Комплексное применение прибора D20, оснащенного DV-LiDAR10, для измерения параметров горных районов провинции Юньнань.

Геодезическая съемка горных районов всегда была одним из важных сценариев применения бортового лидара. При использовании лидара для съемки гор необходимо выбирать радиолокационную полезную нагрузку с такими характеристиками, как высокая точность, высокая частота точек, высокая проникающая способность и высокое число эхо-сигналов. Полезная нагрузка с такими характеристиками может обеспечить прохождение лазерного луча сквозь густую растительность и получение все более точных данных облака точек горной местности, тем самым обеспечивая высокоточные и высококачественные результаты съемки горных районов.

DV-LiDAR10 — это первая в стране лидарная полезная нагрузка дальнего действия, выпущенная компанией Foxtech Robot. Она способна удовлетворить все потребности в топографической съемке гор. Ее можно устанавливать на беспилотные летательные аппараты вертикального взлета и посадки Foxtech Robot V10 и D20 с многороторными двигателями в зависимости от требований аэрофотосъемки. Эта платформа позволяет выполнять крупномасштабные, высокоточные работы по топографической съемке гор с большими перепадами высот.

DV-LiDAR10

1.1 Введение в область обследования

Обследуемый участок расположен в северной части города Куньмин, провинция Юньнань. Компания Foxtech Robot в сотрудничестве с первоклассным геодезическим и картографическим подразделением провела топографическую съемку горных районов для своих ключевых проектов по строительству тоннелей. Площадь обследованного участка составляет около 0,24 квадратных километров, а общий перепад высот — около 300 метров. Обследуемый участок отличается густой растительностью и разнообразным рельефом, что характерно для горной местности.

1.2 Введение в оборудование

Поскольку территория проекта имеет сложный горный рельеф с большими перепадами высот, а проект тоннеля требует высокой точности определения высоты, для сбора данных, исходя из характеристик и требований к точности измерительной зоны, была выбрана летающая платформа D20, оснащенная лазерным радаром DV-LiDAR10. Схема измерительной зоны показана ниже.

Реальные снимки с испытательного полигона.

DV-LiDAR10 в основном состоит из лидара дальнего действия, высокоточной системы позиционирования (POS) и полнокадровой цифровой камеры высокого разрешения. Подробные параметры приведены в таблице ниже.

DV-LiDAR10 обладает такими характеристиками, как высокая частота точек, высокая точность, большое количество эхо-сигналов и высокая проникающая способность. Он способен проникать сквозь густую растительность и получать большое количество высокоточных облаков точек горной местности. Одновременно он оснащен 42-мегапиксельной полнокадровой цифровой камерой высокого разрешения, которая позволяет получать высококачественные изображения местности одновременно с формированием облака точек.

Летательный аппарат D20, оснащенный LiDAR10, может находиться в воздухе около 40 минут, имеет уровень ветроустойчивости 6 и способен выполнять полностью автоматические полеты с изменением высоты при больших перепадах высот, что отвечает требованиям высокой точности и эффективности сбора полевых данных.

D20, оснащенный DV-LiDAR10

2.1 Рабочий процесс

Для того чтобы справиться с перепадом высот в районе съемки и удовлетворить требованиям проекта к высокоточной съемке, полевой персонал сначала провел топографическую съемку, выбрал подходящие точки взлета и посадки и спланировал рациональные маршруты для сбора данных; затем, используя дроны и другое программное обеспечение для внутренней обработки данных, был создан ряд продуктов дистанционного зондирования горного рельефа, которые послужат основой для разработки последующих проектов.

2.2 Полевые полеты

При измерениях в районах с большими перепадами высот и в сложных условиях, для обеспечения стабильности и точности результатов измерений, как правило, необходимо поддерживать постоянную относительную высоту летательного аппарата и земли, то есть планировать маршрут полета на больших высотах. Модуль «Умный маршрут» в UAV Manager обеспечивает автоматическое проектирование маршрута с изменением высоты для удовлетворения потребностей полетов в сложных районах измерений с большими перепадами высот. Вам нужно только импортировать диапазон зоны измерения, ввести соответствующую высоту и скорость, а также выбрать маршрут с изменяемой высотой. Остальные параметры будут автоматически рассчитаны администратором дрона на основе введенных параметров. После завершения расчета администратор дрона автоматически завершит проектирование маршрута на основе высоты земли и соответствующих параметров, чтобы обеспечить стабильность высоты летательного аппарата относительно земли.

Расчетная высота полета для данного проекта составляет 270 метров, а расчетная скорость полета — 8 метров в секунду. Общая дальность полета, по расчетам оператора дрона, составляет около 6 километров, а расчетное время полета — 16 минут. Другие параметры и маршрут полета указаны ниже.

Параметры полета и разработка маршрута в Батлере

После завершения планирования маршрута дроны D20 и DV-LiDAR10 собираются и размещаются в точках взлета и посадки. С помощью модуля «интеллектуального полета» системы управления дроном осуществляется автоматическое управление взлетом и сбор данных вдоль заданного маршрута. После выполнения запланированной полетной задачи дрон автоматически возвращается в точку взлета и посадки без ручного вмешательства.

2.3 Внутренняя предварительная обработка

(1) Решение траектории

Скопируйте исходное облако точек, данные IMU, данные POS и другие необходимые данные, полученные в полевых условиях, на компьютер и подтвердите целостность данных. Первым этапом внутренней обработки является расчет траектории, и точность его расчета напрямую связана с точностью конечного результата.

Сначала данные о местоположении, полученные с борта БПЛА, форматируются с помощью модуля «Интеллектуальная карта» в программе UAV Manager, а преобразованные данные используются для загрузки файла базовой станции. Преобразованные данные о местоположении, файлы базовой станции и данные IMU импортируются в программное обеспечение для расчета траектории. Затем вводятся параметры эксцентриситета и модель IMU, соответствующие DV-LiDAR10, используется метод тесной связи для решения задачи расчета траектории, и, наконец, выводятся результаты расчета траектории и точек съемки камеры, соответствующие требованиям точности.

(2) Расчет облака точек

Введите рассчитанные данные траектории и данные облака точек в модуль «Smart Laser» программы UAV Butler и укажите необходимую информацию, такую ​​как траектория проекта, система координат и номер загрузки, в соответствии с подсказками. UAV Butler автоматически загрузит отчет о калибровке облака точек на основе номера загрузки и другой информации, чтобы обеспечить точность расчета облака точек. После подтверждения правильности введенной информации нажмите «Point Cloud Solve», и программа автоматически сгенерирует высокоточные данные облака точек, как показано на рисунке ниже.

Результаты решения задачи с использованием облака точек

Для проверки наличия расслоения в обработанных данных облака точек модуль «Smart Laser» предоставляет не только инструменты профилирования, но и инструменты контроля качества, позволяющие быстро обнаружить расслоение между отдельными участками (чем темнее цвет, тем глубже слой, тем заметнее расслоение). При наличии явного расслоения можно использовать регулировку воздушного потока для ослабления явления расслоения и улучшения качества данных. Диаграмма контроля качества для данного проекта представлена ​​ниже.

Карта контроля качества измерительной зоны

Как показано на рисунке выше, данные облака точек, полученные в рамках этого проекта, после обработки не имеют явной слоистости, что указывает на хорошее качество данных, полученных с помощью радара, и возможность их использования для последующей обработки и производства.

(3) Обследование горного рельефа

Результаты топографической съемки горных районов в основном включают ортофотоснимки обследуемой территории, цветные облака точек, классификацию и извлечение объектов, высокоточные цифровые модели рельефа и контуры и т. д.

Ортофотоснимки позволяют получать изображения высокого разрешения наземных объектов в зоне съемки, а также цифровую модель рельефа (ЦМР) этой зоны, что помогает персоналу быстро понять обстановку в зоне съемки и разработать более эффективные планы работ. DV-LiDAR10 оснащен 42-мегапиксельной полнокадровой камерой, позволяющей получать изображения наземного дистанционного зондирования высокого разрешения. Полученные изображения зоны съемки и фототочки (POS) импортируются в модуль «Smart Puzzle» программы Drone Manager для автоматического создания ортофотоснимка и ЦМР зоны съемки. Результаты показаны на рисунке ниже.

Ортофотоснимки и цифровая модель рельефа

Цветное облако точек — это результат обработки данных, полученный на основе стандартного облака точек и ортофотоснимка. Оно содержит не только информацию о высоте, как стандартное облако точек, но и информацию о цвете и текстуре, как ортофотоснимок. Такая форма представления делает данные более информативными и улучшает читаемость и восприятие данных облака точек. Выберите опцию раскрашивания в менеджере дронов «Умное облако точек», введите данные облака точек и ортофотоснимка, необходимые для раскрашивания, и цветное изображение будет сгенерировано автоматически, как показано ниже.

Цветовое облако точек исследуемой области

ЦМР (цифровая модель рельефа) — это результат дистанционного зондирования, полученный на основе данных облака точек на местности, который точно отражает информацию о высоте местности. Это один из основных результатов топографической съемки гор. Поскольку горные районы провинции Юньнань круглый год покрыты густой растительностью, для получения большого объема точных данных о точках на местности необходима радиолокационная полезная нагрузка с такими характеристиками, как высокая проникающая способность и большое количество эхо-сигналов. DV-LiDAR10 оснащен чисто отечественным лидаром дальнего действия. Эта полезная нагрузка использует лазер с длиной волны 1550 нм в качестве источника света, имеет 7 эхо-сигналов и обладает всеми характеристиками, необходимыми для измерения в горах.

Используйте инструмент профилирования, чтобы просмотреть данные облака точек горного массива, полученные в этом проекте, как показано на рисунке ниже.

Профиль данных облака точек горы

Как показано на рисунке выше, DV-LiDAR10 позволяет получать не только данные о растительности, но и большой объем данных о поверхности земли, что свидетельствует о хорошей проникающей способности устройства и его высокой пригодности для измерений в горной местности.

Для создания высокоточной ЦМР и контуров сначала импортируют обработанные стандартные данные облака точек в модуль «Smart Point Cloud» программы UAV Butler, а затем с помощью инструмента извлечения наземных точек извлекают высоту наземных объектов, максимальный пороговый уклон и угол итерации. Дождутся ввода параметров, а затем выберут подходящий алгоритм фильтрации для автоматического извлечения наземных точек. Наконец, вручную проверят точность извлечения наземных точек, оптимизируют области с низкой точностью и создадут ЦМР и контуры обследованной области на основе оптимизированных данных наземных точек. Для проверки точности ЦМР в этом проекте используются RTK и другие инструменты для сбора полевых контрольных точек, которые используются в качестве контрольных точек и импортируются в модель ЦМР, как показано на рисунке ниже.

Обследуемая территория в рамках данного проекта – горный район провинции Юньнань. Для проведения топографической съемки горного рельефа использовался спутник D20, оснащенный DV-LiDAR10. Получение ортофотоснимков, цветных облаков точек, классификация наземных объектов на обследуемой территории, высокоточная цифровая модель рельефа (ЦМР) и другие высокоточные результаты съемки горного рельефа показали, что DV-LiDAR10 обладает высокой точностью, высокой проникающей способностью, позволяет одновременно получать изображения наземных объектов и данные облака точек, а также демонстрирует высокую эффективность, точность и возможности высотной съемки, что делает его подходящим для съемки больших перепадов высот и высокой точности горного рельефа. В заключение, для проверки точности результатов проекта и их соответствия требованиям проекта были использованы опорные точки.