กรณีศึกษาการประยุกต์ใช้งาน D20 ที่ติดตั้ง DV-LiDAR10 สำหรับการวัดภูมิประเทศที่ซับซ้อนในพื้นที่ภูเขาของมณฑลยูนนาน

การสำรวจภูมิประเทศบนภูเขาเป็นหนึ่งในสถานการณ์การใช้งานที่สำคัญของไลดาร์ทางอากาศมาโดยตลอด เมื่อใช้ไลดาร์ในการสำรวจภูเขา จำเป็นต้องเลือกหัวรับส่งสัญญาณเรดาร์ที่มีคุณสมบัติ เช่น ความแม่นยำสูง ความถี่จุดสูง การทะลุทะลวงสูง และจำนวนสัญญาณสะท้อนสูง หัวรับส่งสัญญาณที่มีประสิทธิภาพดังกล่าวจะช่วยให้ลำแสงเลเซอร์สามารถทะลุผ่านพืชพรรณหนาแน่นและได้ข้อมูลจุดเมฆบนพื้นดินของภูเขาที่มีความแม่นยำมากขึ้นเรื่อยๆ ส่งผลให้ได้ผลลัพธ์ภูมิประเทศบนภูเขาที่มีความแม่นยำและคุณภาพสูง

DV-LiDAR10 เป็นอุปกรณ์ตรวจวัดด้วยแสงเลเซอร์ระยะไกลรุ่นแรกที่ผลิตในประเทศจีนโดยบริษัท Foxtech Robot สามารถตอบสนองความต้องการทั้งหมดของการสำรวจภูมิประเทศบนภูเขา สามารถติดตั้งบนแพลตฟอร์มโดรนขึ้นลงในแนวดิ่ง V10 ของ Foxtech Robot และโดรนหลายใบพัด D20 ได้ตามความต้องการในการสำรวจทางอากาศที่แตกต่างกัน แพลตฟอร์มเครื่องจักรนี้สามารถตอบสนองความต้องการในการสำรวจภูมิประเทศบนภูเขาขนาดใหญ่ ความแตกต่างของระดับความสูงมาก และความแม่นยำสูงได้

ดีวี-ไลดาร์10

1.1 ข้อมูลเบื้องต้นเกี่ยวกับพื้นที่สำรวจ

พื้นที่สำรวจตั้งอยู่ทางตอนเหนือของเมืองคุนหมิง มณฑลยูนนาน บริษัท Foxtech Robot ได้ร่วมมือกับหน่วยงานสำรวจและทำแผนที่ระดับ A เพื่อทำการสำรวจภูมิประเทศบนภูเขาสำหรับโครงการอุโมงค์ที่สำคัญ พื้นที่สำรวจครอบคลุมพื้นที่ประมาณ 0.24 ตารางกิโลเมตร และมีความแตกต่างของระดับความสูงโดยรวมประมาณ 300 เมตร พื้นที่สำรวจมีพืชพรรณหนาแน่นและภูมิประเทศที่หลากหลาย ซึ่งเป็นภูมิประเทศที่เป็นภูเขาทั่วไป

1.2 การแนะนำอุปกรณ์

เนื่องจากพื้นที่โครงการมีภูมิประเทศเป็นภูเขาสูงซับซ้อนและมีความแตกต่างของระดับความสูงมาก อีกทั้งยังต้องการความแม่นยำในการวัดระดับความสูงสูง จึงได้เลือกใช้แพลตฟอร์มบิน D20 ที่ติดตั้งเรดาร์เลเซอร์ DV-LiDAR10 สำหรับการเก็บรวบรวมข้อมูล โดยพิจารณาจากลักษณะและข้อกำหนดด้านความแม่นยำของพื้นที่วัด ภาพพื้นที่วัดแสดงอยู่ด้านล่าง

ภาพถ่ายจริงจากพื้นที่ทดสอบ

DV-LiDAR10 ประกอบด้วยระบบไลดาร์ระยะไกล ระบบ POS ความแม่นยำสูง และกล้องดิจิทัลฟูลเฟรมความละเอียดสูง พารามิเตอร์โดยละเอียดแสดงอยู่ในตารางด้านล่าง

DV-LiDAR10 มีคุณสมบัติเด่นคือ ความถี่จุดสูง ความแม่นยำสูง จำนวนสัญญาณสะท้อนสูง และความสามารถในการทะลุทะลวงสูง สามารถทะลุทะลวงพื้นที่ที่มีพืชพรรณหนาแน่นและเก็บข้อมูลจุดเมฆบนพื้นดินภูเขาที่มีความแม่นยำสูงจำนวนมากได้ ในขณะเดียวกันก็ติดตั้งกล้องดิจิทัลฟูลเฟรมความละเอียดสูง 42 ล้านพิกเซล ซึ่งสามารถถ่ายภาพพื้นดินความละเอียดสูงไปพร้อมกับการเก็บข้อมูลจุดเมฆได้

แพลตฟอร์มบิน D20 ที่ติดตั้ง LiDAR10 สามารถบินได้นานประมาณ 40 นาที มีระดับความต้านทานลมระดับ 6 และสามารถทำการบินเปลี่ยนระดับความสูงอัตโนมัติได้อย่างสมบูรณ์ภายใต้ความแตกต่างของระดับความสูงมาก เพื่อตอบสนองความต้องการความแม่นยำสูงและประสิทธิภาพสูงในการเก็บรวบรวมข้อมูลภาคสนาม

D20 ที่ติดตั้ง DV-LiDAR10

2.1 ขั้นตอนการทำงาน

เพื่อรับมือกับความแตกต่างของระดับความสูงในพื้นที่สำรวจและความต้องการการเก็บรวบรวมข้อมูลที่มีความแม่นยำสูงของโครงการ เจ้าหน้าที่ภาคสนามจึงทำการสำรวจพื้นที่สำรวจก่อน เลือกจุดขึ้นบินและลงจอดที่เหมาะสม และวางแผนเส้นทางที่เหมาะสมสำหรับการเก็บข้อมูลภาคสนาม จากนั้นจึงใช้โปรแกรมควบคุมโดรนและซอฟต์แวร์อื่นๆ ในการประมวลผลข้อมูลภายในองค์กร เพื่อสร้างชุดผลิตภัณฑ์การสำรวจระยะไกลของภูมิประเทศภูเขา เพื่อให้ข้อมูลสนับสนุนสำหรับการพัฒนาโครงการต่อๆ ไป

2.2 การบินภาคสนาม

ในการวัดพื้นที่ที่มีความแตกต่างของระดับความสูงมากและสภาพแวดล้อมที่ซับซ้อน เพื่อให้มั่นใจในความเสถียรและความถูกต้องของผลลัพธ์ข้อมูล โดยทั่วไปจำเป็นต้องรักษาระดับความสูงสัมพัทธ์ของอากาศยานและพื้นดินให้คงที่ นั่นคือ การวางแผนเส้นทางการบินที่มีระดับความสูงสูงขึ้น โมดูล "เส้นทางอัจฉริยะ" ของ UAV Manager ช่วยออกแบบเส้นทางการบินที่เปลี่ยนระดับความสูงโดยอัตโนมัติ เพื่อตอบสนองความต้องการในการบินในพื้นที่การวัดที่ซับซ้อนซึ่งมีความแตกต่างของระดับความสูงมาก คุณเพียงแค่ต้องนำเข้าช่วงพื้นที่การวัด ป้อนระดับความสูงและความเร็วที่ต้องการ และเลือกเส้นทางที่เปลี่ยนระดับความสูง พารามิเตอร์ที่เหลือจะถูกคำนวณโดยอัตโนมัติโดยระบบควบคุมโดรนตามพารามิเตอร์ที่ป้อน หลังจากคำนวณเสร็จสิ้น ระบบควบคุมโดรนจะออกแบบเส้นทางโดยอัตโนมัติโดยอิงจากความสูงของพื้นดินและพารามิเตอร์ที่เกี่ยวข้อง เพื่อให้แน่ใจว่าระดับความสูงของอากาศยานเทียบกับพื้นดินยังคงที่

ระดับความสูงในการออกแบบของโครงการนี้คือ 270 เมตร และความเร็วในการบินที่ออกแบบไว้คือ 8 เมตร/วินาที ระยะทางบินทั้งหมดที่คำนวณโดยผู้ควบคุมโดรนอยู่ที่ประมาณ 6 กิโลเมตร และเวลาบินโดยประมาณคือ 16 นาที พารามิเตอร์อื่นๆ และการออกแบบเส้นทางมีดังต่อไปนี้

พารามิเตอร์การบินและการออกแบบเส้นทางของบัตเลอร์

หลังจากวางแผนเส้นทางเสร็จสิ้นแล้ว จะทำการประกอบ D20 และ DV-LiDAR10 และวางไว้ที่จุดขึ้นบินและลงจอด โดยใช้โมดูล "การบินอัจฉริยะ" ของระบบจัดการโดรน โดรนจะถูกควบคุมให้ขึ้นบินโดยอัตโนมัติและเก็บข้อมูลตามเส้นทางที่กำหนด หลังจากเสร็จสิ้นภารกิจการบินที่คาดไว้ โดรนจะกลับไปยังจุดขึ้นบินและลงจอดโดยอัตโนมัติโดยไม่ต้องมีการแทรกแซงจากมนุษย์

2.3 การประมวลผลข้อมูลเบื้องต้นภายในองค์กร

(1) วิธีแก้ปัญหาวิถีการเคลื่อนที่

คัดลอกข้อมูลจุดเมฆ ข้อมูล IMU ข้อมูล POS และข้อมูลอื่นๆ ที่จำเป็นซึ่งได้จากภาคสนามไปยังคอมพิวเตอร์ และตรวจสอบความถูกต้องของข้อมูล ขั้นตอนแรกในการประมวลผลภายในองค์กรคือการคำนวณวิถีการเคลื่อนที่ และความแม่นยำในการคำนวณนั้นเกี่ยวข้องโดยตรงกับความแม่นยำของผลลัพธ์สุดท้าย

ขั้นแรก ข้อมูลตำแหน่งทางอากาศ (POS) จะถูกจัดรูปแบบโดยใช้โมดูล "แผนที่อัจฉริยะ" ของ UAV Manager จากนั้นข้อมูล POS ที่แปลงแล้วจะถูกนำไปใช้ในการดาวน์โหลดไฟล์สถานีฐาน ข้อมูล POS ที่แปลงรูปแบบแล้ว ไฟล์สถานีฐาน และข้อมูล IMU จะถูกนำเข้าสู่ซอฟต์แวร์คำนวณวิถีการบิน ป้อนพารามิเตอร์ความเยื้องศูนย์และรุ่น IMU ที่สอดคล้องกับ DV-LiDAR10 ใช้ระเบียบวิธีเชื่อมโยงแบบแน่นหนา (tight coupling) ในการคำนวณวิถีการบิน และสุดท้ายส่งออกผลลัพธ์วิถีการบินและจุดถ่ายภาพ POS ที่ตรงตามข้อกำหนดด้านความแม่นยำ

(2) การคำนวณจุดคลาวด์

ป้อนข้อมูลวิถีการเคลื่อนที่ที่คำนวณได้และข้อมูลจุดคลาวด์ลงในโมดูล "Smart Laser" ของ UAV Butler และป้อนข้อมูลที่จำเป็น เช่น เส้นทางการฉายภาพ ระบบพิกัด และจำนวนน้ำหนักบรรทุก ตามที่ระบบแจ้งเตือน UAV Butler จะดาวน์โหลดรายงานการปรับเทียบจุดคลาวด์โดยอัตโนมัติตามจำนวนน้ำหนักบรรทุกและข้อมูลอื่นๆ เพื่อให้แน่ใจว่าการคำนวณจุดคลาวด์มีความแม่นยำ หลังจากยืนยันว่าข้อมูลที่ป้อนถูกต้องแล้ว ให้คลิก Point Cloud Solve และ UAV Butler จะสร้างข้อมูลจุดคลาวด์ที่มีความแม่นยำสูงโดยอัตโนมัติ ดังแสดงในรูปด้านล่าง

ผลลัพธ์ของโซลูชันจุดคลาวด์

เพื่อตรวจสอบว่ามีการแบ่งชั้นในข้อมูลจุดคลาวด์ที่ประมวลผลแล้วหรือไม่ โมดูล "เลเซอร์อัจฉริยะ" ไม่เพียงแต่มีเครื่องมือสร้างโปรไฟล์เท่านั้น แต่ยังมีเครื่องมือตรวจสอบคุณภาพเพื่อตรวจจับการแบ่งชั้นระหว่างแต่ละเส้นทางได้อย่างรวดเร็ว (สีที่เข้มกว่าหมายถึงชั้นที่ลึกกว่าและชัดเจนกว่า) หากมีการแบ่งชั้นที่ชัดเจน สามารถปรับสายพานลมเพื่อลดปรากฏการณ์การแบ่งชั้นและปรับปรุงคุณภาพข้อมูลได้ แผนภูมิการตรวจสอบคุณภาพสำหรับโครงการนี้แสดงอยู่ด้านล่าง

แผนที่ตรวจสอบคุณภาพพื้นที่การวัด

ดังแสดงในรูปข้างต้น ข้อมูลจุดเมฆที่ได้จากโครงการนี้ไม่มีการแบ่งชั้นที่ชัดเจนหลังจากการประมวลผล ซึ่งบ่งชี้ว่าคุณภาพของข้อมูลที่ได้จากเรดาร์นั้นดีและสามารถนำไปใช้ในการประมวลผลและการผลิตในขั้นตอนต่อไปได้

(3) การสำรวจภูมิประเทศภูเขา

ผลการสำรวจภูมิประเทศภูเขาส่วนใหญ่ประกอบด้วยภาพถ่ายทางอากาศแบบออร์โธโฟโตของพื้นที่สำรวจ กลุ่มจุดสี การจำแนกและการสกัดคุณลักษณะ แบบจำลองระดับความสูงดิจิทัลความแม่นยำสูง และเส้นชั้นความสูง เป็นต้น

ภาพถ่ายทางอากาศแบบออร์โธโฟโตสามารถสร้างภาพความละเอียดสูงของวัตถุบนพื้นดินในพื้นที่สำรวจได้ และยังสามารถสร้างแบบจำลองระดับความสูงดิจิทัล (DSM) ของพื้นที่สำรวจได้ ซึ่งจะช่วยให้เจ้าหน้าที่เข้าใจสภาพแวดล้อมของพื้นที่สำรวจได้อย่างรวดเร็วและวางแผนการปฏิบัติงานได้อย่างมีประสิทธิภาพมากขึ้น โดรน DV-LiDAR10 มาพร้อมกับกล้องฟูลเฟรมความละเอียด 42 ล้านพิกเซล ซึ่งสามารถถ่ายภาพสำรวจระยะไกลบนพื้นดินที่มีความละเอียดสูงได้ นำเข้าภาพพื้นที่สำรวจและจุดถ่ายภาพ (POS) ที่ได้จากโดรนไปยังโมดูล "Smart Puzzle" ของ Drone Manager เพื่อสร้างภาพถ่ายทางอากาศแบบออร์โธโฟโตและแบบจำลองระดับความสูงดิจิทัล (DSM) ของพื้นที่สำรวจโดยอัตโนมัติ ผลลัพธ์แสดงในรูปด้านล่าง

ภาพถ่ายออร์โธและ DSM

จุดเมฆสี คือผลลัพธ์ของจุดเมฆที่สร้างขึ้นจากข้อมูลจุดเมฆมาตรฐานและภาพถ่ายทางอากาศแบบออร์โธโฟโต โดยไม่เพียงแต่มีข้อมูลระดับความสูงของจุดเมฆมาตรฐานเท่านั้น แต่ยังรวมถึงข้อมูลสีและพื้นผิวของภาพถ่ายทางอากาศแบบออร์โธโฟโตด้วย รูปแบบการนำเสนอแบบนี้ทำให้มิติของข้อมูลสมบูรณ์ยิ่งขึ้น และช่วยเพิ่มความสามารถในการอ่านและทำความเข้าใจข้อมูลจุดเมฆ เลือกตัวเลือกการระบายสีในโปรแกรมจัดการโดรน "Smart Point Cloud" แล้วป้อนข้อมูลจุดเมฆและข้อมูลภาพถ่ายทางอากาศแบบออร์โธโฟโตที่ต้องการระบายสี จากนั้นภาพสีจะถูกสร้างขึ้นโดยอัตโนมัติ ดังแสดงด้านล่าง

จุดสีแสดงพื้นที่สำรวจ

แบบจำลองระดับความสูงดิจิทัล (DEM) เป็นผลลัพธ์จากการสำรวจระยะไกลที่สร้างขึ้นจากข้อมูลจุดเมฆบนพื้นดิน ซึ่งสามารถสะท้อนข้อมูลระดับความสูงของพื้นดินได้อย่างแม่นยำ เป็นหนึ่งในผลลัพธ์หลักของการสำรวจภูมิประเทศบนภูเขา เนื่องจากพื้นที่ภูเขาของมณฑลยูนนานปกคลุมไปด้วยพืชพรรณหนาแน่นตลอดทั้งปี หากต้องการได้ข้อมูลจุดบนพื้นดินที่แม่นยำจำนวนมาก จำเป็นต้องใช้หัวส่งสัญญาณเรดาร์ที่มีคุณสมบัติ เช่น การทะลุทะลวงสูงและจำนวนคลื่นสะท้อนสูง DV-LiDAR10 ติดตั้งไลดาร์ระยะไกลที่ผลิตในประเทศทั้งหมด หัวส่งสัญญาณนี้ใช้เลเซอร์ 1550 นาโนเมตรเป็นแหล่งกำเนิดแสงตรวจจับ มีคลื่นสะท้อน 7 ครั้ง และมีคุณสมบัติทั้งหมดที่จำเป็นสำหรับการวัดบนภูเขา

ใช้เครื่องมือโปรไฟล์เพื่อสังเกตข้อมูลจุดเมฆของภูเขาที่ได้จากโครงการนี้ ดังแสดงในรูปด้านล่าง

ข้อมูลโปรไฟล์จุดเมฆภูเขา

ดังแสดงในรูปข้างต้น DV-LiDAR10 ไม่เพียงแต่สามารถเก็บข้อมูลจุดของพืชพรรณได้เท่านั้น แต่ยังสามารถเก็บข้อมูลจุดบนพื้นดินได้เป็นจำนวนมาก ซึ่งแสดงให้เห็นว่าอุปกรณ์มีประสิทธิภาพในการทะลุทะลวงที่ดีและเหมาะสมอย่างยิ่งสำหรับการวัดในพื้นที่ภูเขา

เพื่อสร้างแบบจำลองระดับความสูงดิจิทัล (DEM) และเส้นชั้นความสูงที่มีความแม่นยำสูง ขั้นแรกให้นำเข้าข้อมูลจุดคลาวด์มาตรฐานที่ผ่านการประมวลผลแล้วลงในโมดูล "Smart Point Cloud" ของ UAV Butler จากนั้นใช้เครื่องมือสกัดจุดพื้นดินเพื่อสกัดความสูงของวัตถุบนพื้นดิน เกณฑ์ความลาดชันสูงสุด และมุมการวนซ้ำ รอให้ป้อนพารามิเตอร์ จากนั้นเลือกอัลกอริธึมการกรองที่เหมาะสมเพื่อทำการสกัดจุดพื้นดินโดยอัตโนมัติ สุดท้าย ตรวจสอบความถูกต้องของการสกัดจุดพื้นดินด้วยตนเอง ปรับปรุงพื้นที่ที่มีความแม่นยำต่ำ และสร้าง DEM และเส้นชั้นความสูงของพื้นที่สำรวจโดยอิงจากข้อมูลจุดพื้นดินที่ได้รับการปรับปรุงแล้ว เพื่อตรวจสอบความถูกต้องของ DEM โครงการนี้ใช้ RTK และเครื่องมืออื่นๆ ในการรวบรวมจุดควบคุมภาคสนาม ใช้เป็นจุดตรวจสอบ และนำเข้าสู่แบบจำลอง DEM ดังแสดงในรูปด้านล่าง

พื้นที่สำรวจของโครงการนี้เป็นพื้นที่ภูเขาในมณฑลยูนนาน ใช้โดรน D20 ที่ติดตั้ง DV-LiDAR10 ในการสำรวจภูมิประเทศภูเขา จากการเก็บภาพออร์โธโฟโต ข้อมูลจุดสี การจำแนกวัตถุบนพื้นดินในพื้นที่สำรวจ แบบจำลองระดับความสูงดิจิทัล (DEM) ที่มีความแม่นยำสูง และผลลัพธ์ภูมิประเทศภูเขาที่มีความแม่นยำสูงอื่นๆ แสดงให้เห็นว่า DV-LiDAR10 มีคุณสมบัติที่มีความแม่นยำสูง สามารถทะลุทะลวงได้ดี และสามารถเก็บภาพวัตถุบนพื้นดินและข้อมูลจุดสีได้พร้อมกัน รวมถึงประสิทธิภาพสูง ความแม่นยำสูง และความสามารถในการบินในระดับความสูงสูงของแพลตฟอร์มการบิน D20 ซึ่งเหมาะสมกับภูมิประเทศภูเขาที่มีความแตกต่างของระดับความสูงมากและต้องการความแม่นยำสูง สุดท้ายนี้ ได้ใช้จุดควบคุมภาคพื้นดินในการตรวจสอบความถูกต้องแม่นยำของโครงการ และพบว่าผลลัพธ์ของโครงการเป็นไปตามข้อกำหนดของโครงการ