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        歐美大地儀器設備中國有限公司

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        行業資訊2017-05-05

        皇家墨爾本理工大學-MicroStrain 3DM-GX3-35用于無人機 - 激光雷達系統的研制及其在森林資源清查

        摘要:我們介紹了低成本無人機 - 光探測和測距(UAV-LiDAR)系統的開發以及生 成 3D 點云的相應工作流程。無人機系統提供高度時間和空間分辨率數據集的無與倫 比的組合。TerraLuma UAV-LiDAR 系統的開發旨在利用這些特性,并在此過程中克 服了林業在林業中使用該技術的一些局限性。提出了一種改進的處理工作流程,包 括融合來自 GPS 接收器,慣性測量單元(IMU)和高清(HD)攝像機的觀測的新型軌 跡確定算法。使用對最終點云的空間精度的嚴格評估來證明該工作流程的優點。結 果表明,由于包含視頻,最終點云的水平精度從 0.61 米提高到 0.34 米(根據地面 控制評估的 RMS 誤差)。通過對單個孤立樹進行重復測量,還評估了由 UAV-LiDAR 系統產生的非常高密度點云(高達 62 點/ m2)對樹位置,高度和樹冠寬度的測量的 影響。當使用密度為每米 8 點 2 的數據時,樹高的標準偏差從 0.26 米減小到使用較 高密度數據時的 0.15 米。還顯示了樹位置測量不確定性的改進,0.80 米至 0.53 米, 冠寬,0.69 米至 0.61 米。


        OktoKopter 有一個獨立的控制系統,包括一個車載導航和自動駕駛系統。這允許遵循預定 義的飛行路徑,確保最大限度地使用飛行時間并且可以容易地執行重復測量。此外,在森林環 境中使用 VTOL 無人機是非常重要的,因為通常不存在用作跑道的清理區域。該平臺的主要限 制是小的有效載荷能力和隨后減少的飛行時間。電動 OktoKopter 的飛行時間僅為 3-5 分鐘。 傳感器有效載荷通過定制設計的剛性傳感器框架安裝在 UAV 上,該框架具有固定的杠桿臂偏 移和所有傳感器之間的視軸角度。該框架還允許 遙感.2012,4 6 足夠的天空視野,可以準確操作 GPS 天線和支持 GPS 的攝像機。無人機上的主要傳感器是 Ibeo LUX 激光掃描儀。該掃描儀專為汽車用途而設計,最大范圍為 200 米,可掃描 4 個平行層,橫向 光束發散度為 0.8?,可完全覆蓋傳感器的視野。傳感器設定為掃描頻率為 12.5Hz,角分辨率為 0.25?。選擇這些設置主要是由于數據記錄計算機的限制。Ibeo LUX 的最大掃描范圍是 110?,雖 然這被限制在±30?,因為大掃描角度已被證明對用于森林調查的關鍵指標的推導有顯著影響 [30].LUX 記錄每脈沖最多三個回波的范圍和強度,范圍重復性為 10 cm,分辨率為 4 cm。雖然 掃描儀的屬性如寬光束發散和低范圍分辨率不能使其成為理想的測繪傳感器,但其低功耗和輕巧 (約 1 千克)允許其使用機載無人機平臺。

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        包含在感測有效載荷內的其余傳感器屬于定位和定向系統(POS)。POS 由 MEMS IMU(微應 變 3DM-GX3 35),雙頻 GPS 接收器(Novatel OEMV1-df)和輕型天線(Novatel ANT-A72GA) 和高清 GPS 攝像機組成。IMU 包含正交的加速度計,陀螺儀和磁力計以及內部 GPS 接收器,允 許所有觀測與 GPS 時間同步。重量僅為 50 g 的 IMU 設定為以 100 Hz 的速率觀察角速率和加速 度。表中總結了陀螺儀和加速度計的關鍵特性 1.然而,IMU 已經過工廠校準,以確認使用[中 列出的方法校準 IMU 的結果。31].以 5Hz 的速率記錄的 GPS 觀測值被差分地后處理,以便實現 盡可能高的精度。最后,高清攝像機每秒記錄 30 幀,視場為 110?。該相機的校準參數已使用 Bouget 中列出的方法確定[32].使用板載小型計算機(Gumstix Verdex pro)執行數據記錄和 時間同步。所有其他處理都是脫機執行的。整個傳感器有效載荷重 2.4 千克,符合 OktoKopter 平臺上的使用要求,最大有效載荷為 2.8 千克。

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        結論和未來的工作 本文概述了低成本無人機 - 車輛檢測和測距(UAV-LiDAR)系統的發展。這包括開發 Sigma Point Kalman 平滑器(SPKS),旨在最佳地組合來自基于微機電系統(MEMS)的慣性測量單元 (IMU),GPS 接收器和使用高清晰度的方向觀測的觀測結果( HD)視頻和運動結構(SfM)算 法,以確定飛機位置和方向的準確估計。該系統通過應用于森林庫存進行評估,以確定合成點 云的空間精度以及單個樹高,位置和樹冠寬度的測量的可重復性。 我們證明了通過包含視頻方向觀測,該系統能夠產生點云,水平 RMS 誤差為 0.34 m,垂直 0.14 m,標稱飛行高度為 50 m。與沒有視頻觀察的相同 SPKS 生成的點云相比,這表示水平分量內的方差 減少了 68%。這種精度與非常高分辨率的點云(密度高達每米 62 點 2)相結合,可以測量樹高,位 置和樹冠寬度,標準偏差小至 0.05 米,高度為 0.44 米用于定位和 0.25 米的樹冠寬度。 未來的研究旨在進行森林調查,以進一步評估無人機在林業中的潛力。這些調查旨在評估無 人機作為一種工具,使森林經營者能夠就修剪和減薄制度做出更明智的決策,監測樹木健康和 落葉,以及提高異速生長森林生長模型的準確性。為了實現這一目標,需要進一步研究以分析 降低的飛行高度和增加的全部效果。


        以上為部分摘錄的譯文,原文請見:https://www.researchgate.net/publication/230563292_Development_of_a_UAV-LiDAR_System_with_Application_to_Forest_Inventory


        版權所有:Luke Wallace , Arko Lucieer, Christopher Watson and Darren Turner

        School of Geography and Environmental Studies, University of Tasmania, Hobart, TAS 7001, Australia


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