应用 | 使用 UgCS 进行无人机 LiDAR 勘测规划
为了获得准确的 LiDAR 扫描结果，飞行员需要遵循一些规则：
l正确校准 IMU（惯性测量单元）
l保持正确的飞行高度和扫描之间的线间距，以确保覆盖范围和点密度
l确保无人机正确转弯和线扫描，以尽量减少 IMU 误差积累和感兴趣区域上方 LiDAR 的过度抖动
在手动飞行模式下，要完美呈现每一个细节都是一项挑战，而使用专为摄影测量调查设计的飞行规划工具则更是如此。SPH Engineering 的 UgCS LiDAR 工具集充分发挥了 LiDAR 的潜力，使遥感成为最有效的方法，并且不会出现人为错误：
lIMU 初始化模式作为无人机命令：
1. 八位数
2. U形
3. DJI L1、L2 的 IMU 校准段
l航线规划的飞行模式：
1. 激光雷达区域
2. 激光雷达走廊
3. 模式校准（任务内）
l预设的无人机转弯：
1. 银行转
2. 循环转弯
lAGL（地面以上）和 AMSL（平均海平面以上）线间距
IMU（惯性测量单元）校准通常每次飞行至少进行两次。扫描开始前和扫描结束后。飞行员可以选择暂停飞行并进行额外的 IMU 校准以重置累积误差。校准可以手动进行，也可以使用 UgCS 中的自动 IMU 校准命令进行。
不同的 LiDAR 制造商推荐不同的校准模式。UgCS 支持最流行的校准模式：
l八位数
lU 形
lDJI L1、L2 校准（来回）
校准模式的主要目标是让无人机在滚动角度方面发挥出最 大能力。这意味着必须以尽可能高的速度执行该动作，才能正确校准 IMU。
要添加图形，飞行员可以点击地图来指定中心和高度，然后指定转弯的宽度、长度、速度、高度和方向角。
输入参数和八字很相似，但生成的轨迹不一样，无人机来回飞几圈后掉头（图1）。
当无人机（M300、M600、M210、M200）连接到 UgCS 时，“命令”中将出现“模式”按钮。要添加图形，飞行员需要指定转弯的宽度、长度、速度、高度和方向角。
DJI 建议在飞行任务期间每 100 秒或每 1000 米（以先到者为准）执行一次来回飞行。此模式默认自动添加到 LiDAR 区域和走廊任务中。可以通过选中/取消选中航段设置中的“IMU 校准”复选框来添加/删除它。
UgCS 中有两种不同的 LiDAR 勘测部分：
lLiDAR 走廊
lLiDAR 区域
LiDAR 区域扫描可用于以下领域：建筑工地、露天矿、发电站、垃圾填埋场、考古和林业。
飞行员必须指定以下信息：
l区域边界为多边形
l飞行高度 AGL 或 AMSL
lLiDAR 传感器 FOV（视场）角度
该区域可分为以下几条轨迹：
l单网格
l双网格
LiDAR 走廊扫描有助于以下应用：道路、电力线和管道。
该走廊可分为以下几条轨迹：
l单程通行——沿走廊中心线
l通过多次扫描覆盖一定的走廊宽度，并具有一定的横向重叠
对于走廊几何来说，用户指定中心线和宽
除了一般的轨迹形状外，飞行员还需要输入以下信息：
FOV 应始终由飞行员手动指定。一般假设无人机始终在低于 LiDAR 范围的高度飞行；即飞行员独立定义 FOV 和高度。这些参数会影响线间距。
对于 AGL 和 AMSL 模式，行距的计算方式不同：
SW（扫描宽度）= 2*H*tan（FOV/2）
线距（边距）= SW *（1-边重叠百分比）
无人机转弯方式对激光雷达数据质量影响很大，最重要的是减少传感器的晃动，尽可能准确地跟踪轨迹。
当角度大于“环转弯角度”度时，转弯应该看起来像正常的倾斜转弯（图 3）。
倾斜转弯的半径应符合“转弯半径”的规定。
对于小于或等于“环形转弯角度”度的角度，转弯可能看起来像环形机动（图 4）。
默认情况下，轨迹和激光雷达覆盖范围被假定位于走廊或区域内。
区域缓冲区适用于所有飞行区域，通过扩展原始形状来提高边界的覆盖范围。
超调延伸前向传球，在主轨迹外转弯。
用于垂直测量的 UgCS 工具有助于自动化无人机拍摄垂直物体，例如：
l建筑立面
l桥梁
l烟囱
l露天矿坑墙壁。
无人机测量的结果是一组以指定的前向和侧向重叠捕获的图像，可以拼接成垂直正射影像并用于：
l墙壁裂缝等缺陷检测
l热检查。
UgCS 的垂直扫描工具易于使用，并且可以在调查现场直接进行任务规划：
l绘制折线：无人机飞向地面的垂直平面投影。确保该平面与所有可能的障碍物保持安全距离（图 1）。
l使用激光（或其他仪器）测量物体与计划飞行表面之间的近似距离。通过“与立面之间的距离”参数将该值输入 UgCS。
l指定无人机轨迹距地面的最小和最 大高度。
l从无人机的预定义有效载荷列表中选择一个摄像头。如果摄像头不在列表中，请按照“如何在 UgCS 中添加新有效载荷”的说明添加新有效载荷
l指定图像所需的前向和侧向重叠。默认值分别为 60% 和 30%，最 高可增至 80%。
l选择图案类型。UgCS 提供两种选项：垂直和水平图案。垂直图案将垂直设置前向通道（图 2）。使用水平图案，前向通道将与地面平行。请查看“实用提示”部分，了解图案建议，具体取决于测量对象类型
图案选择的实用技巧
模式选择背后的逻辑非常简单：如果物体的高度大于宽度，则选择垂直飞行模式。否则，选择水平飞行模式。
遵循这个简单的规则可以最 大限度地减少沿途的转弯次数，从而节省电池寿命。
l指定无人机所需的速度。
就是这样！
UgCS 将计算无人机的飞行轨迹 和适当的相机触发动作。
需要记住的是，在高层建筑附近，GPS 信号质量可能较差，甚至会完全消失。因此，飞行员应始终将遥控器握在手中，并随时准备接管无人机的控制权。
始终让无人机处于视线范围内 (VLOS) 是一种很好的做法。UgCS 允许规划无人机转弯时的垂直扫描。但是，我们不建议超视线飞行 (BVLOS)。相反，建议飞行员与转弯处的无人机一起移动。
如果无人机必须沿水平方向飞行，则垂直勘测路线可以发展为多个较小垂直扫描的组合，每个扫描覆盖单独的一面墙壁。
大多数自动驾驶仪或多旋翼无人机都支持航路点的不同转弯类型。DJI 无人机是最 受欢迎的无人机之一，它有两种转弯类型（图 14）：
l停止转弯：无人机准确飞到定点，并停留在该定点，然后飞到下一个定点。
l自适应倾斜转弯：性能与倾斜转弯模式类似（图14），但实际飞行轨迹会更加准确。
自适应倾斜转弯应谨慎使用，因为无人机可能会错过航点，并且不会启动任何摄像头触发。
为了缩短飞行时间（与停止转弯相比），请使用自适应倾斜转弯。对于摄影测量领域，建议将自适应倾斜转弯与超调相结合（参见超调部分）。
最初，超调设计是为了让固定翼（飞机）无人机有足够的空间进行掉头机动。
可以在摄影测量工具中设置超调，以在每条测量线的两端添加额外的线段。
为直升机无人机添加超调在两种情况下很有用：
l当使用自适应倾斜转弯（或非 DJI 无人机的类似方法）时，增加超调将增加无人机精 确进入测量线并触发摄像机控制动作的机会。UgCS 团队建议将超调设置为大约等于平行测量线之间的距离。
l当“停止和转弯”类型与航路点的相机触发相结合时，存在这样的风险：在拍摄之前，无人机将开始旋转到下一个航路点，从而带回错误方向或模糊的照片（图 16）。为避免这种情况，请设置较短的超调，例如 5 米。不要设置太短的值（<3 米），因为有些无人机可以忽略太近的航路点。
UgCS支持三种摄像机控制操作：
l“设置相机模式”以便在指定点精 确拍摄
l“按时间设置相机”每 N 秒拍摄一次
l“按距离设置相机”每隔 N 米拍摄一张照片
大多数情况下，摄影测量测量相机应垂直向下。请确保为摄影测量段选择了具有 90 度倾斜角的“设置相机”姿态操作（图 17）。
对于具有垂直表面的城市区域，我们建议使用倾斜 45 度的相机对这些区域进行另一次扫描（图 18）。这将能够捕捉墙壁并提高点云的质量。
如上所述，此航路点应设置为 Stop&Turn 类型，否则无人机可能会跳过此操作。要将相机设置为水平位置，请选择最后一个测量路线航路点，单击“设置相机姿态/缩放”，然后在“倾斜”字段中输入“0”。
摄影测量工具具有高级操作执行参数，该参数具有三个可能的值：
l每一點
l开始时
l向前传球
l此参数定义如何以及在何处执行摄影测量工具指定的照相机操作。
对于摄影测量/测量任务最有用的选项是设置前向通行证：无人机只会在测量线上拍摄照片，不会在垂直线上拍摄多余的照片。
复杂勘测区域
有时，摄影测量/勘测任务必须针对不规则区域进行规划。例如，如果两个呈“T”形连接的田地被标记为单个摄影测量区域，则无论测量线方向如何，路线都不会是最 佳的（图 19）。
UgCS 功能可以将任意数量的摄影测量区域组合到一条路线中，避免将该区域分割成单独的路线。每个区域的测量线都可以单独优化（图 20）。
双网格是提高城市地区和高海拔或高植被地区的点云质量的一种非常有效的方法。在摄影测量设置中使用双网格选项（图 21）。
在地面上方以恒定高度飞行会导致过多的航路点。自动驾驶仪可以支持有限数量的航路点，因此飞行员可能希望减少这个数字。降低轨迹细节级别也将导致无人机移动更平稳（比较图 22 和图 23）。摄影测量调查的 AGL 公差参数可用于 AGL 高度模式。AGL 公差指定垂直走廊。只要轨迹在此走廊的上限和下限内，UgCS 就不会生成额外的点。
一般来说，飞行速度越高，飞行时间越短。但高速飞行加上相机曝光量大，会导致图像模糊。大多数情况下，10 m/s 是最 佳选择。
在执行任何任务之前，检查现场的起飞区域非常重要！为了更好地解释设置起飞点的最 佳实践，让我们首先回顾一个不应该这样做的例子。示例任务中的起飞点（图 24）标有飞机图标，无人机飞行员将通过设置自动起飞的自动任务在地面上传路线。
自动起飞模式下，大部分无人机会爬升到 3-10 米左右的低空，然后直直地飞向第 一个航点。其他无人机会从地面直直地飞向第 一个航点。在示例地图（图 24）中，可以注意到起飞点和第 一个航点之间有一些树木。在这个例子中，无人机更有可能无法达到安全高度并撞上树木。
不仅周围环境会影响起飞计划。无人机制造商可能会在无人机固件中更改高度行为：因此，建议在固件更新后检查无人机的自动起飞模式。
请记住，大多数小型无人机使用相对高度进行任务规划。基于第 一个航路点计算高度是实际起飞点应靠近第 一个航路点且位于同一地形水平的第二个原因。
UgCS 团队建议将第 一个航路点尽可能靠近实际起飞点，并指定安全起飞高度（大多数情况下，高于任何树木约 30 米，见图 25）。这是保证任何任务安全起飞的唯 一方法，并避免任何奇怪的无人机行为、不可预测的固件更新等。
增加起飞点，改变了测量网格入口点，从而优化了整个路线（见图25）。
要更改测量网格入口点，请在靠近所需起始角的地方设置一个额外的航路点（图 26）。
如果在摄影测量区域外没有添加着陆点，则在完成测量任务后，无人机将在最后一个航点飞行并悬停。有两种着陆选项：
l手动控制无人机并将其引导至着陆点
l在 UgCS 或遥控器 (RC) 中激活返回主页命令
较大的勘测区域或遥控器出现问题可能会导致与无人机失去无线电联系。在这种情况下，根据无人机及其设置，可能会发生以下情况：
l如果与地面站的无线电连接丢失，无人机将自动返回原位
l无人机将飞到最后一个航点并悬停。如果电池电量充足，则：
l无人机将紧急降落或
l无人机将尝试飞回原点
建议在路线中添加明确的着陆点，以避免依赖不可预测的无人机行为或设置。
如果无人机不支持自动降落或飞手喜欢手动降落，则应在计划降落点上方添加最后一个航点。最后一个航点的高度应高于周围区域的障碍物，以确保安全下降和舒适降落。一般情况下，30 米是最 佳选择。
此步骤过去是强制性的，目的是将测量输出地图与地球上的坐标精 确对齐。现在，由飞行员和客户决定是否部署地面控制点或仅使用 PPK。然而，使用 GCP 仍然是确保地图准确性的唯 一方法。
Agisoft Metashape、Pix4d 和其他数据处理软件可以使用地理标记图像生成精 确的地图，但无论如何都需要地面控制点才能实现真正的精度。
地面控制点应用于测量级输出。要获得“足够好”精度的地图，只需 RTK GPS 和数据处理软件功能即可。
如果任务计划周密，这一步就非常简单了。这里不描述任务执行，因为它可能因所用无人机和设备的类型而异（请参阅设备和 UgCS 手册）。飞行前的重要注意事项：
l大多数国家都有或多或少严格的无人机相关法规，通常可在当地航空管理局的网站上查阅。
l在某些国家/地区，任何类型的航拍照片/视频拍摄都需要获得特殊许可。请查看当地法规（罚款和其他后果可能很严重）。
l即使任务规划看起来完成得很出色，也总是要在到达现场时再三检查，并考虑特定调查区域的具体情况和当地的飞行条件。
图像地理标记对于现代无人机而言是可选的。它可以在飞行过程中自动完成，也可以在无人机着陆后在 UgCS 中完成。
请注意，在大多数情况下，PPK 处理就足够了。使用您最喜欢的工具，例如这个。
然而，只有地面控制点才能保证所需的地图精度。
对于数据处理，请使用市场上的第三方软件或服务。对于现场快速处理，UgCS Mapper 是一个不错的选择，因为它无需互联网连接即可工作。对于飞行保真度处理，请使用 Pix4D Mapper、Agisoft Metashape 或其他支持密集点云生成和 GCP 的专业工具
支持的无人机
最 受欢迎的 DJI 无人机（Phantom 4 / PRO、M300 / 350RTK 等）
美国制造的无人机：Inspired Flight、Freefly、Watts 和其他 PX4/Ardupilot 无人机
好处
同时控制多架无人机，通过协调无人机飞行节省时间和资源
支持 DJI 和其他领先的无人机制造商，在单一平台上无缝集成不同品牌的无人机
实时遥测仪表板，让您一目了然地监控关键无人机数据
无人机监控的 3D 环境，让您可以实时可视化无人机操作
可定制的飞行控制，让您可以随时调整无人机任务
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