D20'nin DV-LiDAR10 ile Donatılması: Yunnan Dağlık Bölgesinde Karmaşık Dağ Ölçümü Uygulama Örneği

Dağlık arazi ölçümü, havadan lidarın önemli uygulama alanlarından biri olmuştur. Dağlık arazi ölçümünde lidar kullanılırken, yüksek doğruluk, yüksek nokta frekansı, yüksek penetrasyon ve yüksek yankı sayısı gibi özelliklere sahip bir radar yükü seçmek gereklidir. Bu performansa sahip bir yük, lazerin yoğun bitki örtüsünden geçmesini ve giderek daha doğru dağ zemini nokta bulutu verileri elde etmesini sağlayarak, yüksek hassasiyetli ve yüksek kaliteli dağ arazisi sonuçları üretir.

DV-LiDAR10, Foxtech Robot tarafından piyasaya sürülen ilk yerli uzun menzilli lidar yüküdür. Dağlık alanların topografik ölçüm ihtiyaçlarının tamamını karşılayabilir. Farklı hava araştırma gereksinimlerine göre Foxtech Robot V10 dikey kalkış ve iniş yapabilen drone platformuna ve D20 çok rotorlu drone'a monte edilebilir. Makine platformu, geniş ölçekli, büyük yükseklik farkı olan ve yüksek hassasiyet gerektiren dağlık alan topografik ölçüm çalışmalarının ihtiyaçlarını karşılayabilir.

DV-LiDAR10

1.1 Araştırma alanına giriş

Araştırma alanı, Yunnan Eyaleti, Kunming şehrinin kuzey kesiminde yer almaktadır. Foxtech Robot, önemli tünel projeleri için dağlık alan topoğrafik araştırmaları yapmak üzere A sınıfı bir haritalama ve ölçme birimiyle işbirliği yapmıştır. Araştırma alanı yaklaşık 0,24 kilometrekarelik bir alanı kapsamakta olup, toplam yükseklik farkı yaklaşık 300 metredir. Araştırma alanı yoğun bitki örtüsüne ve çeşitli arazi yapısına sahip olup, tipik bir dağlık arazidir.

1.2 Ekipman Tanıtımı

Proje alanı, büyük yükseklik farklarına sahip karmaşık dağlık bir araziye sahip olduğundan ve tünel projesi yüksek yükseklik doğruluğu gerektirdiğinden, ölçüm alanının özellikleri ve doğruluk gereksinimleri göz önünde bulundurularak, veri toplama için DV-LiDAR10 lazer radarı ile donatılmış D20 uçan platformu seçilmiştir. Ölçüm alanı görüntüsü aşağıda gösterilmiştir.

Test alanından gerçek görüntüler

DV-LiDAR10 esas olarak uzun menzilli lidar, yüksek hassasiyetli POS sistemi ve yüksek çözünürlüklü tam çerçeve dijital kameradan oluşmaktadır. Ayrıntılı parametreler aşağıdaki tabloda gösterilmiştir.

DV-LiDAR10, yüksek nokta frekansı, yüksek hassasiyet, yüksek yankı sayısı ve yüksek penetrasyon özelliklerine sahiptir. Yoğun bitki örtüsü alanlarına nüfuz edebilir ve çok sayıda yüksek hassasiyetli dağ zemini nokta bulutu elde edebilir. Aynı zamanda, nokta bulutu verilerini toplarken yüksek çözünürlüklü zemin görüntüleri elde edebilen 42 megapiksel yüksek çözünürlüklü tam çerçeve dijital kamera ile donatılmıştır.

LiDAR10 ile donatılmış D20 uçan platformu yaklaşık 40 dakika boyunca havada kalabilmekte, 6 seviyesinde rüzgar direncine sahip olup, saha veri toplama işlemlerinin yüksek hassasiyet ve verimlilik gereksinimlerini karşılamak için büyük irtifa farkları altında tamamen otomatik irtifa değiştirme uçuşları gerçekleştirebilmektedir.

DV-LiDAR10 ile donatılmış D20

2.1 Çalışma Süreci

Araştırma alanındaki yükseklik farkıyla ve projenin yüksek hassasiyetli veri toplama gereksinimleriyle başa çıkmak için, saha personeli öncelikle araştırma alanını inceledi, uygun kalkış ve iniş noktalarını seçti ve saha veri toplama için makul rotalar planladı; daha sonra, drone operatörleri ve kurum içi veri işleme için diğer yazılımlar kullanılarak, sonraki projelerin geliştirilmesi için veri desteği sağlamak üzere bir dizi dağlık arazi ölçümü uzaktan algılama ürünü üretildi.

2.2 Saha Uçuşu

Yükseklik farklarının büyük olduğu ve karmaşık ortamlara sahip ölçüm alanlarında, veri sonuçlarının doğruluğunun istikrarlı olmasını sağlamak için genellikle uçağın yere göre nispi yüksekliğini sabit tutmak, yani daha yüksek irtifalarda bir uçuş rotası planlamak gerekir. İHA Yöneticisinin "Akıllı Rota" modülü, yükseklik farklarının büyük olduğu karmaşık ölçüm alanlarının uçuş ihtiyaçlarını karşılamak için otomatik irtifa değiştirme rota tasarımı sağlar. Sadece ölçüm alanı aralığını içe aktarmanız, ilgili irtifa ve hızı girmeniz ve irtifa değişkenli rotayı seçmeniz yeterlidir. Geri kalan parametreler, girilen parametrelere göre drone yöneticisi tarafından otomatik olarak hesaplanacaktır. Hesaplama tamamlandıktan sonra, drone yöneticisi, uçağın yere göre yüksekliğinin sabit kalmasını sağlamak için yer yüksekliğine ve ilgili parametrelere göre rota tasarımını otomatik olarak tamamlayacaktır.

Bu projenin tasarım yüksekliği 270 metre, tasarım uçuş hızı ise saniyede 8 metredir. Drone operatörü tarafından toplam uçuş mesafesi yaklaşık 6 kilometre olarak hesaplanmış olup, tahmini uçuş süresi 16 dakikadır. Diğer parametreler ve rota tasarımı aşağıdaki gibidir.

Butler uçuş parametreleri ve rota tasarımı

Rota planlaması tamamlandıktan sonra, D20 ve DV-LiDAR10 monte edilerek kalkış ve iniş noktalarına yerleştirilir. Drone yöneticisinin "akıllı uçuş" modülü aracılığıyla, hava aracı otomatik olarak kalkış yapacak şekilde kontrol edilir ve tasarlanan rota boyunca veri toplanır. Beklenen uçuş görevi tamamlandıktan sonra, drone manuel müdahale olmadan otomatik olarak kalkış ve iniş noktasına geri döner.

2.3 Kurum İçi Ön İşleme

(1) Yörünge çözümü

Orijinal nokta bulutunu, IMU verilerini, POS verilerini ve sahadan elde edilen diğer gerekli verileri bilgisayara kopyalayın ve verilerin bütünlüğünü doğrulayın. Kurum içi işlemenin ilk adımı yörünge hesaplamasıdır ve hesaplama doğruluğu, nihai sonucun doğruluğuyla doğrudan ilişkilidir.

Öncelikle, havadan POS verileri, İHA Yöneticisi'nin "Akıllı Harita" modülü kullanılarak biçimlendirilir ve dönüştürülen POS verileri, baz istasyonu dosyasını indirmek için kullanılır. Biçimlendirilmiş POS verileri, baz istasyonu dosyaları ve IMU verileri, yörünge hesaplama yazılımına aktarılır, DV-LiDAR10'a karşılık gelen eksantriklik parametreleri ve IMU modeli girilir, yörüngeyi çözmek için sıkı bağlantı yöntemi kullanılır ve son olarak doğruluk gereksinimlerini karşılayan yörünge ve kamera çekim noktası POS sonuçları elde edilir.

(2) Nokta bulutu hesaplaması

Hesaplanan yörünge verilerini ve nokta bulutu verilerini UAV Butler'ın "Akıllı Lazer" modülüne girin ve yönlendirmelere göre proje yolu, koordinat sistemi ve yük numarası gibi gerekli bilgileri girin. UAV Butler, yük numarasına ve diğer bilgilere dayanarak nokta bulutu kalibrasyon raporunu otomatik olarak indirecek ve nokta bulutu hesaplamasının doğruluğunu sağlayacaktır. Girilen bilgilerin doğru olduğunu onayladıktan sonra, "Nokta Bulutu Çöz" düğmesine tıklayın ve Butler, aşağıdaki şekilde gösterildiği gibi yüksek hassasiyetli nokta bulutu verilerini otomatik olarak oluşturacaktır.

Nokta bulutu çözümü sonuçları

Çözümlenen nokta bulutu verilerinde tabakalaşma olup olmadığını doğrulamak için, "Akıllı Lazer" modülü yalnızca profil araçları sağlamakla kalmaz, aynı zamanda her bir rota arasındaki tabakalaşmayı hızlı bir şekilde tespit etmek için kalite kontrol araçları da sunar (renk ne kadar koyuysa, katman o kadar derindir, tabakalaşma o kadar belirgindir). Belirgin bir tabakalaşma varsa, tabakalaşma olgusunu zayıflatmak ve veri kalitesini iyileştirmek için hava bandı ayarı kullanılabilir. Bu proje için kalite kontrol şeması aşağıda gösterilmiştir.

Ölçüm alanı kalite kontrol haritası

Yukarıdaki şekilde gösterildiği gibi, bu proje ile elde edilen nokta bulutu verilerinde işleme sonrasında belirgin bir katmanlaşma bulunmamaktadır; bu da radar tarafından elde edilen verilerin kalitesinin iyi olduğunu ve sonraki işleme ve üretim için kullanılabileceğini göstermektedir.

(3) Dağlık arazi araştırması

Dağlık arazi etüt sonuçları esas olarak etüt alanı ortofotoları, renkli nokta bulutları, özellik sınıflandırması ve çıkarılması, yüksek hassasiyetli sayısal yükseklik modeli (DEM) ve konturlar vb. içerir.

Ortofotolar, araştırma alanındaki yer nesnelerinin yüksek çözünürlüklü görüntülerini elde edebilir ve ayrıca araştırma alanının sayısal yükseklik modelini (DSM) de oluşturabilir; bu da personelin araştırma alanının çevresini hızlı bir şekilde anlamasına ve daha etkili operasyon planları oluşturmasına yardımcı olabilir. DV-LiDAR10, yüksek çözünürlüklü yer uzaktan algılama görüntüleri elde edebilen 42 megapiksel tam çerçeve bir kamera ile donatılmıştır. Elde ettiği araştırma alanı görüntülerini ve fotoğraf noktası konumlarını (POS) Drone Manager'ın "Akıllı Bulmaca" modülüne aktararak otomatik olarak araştırma alanı ortofotosu ve DSM'si oluşturulur; sonuçlar aşağıdaki şekilde gösterilmiştir.

Ortofotolar ve DSM

Renkli nokta bulutu, standart nokta bulutu verileri ve ortofoto kullanılarak oluşturulan bir nokta bulutu sonucudur. Sadece standart nokta bulutunun yükseklik bilgilerini içermekle kalmaz, aynı zamanda ortofotonun renk ve doku bilgilerini de içerir. Bu sunum biçimi, veri boyutlarını zenginleştirir ve nokta bulutu verilerinin okunabilirliğini ve algılanabilirliğini artırır. Drone yöneticisindeki "Akıllı Nokta Bulutu" seçeneğinde renklendirme seçeneğini seçin ve renklendirme için gerekli nokta bulutu verilerini ve ortofoto verilerini girin; aşağıda gösterildiği gibi otomatik olarak renkli bir görüntü oluşturulacaktır.

Araştırma alanının renkli nokta bulutu

DEM, yer noktası bulutu verilerinden oluşturulan ve yerin yükseklik bilgilerini doğru bir şekilde yansıtabilen bir uzaktan algılama sonucudur. Dağlık alanların topografik ölçümlerinin ana sonuçlarından biridir. Yunnan'ın dağlık bölgeleri yıl boyunca yoğun bitki örtüsüyle kaplı olduğundan, yüksek miktarda doğru yer noktası verisi elde etmek istiyorsanız, yüksek penetrasyon ve yüksek yankı sayısı gibi özelliklere sahip bir radar yüküne ihtiyacınız vardır. DV-LiDAR10, tamamen yerli üretim uzun menzilli bir lidar ile donatılmıştır. Bu yük, algılama ışık kaynağı olarak 1550nm lazer kullanır, 7 yankıya sahiptir ve dağ ölçümü için gerekli tüm özelliklere sahiptir.

Aşağıdaki şekilde gösterildiği gibi, bu projede elde edilen dağ noktası bulutu verilerini incelemek için profil aracını kullanın.

Dağ noktası bulutu veri profili

Yukarıdaki şekilde gösterildiği gibi, DV-LiDAR10 yalnızca bitki örtüsü nokta verilerini değil, aynı zamanda büyük miktarda zemin nokta verisini de elde edebilmektedir; bu da cihazın iyi bir penetrasyon özelliğine sahip olduğunu ve dağlık arazi ölçümleri için çok uygun olduğunu göstermektedir.

Yüksek hassasiyetli sayısal yükseklik modeli (DEM) ve konturlar oluşturmak için öncelikle işlenmiş standart nokta bulutu verilerini UAV Butler'ın "Akıllı Nokta Bulutu" modülüne aktarın, ardından yer noktası çıkarma aracını kullanarak yer nesnelerinin yüksekliğini, maksimum eğim eşiğini ve yineleme açısını çıkarın. Parametrelerin girilmesini bekleyin ve ardından yer noktalarının otomatik olarak çıkarılmasını sağlamak için uygun bir filtreleme algoritması seçin. Son olarak, yer noktası çıkarma doğruluğunu manuel olarak kontrol edin, düşük doğruluklu alanları optimize edin ve optimize edilmiş yer noktası verilerine dayanarak araştırma alanının DEM ve konturunu oluşturun. DEM doğruluğunu doğrulamak için bu proje, aşağıdaki şekilde gösterildiği gibi, saha kontrol noktalarını toplamak için RTK ve diğer araçları kullanır, bunları kontrol noktaları olarak kullanır ve DEM modeline aktarır.

Bu projenin araştırma alanı, Yunnan'da bulunan dağlık bir bölgedir. Dağlık arazi araştırması, DV-LiDAR10 ile donatılmış D20 kullanılarak gerçekleştirilmiştir. Ortofotoların, renkli nokta bulutlarının, araştırma alanındaki yer nesnelerinin sınıflandırılmasının, yüksek hassasiyetli sayısal yükseklik modelinin (DEM) ve diğer yüksek hassasiyetli dağlık arazi sonuçlarının elde edilmesiyle, DV-LiDAR10'un yüksek hassasiyet, yüksek penetrasyon ve aynı anda yer nesnesi görüntüleri ve nokta bulutu verilerini elde edebilme özelliklerine sahip olduğu, ayrıca D20 uçuş platformunun yüksek verimlilik, yüksek hassasiyet ve yüksek irtifa uçuş yetenekleriyle birleştiğinde, büyük yükseklik farkları ve yüksek hassasiyet gerektiren dağlık topografya için uygun olduğu görülmüştür. Son olarak, proje sonuçlarının yüksek doğruluğa sahip olduğunu ve proje gereksinimlerini karşıladığını doğrulamak için yer kontrol noktaları kullanılmıştır.