無人機(jī)LiDAR 虛擬仿真教學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)*

王果 楊福芹 潘潔晨 王健

1 河南工程學(xué)院土木工程學(xué)院 鄭州 451191 2 山東科技大學(xué)測繪科學(xué)與工程學(xué)院 山東青島 266590

0 引言

無人機(jī)（UAV, Unmanned Aerial Vehicle）是一種搭載動力裝置和導(dǎo)航模塊，能在一定范圍內(nèi)通過無線電遙控設(shè)備或利用計(jì)算機(jī)預(yù)編程序?qū)崿F(xiàn)自主控制飛行的無人駕駛航空器[1]。近年來，在測繪遙感領(lǐng)域，輕小型無人機(jī)測繪遙感系統(tǒng)受到國內(nèi)外相關(guān)領(lǐng)域的極大重視并得以快速發(fā)展[2]。激光雷達(dá)測量（LiDAR, Light Detection And Ranging）以其高精度、高時空分辨率及長距離探測等特點(diǎn)已成為一種重要的測繪遙感手段[3]，無人機(jī)LiDAR 測量能夠快速獲取局部空間的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)，在測繪、應(yīng)急救援、防災(zāi)減災(zāi)、農(nóng)林、國土資源、海洋等多個行業(yè)廣泛應(yīng)用[4]。2015 年，國土資源部發(fā)布的《全國基礎(chǔ)測繪中長期規(guī)劃綱要（2015—2030 年）》要求重點(diǎn)推進(jìn)激光雷達(dá)等新型傳感器數(shù)據(jù)獲取與應(yīng)用。2018 年，歐盟發(fā)布的《歐洲地理空間產(chǎn)業(yè)展望報(bào)告》在“3S”（GNSS、GIS、RS）的基礎(chǔ)上，也增加了LiDAR 測量，并預(yù)測LiDAR 在4 個分類中將具有增長最快的市場[5]。在國家宏觀政策、科技研發(fā)、重大工程項(xiàng)目、突發(fā)事件應(yīng)急救援和巨大的市場需求牽引下，伴隨著智慧城市、數(shù)字孿生城市、地理國情監(jiān)測、實(shí)景三維中國等測繪地理信息服務(wù)的深入應(yīng)用，無人機(jī)LiDAR 相關(guān)從業(yè)技術(shù)人才需求日益增加。

無人機(jī)LiDAR 測量實(shí)踐教學(xué)是無人機(jī)相關(guān)技術(shù)人才培養(yǎng)的重要課程。目前，在無人機(jī)LiDAR 測量實(shí)踐教學(xué)的過程中，還存在如下問題，影響到相關(guān)人才的培養(yǎng)。

1）實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容多、難度大、危險系數(shù)高。無人機(jī)LiDAR 實(shí)驗(yàn)教學(xué)包括外業(yè)數(shù)據(jù)采集和內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理，涉及GNSS 相關(guān)知識、無人機(jī)飛行知識、傳感器集成解算知識、LiDAR 點(diǎn)云處理知識，涵蓋內(nèi)容多；外業(yè)數(shù)據(jù)采集實(shí)驗(yàn)中，需要GNSS 基準(zhǔn)站、無人機(jī)、激光雷達(dá)等多種設(shè)備的調(diào)試和安裝，難度大；無人機(jī)飛行實(shí)驗(yàn)具有一定的危險性，對操作要求較高，需要具備超視距或視距內(nèi)無人機(jī)駕駛員證書且具有一定的飛行經(jīng)驗(yàn)，對參與實(shí)習(xí)的學(xué)生而言，危險性高，制約了學(xué)生的全過程參與。

2）無人機(jī)LiDAR 設(shè)備價格昂貴。無人機(jī)LiDAR 實(shí)驗(yàn)涉及多種傳感器設(shè)備，價格昂貴，需要較大的經(jīng)費(fèi)和實(shí)驗(yàn)人員投入，尤其是在地方本科院校經(jīng)費(fèi)短缺的背景下，更加制約了實(shí)際教學(xué)的開展。

3）存在飛行管制和操作場地限制問題。無人機(jī)LiDAR 數(shù)據(jù)采集，需要有一定的操作場地。高校所在的城市區(qū)域人員密集、存在飛行管制和場地限制問題，也在一定程度上制約了實(shí)際教學(xué)的開展。

以上問題的存在，導(dǎo)致現(xiàn)實(shí)教學(xué)中學(xué)生很難在真實(shí)場景中進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，難以全過程參與實(shí)際操作。除此之外，在校內(nèi)進(jìn)行無人機(jī)LiDAR 測量實(shí)驗(yàn)，缺乏相關(guān)具體工程載體，即使帶學(xué)生到實(shí)際工程現(xiàn)場，學(xué)生也只是參觀實(shí)習(xí)，實(shí)驗(yàn)效果往往較差。具備實(shí)操能力的無人機(jī)LiDAR 數(shù)據(jù)采集及處理人員稀缺，出現(xiàn)相關(guān)人才和從業(yè)人員供不應(yīng)求現(xiàn)象。

為此，亟須突破傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中安全性低、成本高、場地條件要求苛刻等限制，開發(fā)無人機(jī)LiDAR 虛擬仿真項(xiàng)目，以補(bǔ)充真實(shí)場地實(shí)驗(yàn)與實(shí)踐，使學(xué)生在安全的虛擬環(huán)境中清晰認(rèn)識和掌握基于無人機(jī)LiDAR 技術(shù)的測量過程和步驟，強(qiáng)化和提升運(yùn)用當(dāng)代新技術(shù)開展測繪數(shù)據(jù)獲取與處理的能力。

本文選用Unity3D 和C#進(jìn)行腳本編輯，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)無人機(jī)LiDAR 虛擬仿真教學(xué)系統(tǒng)。通過構(gòu)建虛擬場景，仿真真實(shí)世界，使學(xué)生通過視覺、聽覺等感官感知并與虛擬世界進(jìn)行交互，達(dá)到沉浸式學(xué)習(xí)的目的[6]，為無人機(jī)LiDAR 教學(xué)提供新思路。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)設(shè)計(jì)的目的是讓學(xué)生在對無人機(jī)及附屬設(shè)備的結(jié)構(gòu)、外觀有直觀認(rèn)識的基礎(chǔ)上，結(jié)合無人機(jī)LiDAR 方面的理論知識，進(jìn)行外業(yè)數(shù)據(jù)采集仿真測量，熟練掌握內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理的操作步驟?；谝陨夏康?，將系統(tǒng)設(shè)計(jì)為基礎(chǔ)知識視頻講解、基礎(chǔ)知識問答、設(shè)備構(gòu)造和功能介紹、無人機(jī)LiDAR 數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理五個部分，如圖1 所示。

圖1 無人機(jī)LiDAR 虛擬仿真系統(tǒng)組成

通過該項(xiàng)目的學(xué)習(xí)，學(xué)生可快速掌握無人機(jī)LiDAR 的基本原理和過程，深入學(xué)習(xí)和掌握無人機(jī)LiDAR 的全過程解決方案，增進(jìn)對內(nèi)、外業(yè)工作的理解，并在實(shí)踐中學(xué)以致用。這能充分調(diào)動學(xué)生參與實(shí)驗(yàn)教學(xué)的積極性和主動性，增強(qiáng)學(xué)生的創(chuàng)新與實(shí)踐能力，讓學(xué)生在對無人機(jī)及附屬設(shè)備的結(jié)構(gòu)、外觀有直觀認(rèn)識的基礎(chǔ)上，結(jié)合無人機(jī)LiDAR 方面的理論知識，在三維虛擬場景中，進(jìn)行外業(yè)數(shù)據(jù)采集仿真測量，熟練掌握內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理的操作步驟，實(shí)現(xiàn)知識、能力和素質(zhì)有機(jī)融合，從而培養(yǎng)其解決復(fù)雜問題的綜合能力和高級思維。系統(tǒng)設(shè)計(jì)應(yīng)準(zhǔn)確反映測繪地理信息行業(yè)需求，聚焦科技和社會前沿，解決教什么的問題，體現(xiàn)“兩性一度”標(biāo)準(zhǔn)。

在高階性上，通過無人機(jī)LiDAR 數(shù)據(jù)采集、LiDAR 點(diǎn)云處理模塊, 設(shè)置航線規(guī)劃、點(diǎn)云濾波、DEM 生成等環(huán)節(jié)，注重學(xué)生知識、能力、素質(zhì)的有機(jī)融合，著力培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜測繪工程問題的綜合能力和高級思維，支撐測繪工程專業(yè)畢業(yè)要求指標(biāo)點(diǎn)5.1：熟悉全站儀、GNSS 接收機(jī)、無人機(jī)等現(xiàn)代測繪儀器，掌握現(xiàn)代測繪地理信息工具、數(shù)學(xué)工具和信息技術(shù)工具的使用原理和方法，并理解其局限性。

在創(chuàng)新性上，結(jié)合測繪行業(yè)近年來應(yīng)用廣泛的無人機(jī)技術(shù)，將測繪界第二次技術(shù)革命的LiDAR 技術(shù)納入人才培養(yǎng)計(jì)劃，設(shè)計(jì)無人機(jī)LiDAR 實(shí)驗(yàn)，力求反映學(xué)科的前沿性和時代性, 滿足新時代對人才培養(yǎng)的需求，支撐測繪工程專業(yè)畢業(yè)要求指標(biāo)點(diǎn)12.2：在現(xiàn)代測繪地理信息技術(shù)快速發(fā)展、工程需求不斷變化以及多學(xué)科交叉融合的背景下，能夠適應(yīng)測繪科學(xué)與技術(shù)快速發(fā)展的形勢，具備對測繪新技術(shù)的理解、歸納、總結(jié)和提出問題能力。

在挑戰(zhàn)度上，安排了開放課題研究環(huán)節(jié)，針對無人機(jī)LiDAR 在林業(yè)、電力等行業(yè)的應(yīng)用，提供相應(yīng)的數(shù)據(jù)，設(shè)置具有挑戰(zhàn)度的實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)和問題，需要學(xué)生查閱資料、“跳一跳”才能夠得著，支撐測繪工程專業(yè)畢業(yè)要求指標(biāo)點(diǎn)12.1：能在國家社會發(fā)展的大背景下，認(rèn)識到自主學(xué)習(xí)和終身學(xué)習(xí)的必要性，具有自主學(xué)習(xí)和終身學(xué)習(xí)的意識。

1.1 基礎(chǔ)知識視頻講解部分

基礎(chǔ)知識視頻講解部分采用圖文結(jié)合和操作演示等方式，包含基礎(chǔ)知識理論部分的回顧和實(shí)踐操作的前導(dǎo)性學(xué)習(xí)，主要介紹無人機(jī)LiDAR 的基本原理、外業(yè)操作步驟及操作演示和注意事項(xiàng)。

教學(xué)系統(tǒng)主要基于無人機(jī)LiDAR 技術(shù)開展三維數(shù)據(jù)采集和處理，包含儀器設(shè)備構(gòu)造及功能介紹、無人機(jī)LiDAR 數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)處理三大方面，根據(jù)實(shí)際外業(yè)和內(nèi)業(yè)處理的流程進(jìn)行虛擬仿真，通過“儀器認(rèn)知”與“無人機(jī)LiDAR 外業(yè)數(shù)據(jù)采集”的互動操作，使學(xué)生完成對整個無人機(jī)LiDAR 數(shù)據(jù)采集及處理流程的認(rèn)知；根據(jù)虛擬場景和無人機(jī)的飛行參數(shù)，動態(tài)生成虛擬場景的點(diǎn)云，使學(xué)生完整掌握無人機(jī)LiDAR 作業(yè)的內(nèi)外業(yè)流程，真實(shí)再現(xiàn)無人機(jī)LiDAR 項(xiàng)目的全過程。

1.2 基礎(chǔ)知識問答部分

基礎(chǔ)知識問答包括所用儀器設(shè)備的知識和儀器借取，完成基礎(chǔ)知識視頻講解部分后，會觸發(fā)問答系統(tǒng)進(jìn)入設(shè)備相關(guān)問題，在學(xué)生正確完成知識問答之后，系統(tǒng)會將相關(guān)儀器裝入背包，如果回答錯誤，會給出錯誤提示。

1.3 設(shè)備構(gòu)造和功能介紹部分

設(shè)備構(gòu)造和功能介紹部分，用戶可以選取需要查看的儀器設(shè)備，通過鼠標(biāo)交互進(jìn)行旋轉(zhuǎn)和縮放，進(jìn)行儀器模型控制，完成不同角度儀器設(shè)備模型的查看及瀏覽。當(dāng)鼠標(biāo)懸停在儀器設(shè)備模型特定位置，會出現(xiàn)相關(guān)的說明，以便學(xué)習(xí)過程中快速熟悉設(shè)備的構(gòu)造和功能。

1.4 無人機(jī)LiDAR 數(shù)據(jù)采集部分

無人機(jī)LiDAR數(shù)據(jù)采集部分，包含GNSS（Global Navigation Satellite System）基準(zhǔn)站及無人機(jī)激光雷達(dá)設(shè)備的組裝、飛行航線規(guī)劃、相關(guān)參數(shù)設(shè)置、模擬飛行等操作步驟，實(shí)現(xiàn)野外作業(yè)場景的全程虛擬化。從實(shí)驗(yàn)區(qū)選取、無人機(jī)組裝、PPK 基準(zhǔn)站架設(shè)、航線設(shè)計(jì)、參數(shù)設(shè)置、起飛前安檢、異常處置，到點(diǎn)云數(shù)據(jù)生成等環(huán)節(jié)，均以虛擬的方式呈現(xiàn)。引導(dǎo)學(xué)生在三維虛擬場景中，完成并掌握無人機(jī)LiDAR 外業(yè)采集的全過程。

1.5 數(shù)據(jù)處理部分

數(shù)據(jù)處理部分在視頻演示的基礎(chǔ)上，對真實(shí)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，包括數(shù)據(jù)預(yù)處理和后處理兩部分。涵蓋利用POS（Position & Orientation System）數(shù)據(jù)航跡解算、點(diǎn)云解算、點(diǎn)云加載及渲染、點(diǎn)云濾波、點(diǎn)云分類、DEM（Digital Elevation Model）生成等操作步驟，實(shí)現(xiàn)內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理的流程化。在本虛擬仿真平臺中，POS 解算、點(diǎn)云解算、去噪分類、DEM 生成、線畫圖生成、多種地形產(chǎn)品成果的輸出等，均實(shí)現(xiàn)了流程化作業(yè)。內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理的每個項(xiàng)目均實(shí)現(xiàn)了多種算法或多個參數(shù)集，通過算法的選擇或不同的參數(shù)集設(shè)置，可取得不同的仿真效果，以便學(xué)習(xí)過程中掌握利用外業(yè)各模塊觀測數(shù)據(jù)，進(jìn)行點(diǎn)云數(shù)據(jù)生成及處理的基本方法。

2 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵技術(shù)

系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵技術(shù)包括主界面UI 設(shè)計(jì)、三維模型構(gòu)建、素材選擇與導(dǎo)入、虛擬場景制作、場景視角切換等。

2.1 主界面UI 設(shè)計(jì)

UI 的背景圖片選擇了Unity 推出的經(jīng)典UI 素材Unity Samples：UI。

2.2 三維模型構(gòu)建

本文選擇德國MAXON Computer 公司開發(fā)的Cinema 4D 軟件進(jìn)行三維模型構(gòu)建。以中海達(dá)GNSS V9 接收機(jī)及大疆經(jīng)緯M300 RTK 無人機(jī)和禪思L1 Livox 激光雷達(dá)模塊為原型，建立的儀器設(shè)備模型包括基準(zhǔn)站GNSS 接收機(jī)、三腳架、螺旋槳、無人機(jī)機(jī)身、無人機(jī)機(jī)臂、機(jī)載GNSS 接收機(jī)、三軸云臺、激光雷達(dá)等，模型建立完畢后，導(dǎo)出為FBX 格式，供后續(xù)使用。

2.3 素材選擇與導(dǎo)入

使用的素材包括圖片、講解視頻、設(shè)備三維模型，通過Unity3D 中的Import New Asset 選項(xiàng)將所需要的素材導(dǎo)入。

2.4 虛擬場景制作

利用Unity3D 中的GameObject 菜單創(chuàng)建空白的場景，將導(dǎo)入的模型素材拖入場景中，對真實(shí)的外業(yè)場景進(jìn)行模擬。

2.5 交互式步驟設(shè)計(jì)

結(jié)合實(shí)際項(xiàng)目和無人機(jī)LiDAR 方面的理論知識，進(jìn)行外業(yè)數(shù)據(jù)采集仿真測量，共設(shè)計(jì)12 個交互步驟。

第1 步，選擇測區(qū)合適位置并架設(shè)PPK 基準(zhǔn)站。架設(shè)于測區(qū)附近已知控制點(diǎn)，安置三腳架并安置基座，進(jìn)行儀器對中和整平，將接收機(jī)安置在基座上。

第2 步，接收機(jī)開機(jī)并設(shè)置模式。通過電源鍵將GNSS 接收機(jī)開機(jī)。開機(jī)后，其工作模式可分為以下三種：靜態(tài)、基準(zhǔn)站、流動站。在地面基站設(shè)置時，選擇靜態(tài)模式，采樣頻率1 HZ，以便獲取數(shù)據(jù)，后續(xù)開展后處理差分解算。

第3 步，量取天線高。通過三次丈量，取平均值確定GNSS 天線高。

第4 步，無人機(jī)部件認(rèn)識與組裝。進(jìn)入無人機(jī)組裝界面后，可以對無人機(jī)進(jìn)行組裝，逐個點(diǎn)擊零件進(jìn)行組裝，右鍵點(diǎn)擊安裝部分即可撤銷。完成無人機(jī)電池和槳葉的安裝，檢查槳葉，出現(xiàn)“緊固完成”進(jìn)行下一步操作。須注意正反槳安裝，如安裝錯誤，起飛后會直接墜機(jī)。

第5 步，設(shè)備安裝與初始化。安裝激光雷達(dá)、相機(jī)，并連接線纜，連接激光雷達(dá)設(shè)備，設(shè)置激光雷達(dá)參數(shù)，包括掃描起始角度、掃描挺直角度、掃描頻率、掃描速度、有效掃描角度等參數(shù)，靜止2～5分鐘采集足夠的靜態(tài)歷元。

第6 步，遙控器開機(jī)并與無人機(jī)連接。設(shè)備連接，點(diǎn)擊遙控，連接設(shè)備，出現(xiàn)“設(shè)備已連接”，完成操作。

第7 步，選擇測區(qū)范圍。鼠標(biāo)左鍵點(diǎn)擊航測區(qū)范圍，在鼠標(biāo)按下的狀態(tài)拉取范圍。

第8 步，飛行航線規(guī)劃。根據(jù)選定的測區(qū)范圍，系統(tǒng)自動進(jìn)行計(jì)算，規(guī)劃最佳航線。在飛行計(jì)劃界面，左鍵點(diǎn)擊地圖可以規(guī)劃航線，紅點(diǎn)可以拖動任意改變大小。

第9 步，航線上傳無人機(jī)飛控。通過遙控，將規(guī)劃地航線上傳至無人機(jī)飛控系統(tǒng)，供無人機(jī)后續(xù)自動按照航線飛行。

第10 步，遙控器控制開始采集。通過地面站設(shè)置的參數(shù)及規(guī)劃航線自動作業(yè)，通過碰撞監(jiān)測自動獲得虛擬場景下的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，同時自動獲取影像數(shù)據(jù)。

第11 步，數(shù)據(jù)下載與傳輸。飛行完成后，通過軟件關(guān)閉激光、拍照等開關(guān)，將基準(zhǔn)站數(shù)據(jù)、激光雷達(dá)數(shù)據(jù)、POS 數(shù)據(jù)導(dǎo)出，供進(jìn)一步解算使用。

第12 步，設(shè)備回收裝箱。靜止2 ～5 分鐘，檢查回收無人機(jī)及設(shè)備并裝箱。

2.6 無人機(jī)LiDAR 數(shù)據(jù)處理

按照“能實(shí)不虛、虛實(shí)結(jié)合”的原則，在完成數(shù)據(jù)采集模擬的基礎(chǔ)上，提供真實(shí)的無人機(jī)LiDAR數(shù)據(jù)下載，包括實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)預(yù)處理和點(diǎn)云處理兩大部分，采用錄制視頻講解和對照練習(xí)的方式完成數(shù)據(jù)處理和應(yīng)用。

3 結(jié)束語

虛擬仿真技術(shù)突破了無人機(jī)LiDAR 實(shí)踐教學(xué)過程中安全性低、成本高、場地條件要求苛刻等限制，避免了儀器設(shè)備的損耗，降低了外業(yè)數(shù)據(jù)采集的安全風(fēng)險和隱患，解決了飛行管制和操作場地限制問題，壓縮了基礎(chǔ)技能訓(xùn)練時間，在安全的虛擬環(huán)境中，讓學(xué)生體驗(yàn)從基礎(chǔ)知識學(xué)習(xí)、設(shè)備認(rèn)知、無人機(jī)飛行、LiDAR 數(shù)據(jù)獲取、數(shù)據(jù)處理直至三維數(shù)據(jù)應(yīng)用的全過程。通過虛擬仿真項(xiàng)目的學(xué)習(xí)，學(xué)生可快速掌握無人機(jī)LiDAR 的基本原理和過程，深入學(xué)習(xí)和掌握無人機(jī)LiDAR 的全過程解決方案，增進(jìn)對內(nèi)、外業(yè)工作的理解，并在實(shí)踐中學(xué)以致用。這充分調(diào)動了學(xué)生參與實(shí)驗(yàn)教學(xué)的積極性和主動性，增強(qiáng)了學(xué)生的創(chuàng)新與實(shí)踐能力。