無人機LiDAR 虛擬仿真教學系統的設計與實現*

王果 楊福芹 潘潔晨 王健

1 河南工程學院土木工程學院 鄭州 451191 2 山東科技大學測繪科學與工程學院 山東青島 266590

0 引言

無人機（UAV, Unmanned Aerial Vehicle）是一種搭載動力裝置和導航模塊，能在一定范圍內通過無線電遙控設備或利用計算機預編程序實現自主控制飛行的無人駕駛航空器[1]。近年來，在測繪遙感領域，輕小型無人機測繪遙感系統受到國內外相關領域的極大重視并得以快速發展[2]。激光雷達測量（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已成為一種重要的測繪遙感手段[3]，無人機LiDAR 測量能夠快速獲取局部空間的三維點云數據，在測繪、應急救援、防災減災、農林、國土資源、海洋等多個行業廣泛應用[4]。2015 年，國土資源部發布的《全國基礎測繪中長期規劃綱要（2015—2030 年）》要求重點推進激光雷達等新型傳感器數據獲取與應用。2018 年，歐盟發布的《歐洲地理空間產業展望報告》在“3S”（GNSS、GIS、RS）的基礎上，也增加了LiDAR 測量，并預測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、重大工程項目、突發事件應急救援和巨大的市場需求牽引下，伴隨著智慧城市、數字孿生城市、地理國情監測、實景三維中國等測繪地理信息服務的深入應用，無人機LiDAR 相關從業技術人才需求日益增加。

無人機LiDAR 測量實踐教學是無人機相關技術人才培養的重要課程。目前，在無人機LiDAR 測量實踐教學的過程中，還存在如下問題，影響到相關人才的培養。

1）實驗教學內容多、難度大、危險系數高。無人機LiDAR 實驗教學包括外業數據采集和內業數據處理，涉及GNSS 相關知識、無人機飛行知識、傳感器集成解算知識、LiDAR 點云處理知識，涵蓋內容多；外業數據采集實驗中，需要GNSS 基準站、無人機、激光雷達等多種設備的調試和安裝，難度大；無人機飛行實驗具有一定的危險性，對操作要求較高，需要具備超視距或視距內無人機駕駛員證書且具有一定的飛行經驗，對參與實習的學生而言，危險性高，制約了學生的全過程參與。

2）無人機LiDAR 設備價格昂貴。無人機LiDAR 實驗涉及多種傳感器設備，價格昂貴，需要較大的經費和實驗人員投入，尤其是在地方本科院校經費短缺的背景下，更加制約了實際教學的開展。

3）存在飛行管制和操作場地限制問題。無人機LiDAR 數據采集，需要有一定的操作場地。高校所在的城市區域人員密集、存在飛行管制和場地限制問題，也在一定程度上制約了實際教學的開展。

以上問題的存在，導致現實教學中學生很難在真實場景中進行實驗，難以全過程參與實際操作。除此之外，在校內進行無人機LiDAR 測量實驗，缺乏相關具體工程載體，即使帶學生到實際工程現場，學生也只是參觀實習，實驗效果往往較差。具備實操能力的無人機LiDAR 數據采集及處理人員稀缺，出現相關人才和從業人員供不應求現象。

為此，亟須突破傳統實驗教學過程中安全性低、成本高、場地條件要求苛刻等限制，開發無人機LiDAR 虛擬仿真項目，以補充真實場地實驗與實踐，使學生在安全的虛擬環境中清晰認識和掌握基于無人機LiDAR 技術的測量過程和步驟，強化和提升運用當代新技術開展測繪數據獲取與處理的能力。

本文選用Unity3D 和C#進行腳本編輯，設計并實現無人機LiDAR 虛擬仿真教學系統。通過構建虛擬場景，仿真真實世界，使學生通過視覺、聽覺等感官感知并與虛擬世界進行交互，達到沉浸式學習的目的[6]，為無人機LiDAR 教學提供新思路。

1 系統設計

系統設計的目的是讓學生在對無人機及附屬設備的結構、外觀有直觀認識的基礎上，結合無人機LiDAR 方面的理論知識，進行外業數據采集仿真測量，熟練掌握內業數據處理的操作步驟。基于以上目的，將系統設計為基礎知識視頻講解、基礎知識問答、設備構造和功能介紹、無人機LiDAR 數據采集、數據處理五個部分，如圖1 所示。

圖1 無人機LiDAR 虛擬仿真系統組成

通過該項目的學習，學生可快速掌握無人機LiDAR 的基本原理和過程，深入學習和掌握無人機LiDAR 的全過程解決方案，增進對內、外業工作的理解，并在實踐中學以致用。這能充分調動學生參與實驗教學的積極性和主動性，增強學生的創新與實踐能力，讓學生在對無人機及附屬設備的結構、外觀有直觀認識的基礎上，結合無人機LiDAR 方面的理論知識，在三維虛擬場景中，進行外業數據采集仿真測量，熟練掌握內業數據處理的操作步驟，實現知識、能力和素質有機融合，從而培養其解決復雜問題的綜合能力和高級思維。系統設計應準確反映測繪地理信息行業需求，聚焦科技和社會前沿，解決教什么的問題，體現“兩性一度”標準。

在高階性上，通過無人機LiDAR 數據采集、LiDAR 點云處理模塊, 設置航線規劃、點云濾波、DEM 生成等環節，注重學生知識、能力、素質的有機融合，著力培養學生解決復雜測繪工程問題的綜合能力和高級思維，支撐測繪工程專業畢業要求指標點5.1：熟悉全站儀、GNSS 接收機、無人機等現代測繪儀器，掌握現代測繪地理信息工具、數學工具和信息技術工具的使用原理和方法，并理解其局限性。

在創新性上，結合測繪行業近年來應用廣泛的無人機技術，將測繪界第二次技術革命的LiDAR 技術納入人才培養計劃，設計無人機LiDAR 實驗，力求反映學科的前沿性和時代性, 滿足新時代對人才培養的需求，支撐測繪工程專業畢業要求指標點12.2：在現代測繪地理信息技術快速發展、工程需求不斷變化以及多學科交叉融合的背景下，能夠適應測繪科學與技術快速發展的形勢，具備對測繪新技術的理解、歸納、總結和提出問題能力。

在挑戰度上，安排了開放課題研究環節，針對無人機LiDAR 在林業、電力等行業的應用，提供相應的數據，設置具有挑戰度的實驗目標和問題，需要學生查閱資料、“跳一跳”才能夠得著，支撐測繪工程專業畢業要求指標點12.1：能在國家社會發展的大背景下，認識到自主學習和終身學習的必要性，具有自主學習和終身學習的意識。

1.1 基礎知識視頻講解部分

基礎知識視頻講解部分采用圖文結合和操作演示等方式，包含基礎知識理論部分的回顧和實踐操作的前導性學習，主要介紹無人機LiDAR 的基本原理、外業操作步驟及操作演示和注意事項。

教學系統主要基于無人機LiDAR 技術開展三維數據采集和處理，包含儀器設備構造及功能介紹、無人機LiDAR 數據采集和數據處理三大方面，根據實際外業和內業處理的流程進行虛擬仿真，通過“儀器認知”與“無人機LiDAR 外業數據采集”的互動操作，使學生完成對整個無人機LiDAR 數據采集及處理流程的認知；根據虛擬場景和無人機的飛行參數，動態生成虛擬場景的點云，使學生完整掌握無人機LiDAR 作業的內外業流程，真實再現無人機LiDAR 項目的全過程。

1.2 基礎知識問答部分

基礎知識問答包括所用儀器設備的知識和儀器借取，完成基礎知識視頻講解部分后，會觸發問答系統進入設備相關問題，在學生正確完成知識問答之后，系統會將相關儀器裝入背包，如果回答錯誤，會給出錯誤提示。

1.3 設備構造和功能介紹部分

設備構造和功能介紹部分，用戶可以選取需要查看的儀器設備，通過鼠標交互進行旋轉和縮放，進行儀器模型控制，完成不同角度儀器設備模型的查看及瀏覽。當鼠標懸停在儀器設備模型特定位置，會出現相關的說明，以便學習過程中快速熟悉設備的構造和功能。

1.4 無人機LiDAR 數據采集部分

無人機LiDAR數據采集部分，包含GNSS（Global Navigation Satellite System）基準站及無人機激光雷達設備的組裝、飛行航線規劃、相關參數設置、模擬飛行等操作步驟，實現野外作業場景的全程虛擬化。從實驗區選取、無人機組裝、PPK 基準站架設、航線設計、參數設置、起飛前安檢、異常處置，到點云數據生成等環節，均以虛擬的方式呈現。引導學生在三維虛擬場景中，完成并掌握無人機LiDAR 外業采集的全過程。

1.5 數據處理部分

數據處理部分在視頻演示的基礎上，對真實點云數據進行處理，包括數據預處理和后處理兩部分。涵蓋利用POS（Position & Orientation System）數據航跡解算、點云解算、點云加載及渲染、點云濾波、點云分類、DEM（Digital Elevation Model）生成等操作步驟，實現內業數據處理的流程化。在本虛擬仿真平臺中，POS 解算、點云解算、去噪分類、DEM 生成、線畫圖生成、多種地形產品成果的輸出等，均實現了流程化作業。內業數據處理的每個項目均實現了多種算法或多個參數集，通過算法的選擇或不同的參數集設置，可取得不同的仿真效果，以便學習過程中掌握利用外業各模塊觀測數據，進行點云數據生成及處理的基本方法。

2 系統實現的關鍵技術

系統實現的關鍵技術包括主界面UI 設計、三維模型構建、素材選擇與導入、虛擬場景制作、場景視角切換等。

2.1 主界面UI 設計

UI 的背景圖片選擇了Unity 推出的經典UI 素材Unity Samples：UI。

2.2 三維模型構建

本文選擇德國MAXON Computer 公司開發的Cinema 4D 軟件進行三維模型構建。以中海達GNSS V9 接收機及大疆經緯M300 RTK 無人機和禪思L1 Livox 激光雷達模塊為原型，建立的儀器設備模型包括基準站GNSS 接收機、三腳架、螺旋槳、無人機機身、無人機機臂、機載GNSS 接收機、三軸云臺、激光雷達等，模型建立完畢后，導出為FBX 格式，供后續使用。

2.3 素材選擇與導入

使用的素材包括圖片、講解視頻、設備三維模型，通過Unity3D 中的Import New Asset 選項將所需要的素材導入。

2.4 虛擬場景制作

利用Unity3D 中的GameObject 菜單創建空白的場景，將導入的模型素材拖入場景中，對真實的外業場景進行模擬。

2.5 交互式步驟設計

結合實際項目和無人機LiDAR 方面的理論知識，進行外業數據采集仿真測量，共設計12 個交互步驟。

第1 步，選擇測區合適位置并架設PPK 基準站。架設于測區附近已知控制點，安置三腳架并安置基座，進行儀器對中和整平，將接收機安置在基座上。

第2 步，接收機開機并設置模式。通過電源鍵將GNSS 接收機開機。開機后，其工作模式可分為以下三種：靜態、基準站、流動站。在地面基站設置時，選擇靜態模式，采樣頻率1 HZ，以便獲取數據，后續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，無人機部件認識與組裝。進入無人機組裝界面后，可以對無人機進行組裝，逐個點擊零件進行組裝，右鍵點擊安裝部分即可撤銷。完成無人機電池和槳葉的安裝，檢查槳葉，出現“緊固完成”進行下一步操作。須注意正反槳安裝，如安裝錯誤，起飛后會直接墜機。

第5 步，設備安裝與初始化。安裝激光雷達、相機，并連接線纜，連接激光雷達設備，設置激光雷達參數，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，靜止2～5分鐘采集足夠的靜態歷元。

第6 步，遙控器開機并與無人機連接。設備連接，點擊遙控，連接設備，出現“設備已連接”，完成操作。

第7 步，選擇測區范圍。鼠標左鍵點擊航測區范圍，在鼠標按下的狀態拉取范圍。

第8 步，飛行航線規劃。根據選定的測區范圍，系統自動進行計算，規劃最佳航線。在飛行計劃界面，左鍵點擊地圖可以規劃航線，紅點可以拖動任意改變大小。

第9 步，航線上傳無人機飛控。通過遙控，將規劃地航線上傳至無人機飛控系統，供無人機后續自動按照航線飛行。

第10 步，遙控器控制開始采集。通過地面站設置的參數及規劃航線自動作業，通過碰撞監測自動獲得虛擬場景下的點云數據，同時自動獲取影像數據。

第11 步，數據下載與傳輸。飛行完成后，通過軟件關閉激光、拍照等開關，將基準站數據、激光雷達數據、POS 數據導出，供進一步解算使用。

第12 步，設備回收裝箱。靜止2 ～5 分鐘，檢查回收無人機及設備并裝箱。

2.6 無人機LiDAR 數據處理

按照“能實不虛、虛實結合”的原則，在完成數據采集模擬的基礎上，提供真實的無人機LiDAR數據下載，包括實驗數據預處理和點云處理兩大部分，采用錄制視頻講解和對照練習的方式完成數據處理和應用。

3 結束語

虛擬仿真技術突破了無人機LiDAR 實踐教學過程中安全性低、成本高、場地條件要求苛刻等限制，避免了儀器設備的損耗，降低了外業數據采集的安全風險和隱患，解決了飛行管制和操作場地限制問題，壓縮了基礎技能訓練時間，在安全的虛擬環境中，讓學生體驗從基礎知識學習、設備認知、無人機飛行、LiDAR 數據獲取、數據處理直至三維數據應用的全過程。通過虛擬仿真項目的學習，學生可快速掌握無人機LiDAR 的基本原理和過程，深入學習和掌握無人機LiDAR 的全過程解決方案，增進對內、外業工作的理解，并在實踐中學以致用。這充分調動了學生參與實驗教學的積極性和主動性，增強了學生的創新與實踐能力。