无人机与地面LiDAR协同观测评估地灾与建筑损坏

图4.2为空地协同观测设备，包括一台超远距离地面LiDAR扫描仪，型号为Riegl VZ-4000；一架八旋翼低空无人机，型号为BNU D8-1；一架微型四旋翼无人机（见图4.2上方左侧白色无人机）。其中，四旋翼无人机主要用于灾情视频侦察和聚焦观测，不在本书的研究范畴，特此说明。

图4.2　空地协同观测设备

（1）超远距离地面LiDAR扫描仪。

①Riegl VZ-4000扫描仪为超远距离地面LiDAR扫描仪，具有以下主要特征：有效测距>3 km；数据采集率为300 000 pt/s；测量精度为±15 mm；扫描范围为360°（水平）×60°（垂直）；配套内置数码相机型号为NIKON D300（有效像素：1 230万），液晶屏幕尺寸为3英寸（存储卡类型：CF卡）；配套±5°～±90°全景扫描云台。该设备测量距离远、扫描速度快，主要用于大型地质灾害测量，如滑坡监测、露天矿区沉陷形变分析及地震灾场测量等，为灾害应急提供决策支持。

②为验证Riegl VZ-4000扫描仪在实际应用中的测距精度，我们在某露天足球场对其测距精度进行了测试。以地面LiDAR扫描仪为中心，在距离其约150 m范围内均匀布设12个直径为10 cm的反光片，并通过全站仪测量每个点的坐标，作为参考值；利用地面LiDAR扫描仪对每个反光片扫描3次取其均值作为观测值，据此评估任意两点测距的相对误差，结果如图4.3所示。结果表明，在150 m范围内，该扫描仪测距的相对误差小于±0.01%。(www.xing528.com)

图4.3　测距相对误差结果

（2）BNU D8-1八旋翼无人机系统。

BNU D8-1八旋翼无人机系统为山东省临沂市风云航空公司研制的多功能低空八旋翼无人机系统。该系统集成了飞行控制系统、数码相机、无线通信设备、数据传输设备和地面控制系统，具有空中定点悬停和自主航线飞行功能。其中，飞行控制系统以延伸卡尔曼滤波器为核心，集成了Ublox GPS、微型机械陀螺仪、高度计和加速传感器、磁场传感器等多种传感器，从而为制导提供宽频实时姿态。地面控制系统可实时更改航线、航速和航拍角度的设置参数，设置相机触发模式，可设置固定飞行距离或固定时间间隔等。其中，触发记录信息包括触发时间、飞机位置、飞行姿态和速度信息，保存至闪存。BNU D8-1八旋翼无人机最大载重5kg，满载续航时间约为20min，单次飞行作业范围较小。

本书第2章测试了低空影像重建点云的测距相对误差小于±0.50%，低于Riegl VZ-4000扫描仪的测距相对误差（±0.01%）。此外，LiDAR扫描点云的坐标系尺度反映了地物现实的物理意义（尺寸和方向等）。因此，本研究空地数据融合实验以地面LiDAR扫描点云为基准，将低空影像重建点云配准到基准坐标系。