라를 탑재하여 포인트 클라우드 데이터 획득과 동시에 고화질 지형 이미지를 얻을 수 있습니다.

LiDAR10이 장착된 D20 비행 플랫폼은 실제로 약 40분 동안 비행할 수 있으며, 풍속 저항 등급 6을 충족하고, 고도 차이가 큰 환경에서도 완전 자동 고도 변경 비행을 수행하여 현장 데이터 수집의 고정밀 및 고효율 요구 사항을 충족할 수 있습니다.

DV-LiDAR10이 장착된 D20

2.1 작업 프로세스

조사 지역의 고도 차이와 프로젝트의 고정밀 데이터 수집 요구 사항에 대응하기 위해 현장 담당자는 먼저 조사 지역을 측량하고 적절한 이착륙 지점을 선정했으며, 현장 데이터 수집을 위한 합리적인 경로를 계획했습니다. 그런 다음 드론 관리자와 자체 개발 데이터 처리 소프트웨어를 활용하여 일련의 산악 지형 측정 원격 탐사 제품을 생성하고, 이를 후속 프로젝트 개발에 필요한 데이터 지원 자료로 제공했습니다.

2.2 필드 비행

고도차가 크고 환경이 복잡한 측정 지역에서는 데이터 결과의 정확도와 안정성을 확보하기 위해 일반적으로 항공기와 지면의 상대 고도를 일정하게 유지해야 합니다. 즉, 고고도 비행 경로를 계획해야 합니다. UAV Manager의 "스마트 경로" 모듈은 고도차가 크고 복잡한 측정 지역의 비행 요구 사항을 충족하기 위해 고도 자동 변경 경로 설계 기능을 제공합니다. 측정 지역 범위를 불러오고, 해당 고도와 속도를 입력한 후, 고도 가변 경로를 선택하기만 하면 됩니다. 나머지 매개변수는 입력된 매개변수를 기반으로 드론 관리자가 자동으로 계산합니다. 계산이 완료되면 드론 관리자는 지면 높이 및 관련 매개변수를 기반으로 경로 설계를 자동으로 완료하여 항공기와 지면의 상대 고도가 안정적으로 유지되도록 합니다.

본 프로젝트의 설계 고도는 270미터, 설계 비행 속도는 8미터/초입니다. 드론 관리자가 계산한 총 비행 거리는 약 6킬로미터이며, 예상 비행 시간은 16분입니다. 기타 매개변수 및 비행 경로 설계는 다음과 같습니다.

버틀러 항공편 매개변수 및 경로 설계

경로 계획이 완료되면 D20 드론과 DV-LiDAR10 센서를 조립하여 이륙 및 착륙 지점에 설치합니다. 드론 관리 프로그램의 "지능형 비행" 모듈을 통해 드론을 자동으로 이륙시키고 설계된 경로를 따라 데이터를 수집합니다. 예정된 비행 임무를 완료하면 드론은 수동 조작 없이 자동으로 이륙 및 착륙 지점으로 복귀합니다.

2.3 사내 전처리

(1) 궤적 솔루션

현장에서 획득한 원본 포인트 클라우드, IMU 데이터, POS 데이터 및 기타 필요한 데이터를 컴퓨터로 복사하고 데이터의 무결성을 확인합니다. 사내 처리의 첫 번째 단계는 궤적 계산이며, 이 계산의 정확도는 최종 결과의 정확도와 직접적인 관련이 있습니다.

먼저, UAV Manager의 "지능형 지도" 모듈을 사용하여 항공기 탑재 위치(POS)를 포맷하고, 변환된 POS 데이터를 이용하여 기지국 파일을 다운로드합니다. 포맷 변환된 POS 데이터, 기지국 파일 및 IMU 데이터를 궤적 계산 소프트웨어로 가져와 DV-LiDAR10에 해당하는 편심률 매개변수와 IMU 모델을 입력하고, 밀접 결합 방식을 사용하여 궤적을 계산합니다. 최종적으로 요구되는 정확도를 충족하는 궤적 및 카메라 촬영 지점 POS 결과를 출력합니다.

(2) 포인트 클라우드 계산

계산된 궤적 데이터와 포인트 클라우드 데이터를 UAV Butler의 "스마트 레이저" 모듈에 입력하고, 안내에 따라 프로젝트 경로, 좌표계, 탑재량 등의 필요한 정보를 입력합니다. UAV Butler는 탑재량 등의 정보를 기반으로 포인트 클라우드 보정 보고서를 자동으로 다운로드하여 포인트 클라우드 계산의 정확성을 확인합니다. 입력 정보가 ​​정확한지 확인한 후 "포인트 클라우드 계산"을 클릭하면 아래 그림과 같이 UAV Butler가 고정밀 포인트 클라우드 데이터를 자동으로 생성합니다.

포인트 클라우드 솔루션 결과

해결된 포인트 클라우드 데이터에 층상 구조가 존재하는지 확인하기 위해 "스마트 레이저" 모듈은 프로파일 도구뿐만 아니라 각 경로 간의 층상 구조를 신속하게 감지하는 품질 검사 도구도 제공합니다(색이 진할수록 층이 깊고 뚜렷함). 층상 구조가 뚜렷하게 나타나는 경우, 에어 벨트 조정을 통해 층상 구조 현상을 완화하고 데이터 품질을 향상시킬 수 있습니다. 본 프로젝트의 품질 검사 차트는 아래와 같습니다.

측정 영역 품질 검사 지도

위 그림에서 볼 수 있듯이, 본 프로젝트에서 얻은 포인트 클라우드 데이터는 처리 후 뚜렷한 층화 현상이 나타나지 않아 레이더로 얻은 데이터의 품질이 양호하며 후속 처리 및 제작에 활용될 수 있음을 보여줍니다.

(3) 산악 지형 조사

산악 지형 측량 결과는 주로 측량 지역의 정사영상, 컬러 포인트 클라우드, 특징 분류 및 추출, 고정밀 DEM 및 등고선 등을 포함합니다.

정사영상은 조사 영역 내 지상 물체의 고해상도 이미지를 얻을 수 있을 뿐만 아니라, 조사 영역의 디지털 표고 모델(DSM)도 생성할 수 있어 담당자가 조사 영역 환경을 신속하게 파악하고 보다 효과적인 작업 계획을 수립하는 데 도움이 됩니다. DV-LiDAR10에는 고해상도 지상 원격 감지 이미지를 획득할 수 있는 4200만 화소 풀프레임 카메라가 장착되어 있습니다. 획득한 조사 영역 이미지와 사진 지점 위치 정보(POS)를 드론 관리자의 "스마트 퍼즐" 모듈로 불러오면 조사 영역의 정사영상과 DSM이 자동으로 생성됩니다. 결과는 아래 그림과 같습니다.

정사영상 및 DSM

컬러 포인트 클라우드는 일반 포인트 클라우드 데이터와 정사영상을 이용하여 생성된 결과물입니다. 일반 포인트 클라우드의 고도 정보뿐만 아니라 정사영상의 색상 및 질감 정보까지 포함하고 있어 데이터의 차원을 더욱 풍부하게 하고 포인트 클라우드 데이터의 가독성과 이해도를 향상시킵니다. 드론 관리 프로그램의 "스마트 포인트 클라우드"에서 컬러 옵션을 선택하고 컬러링에 필요한 포인트 클라우드 데이터와 정사영상 데이터를 입력하면 아래 그림과 같이 컬러 이미지가 자동으로 생성됩니다.

조사 영역의 컬러 포인트 클라우드

DEM(디지털 고도 모델)은 지표면 포인트 클라우드 데이터로부터 생성된 원격 탐사 결과물로, 지표면의 고도 정보를 정확하게 반영합니다. 이는 산악 지형 측량의 주요 결과물 중 하나입니다. 윈난성의 산악 지역은 연중 울창한 초목으로 덮여 있기 때문에, 대량의 정확한 지표면 포인트 데이터를 얻으려면 높은 투과율과 많은 에코 수를 갖춘 레이더 페이로드가 필요합니다. DV-LiDAR10은 순수 국산 장거리 라이다를 탑재하고 있습니다. 이 페이로드는 1550nm 레이저를 검출 광원으로 사용하며, 7개의 에코를 가지고 있어 산악 측정에 필요한 모든 특성을 갖추고 있습니다.

아래 그림과 같이 프로파일 도구를 사용하여 이 프로젝트에서 얻은 산 포인트 클라우드 데이터를 관찰하십시오.

산악 포인트 클라우드 데이터 프로필

위 그림에서 볼 수 있듯이 DV-LiDAR10은 식생 지점 데이터뿐만 아니라 다량의 지면 지점 데이터도 획득할 수 있어, 우수한 투과력을 지니고 산악 지형 측정에 매우 적합함을 보여줍니다.

고정밀 DEM 및 등고선을 생성하기 위해 먼저 처리된 표준 포인트 클라우드 데이터를 UAV Butler의 "스마트 포인트 클라우드" 모듈로 가져온 다음, 지면점 추출 도구를 사용하여 지면 객체의 높이, 최대 경사 임계값 및 반복 각도를 추출합니다. 이러한 매개변수 입력이 완료되면 적절한 필터링 알고리즘을 선택하여 지면점 자동 추출을 수행합니다. 마지막으로, 지면점 추출의 정확도를 수동으로 확인하고 정확도가 낮은 영역을 최적화한 후, 최적화된 지면점 데이터를 기반으로 조사 영역의 DEM 및 등고선을 생성합니다. DEM 정확도 검증을 위해 본 프로젝트에서는 RTK 등의 도구를 사용하여 현장 기준점을 수집하고 이를 검사점으로 사용하여 DEM 모델에 가져옵니다(아래 그림 참조).

본 프로젝트의 조사 지역은 윈난성의 산악 지대입니다. DV-LiDAR10이 장착된 D20 드론을 이용하여 산악 지형 측량을 수행했습니다. 정사영상, 컬러 포인트 클라우드, 조사 지역 내 지표 객체 분류, 고정밀 DEM 등 정밀한 산악 지형 결과를 획득한 결과, DV-LiDAR10은 높은 정밀도와 투사 거리를 가지며 지표 객체 영상과 포인트 클라우드 데이터를 동시에 획득할 수 있는 특성을 보였고, D20 드론은 고효율, 고정밀, 고고도 비행이 가능하여 고도차가 크고 정밀한 측량이 중요한 산악 지형에 적합함을 확인할 수 있었습니다. 마지막으로, 지상 기준점을 이용하여 프로젝트 결과의 높은 정확도를 검증하고 프로젝트 요구 사항을 충족함을 확인했습니다.