攝像頭還是激光雷達(dá) 無(wú)人機(jī)勘測(cè)的“選擇困難癥”

電子發(fā)燒友網(wǎng)報(bào)道（文/周凱揚(yáng)）隨著無(wú)人機(jī)技術(shù)逐漸成熟，人們?cè)僖膊挥民{駛直升機(jī)來(lái)進(jìn)行勘測(cè)工作了，而是直接交由無(wú)人機(jī)上的傳感器解決，甚至可以免去實(shí)時(shí)人工控制的麻煩。然而在傳感器的選擇上，困擾自動(dòng)駕駛汽車的老大難問(wèn)題也出現(xiàn)在無(wú)人機(jī)勘測(cè)上。在執(zhí)行勘測(cè)任務(wù)時(shí)，究竟是高像素RGB攝像頭的攝影測(cè)繪勝出，還是激光雷達(dá)更強(qiáng)一籌，或是兩者傳感器融合？又或是各有所長(zhǎng)的同時(shí)考慮成本等其他因素呢？

攝影測(cè)繪

在攝影測(cè)繪中，無(wú)人機(jī)會(huì)在一片區(qū)域拍攝大量的高分辨率照片，這些照片中存在重疊的區(qū)域，也可以從多個(gè)不同的位置看到地面上的同一點(diǎn)。就像我們用人眼來(lái)完成深度感知一樣，攝影測(cè)繪用復(fù)雜的軟件將航拍照片拼接在一起，快速生成高細(xì)節(jié)度的2D地圖。再結(jié)合傾斜攝影的方法，可以從多個(gè)角度來(lái)觀察勘探地區(qū)，從而生成3D模型。

正是由于這種運(yùn)作原理，生成的高分辨率3D構(gòu)圖不僅包含海拔和高度信息，也包含了材質(zhì)、形狀和顏色等2D與3D數(shù)據(jù)，更容易做出3D點(diǎn)云圖。此外攝像頭的精度并沒有人們想象的那般不堪，反倒是可以做到厘米級(jí)。

激光雷達(dá)

激光雷達(dá)通過(guò)振鏡在多個(gè)方向上發(fā)送激光脈沖，在無(wú)人機(jī)移動(dòng)時(shí)生成一個(gè)“光面”。通過(guò)測(cè)量脈沖返回的時(shí)間和強(qiáng)度，激光雷達(dá)可以提供地形讀數(shù)。但在激光雷達(dá)勘測(cè)系統(tǒng)中，還必須借助GNSS和IMU來(lái)確定激光雷達(dá)的空間方位，才能實(shí)現(xiàn)直接地理參照，整套系統(tǒng)必須協(xié)同合作，以此將原始數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成真實(shí)可用的數(shù)據(jù)。

傳統(tǒng)的航空激光雷達(dá)勘測(cè)需搭載在人工駕駛的飛機(jī)上，雖然精度相對(duì)較低，但畢竟沒有體積和電池的限制，探測(cè)范圍相當(dāng)廣，一次飛行最高可覆蓋1000平方公里。精度還取決于飛行高度和激光雷達(dá)的選取，激光雷達(dá)的有效探測(cè)距離普遍在1千米以下，不同的視場(chǎng)角范圍也會(huì)進(jìn)一步影響到有效數(shù)據(jù)量。

而輕型無(wú)人機(jī)激光雷達(dá)的覆蓋范圍和無(wú)人機(jī)攝影測(cè)繪一樣，根本上取決于機(jī)器本身的續(xù)航，搭載激光雷達(dá)的固定翼無(wú)人機(jī)可以在一次飛行中覆蓋至多10平方公里的范圍，但精度要高于傳統(tǒng)的航空激光雷達(dá)和攝影測(cè)繪。

攝影測(cè)繪與激光雷達(dá)的對(duì)比

正如上文所述，攝影測(cè)繪和激光雷達(dá)的勘測(cè)方式并不相同，這也就造成了點(diǎn)云精度的差異，尤其是在復(fù)雜的地形下。無(wú)人機(jī)攝影測(cè)繪往往要用到高分辨率和全畫幅傳感器的相機(jī)，如果攝像頭系統(tǒng)足夠優(yōu)秀的話，垂直和水平精度也可以做到1cm至10cm的范圍，甚至在有的勘測(cè)研究中已經(jīng)達(dá)到毫米級(jí)的精度。

但要想做到這樣的精度表現(xiàn)，必須得用到專業(yè)的無(wú)人機(jī)，搭載正確的傳感器和鏡頭，而不是一味地追求大像素。同一像素的兩臺(tái)機(jī)器在不同尺寸的傳感器和鏡頭下，也會(huì)生成不同的圖像質(zhì)量和精度。

除了直接獲得的數(shù)據(jù)外，勘測(cè)任務(wù)往往還要做好航線規(guī)劃，并對(duì)數(shù)據(jù)做一定的后期處理才能達(dá)到最優(yōu)的精度。比如在攝影測(cè)繪中，如果有了優(yōu)秀的航線規(guī)劃，就可以借助重疊圖像做出更好的錯(cuò)誤修正，激光雷達(dá)中的直接地理參照也是如此，因此專用于航測(cè)的無(wú)人機(jī)通常都會(huì)配套對(duì)應(yīng)的解算軟件。鑒于攝影測(cè)繪已經(jīng)提供了易于理解的地圖和模型，即便沒有太多專業(yè)知識(shí)的用戶也可以完成測(cè)繪。而激光雷達(dá)已經(jīng)捕獲了更多的深度信息，所以在后期處理的時(shí)間上要更短一點(diǎn)。

在不同的地形上，兩者的精度上也有差異。比如在植被覆蓋密集的地形上，攝像頭無(wú)法穿透茂密的枝葉。而激光雷達(dá)的脈沖雖然也無(wú)法穿透枝葉，卻可以穿過(guò)枝葉間的間隙達(dá)到地面，所以激光雷達(dá)更適合用于打造僅包含高程數(shù)據(jù)的數(shù)字表面模型（DSM）。

其次是在還原度上，攝影測(cè)繪提供了正射影像、點(diǎn)云和材質(zhì)網(wǎng)格，在高精度下更容易實(shí)現(xiàn)鑒別和測(cè)量的功能。而激光雷達(dá)雖然給出了同樣精確的點(diǎn)云圖，然而其提供的數(shù)據(jù)往往只能用于形狀輪廓，無(wú)法提供具體的細(xì)節(jié)。盡管可以用RGB數(shù)據(jù)為激光雷達(dá)數(shù)據(jù)上色貼圖，但這涉及到的工作量過(guò)于龐大，因此在城市三維建模等應(yīng)用中并不適用。

結(jié)語(yǔ)

其實(shí)市面上也有不少攝像頭與激光雷達(dá)結(jié)合的方案，比如大疆的禪思L1。這臺(tái)近10萬(wàn)的機(jī)器集成了大疆旗下Livox的激光雷達(dá)，測(cè)量距離可以達(dá)到450米，而且還支持實(shí)時(shí)點(diǎn)云顯示。但承載這臺(tái)強(qiáng)大系統(tǒng)的依舊只是輕量級(jí)的無(wú)人機(jī)，因此續(xù)航和覆蓋范圍不能堪稱優(yōu)秀，禪思L1的單架次作業(yè)面積僅有2平方公里。

單從應(yīng)用角度來(lái)看，開闊區(qū)域或?qū)ι什馁|(zhì)要求較高的勘測(cè)任務(wù)更適合攝影測(cè)繪，比如開闊的礦場(chǎng)、倉(cāng)儲(chǔ)規(guī)劃和3D城市建模；而在植被密集或遮擋較多的場(chǎng)合，比如森林火災(zāi)評(píng)估和軌道檢測(cè)，則更適合激光雷達(dá)大展身手。

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