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設(shè)備與工具
在無人機激光雷達測繪的世界里，點云數(shù)據(jù)如同一幅幅細膩的畫卷，記錄著大地的輪廓與細節(jié)。然而，這幅畫卷在拼接過程中常常出現(xiàn)異常“褶皺”—— 航帶點云分層問題，給測繪生產(chǎn)工作帶來挑戰(zhàn)。[智激光]，作為飛馬[無人機管家專業(yè)版]激光點云數(shù)據(jù)處理的專業(yè)軟件模塊，從最初的點云[航帶平差]到現(xiàn)今持續(xù)迭代的點云[優(yōu)化平差]，都在追求科學(xué)撫平（消除）這些“褶皺”，讓點云數(shù)據(jù)更加逼近真實。
Q：何為優(yōu)化平差？
優(yōu)化平差相較整體航帶平差，在算法上更專注解決航帶點云拼接中的分層問題。這些問題主要分為三類，即航帶間大分層、局部扭曲分層以及內(nèi)部微小分層。優(yōu)化平差算法巧妙地融合了整體航帶平差和分段平差的優(yōu)點，且內(nèi)置參數(shù)可以自適應(yīng)匹配，無需[特征提取]和[分段設(shè)置]等操作，實現(xiàn)了點云平差的一鍵處理。此外，龐大的點云數(shù)據(jù)量也帶來了解算效率的挑戰(zhàn)，成為航帶平差的一大痛點，而優(yōu)化平差在保證點云數(shù)據(jù)精度的同時，還兼顧了平差效率，進一步提升了用戶友好性。
Q：優(yōu)化平差針對常規(guī)場景的平差效果如何？
在無人機激光雷達作業(yè)常見的帶狀航線、耕地航線等常規(guī)場景中，優(yōu)化平差針對數(shù)據(jù)樣本均取得了不錯的效果。特別地，針對更易受到IMU慣性發(fā)散影響的長航帶點云分層數(shù)據(jù)，經(jīng)優(yōu)化平差后不僅航帶間的分層情況基本消除，而且架次間的分層也能得到了明顯改善。
長航帶之電力線點云
測試樣本為長航帶電力巡線數(shù)據(jù)。下圖左側(cè)為原始點云質(zhì)量檢查圖、右側(cè)為優(yōu)化平差后質(zhì)量檢查圖。對比可見，經(jīng)優(yōu)化平差后，單架次內(nèi)航帶之間的分層基本消除。
原始點云質(zhì)量檢查圖
優(yōu)化平差后點云質(zhì)量檢查圖
長航帶之多架次點云
測試樣本為多架次帶狀航線點云數(shù)據(jù)。原始點云在架次間重疊處分層明顯（如下左圖），優(yōu)化平差后該分層情況改善明顯（如下右圖），同時航帶間分層也改善明顯。
原始點云質(zhì)量檢查圖
優(yōu)化平差后點云質(zhì)量檢查圖
一般帶狀航線點云數(shù)據(jù)
測試樣本為一般場景的帶狀航線點云數(shù)據(jù)。下圖左側(cè)為原始點云質(zhì)量檢查圖，可以看到其左上角處點云分層嚴重，且分層分布不均勻，經(jīng)優(yōu)化平差后，其質(zhì)量檢查圖（如下圖右側(cè)）顯示分層問題基本解決。
原始點云質(zhì)量檢查圖
優(yōu)化平差后點云質(zhì)量檢查圖
Q：多線激光雷達點云數(shù)據(jù)優(yōu)化平差效果如何？
在多線激光雷達點云數(shù)據(jù)處理方面，優(yōu)化平差不僅可以解決航帶間的水平分層和垂直分層，還能通過自研算法減小激光器多線之間的角度誤差，從而優(yōu)化點云厚度。以LiDAR500為例，優(yōu)化平差可將其點云厚度從15cm以上優(yōu)化至8cm左右：優(yōu)化平差前，屋頂厚度為20cm、地面厚度為17cm；優(yōu)化平差后，屋頂厚度降至8cm、地面厚度也降至8cm，效果顯著。
航帶間水平分層優(yōu)化平差前后對比：
優(yōu)化平差前（上圖）、優(yōu)化平差后（下圖）質(zhì)量檢查圖對比
航帶間垂直分層優(yōu)化平差前后對比：
優(yōu)化平差前（上圖）、優(yōu)化平差后（下圖）質(zhì)量檢查圖對比
航帶間屋頂及地面優(yōu)化平差前后對比：
優(yōu)化平差前，屋頂厚度約為20cm
優(yōu)化平差前，屋頂厚度約為8cm
優(yōu)化平差前，地面厚度約17cm
優(yōu)化平差后，地面厚度約8cm
Q：談?wù)剝?yōu)化平差算法邊界與局限性？
盡管智激光優(yōu)化平差功能有顯著特色，但也依然存在已知不足：
目前無法解決單航帶內(nèi)部分層，如激光點云數(shù)據(jù)的單航帶內(nèi)部分層。
對于嚴重畸變（局部點云扭曲、錯位分層嚴重）的點云，優(yōu)化平差只能改善，無法達到完美效果。
Q：智激光優(yōu)化平差與友商軟件平差算法的效果對比如何？
在與友商軟件的非窮盡樣本對比中，智激光優(yōu)化平差功能在以下多個場景中展現(xiàn)出優(yōu)勢：
在長航帶數(shù)據(jù)（電力線場景）中，智激光的優(yōu)化平差效果明顯優(yōu)于友商軟件，局部不存在明顯分層現(xiàn)象。
在一般叢林場景和耕地低植被場景中，智激光的優(yōu)化平差效果也明顯優(yōu)于友商軟件。
在航帶點云出現(xiàn)傾斜現(xiàn)象的場景下，智激光的優(yōu)化平差效果明顯優(yōu)于友商軟件。
在常規(guī)場景下，雙方效果基本相當。例如，在一般耕地場景中，智激光優(yōu)化平差與友商點云平差的效果基本相當。
在劣勢場景中，如長航帶變高飛行、原始分層極端嚴重、地形平坦無特征等，智激光優(yōu)化平差與友商軟件的處理效果都存在能力局限。
優(yōu)勢場景（數(shù)據(jù)）
優(yōu)勢場景不是固定的，與點云數(shù)據(jù)的形態(tài)有關(guān)，主要取決于地形起伏形態(tài)、建筑物（構(gòu)筑物）密度、地表植被疏密等因素。為了便于數(shù)據(jù)區(qū)分，以場景做分類統(tǒng)計。
長航帶電力線場景
測試樣本來自某區(qū)域長航帶激光點云數(shù)據(jù)。
某區(qū)域原始解算點云質(zhì)量檢查圖（局部）
從平差結(jié)果上看，友商軟件的平差結(jié)果（如右圖）整體上不如智激光的優(yōu)化平差（如左圖），表現(xiàn)是局部存在明顯分層。同時和原始點云相比，友商軟件的平差結(jié)果也存在局部分層。
智激光優(yōu)化平差結(jié)果
友商軟件點云平差結(jié)果
智激光優(yōu)化平差、友商軟件點云平差后結(jié)果分別和原始數(shù)據(jù)比較，以航帶尾部為例，智激光優(yōu)化平差效果明顯好于友商軟件點云平差結(jié)果。
智激光優(yōu)化平差結(jié)果
友商軟件點云平差結(jié)果
一般叢林場景
下圖左側(cè)為原始點云數(shù)據(jù)，中間為智激光優(yōu)化平差結(jié)果，右側(cè)為友商軟件點云平差結(jié)果。智激光優(yōu)化平差效果明顯優(yōu)于友商軟件，且友商軟件結(jié)果在局部較大范圍內(nèi)存在明顯分層。
原始點云
智激光優(yōu)化平差結(jié)果
友商軟件點云平差結(jié)果
航帶點云傾斜場景
測試樣本的航帶間點云分層呈現(xiàn)出傾斜特點（如左圖），使用智激光優(yōu)化平差后分層有明顯改善（如中間），效果明顯優(yōu)于友商軟件（如右圖）。
原始點云
智激光優(yōu)化平差結(jié)果
友商軟件點云平差結(jié)果
一般耕地低植被場景
如下圖，測試樣本為兩個架次點云數(shù)據(jù)，左側(cè)為原始點云質(zhì)量檢查圖，中間為智激光優(yōu)化平差結(jié)果，右側(cè)為友商軟件平差結(jié)果。友商軟件局部分層明顯，且呈臺階狀。
效果相近場景（數(shù)據(jù)）
效果相近場景多為常規(guī)場景，如城鎮(zhèn)居民區(qū)場景、農(nóng)田場景、交通線路場景、特征豐富的礦場及山區(qū)場景等。在這些場景中，智激光優(yōu)化平差與友商軟件的平差效果基本相當，都可以提供更高質(zhì)量的點云數(shù)據(jù)。
特征豐富的山區(qū)場景
下圖左側(cè)為原始點云數(shù)據(jù)，中間為優(yōu)化平差結(jié)果，右側(cè)為友商軟件平差結(jié)果。測試結(jié)果基本相當，平差效果良好。
原始點云
智激光優(yōu)化平差結(jié)果
友商軟件點云平差結(jié)果
劣勢場景（數(shù)據(jù)）
劣勢場景通常是由于飛行條件及測區(qū)原因?qū)е碌膰乐胤謱?，如長航帶變高飛行因俯仰角變化劇烈導(dǎo)致的局部分層、飛行過程中因GNSS信號質(zhì)量差導(dǎo)致的嚴重分層以及地物特征不明顯導(dǎo)致出現(xiàn)的分層等。
飛行姿態(tài)角變化劇烈
下圖為長航帶變高飛行的點云數(shù)據(jù)，因姿態(tài)角變化過大導(dǎo)致出現(xiàn)了局部分層，友商軟件點云平差與智激光優(yōu)化平差無明顯優(yōu)劣，各有適應(yīng)性體現(xiàn)但均無法有效改善。
原始點云
智激光優(yōu)化平差結(jié)果
友商軟件點云平差結(jié)果
細節(jié)剖面對比：
智激光優(yōu)化平差結(jié)果
友商軟件點云平差結(jié)果
原始點云分層極端嚴重
原始點云分層剖面，點云在水平和垂直方向的分層過大。經(jīng)智激光優(yōu)化平差后的結(jié)果與原始點云數(shù)據(jù)對比，垂直方向分層有改善，但水平方向分層沒有解決。
原始點云分層剖面圖
智激光優(yōu)化平差結(jié)果
下圖左側(cè)為原始點云質(zhì)量檢查圖，中間為優(yōu)化平差點云質(zhì)量檢查圖，右側(cè)為友商軟件平差后質(zhì)量檢查圖。智激光優(yōu)化平差后只能解決一部分分層，友商軟件的處理結(jié)果與智激光優(yōu)化平差基本一致。
地形平坦、地物特征不明顯的場景
下圖左側(cè)是原始點云質(zhì)量檢查圖，中間為優(yōu)化平差后點云質(zhì)量檢查圖，右側(cè)為友商軟件平差后質(zhì)量檢查圖。優(yōu)化平差后點云分層情況雖然有改善，但是還是存在較為嚴重的水平分層。
原始點云
智激光優(yōu)化平差結(jié)果
友商軟件點云平差結(jié)果
Q：優(yōu)化平差前后絕對精度的變化如何？
從平差前后高程精度比較來看，智激光優(yōu)化平差后的點云絕對精度沒有變化，而友商軟件平差后的精度比原始數(shù)據(jù)略有損失。測試數(shù)據(jù)使用同組帶有像控點數(shù)據(jù)，結(jié)果顯示智激光在絕對精度保持方面更具優(yōu)勢。
注：友商軟件平差后的數(shù)據(jù)使用智激光驗證精度，其精度指標為均方根誤差。
智激光優(yōu)化平差功能在一定程度上有效地解決了機載激光雷達點云分層這一行業(yè)難題，為測繪工作者們提供了更加高效、可靠的數(shù)據(jù)處理工具，無人機管家專業(yè)版的無人機用戶群可免費使用。
深圳飛馬機器人科技有限公司，由IT、無人機領(lǐng)域高管及資深專家聯(lián)合創(chuàng)辦，致力于民用超小型無人機系統(tǒng)的研發(fā)、生產(chǎn)及銷售。
公司成立于2015年2月，注冊資金6300萬。
北京、深圳均設(shè)研發(fā)中心，近10年的無人機行業(yè)、技術(shù)積累，結(jié)合IT領(lǐng)域產(chǎn)品設(shè)計、工業(yè)化制造經(jīng)驗，飛馬機器人致力于為客戶提供便捷易用的工業(yè)級無人機及創(chuàng)新的消費類無人機產(chǎn)品。
飛馬秉承創(chuàng)新、價值、誠信的核心價值觀，為客戶提供極佳使用體驗、安全、技術(shù)領(lǐng)先的無人機產(chǎn)品，志在成為全球無人機行業(yè)的領(lǐng)導(dǎo)者。
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