D20 equipado com DV-LiDAR10: Caso de aplicação para medição em áreas montanhosas complexas na região de Yunnan.

O levantamento topográfico de terrenos montanhosos sempre foi um dos cenários de aplicação importantes do lidar aerotransportado. Ao utilizar o lidar para levantamentos em montanhas, é necessário selecionar uma carga útil de radar com características como alta precisão, alta frequência de pontos, alta penetração e alto número de ecos. Uma carga útil com esse desempenho garante que o laser consiga atravessar vegetação densa e obter dados de nuvem de pontos do terreno montanhoso cada vez mais precisos, produzindo, assim, resultados de alta precisão e alta qualidade.

O DV-LiDAR10 é o primeiro lidar de longo alcance lançado pela Foxtech Robot no mercado interno. Ele atende a todas as necessidades de levantamento topográfico em áreas montanhosas. Pode ser montado na plataforma de drones de decolagem e pouso vertical V10 e no drone multirotor D20 da Foxtech Robot, de acordo com os diferentes requisitos de levantamento aéreo. A plataforma permite realizar levantamentos topográficos em áreas montanhosas de grande escala, com grandes desníveis e alta precisão.

DV-LiDAR10

1.1 Introdução à área do levantamento

A área de levantamento está localizada na parte norte da cidade de Kunming, província de Yunnan. A Foxtech Robot cooperou com uma empresa de topografia e mapeamento de Classe A para realizar levantamentos topográficos de montanha para seus principais projetos de túneis. A área de levantamento abrange cerca de 0,24 quilômetros quadrados, com um desnível total de aproximadamente 300 metros. A região apresenta vegetação densa e terreno variado, típico de áreas montanhosas.

1.2 Introdução ao Equipamento

Como a área do projeto apresenta um terreno montanhoso complexo com grandes desníveis, e o projeto do túnel exige alta precisão altimétrica, a plataforma voadora D20, equipada com o radar a laser DV-LiDAR10, foi selecionada para a coleta de dados com base nas características e nos requisitos de precisão da área de medição. A imagem da área de medição é mostrada abaixo.

Fotos reais na área de testes.

O DV-LiDAR10 é composto principalmente por um lidar de longo alcance, um sistema POS de alta precisão e uma câmera digital full-frame de alta resolução. Os parâmetros detalhados são mostrados na tabela abaixo.

O DV-LiDAR10 possui características como alta frequência de pontos, alta precisão, alto número de ecos e alta penetração. Ele consegue penetrar em áreas com vegetação densa e obter um grande número de nuvens de pontos de alta precisão em terrenos montanhosos. Além disso, está equipado com uma câmera digital full-frame de alta resolução de 42 megapixels, que permite obter imagens de alta definição do solo durante a aquisição dos dados da nuvem de pontos.

A plataforma voadora D20, equipada com LiDAR10, pode operar por cerca de 40 minutos, possui nível de resistência ao vento 6 e consegue realizar voos com mudança de altitude totalmente automática em grandes diferenças de altitude, atendendo aos requisitos de alta precisão e eficiência da coleta de dados em campo.

D20 equipado com DV-LiDAR10

2.1 Processo de Trabalho

Para lidar com a diferença de altitude na área de estudo e com os requisitos de coleta de alta precisão do projeto, a equipe de campo primeiro realizou um levantamento da área, selecionou pontos de decolagem e pouso adequados e planejou rotas razoáveis ​​para a coleta de dados em campo; em seguida, foram utilizados operadores de drones e outros softwares de processamento de dados internos para gerar uma série de produtos de sensoriamento remoto para medição do terreno montanhoso, a fim de fornecer suporte de dados para o desenvolvimento de projetos subsequentes.

2.2 Voo em Campo

Em áreas de medição com grandes diferenças de altitude e ambientes complexos, para garantir a estabilidade e a precisão dos resultados dos dados, geralmente é necessário manter a altura relativa da aeronave e do solo constante, ou seja, planejar uma rota de voo com altitudes mais elevadas. O módulo "Rota Inteligente" do Gerenciador de UAVs oferece o planejamento automático de rotas com variação de altitude para atender às necessidades de voo em áreas de medição complexas com grandes diferenças de altitude. Basta importar a área de medição, inserir a altitude e a velocidade correspondentes e selecionar a rota com variação de altitude. Os demais parâmetros serão calculados automaticamente pelo gerenciador de drones com base nos parâmetros inseridos. Após a conclusão do cálculo, o gerenciador de drones concluirá automaticamente o planejamento da rota com base na altura do solo e nos parâmetros relacionados, garantindo que a altura da aeronave em relação ao solo permaneça estável.

A altitude de projeto deste projeto é de 270 metros e a velocidade de voo projetada é de 8 metros por segundo. A distância total de voo, calculada pelo operador de drones, é de aproximadamente 6 quilômetros, e o tempo estimado de voo é de 16 minutos. Outros parâmetros e o projeto da rota são apresentados a seguir.

Parâmetros de voo e projeto de rota de Butler

Após o planejamento da rota, o D20 e o DV-LiDAR10 são montados e posicionados nos pontos de decolagem e pouso. Através do módulo de "voo inteligente" do gerenciador de drones, a aeronave é controlada para decolar automaticamente e os dados são coletados ao longo da rota planejada. Após a conclusão da missão de voo prevista, o drone retorna automaticamente aos pontos de decolagem e pouso, sem intervenção manual.

2.3 Pré-processamento interno

(1) Solução de trajetória

Copie a nuvem de pontos original, os dados da IMU, os dados do POS e outros dados necessários obtidos em campo para o computador e confirme a integridade dos dados. O primeiro passo no processamento interno é o cálculo da trajetória, e a precisão desse cálculo está diretamente relacionada à precisão do resultado final.

Primeiramente, o POS aerotransportado é formatado utilizando o módulo "Mapa Inteligente" do UAV Manager, e os dados de POS convertidos são utilizados para baixar o arquivo da estação base. Os dados de POS convertidos, os arquivos da estação base e os dados da IMU são importados para o software de cálculo de trajetória. Em seguida, são inseridos os parâmetros de excentricidade e o modelo da IMU correspondentes ao DV-LiDAR10, o método de acoplamento estreito é utilizado para resolver a trajetória e, finalmente, os resultados da trajetória e do POS do ponto de disparo da câmera atendem aos requisitos de precisão.

(2) Cálculo da nuvem de pontos

Insira os dados de trajetória calculados e os dados da nuvem de pontos no módulo "Smart Laser" do UAV Butler e insira as informações necessárias, como o caminho do projeto, o sistema de coordenadas e o número de cargas, seguindo as instruções. O UAV Butler fará o download automaticamente do relatório de calibração da nuvem de pontos com base no número de cargas e em outras informações, garantindo a precisão do cálculo. Após confirmar que as informações inseridas estão corretas, clique em "Point Cloud Solve" e o UAV Butler gerará automaticamente dados de nuvem de pontos de alta precisão, conforme mostrado na figura abaixo.

Resultados da solução de nuvem de pontos

Para verificar a presença de estratificação nos dados da nuvem de pontos resolvida, o módulo "Smart Laser" oferece não apenas ferramentas de perfil, mas também ferramentas de inspeção de qualidade para detectar rapidamente a estratificação entre cada rota (quanto mais escura a cor, mais profunda a camada; mais evidente a estratificação). Caso haja estratificação evidente, o ajuste da correia de ar pode ser utilizado para atenuar o fenômeno e melhorar a qualidade dos dados. O gráfico de inspeção de qualidade para este projeto é apresentado abaixo.

mapa de inspeção de qualidade da área de medição

Conforme ilustrado na figura acima, os dados da nuvem de pontos obtidos por este projeto não apresentam estratificação evidente após o processamento, indicando que a qualidade dos dados obtidos pelo radar é boa e podem ser utilizados para processamento e produção subsequentes.

(3) Levantamento de terreno montanhoso

Os resultados do levantamento de terreno montanhoso incluem principalmente ortofotos da área levantada, nuvens de pontos coloridas, classificação e extração de feições, DEM de alta precisão e curvas de nível, etc.

As ortofotos permitem obter imagens de alta definição de objetos terrestres na área de levantamento, além de gerar o Modelo Digital de Superfície (MDS) da mesma área. Isso auxilia a equipe a compreender rapidamente o ambiente e a formular planos operacionais mais eficazes. O DV-LiDAR10 está equipado com uma câmera full-frame de 42 megapixels que captura imagens de sensoriamento remoto terrestre de alta resolução. As imagens da área de levantamento e os pontos de observação (POS) obtidos são importados para o módulo "Smart Puzzle" do Drone Manager para gerar automaticamente uma ortofoto e um MDS da área de levantamento. Os resultados são mostrados na figura abaixo.

Ortofotos e DSM

Uma nuvem de pontos colorida é um resultado gerado a partir de dados de nuvem de pontos padrão e uma ortofoto. Ela não só contém as informações de elevação da nuvem de pontos padrão, como também as informações de cor e textura da ortofoto. Essa forma de apresentação enriquece as dimensões dos dados e melhora a legibilidade e a apreciação dos dados da nuvem de pontos. Selecione a opção de coloração no gerenciador de drones "Nuvem de Pontos Inteligente" e insira os dados da nuvem de pontos e da ortofoto que deseja colorir. Uma imagem colorida será gerada automaticamente, como mostrado abaixo.

Nuvem de pontos colorida da área de levantamento

O DEM (Modelo Digital de Elevação) é um resultado de sensoriamento remoto gerado a partir de dados de nuvem de pontos terrestres, capaz de refletir com precisão as informações de elevação do terreno. É um dos principais resultados do levantamento topográfico de áreas montanhosas. Como as áreas montanhosas de Yunnan são cobertas por vegetação densa durante todo o ano, para obter uma grande quantidade de dados precisos de pontos terrestres, é necessário um radar com características como alta penetração e alto número de ecos. O DV-LiDAR10 é equipado com um lidar de longo alcance totalmente nacional. Este radar utiliza um laser de 1550 nm como fonte de luz de detecção, possui 7 ecos e apresenta todas as características necessárias para medições em áreas montanhosas.

Utilize a ferramenta de perfil para observar os dados da nuvem de pontos da montanha obtidos neste projeto, conforme mostrado na figura abaixo.

Perfil de dados de nuvem de pontos de montanha

Conforme ilustrado na figura acima, o DV-LiDAR10 não só consegue obter dados pontuais da vegetação, como também uma grande quantidade de dados pontuais do solo, o que indica que o dispositivo possui boa penetração e é muito adequado para medições em terrenos montanhosos.

Para gerar um DEM e curvas de nível de alta precisão, primeiro importamos os dados da nuvem de pontos padrão processados ​​para o módulo "Smart Point Cloud" do UAV Butler. Em seguida, utilizamos a ferramenta de extração de pontos de solo para extrair a altura dos objetos no solo, o limite máximo de inclinação e o ângulo de iteração. Aguardamos a entrada dos parâmetros e selecionamos um algoritmo de filtragem adequado para realizar a extração automática dos pontos de solo. Finalmente, verificamos manualmente a precisão da extração dos pontos de solo, otimizamos as áreas com baixa precisão e geramos o DEM e as curvas de nível da área de levantamento com base nos dados otimizados. Para verificar a precisão do DEM, este projeto utiliza RTK e outras ferramentas para coletar pontos de controle de campo, que são usados ​​como pontos de verificação e importados para o modelo DEM, conforme mostrado na figura abaixo.

A área de levantamento deste projeto é uma região montanhosa em Yunnan. O D20, equipado com DV-LiDAR10, foi utilizado para realizar o levantamento topográfico da região montanhosa. Através da aquisição de ortofotos, nuvens de pontos coloridas, classificação de objetos terrestres na área de levantamento, DEM de alta precisão e outros resultados de alta precisão para o terreno montanhoso, foi possível observar que o DV-LiDAR10 possui características de alta precisão e alta penetração, sendo capaz de adquirir simultaneamente imagens de objetos terrestres e dados de nuvem de pontos. Além disso, a plataforma de voo D20 apresenta alta eficiência, precisão e capacidade de voo em grandes altitudes, sendo adequada para terrenos montanhosos com grandes desníveis e alta precisão. Por fim, pontos de controle terrestre foram utilizados para verificar se os resultados do projeto apresentavam alta precisão e atendiam aos requisitos estabelecidos.