孫貴平

青島地質(zhì)工程勘察院，中國·山東 青島 266000

無人機(jī)；激光掃描；測繪系統(tǒng)；設(shè)計(jì)；實(shí)現(xiàn)

1 引言

論文將對無人機(jī)空中激光掃描測繪系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)進(jìn)行具體的分析，并且研討無人機(jī)航拍技術(shù)的優(yōu)勢，該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)能夠使低空貼地掃描飛行得以實(shí)現(xiàn)，并且掃描之后可以快速成圖，該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)使無人機(jī)在單次飛行中，增加起飛的成功率，從而使掃描的效率有所提升，在軟件方面來說，可以利用數(shù)據(jù)融合的算法，在保障掃描效率的基礎(chǔ)上，把傳感器設(shè)備的成本降到最低，論文將對該系統(tǒng)的穩(wěn)定性與功能進(jìn)行測試與分析。

2 無人機(jī)空中激光掃描測繪系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路分析

要想使低空貼地掃描飛行這一目標(biāo)得以實(shí)現(xiàn)，就要對傳統(tǒng)的無人機(jī)空中激光掃描測繪系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化與創(chuàng)新，在這里需要注意的是，還要注意無人機(jī)對氣象條件的要求，在對系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)的過程中，要重視測量數(shù)據(jù)的精準(zhǔn)度，下面論文將對無人機(jī)空中激光掃描測繪系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路進(jìn)行具體分析。首先，應(yīng)體現(xiàn)低成本的理念，目前很多小型無人機(jī)都能實(shí)現(xiàn)超低空飛行掃描，相關(guān)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員可以根據(jù)無人機(jī)這一特征，降低系統(tǒng)對氣象條件以及空域管理的要求，在此基礎(chǔ)上，有效的管理激光傳感器的成本，并且采用科學(xué)的數(shù)據(jù)處理算法，使傳感器所得數(shù)據(jù)的精準(zhǔn)度得到提高。其次，該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)應(yīng)滿足全氣候與空域條件，小型無人機(jī)在超低空中進(jìn)行作業(yè)，該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)能夠降低無人機(jī)對天氣的要求，從而實(shí)現(xiàn)多種情況下的飛行測繪要求。最后，該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)應(yīng)使無人機(jī)工作效率得到提升，并且增加所得數(shù)據(jù)的精準(zhǔn)度，無人機(jī)以10m/s 的速度進(jìn)行飛行測繪，所以在飛行高度達(dá)到50m 期間，每平方米面積內(nèi)應(yīng)有5-6 個(gè)激光反射點(diǎn)，這樣的數(shù)據(jù)才能與地圖構(gòu)建精度要求相符合。例如：某一測量工段的面積為5000×120m2，一般來說，利用無人機(jī)掃描測繪技術(shù)不到10s 就可以得到該區(qū)域的三維數(shù)據(jù)，在該地區(qū)測量期間，誤差主要由激光測距誤差、動(dòng)態(tài)姿態(tài)測量誤差以及機(jī)載DGPS 所構(gòu)成，這樣所測量處理的數(shù)據(jù)，相對來說誤差是比較小的，能夠滿足工程測量的基本要求。

3 無人機(jī)空中激光掃描測繪系統(tǒng)設(shè)計(jì)背景分析

現(xiàn)階段，很多地區(qū)要了解地形的情況，還需要通過傳統(tǒng)的測量方式獲取數(shù)據(jù)，但是這樣的測量形式所獲得的數(shù)據(jù)具有片面性，只能讓人們得到地形的二維數(shù)據(jù)信息，而地形的幾何特性卻無法得到進(jìn)一步的了解，隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展與進(jìn)步，傳統(tǒng)的二維數(shù)據(jù)已經(jīng)無法滿足新時(shí)期社會(huì)的發(fā)展需求，無人機(jī)空中激光掃描測繪系統(tǒng)的設(shè)計(jì)則可以很好的解決這一問題，由此可見，該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)對于社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展具有重要意義，該系統(tǒng)在鐵路、高速公路、隧道工程以及水利水電工程中均有促進(jìn)意義，近年來，無人機(jī)技術(shù)在生活中也逐漸得以普及，通過無人機(jī)掃描測繪技術(shù)，可以獲得更多的三維空間信息，而激光掃描技術(shù)則具有精準(zhǔn)度高、工作效率高以及非接觸的特點(diǎn)，現(xiàn)階段的無人機(jī)激光掃描技術(shù)已經(jīng)得到了大家的廣泛認(rèn)可。三維激光掃描技術(shù)是一種全新的數(shù)據(jù)獲取手段，它獲取數(shù)據(jù)信息的方式主要依靠與點(diǎn)云的形式，并且把這些數(shù)據(jù)信息錄入到電腦中，進(jìn)行后期的處理工作，無人機(jī)空中激光掃描測繪系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)能夠大大降低收集數(shù)據(jù)信息的成本，由此可見，該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)對日常生活的各個(gè)領(lǐng)域都具有重要意義。

4 無人機(jī)空中激光掃描測繪系統(tǒng)硬件的設(shè)計(jì)原理

機(jī)載系統(tǒng)與地面站系統(tǒng)是無人機(jī)空中激光掃描測繪系統(tǒng)的重要組成部分，機(jī)載系統(tǒng)主要由導(dǎo)航控制系統(tǒng)、數(shù)據(jù)傳感采集系統(tǒng)以及機(jī)載供電系統(tǒng)等組合而成，而地面站系統(tǒng)則是以無線收發(fā)模塊與便攜式計(jì)算機(jī)為主要構(gòu)成元素，地面站系統(tǒng)還對點(diǎn)云處理與成圖系統(tǒng)的順利進(jìn)行具有促進(jìn)作用，二者與地面站的結(jié)合可以實(shí)現(xiàn)更好的點(diǎn)云處理與成圖，下面論文將對系統(tǒng)硬件的具體構(gòu)成進(jìn)行分析。機(jī)載系統(tǒng)的主要功能就是數(shù)據(jù)采集以及對傳感器數(shù)據(jù)的同步處理，并且機(jī)載系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)對無人機(jī)導(dǎo)航的控制，從而與地面站系統(tǒng)的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行交涉，把高精度差分算法與激光測距技術(shù)相結(jié)合，可以獲取更加準(zhǔn)確的傳感器數(shù)據(jù)信息，并且相關(guān)人員可以利用無線收發(fā)模塊，把數(shù)據(jù)信息傳輸?shù)降孛嬲鞠到y(tǒng)當(dāng)中。

5 無人機(jī)空中激光掃描測繪系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)原理

該系統(tǒng)的軟件主要具有以下幾種功能：首先，軟件可以實(shí)現(xiàn)在線或者離線管理，提高掃描所獲數(shù)據(jù)的運(yùn)算精準(zhǔn)度。其次，系統(tǒng)軟件擁有三維成圖的高效運(yùn)算方法。最后，系統(tǒng)軟件還能夠?qū)σ恍┢渌麛?shù)據(jù)進(jìn)行處理，并且實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)格式的轉(zhuǎn)換。

5.1 三維成圖顯示模塊與數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)接收模塊

要想使三維繪制引擎得以實(shí)現(xiàn)，就要合理運(yùn)用OpenGL庫，并且能夠利用OpenGL 頂點(diǎn)數(shù)組與頂點(diǎn)數(shù)組的緩沖區(qū)來實(shí)現(xiàn)繪制效率的提升，OpenGL 三維建模的流程是比較復(fù)雜的，在操作的過程中，相關(guān)工作人員應(yīng)注重細(xì)節(jié)的處理。而負(fù)責(zé)機(jī)載測量系統(tǒng)與地面監(jiān)控系統(tǒng)的則是數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)接收模塊，就地面監(jiān)控系統(tǒng)而言，系統(tǒng)的設(shè)置與控制命令等主要存在與上行數(shù)據(jù)當(dāng)中，而設(shè)置命令的應(yīng)答以及各傳感器實(shí)時(shí)更新的數(shù)據(jù)都是在下行數(shù)據(jù)中存在的內(nèi)容，可以了解到，無人機(jī)數(shù)據(jù)傳輸?shù)念l率比較高，傳輸量相對也比較大，并且無人機(jī)空中激光掃描測繪系統(tǒng)對于實(shí)時(shí)性具有較高的要求，由此可見，UDP 協(xié)議是最佳的通信方式。

5.2 數(shù)據(jù)濾波模塊與數(shù)據(jù)編輯模塊

采集后點(diǎn)云數(shù)據(jù)的處理主要依靠與數(shù)據(jù)濾波模塊，論文借鑒了虛擬三角網(wǎng)與坡度濾波的LIDAR 點(diǎn)云數(shù)據(jù)濾波方法，將坡度濾波與虛擬三角網(wǎng)科學(xué)結(jié)合在一起，并且對LIDAR 點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，在進(jìn)行點(diǎn)云濾波作業(yè)的過程中，也可以運(yùn)用到虛擬三角網(wǎng)的概念，這樣可以防止點(diǎn)云內(nèi)插或者平滑現(xiàn)象的發(fā)生，從而避免一些不需要的信息損失，使系統(tǒng)設(shè)計(jì)的成本得到有效的控制。無人機(jī)在進(jìn)行掃描測繪的過程中，會(huì)獲得海量的數(shù)據(jù)，而數(shù)據(jù)編輯模塊的主要功能就是對這些數(shù)據(jù)進(jìn)行系統(tǒng)的規(guī)劃與編輯。在這個(gè)環(huán)節(jié)中，需要有高效外存與內(nèi)存的數(shù)據(jù)管理算法作為基本支撐，論文在對系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)的期間，借鑒了kd 樹的實(shí)時(shí)大規(guī)模地形可視算法，這樣可以實(shí)現(xiàn)對數(shù)據(jù)的空間分化，并且采用kd 樹對空間數(shù)據(jù)進(jìn)行剖分，使數(shù)據(jù)信息更加具有精準(zhǔn)性。

5.3 數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換模塊

在對無人機(jī)空中激光掃描測繪系統(tǒng)軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)的過程中，會(huì)出現(xiàn)很多不同的數(shù)據(jù)文件，這些數(shù)據(jù)文件格式間的轉(zhuǎn)換需要由數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換模塊負(fù)責(zé)。經(jīng)過調(diào)查與分析可以了解到，現(xiàn)階段數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換模塊主要的形式有LAS 格式、BLL格式以及TXT 格式之間的相互轉(zhuǎn)換。LSL 格式主要用于廠商與用戶之間的交換，它主要的形式就是激光雷達(dá)數(shù)據(jù)的公共文件格式，而TXT 格式所包含的內(nèi)容是比較少的，它僅僅用于X、Y、Z 三維直角坐標(biāo)之間的轉(zhuǎn)換，也就是說沿襲了最原始的數(shù)據(jù)格式，BLL 格式指的就是波段按行交叉的格式，它能夠?qū)崿F(xiàn)遙感數(shù)字圖像數(shù)據(jù)之間的轉(zhuǎn)換，并且也是主要的格式之一，如果在數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換的過程中，用到了BLL 格式，那么首先就要對第一個(gè)波段第一行的數(shù)據(jù)圖像進(jìn)行存儲(chǔ)，之后是第二波段第一行的數(shù)據(jù)圖像，以此類推，這種交叉存取的格式一直延續(xù)到波段總數(shù)為止，自由格式轉(zhuǎn)換庫是該模塊的原動(dòng)力，并且自由格式轉(zhuǎn)換庫也為其轉(zhuǎn)換格式的擴(kuò)展提供了良好的接頭[1]。

6 無人機(jī)空中激光掃描測繪系統(tǒng)的設(shè)計(jì)結(jié)果分析

為了實(shí)現(xiàn)無人機(jī)空中激光掃描測繪系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，筆者設(shè)置了一次虛擬的實(shí)踐。例如：在某處的一塊空地上進(jìn)行無人機(jī)空中激光掃描測繪系統(tǒng)的飛行試驗(yàn)，把飛行的高度設(shè)置為12m，飛行速度控制在5～9m/s，在無人機(jī)進(jìn)行運(yùn)作的過程中，地面站會(huì)接收到實(shí)時(shí)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，并且系統(tǒng)軟件會(huì)根據(jù)數(shù)據(jù)對飛行掃描電進(jìn)行云圖的繪制，在系統(tǒng)對點(diǎn)云進(jìn)行三角化處理后，將會(huì)得到一個(gè)陰影圖。上文中提到了濾波算法，那么接下來將采用濾波算對數(shù)據(jù)信息進(jìn)行處理，從而生成效果圖，在該實(shí)踐中，可以了解到實(shí)踐中的最高誤差達(dá)到27.4cm，而統(tǒng)計(jì)高程中的誤差則為15.9cm。在進(jìn)行實(shí)踐之后還需要對數(shù)據(jù)進(jìn)行具體的分析，之后可以了解到出現(xiàn)誤差的原因主要有兩方面的原因：首先是真實(shí)值與原始姿態(tài)角之間存在一定的誤差，其次是不同的感應(yīng)器在時(shí)間同步過程中存在誤差[2-4]。

7 結(jié)語

綜上所述，論文對無人機(jī)空中激光掃描測繪系統(tǒng)的優(yōu)勢進(jìn)行了分析，并且如果該系統(tǒng)得以設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，不僅可以實(shí)現(xiàn)超低空飛行掃描，還能夠降低氣象因素與空域管理對無人機(jī)掃描數(shù)據(jù)的影響，除此之外，在進(jìn)行無人機(jī)空中激光掃描測繪系統(tǒng)設(shè)計(jì)的過程中，還應(yīng)注意成本的問題，該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)可以使無人機(jī)掃描數(shù)據(jù)的精準(zhǔn)度得到提升。