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設(shè)備與工具
用戶在尋找適用的測量和測繪系統(tǒng)時，需要在過往100多年間涌現(xiàn)的技術(shù)當(dāng)中進(jìn)行選擇。這些系統(tǒng)采用了當(dāng)年改變世界的發(fā)明，有些發(fā)明甚至影響著人類對外太空的探索；而且這些系統(tǒng)都能在保證安全性的提前下實(shí)現(xiàn)精確、高效的測量，并節(jié)約成本。第一種永久攝影術(shù)在1822 年問世，并在后來的若干年間不斷發(fā)展 。1840年，一位法國測量師提出使用照片制作地形圖的想法。1867年，人們將此項(xiàng)技術(shù)命名為“攝影測量”（photogrammetry)。到了今天，在航空應(yīng)用中，攝影測量可拍攝大量2D圖像并將其“拼接”在一起，然后對照已知比例測量距離，制作出3D彩色成果。攝影測量被廣泛運(yùn)用于測量和測繪，以及從氣象到電影制作等眾多領(lǐng)域。但它的處理非常費(fèi)時，而且無法穿透植物樹冠。1961年，在第一張照片誕生超過一個世紀(jì)以后，Hughes Aircraft 將激光引入商用；很快，首個 LiDAR （激光雷達(dá)）系統(tǒng)開始用于輔助對衛(wèi)星的追蹤。該技術(shù)后來被用來幫助衛(wèi)星在月球背面著陸，并作為精確測量工具被廣泛運(yùn)用。LiDAR的全稱是Light Detection and Ranging（光探測和測距）。它采用主動式快速脈沖激光，通過計(jì)算光到達(dá)表面并反射回傳感器的時間來記錄二者之間的距離。如果和GPS（全球定位系統(tǒng)）接收器搭配使用，機(jī)載激光掃描器可以創(chuàng)建準(zhǔn)確的3D點(diǎn)云，顯示陸地（地形測量）或水底表面（深度測量）及高程。LiDAR的使用正在迅速增長：根據(jù) Global Marketing Insights 的一份報告，2019年，LiDAR在全球測繪市場的價值預(yù)計(jì)超過 9 億美元，2026 年前可能增加到40億美元。配備LiDAR的無人機(jī)無需將人員置于惡劣地形或天氣的風(fēng)險中，仍可以制作高精度地圖。
在飛行高度 10,000 英尺（3,048米）的應(yīng)用中，這兩項(xiàng)技術(shù)的價值大致可以概括為：攝影測量的初始成本相對較低，并能為小面積、相對基礎(chǔ)的數(shù)據(jù)項(xiàng)目提供出色的視覺化圖像和采樣距離；但攝影測量需要更長時間才能生成數(shù)據(jù)。LiDAR準(zhǔn)確度高，數(shù)據(jù)處理速度快，并可穿透植被。不過，LiDAR的初始成本更高，并且需要進(jìn)行點(diǎn)云著色處理。
盡管如此，隨著無人機(jī)的飛行任務(wù)越來越多樣化，采用的技術(shù)也在整體優(yōu)化，這樣的二分法未免過于簡單。
Microdrones 總裁 Vivien Heriard-Dubreuil 從全盤視角對這兩項(xiàng)技術(shù)進(jìn)行了總結(jié)：“我們總是將攝影測量和 LiDAR分開討論，”他說道，“但大多數(shù) LiDAR 任務(wù)載荷都集成了相機(jī)。所以，在后期進(jìn)行完全著色時，您得到的數(shù)據(jù)成果和攝影測量非常接近。對于我們來說，它是掌握兩項(xiàng)技術(shù)的關(guān)鍵?！?/p>
各有所長
但哪個系統(tǒng)“更好”呢？Microdrones 首席運(yùn)營官 Frank Darmayan 認(rèn)為這個問題不應(yīng)該這么問?！拔也⒉挥X得某項(xiàng)技術(shù)優(yōu)于其他技術(shù)，它們只是各有不同而已?！彼忉尩溃⒅v述了自己在采礦行業(yè)的親身經(jīng)歷。“以采礦業(yè)客戶為例，根據(jù)不同作業(yè)內(nèi)容，他們有前端裝載機(jī)，也有挖掘機(jī)。如果您想要遠(yuǎn)距離搬運(yùn)東西，裝載機(jī)就更好。如果您想要挖個洞，挖掘機(jī)就更為合適。不過，兩者都能完成任務(wù)。這和用于航空測量的無人機(jī)類似。您既可以使用LiDAR也可以選擇攝影測量，但在大多數(shù)情況下，其中一者更適合。如果您想測量礦壁，而且希望詳細(xì)了解裂縫的情況，攝影測量更適合。如果您想要計(jì)算體積，或者弄清楚樹木下方的地形，LiDAR就好得多?！盡icrodrones 銷售副總裁 Vincent Legrand 補(bǔ)充說：“這主要取決于應(yīng)用還有項(xiàng)目或任務(wù)的頻率。這兩項(xiàng)技術(shù)都能提高生產(chǎn)效率。測量師的工作在最近幾年發(fā)生了很大變化。首先是攝影測量的運(yùn)用，這是一種非常易于取得的工具，而且已經(jīng)成為他們的日常工作的一部分。相對于傳統(tǒng)的測量方式例如派遣團(tuán)隊(duì)到現(xiàn)場采集地面點(diǎn)，攝影測量可以為您節(jié)省很多時間。您的效率當(dāng)然就會提高。”
攝影測量可以得到準(zhǔn)確度達(dá)到 1-4 個像素的全彩3D圖像，并通過將幾十萬張圖像拼接在一起生成點(diǎn)云。在傳統(tǒng)上，它被用于需要采集圖像的場合，如監(jiān)測和開闊場地農(nóng)業(yè)，以及在不同時間進(jìn)行比較。“對于礦壁，您肯定想要了解它的細(xì)節(jié)信息”，Darmayan談起攝影測量的優(yōu)點(diǎn)，“如果您想要測量施工現(xiàn)場，并且希望得到每日拍攝的照片，攝影測量是不錯的產(chǎn)品?！睆?fù)雜性相對較低的攝影測量獲得了資金預(yù)算較少的小企業(yè)以及眾多制造商的廣泛關(guān)注。這在無人機(jī)市場形成了非常激烈的價格競爭。“但攝影測量對象的范圍非常寬泛，”Darmayan提醒，“它可以是放在圣誕樹下的禮物，也可以是專業(yè)的系統(tǒng)。Microdrones的市場優(yōu)勢之一就是它強(qiáng)化了攝影測量的功能，例如mdMapper1000DG，具有直接定向功能。當(dāng)采用傳統(tǒng) PPK（動態(tài)后處理）技術(shù)時，您通常不得不設(shè)置大量的 GCP（地面控制點(diǎn)）。而如果使用DG，您無需或者僅需使用非常少的地面控制點(diǎn)。它能提高工作效率和質(zhì)量，進(jìn)而給您帶來競爭優(yōu)勢?！眒dMapper1000DG IMU實(shí)現(xiàn)了帶狀測繪，同時加快了數(shù)據(jù)采集和后處理，尤其在石油和天然氣領(lǐng)域。專業(yè)級mdMapper3000型號配備高質(zhì)量傳感器，可提高遠(yuǎn)距離的準(zhǔn)確度?！叭绻胍獪y量深達(dá) 800 英尺（約244米）的礦井，但您不希望操縱無人機(jī)飛到礦井中去，因?yàn)檫@樣做相當(dāng)危險，只要借助大型傳感器，無人機(jī)即使停留在高空,也依然能夠獲得非常精準(zhǔn)的數(shù)據(jù)。我們就有這樣的采礦業(yè)客戶，他們的礦井很深，位于對飛行高度沒有限制的國家和地區(qū)?！?Darmayan 說道。
頗為有意思的是，Microdrones 團(tuán)隊(duì)們覺得是LiDAR促使攝影測量不斷進(jìn)步。Heriard-Dubreuil 表示：“LiDAR 的主要優(yōu)點(diǎn)是快速得到結(jié)果，而我們?yōu)閿z影測量設(shè)備所采用的方法也旨在快速得到結(jié)果。您可以在市場上發(fā)現(xiàn)很多攝影測量設(shè)備，但準(zhǔn)確的IMU（慣性測量單元）和出色的集成使我們的產(chǎn)品可以比其他競爭對手更加快速獲取成果。這也是 Microdrones 的重要優(yōu)勢之一?！?strong>LiDAR的案例Heriard-Dubreuill 表示，“我覺得人們對LiDAR最大的誤解是它很復(fù)雜。然而，LiDAR復(fù)雜的設(shè)計(jì)有助于其提供卓越的質(zhì)量。原始數(shù)據(jù)的質(zhì)量是LiDAR面對的挑戰(zhàn)之一。如果沒有合適的傳感器或正確的參數(shù)，您將獲得非常糟糕的結(jié)果。種瓜得瓜，種豆得豆。但如果工作流程沒錯，集成也做得很好，就像我們這樣，處理LiDAR數(shù)據(jù)會比攝影測量簡單而且快速得多?！盠iDAR 受到顧客青睞的另一個原因是它能夠從非常接近于攝影測量的情形中提取數(shù)據(jù)?！斑@一點(diǎn)非常重要，”Legrand說道，“當(dāng)對一片被植被覆蓋的區(qū)域進(jìn)行測量或測繪時，您可以使用 LiDAR 測量地面。攝影測量就無法做到這一點(diǎn)?！?strong>測量狹窄的物體也是LiDAR的強(qiáng)項(xiàng)之一。Legrand 引述了一位馬來西亞采礦業(yè)客戶使用攝影測量來測量管道的例子?！皵z影測量可能需要三或四個小時生成的數(shù)據(jù)，LiDAR 在一個小時內(nèi)就能完成。對他們而言，這是不小的收獲。這種對速度的需求在發(fā)生自然災(zāi)害后顯得尤為緊迫，相對于攝影測量而言，LiDAR 只需花費(fèi)很少的時間便可獲得決定性的結(jié)果?！?/p>
Darmayan 還特別指出：“再者，可測量的表面類型也很重要。如果想要測量輸電線或像手機(jī)信號塔這樣的復(fù)雜結(jié)構(gòu)，攝影測量就難以勝任。尤其是筆直的金屬物體，背景和測量對象都是灰色，對于攝影測量來說更是難上加難。若想要觀測水體，LiDAR可以為您提供其表面的數(shù)據(jù)。當(dāng)您僅有的選擇是在夜間測量時，LiDAR 可以為您提供幫助，而攝影測量卻不能。在很多案例中，LiDAR 都是您的最佳選擇?！?/p>
LiDAR 還可以簡化數(shù)據(jù)處理?！叭绻氆@得一個特定準(zhǔn)確度的點(diǎn)云，使用攝影測量獲得的原始數(shù)據(jù)會大100倍左右。所有這些圖片都必須被獲取、移動、處理、安裝、有時還要上傳。這是一筆非常大的成本。而使用LiDAR，您所獲得的產(chǎn)品就是最終產(chǎn)品，您不需要處理比您的最終產(chǎn)品大100倍的原始數(shù)據(jù)。”Microdrones 的專家經(jīng)過不斷研究將GNSS（全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)）、IMU（慣性測量單元）和LiDAR集成到端對端系統(tǒng)當(dāng)中，從而實(shí)現(xiàn)了更高的速度和準(zhǔn)確度?！?strong>這是 Microdrones 的專長。我們在LiDAR數(shù)據(jù)的后處理領(lǐng)域投入了大多數(shù)時間?！崩纾鄬τ跀z影測量的mdMapper1000同類產(chǎn)品，mdLiDAR1000可以生成更密集的點(diǎn)云，而且最多可獲得三次回波，這使其在采礦行業(yè)的帶狀測繪和體積計(jì)算中變得尤其實(shí)用。mdLiDAR3000DL 具有增強(qiáng)的載重能力，并搭載高級Sony相機(jī)、RIEGL miniVUX-1DL傳感器以及大量LiDAR 地理信息。它的精度可以達(dá)到1至4厘米水平，定位為“面向施工、土地開發(fā)、工程、測量以及研究領(lǐng)域嚴(yán)謹(jǐn)測繪學(xué)專業(yè)人士的嚴(yán)密設(shè)備”。與土地測量員和攝影測量單位相比，它能夠在更短時間內(nèi)提供更為準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)，且只需一支較小規(guī)模的團(tuán)隊(duì)。市場對于精密設(shè)備的需求不斷升高，Legrand 提到：“您可以在印度尼西亞、非洲和拉丁美洲銷售LiDAR產(chǎn)品。如果您的目標(biāo)客戶是大型采礦公司、大型施工公司和大型工程公司，他們需要 LiDAR?！盠egrand說起他在新冠肺炎疫情爆發(fā)前前往瑞典出差的經(jīng)歷?！八麄兪褂脭z影測量已有五六年了，但現(xiàn)在覺得這些設(shè)備無法勝任很多工作。他們想要嘗試其他選擇。這個選擇就是 LiDAR?！?/p>
計(jì)算成本使用無人機(jī)方案進(jìn)行測量和監(jiān)測時，LiDAR和攝影測量一樣相對于直升機(jī)都有明顯的成本優(yōu)勢?！霸囅胍幌?，當(dāng)您將 LiDAR 安裝到直升機(jī)上時，一個小時可能需花費(fèi)三到四千歐元，”Legrand說道，“但如果您使用我們的LiDAR系統(tǒng)，它們可以兼容成本低得多的解決方案?！睌z影測量的低購買價格使其非常適合初級和小型公司?！八浅Ｒ子谌〉茫@也是為什么現(xiàn)在有這么多測量公司和工程公司都選擇使用攝影測量。LiDAR的價格要高得多，因此很多人都不想投資LiDAR，因?yàn)樗麄儾淮_定是否有足夠項(xiàng)目賺回成本?！钡S著科技進(jìn)步，包括來自其他行業(yè)的發(fā)展，使該技術(shù)的定價模型變得更靈活?！笆袌錾铣霈F(xiàn)越來越多的LiDAR傳感器，它們與相機(jī)相比更具競爭力?！?Darmayan 也同意這種看法。“相較于傳統(tǒng)的測量方法和成本，使用 mdLiDAR1000 進(jìn)行地形測量現(xiàn)在已日漸實(shí)惠且越來越高效。這是因?yàn)闊o人駕駛汽車行業(yè)和自主駕駛對這些傳感器的需求越來越大。由于這些傳感器都是大批量生產(chǎn)的，因而成本降低，價格越來越實(shí)惠。我們集成這些傳感器，使得預(yù)處理準(zhǔn)確度達(dá)到大約10厘米，然后再通過我們的軟件加以改進(jìn)?！睂τ趽碛薪?jīng)常性業(yè)務(wù)且現(xiàn)金流較充足的公司而言，LiDAR的數(shù)據(jù)處理速度更快，使設(shè)備和人員有更多時間開展其他工作，從而抵銷初始成本?！澳枰匆幌驴偝杀?。以一家聚合材料公司為例，他們一直使用攝影測量來進(jìn)行平鋪測量。這樣做的效率低下。他們?nèi)〉么罅繑?shù)據(jù)，然后花四到八個小時重建地形，但他們只需要堆料的數(shù)據(jù)…… 他們想要了解的不過是體積數(shù)據(jù)。如果使用LiDAR，沒有重疊，亦無需重建。您只需處理采集到的少量數(shù)據(jù)，便可得到體積數(shù)據(jù)，完成任務(wù)?！?/p>
成本曲線也因?yàn)镸icrodrones今年推出的「Microdrones 即服務(wù)」(mdaaS) 計(jì)劃而能夠得以改善。mdaaS方案為顧客帶來靈活的購買和租賃選項(xiàng)：“購買設(shè)備”或“租用設(shè)備”計(jì)劃，以及包含“按項(xiàng)目支付”或“無限制”數(shù)據(jù)后處理的全新數(shù)據(jù)處理解決方案?！敖柚谶@些計(jì)劃，LiDAR的價格變得更加實(shí)惠?！盚eriard-Dubreuil補(bǔ)充道。選擇何種解決方案還得視任務(wù)需求而定?！叭绻胍榭磸牡谝惶斓降诙?，直至第一百天拍攝的施工現(xiàn)場照片，那么攝影測量就是合適的解決方案，”Darmayan 說道，“如果您要測量建筑、物體形狀或輸電線，一般來說就是體積數(shù)據(jù)，則LiDAR更為合適。無論選擇哪一種，Microdrones都能提供穩(wěn)定的集成解決方案?！薄昂翢o疑問，我們的系統(tǒng)質(zhì)量非常之高，”Vincent Legrand 總結(jié)，“在工程方面也經(jīng)過驗(yàn)證。硬件的質(zhì)量是同類中上乘的，當(dāng)然人員支持及其素質(zhì)也是如此。高度的可靠性深植于我們的DNA中?！?/p>
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