北京市科技计划项目实施方案-0723.doc

项目编号： 密级：

北京市科技计划
课题实施方案

项目名称：5kg级无人机载激光雷达系统研制
所属领域：电子信息
主持单位：北京北科天绘科技有限公司
主管处室：电子信息与装备制造处
起止年限：2015年01月至2016年12月

北京市科学技术委员会制

编 写 说 明
1．本方案适用于北京市科委立项、市科技经费支持的科技计划项目，由项目主持单位依据《北京市科技计划项目（课题）管理办法》组织编写，通过专家论证后报市科委审核确认。
2.本方案需按照市科委统一提供的用户名和密码，登陆“北京市科委在线服务平台”（网址：）填写，字体统一用宋体小四；确认所填信息正确、完整并经项目负责人检查无误后，提交市科委审核并网上提交确认后，在线进行打印（用A4纸），用A4幅面纸复印，用普通订书钉装订。打印后的项目实施方案不得再行修改。
3．本方案的“项目编号”由市科委确定，“密级”与下设课题的最高密级相同。“密级”一经确定必须严格按照该级别“密级”文件管理规定执行。
4.本方案表中所有栏目均需填写，凡无内容填写的栏目，请用“/”或“无”表示。第一次出现外文名词时，要写清全称和缩写，再出现同一词时可以使用缩写。
5.本方案各项内容填写应当实事求是，尊重他人知识产权，遵守国家有关知识产权法规。对于伪造、篡改科学数据，抄袭他人著作、论文或者剽窃他人科研成果等科研不端行为，一经查实，将记入信用记录。
6.项目主持单位在编制经费方案中，要按照《北京市科技项目经费管理办法》编写，并监督课题承担单位的经费编制和使用计划，对于虚假编制等违规行为，一经查实，将记入信用记录。
7．本方案正本一式四份（市科委三份，主持单位一份），由项目主持单位负责人（法人代表）和项目负责人亲笔签署意见后报送市科委（地址：北京市西城区西直门南大街16号，邮政编码：100035），由市科委确认并下达《关于下达××年度北京市科技计划“××××”项目任务的通知》后生效。
8.编写内容可参考各项栏目括号内的说明(本方案正本应删除说明内容)。

项目主持单位基本信息
单位名称
北京北科天绘科技有限公司
组织机构代码
77336146-5
隶属关系
地方单位
单位类型
企业
单位地址
北京市海淀区永丰路5号院1号楼502
注册地所属区县
海淀区
注册时间
2005年4 月05日
邮政编码
100094
单位传真
010-58717175
电子邮件

高新证书号
GF201211000180
所在高技术开发区
海淀园
单位法人代表
余佩艳
联系方式
010-58717175
单位科技管理部门负责人
余佩艳
联系方式
010-58717175
项目负责人
张智武
联系方式
13381252107
财务负责人
余佩艳
联系方式
010-58717175
联系人
葛云霞
联系方式
13910036254
市科委认定研发机构批准号

项目基本信息
项目所属技术领域
电子信息
项目所属学科
测绘科学技术
项目服务行业
科学研究、技术服务和地质勘查业
项目所处阶段类型
应用研究
技术创新类型
原始创新
项目主要技术的来源类型
自有技术
成果预期表达形式
新产品（或农业新品种）

一、课题的目的、意义及必要性
(一) 课题目的
面向智慧城市、农村土地确权、工程勘测中对高时效、高精度空间三维数据采集的迫切需求，研制5kg级无人机载激光雷达系统；突破微小型激光雷达功能模块高度集成技术和激光雷达与无人机平台集成技术及作业控制技术等关键技术；为高时效、高精度、小区域灵捷测绘提供创新技术解决手段；实现满足空中激光雷达系统快速部署、高精度三维数据灵活获取和测量数据高时效处理的灵捷化侦测作业服务模式，为智慧城市测绘和工程勘测提供创新服务和新的业务增长点。
(二) 课题意义
智慧城市、城镇化及新农村建设发展对灵捷、高精度测绘需求迫切。机载激光雷达在测绘效率，三维数据成图和模型反演方面具备其它遥感手段无法比拟的优势。大型机载激光雷达系统飞行准备时间长、作业成本高、测量网格稀疏，无法做到常态化高精度三维测绘数据采集，因此也难以完整支撑精细化测绘作业生产。
5kg级无人机载激光雷达可以搭载于多旋翼无人机或无人直升机平台，完美解决了现有激光雷达尺寸重量大，操控复杂，设备及使用成本高，无法搭载于微小型无人飞行平台等系列难题。更进一步，把微型激光雷达与无人机飞行平台集成于一体，真正实现飞行平台对作业载荷的支持，可以建立起激光雷达空中自主作业飞行的新型测量、测绘工作模式。
相比于现有的空中拍照和航空摄影侦查手段，5kg级无人机载激光雷达系统可以减少飞行准备时间，可以无机场起降，可以针对小范围区域高效、高精度完成各类遥感侦查和测绘任务，可以针对小块区域反复作业，可以快速提供高精度三维地形数据，，可以满足对各类突发事件应急侦查和安全布控需求，并降低激光雷达航测设备的拥有、使用和维护成本。
研制5kg级无人机载激光雷达系统一方面可以集中力量解决激光功能模块集成化等系列关键技术，填补我国在激光雷达型谱方面缺失，满足行业应用需求；另一方面，也可以进一步提高北京市在激光信息产业和测量仪器装备方面的创新和引领地位，为我市产业升级做出贡献。
(三) 课题必要性
微型小型无人机激光雷达系统是解决城区、村镇和工程测量等小区域测绘的有效技术和装备手段。首先，5kg级无人机载激光雷达在我国尚无类似装备，从高端技术及设备发展的角度，开发微型无人机载激光雷达是空中测量、测绘仪器技术发展的需要；其次，从应用需求角度，5kg级无人机载激光雷达可以一次性解决灵捷空中飞行和高效高精度三维数据采集的双重难题，可以极大简化生产作业流程，降低用户单位的设备维护成本，提高设备使用效率，从而提高工程项目进度；最后，发展5kg级无人机载激光雷达可以丰富高精度测图技术手段，对高端制造、测绘工程、农业水利等专题应用和空间地理信息大数据采集等行业都有极大的促进作用。
二、课题相关行业、领域国内外研究发展现状、趋势及本单位在相关领域的工作基础
1、国内外发展现状
激光遥感空间数据获取技术因其广泛的应用领域、高效率和高精度的数据采集手段，一直以来受到各国的广泛重视。人们期待新一代的激光扫描设备具有使用费用低廉、安装灵活、轻小便携、系统安全性高以及可以采集建筑或目标表面的三维纹理数据等诸多优势。
一体化无人机激光雷达系统处于刚刚兴起阶段，在国外主要用于军事侦察和应急救援。目前只有国外厂商Riegl于2014年的推出的一体化无人机激光雷达系统RiCOPTER。它采用一个四旋翼无人飞行器，展开尺寸为192mm*182mm*470mm。该无人机的最大载荷16公斤，续航时间大于30分钟，最大飞行高度大于150米。该系统的任务载荷总重量13公斤，精度优于15cm。
根据粗略统计，国内厂家（中海达、思拓力、武汉讯能）主要集中于地面激光扫描仪产品的研制，核心部件采购自国际二流厂商Stonex（意大利品牌）和MDL（英国），共同问题是缺乏对激光雷达技术特点的理解，将传统测绘仪器的技术路线用于激光雷达类产品的研发，缺乏对激光雷达产品技术链路的全面认识，也缺乏领军人才，从未涉及机载系统。而国内拿到过激光雷达研制项目经费的学术单位都依赖国家项目，缺乏工业化手段，未真正进行工程化应用和商业化推广，迄今未能形成真正意义的产品。本项目团队是机载激光遥感领域的技术领先者，也是国内唯一拥有机载激光雷达自主知识产权的团队，该系统产品填补了国内微型无人机载激光雷达系统的空白。
2、无人机载激光雷达系统的发展趋势
概括来说，无人机载激光雷达的发展趋势是微型化、集成化、智能化、专业化、多样化和经济化。
1） 随着各种新材料和新技术的运用，激光雷达将越来越轻小；
2） 系统集成对更高，作业更灵捷，功能更强大；
3） 激光点云和图像数据处理的软件将更加高效、快捷，进一步满足实时处理的需要，系统将根据得到的空间信息及时发出作业指令；
4） 在民用领域的应用会越来越广泛；
5） 在特定应用领域将会出现专业化软件，有利于深度解决特定行业的特定需求。
6） 目前绝大多数需求处于尴尬境地，想用但用不起，本系统市场定价为的现有系统的30%，经济化有助于激光雷达技术的普及和推广。
3、本单位工作基础
北京北科天绘科技有限公司在激光雷达设备研发制造领域已有近十年积累，是国内唯一具备陆基、空基、车载全系列产品线的企业。北科天绘推出的系列小型激光雷达（10kg以下）已经在关键技术指标和尺寸重量方面均优于国外同类产品。
北科天绘拥有本课题必要的研究、开发、测试、试运行场所和相应的配套环境设施，能提供仪器仪表、网络条件、必要的开发工具等课题必须的研究资源。
北科天绘的研发团队训练有素、经验丰富，本项目15 人课题组均抽调自现有团队，能保证本课题参加人员人均 65%以上的工作时间来参与本课题的研发，并为参加人员提供各方面的便利条件。
北科天绘除了本身经营的充足现金流以外，2014年获得联想控股的投资，有足够的资金用来采购原材料、仪器设备，支付人员工资、劳务费、加工制造费、测试费等。
北科天绘具有严格和完善的质量管理体系，公司“三维激光扫描仪及配套软件的开发生产”顺利通过ISO-9001:2008质量体系认证。研发严格按需求分析、设计管理、过程管理、测试模板、技术规范进行；采购供应做到全程可追溯；生产过程文件完善，包括生产工艺和安装流程、测试大纲和测试细则、标识和编号管理，产品维修过程管理及记录；具有完善的售后过程管理、客户服务流程、外场作业规范和客户跟踪反馈系统。这些经验都为保障项目顺利实施提供了支撑条件。
北科天绘与中国科学院、中国测绘科学研究院、中国航天科技集团、天下图等单位有良好的合作基础，合作方一直期待本项目所研制的微小型激光雷达能投入应用并愿意为本项目提供必要的试验和测试场所。
三、 课题任务与目标、考核指标

（一）课题任务
课题任务：研制5kg级超轻小型无人机载激光雷达系统，完成机载激光雷达系统集成化设计和制造工艺等系列关键技术攻关，实现无人机、微型激光雷达、数字相机和位姿测量单元一体化集成，并一体化部署和操控；拟定载机一体化无人机载激光雷达工作流程和外业方案，通过应用飞行验证推动项目成果转化。
（二） 课题目标
课题目标：开发重量在5kg级别的超轻小型机载激光雷达系统；实现分米级高程测量精度，满足1:500测图要求；实现作图效率大于10km2/小时，作业准备时间小于30 min。 推动无人机新一代核心载荷技术创新和应用创新。（三）考核指标：
1、 5kg级无人机载激光雷达系统：
1） 激光探测距离： > 300 m ；
2） 激光扫描视场：> 60度；
3） 激光探测频率：500 kHz （max）
4） 激光雷达重量： < 5 kg ；
2、 （多旋翼）无人机平台一体化集成，
1） 机上载荷总重：≤8 kg，包括微型激光雷达、位姿测量模块、小型数字相机和GPS天线
2） 飞行作业高度：20 – 200 m ；
3） 最大巡航速度：≥ 10 m/s；
4） 续航时间：≥25 min；
5） 高程测量精度：优于15 cm；平面测量精度：优于20 cm

四、课题研究开发内容
(一) 主要研发工作及关键技术
项目主要研发工作及关键技术如下：
1. 5kg级无人机载激光雷达系统研制，包括总体方案设计、组成模块集成化设计、系统集成及试验等方面工作。其关键技术是微型激光雷达系统设计及功能模块高度集成技术。
2. 微型激光雷达与多旋翼无人机一体化集成和数据处理工作站研究。针对一款多旋翼无人机设计微型激光雷达载荷参数配置，设计微型激光雷达空中作业一体化工作流程，包括飞行规划准备、遥控数据采集、数据分析和提取等作业步骤。其关键技术是5kg激光雷达与无人机集成，一体化飞控和激光雷达自主作业技术；
3. 基于多旋翼无人机平台的5kg级无人机载激光雷达应用飞行验证研究。通过对数字城市和新农村调查项目，实现大比例尺数字城市测图、农村土地勘测、农林生物量测量作业。其关键技术是基于大姿态变化飞行平台的高精度激光数据解算及成图技术。
(二) 技术创新点
研制5kg级无人机载激光雷达系统的主要技术难度在于保证激光雷达三维测量精度的前提下，实现激光雷达设备各模块功能优化和集成化，降低设备尺寸、重量，与飞行平台一体化集成，并具备自主作业能力。另外，由于多旋翼无人机或无人直升机飞行姿态变化大，位姿测量模块相比大型激光雷达设备测量精度又低一个数量级，因此保证微型激光雷达的数据精度也是本课题需要解决的技术难题。解决这些技术难题是本课题的主要创新点。
1、5kg级无人机载激光雷达系统
目前国外的两款微型机载激光雷达都不是为低空航空测绘专门设计的激光雷达系统。Velodyne公司的HDL32激光扫描仪是一款车载导航产品，其测量距离近（~ 100 m）、测绘精度低（2cm@30m）；Riegl公司的VUX激光扫描仪的测量网格稀疏，不能完全实现对地扫描，无法真正满足小区域、灵捷测绘需求。本课题计划研制的5kg级无人机载激光雷达是航空测绘专业设备，其测量距离远（>300m）、扫描视场100%有效（> 60度）、测量网格密度高（激光频率：500kHz），属于真正的高效、高精度微型测绘机载激光雷达产品。
系统在尺寸、重量方面的压缩涉及主动光学测量、微弱光电信号检测、系统控制及数据采集等所有模块集成化改造工作。另外，由于系统内部尺寸空间收缩，信号辐射对光电测量的干扰更为严重，对电路和电气系统的设计也更为严格。成功研制5kg级无人机载激光雷达系统需要在系统技术、集成光学和集成电路技术等方面全面提升，代表了激光测量技术领域的国际领先水平。
2、与多旋翼无人机载平台一体化集成，实现在大姿态变化飞行平台上高精度激光数据解算及成图
机载激光雷达在飞行作业中一般需要专业的测绘导航设备，需要高精度位姿测量模块，需要在测绘飞行中监控激光雷达的工作状态和数据输出，并据此调整设备作业参数，需要在测绘作业中保证飞行姿态稳定。 而5kg级无人机载激光雷达在作业中无人员值守，没有额外的测绘导航设备，没有高精度位姿测量系统。只有把激光雷达与无人机（在本项目中采用多旋翼无人机）高度一体化集成，与无人机共用电源管理模块和电池，通过飞控链路获取激光雷达状态参数并发出作业指令，通过地面控制实现无人机和激光雷达一体化控制，同时针对姿态剧烈变化设计专门的扫描控制、位姿测量和数据处理方法，实现高精度激光雷达扫描测量和大比例尺测绘成图。

五、课题技术方案与技术路线
1、技术方案与技术路线
(一) 5kg级无人机载激光雷达研制
1）5kg级无人机载光雷达系统总体设计如下：
① 根据微小型雷达系统的应用环境和技术指标要求定义系统外部接口和功能模块，确定模块功能、指标及模块间接口关系。针对微小型雷达系统中低空飞行作业的特点，在设计过程中将充分考虑设备的轻型集约化设计降低设备的重量；针对飞行平台受中低空大气扰动的情况，系统增强扫描补偿计算等能力保证测量数据精度。
②选型、采购位姿系统（POS）,实现与位姿系统（POS）及航测相机的接口技术。作为微型航空遥感系统的三种载荷，雷达、POS与航测相机之间需要进行频繁数据交换与数据解算，因此需要完成三者的接口设计与数据传输同步。（微小型雷达外部功能关系如图1所示）
③设计微小型雷达机械布局和电气布线，协调机械总体与各分系统模块机械接口关系和工程化实施方案，组织系统集成试验和试验校飞。
轻小型航空遥感平台（机械、电气及控制支持）
小型
数字相机
POS
系统
导航数据
姿态数据

触发信号

曝光信号
微小型
激光雷达

图1 微小型雷达外部功能关系（机上作业）
2）模块化集成分系统研制
如图2所示，微小型雷达系统主要包括机上设备和地面系统两部分。机上设备主要由激光发射机、光学系统单元、光机扫描及控制单元、光电信号检测及计量单元、系统控制及数据采集单元、主控计算机单元、数据记录存储单元和雷达电气及环境保障单元。另外，为实现激光雷达自主飞行作业，机上设备还包括航线监控和指示单元用于实现飞行设备指令控制和飞行航线记录，以及定位测姿单元用于实现同步、高精度位姿及姿态测量；地面系统包括地面支持系统和雷达数据预处理软件。地面支持系统包括航线规划、数据标校和地面差分站。其中地面差分站选择高精度的RTK实现控制点测量和地面差分基站两项功能。
地面支持系统（航线规划，数据标校，地面差分站）

）

数据预处理软件

地面系统
机上设备
航线监控和指示单元
定位测姿单元
图2 机载激光扫描雷达系统组成简图
模块集成化设计工作主要针对上述功能单元实现。在微型激光雷达系统中，激光发射机包括激光器，激光器驱动和激光发射光路镜组。其中激光器采用光纤激光器设计，其设计出光功率为0.1 - 0.3W，脉冲频率100 - 500 kHz。这些控制参数可以通过激光器驱动的串口（RS422或RS485）由控制计算机实时控制。激光发射机的最后环节是激光发射光路镜组，该镜组负责对激光器发出的激光进行整形和光束发散角调节，保证激光仪良好的光速质量发出。
为节约系统空间，光学系统单元的激光信号接收光路与激光发射光路采用同光轴设计，通过紧密的机械结构，在激光信号接收光路镜组中同轴嵌入激光发射光路镜组，如图2所示。激光信号接收光路与激光发射光路的共用扫描镜，通过光机扫描及控制实现激光光束在视场范围内扫描，遍历照射到目标区域，同时作为接收光学系统的前端接收激光回波信号。
光电信号检测及计量单元包括回波信号检测单元、零时刻检测单元、激光回波信号处理单元和激光信号测量单元，其主要功能是对激光回波信号进行光电转换、信号放大、噪声抑制和信号定时检测，最终完成对激光回波信号能量以及和激光飞行时间间隔的测量。
设备控制计算机单元包括系统控制和数据采集（SCADA）模块、主控计算机和实时数据处理模块，数据存储单元，扫描同步控制等模块。微小型雷达扫描数据被存放在数据存储设备中，在飞行测绘结束后，激光扫描数据通过地面处理中心的雷达数据预处理软件分析、处理。
3）单元技术指标和系统集成试验
系统总装方案设计工作将与各分系统研制同步开展。总装集成工作内容包括部件指标及接口确认，分系统测试及全系统联调，系统标校设计和检校试验，系统可靠性试验和飞行测试等工作。完成总装集成的微型雷达通过机械和电气接口实现与轻小型航空遥感系统的紧密集成。
单元技术指标测试和系统集成测试的主要项目如下：
①环境实验：包括振动测试、运输颠簸振动测试和跑车实验，以及温度测试，包括高温测试，低温测试和温度变化测试
②高频、高精度光电信号检测及时间计量精度测试。由于光电信号检测及计量单元是全系统降低尺寸、重量，并提高信号检测能力的关键技术环节，改测试将要求使用高频示波器和高频信号发生器作为系统调制的信号源和信号检测工具。
③数据一致性及完整性测试，包括激光雷达数据采集能力和数据采集误码测试
④系统链路集成测试，包括无人机飞行平台，位姿模块和数据相机集成和测试工作
⑤全系统相对及绝对定标实验和全系统跑车测试
为完成上述单元及系统集成测试，根据目前市场调研情况，本项目计划采购DPO7254C型高频示波器或相似指标的示波器产品，AFG3252C高频信号发生器或相似指标的信号发生器产品，华测X91型GPS实时差分基站或相似指标的GPS RTK产品。
(二) 微型激光雷达与多旋翼无人机一体化集成
AP-0200微型机载激光雷达的外形结构设计如图3所示，综合考虑多旋翼无人直升机尺寸及重量限制和激光探测作业性能参数要求，设计系统集成方案。
系统设计采用开放式框架结构设计，AP-0200与位姿测量模块（IMU）刚性联接并安放于多旋翼无人机腹部，GPS天线安置在多旋翼无人机头顶，AP-0200自带数据存储系统。激光雷达与无人机共用电源管理模块和电池，整个载荷重量将小于8kg。

图3 AP-0200激光雷达及IMU集成方案设计（北科天绘）
在一体化集成方案中，地面控制工作站对激光雷达载荷的控制指令参数如表1所示。
表1 地面控制工作站对激光雷达的控制参数
无人机平台控制
具有无人机状态监视功能；
提供无人机参数配置工具；
具有飞行任务规划功能，可在飞行中实时修改；
具有航拍任务辅助设计功能，简化航拍任务规划；
具有航空仪表显示功能；
具有飞行航迹显示功能；
提供飞行日志数据下载和分析工具；
集成Google Earth地理信息系统；
激光雷达状态监控
激光安全监控
激光发射频率和能量监控
回波信号信噪比与回波采样数监控
扫描参数调整，扫描开关控制
雷达、相机和POS同步触发
实时自动记录、显示坐标姿态数据
实时精确显示航线位置与飞行航迹

(三) 数据处理工作站
数据处理工作站的硬件主要包括具有GPU计算功能的高性能图像处理工作站，其软件系统组织的结构为：激光雷达点云数据预处理算法模块实现原始点云数据的解算，并可通过界面窗口显示；点云数据滤波与分类算法模块，可以实现标准机载激光雷达点云数据的滤波、分类处理，并通过界面窗口显示处理结果；通过定量遥感产品生产处理相关算法，获取符合测绘标准的DEM和DSM数据，系统可提供标准DEM和DSM数据的浏览显示。如图4所示。

图4 数据处理软件组织结构图
激光雷达点云快速预处理，是激光雷达数据预览和数据处理的基础，点云预处理目的是实现激光点云数据的解算，即将原始激光点云数据解算为设备坐标系或某空间直角坐标系下点云数据。激光雷达数据预处理功能包括：点云数据解码、数据有效性检查、点云数据姿态融合、点云数据解算。
激光雷达点云信息的自动处理，主要包括点云信息的滤波处理和分类处理。
点云信息滤波：点云信息滤波目的是剔出数据中的噪声，包括空中的杂散光噪声、近地表的杂质点（树木、飞行物等），保留对获取DEM和DSM有用的激光点云数据。
点云信息分类：激光点云信息分类可以分离地形、人造地物、自然地物等不同特性的测量目标，可以更有效地提取适于生成DEM和DSM的不同类型激光点云信息。
定量遥感产品的制作，要求依据不同比例尺（1:1000）测绘产品的需要，制作符合相应格网密度和精度的DEM，DSM数据产品。
DEM：选用适于地形特征的内插算法，对离散的地面激光点云数据进行内插，制作相应比例尺的DEM测绘产品。
DSM：选用适于地表特征的内插算法，对离散的地表激光点云数据进行内插，制作相应比例尺的DSM测绘产品。
测绘产品制作模块可以针对地形、地表的特点，提供不同离散高程点内插方法，以利于建立格网或三角网的数字高程模型。数据处理软件的系统功能结构如图5所示。

图5 数据处理工作站软件功能结构图
(四) 基于多旋翼无人机平台的5kg级无人机载激光雷达应用飞行验证研究
在本课题中，应用飞行验证将遵照课题目标，利用课题研制的载机一体化激光雷达作业系统，开展工程应用示范研究。应用飞行验证区选择在河北涿州，示范项目包括城镇数字化测绘和农村土地勘测。应用飞行验证区计划选择2块各1平方公里以上区域，测绘飞行高度200米，通过测区设计和条带飞行验证激光雷达及多旋翼无人机平台一体化作业能力，通过航带拼接和数据成图验证高精度机载激光雷达数据预处理及后处理能力，通过测区内检查点验证1:1000测绘成图精度。
1）应用飞行验证1：城镇区域大比例尺测图
合作单位：中国测绘科学研究院
试验地区：河北涿州东城坊镇飞行标地检校厂
飞行验证面积：1平方公里以上
试验方案：
利用已有地形图或GoogleEarth地图，进行试验区域规划，设计无人机飞行航线、飞行高度，完成无人机激光雷达数据获取的航线规划。
进行激光雷达地面布设控制点靶标的设计和制作；在试验飞行区域布设一定数量的控制点（10-20个），并利用差分GPS测量不设控制点的WGS84坐标，用于激光雷达DEM数据精度评估。
调试无人机载激光雷达系统，进行地面系统测试；依据无人机激光雷达航线规划的路线、顺序，开始激光雷达数据采集。
激光雷达数据解算、数据处理，依据相关地理信息测绘标准，生成1：1000比例尺DEM和DSM数据。
基于解算的激光雷达数据，由相关质量检测部门，提取激光雷达靶标雷达数据，对机载激光雷达获取的数据进行质量检查和评估，形成质量测试报告。试验方案流程如图所示。

图6 试验方案流程图
飞行验证成果：无人机载雷达1：1000比例尺测图报告
2）应用飞行验证2：利用无人机载激光雷达，林地地形三维测绘及植被生物量勘察
合作单位：北京四维远见科技有限公司
试验地区：河北涿州东城坊镇飞行标地检校厂
飞行验证面积：1平方公里以上
试验方案：
选择典型的森林植被覆盖试验区域，获取试验区激光雷达数据；依据试验区域飞行数据要求，设计无人机飞行航线、飞行高度，完成无人机激光雷达数据获取的航线规划；在对数据进行预处理的基础上，通过点云滤波和分类，实现地形和植被的信息分类，从点云数据生成树冠高程模型，提取森林结构特征参数，结合同步获取的地面调查数据，进行验证、应用飞行验证和质量评价。
试验区域选择，无人机载雷达飞行航线规划。
调试无人机载激光雷达系统，进行地面系统测试；依据无人机激光雷达航线规划的路线、顺序，开始激光雷达数据采集。
激光雷达数据解算、数据预处理，进行点云数据滤波和分类，实现地形和植被的信息分类，从点云数据生成树冠高程模型。
实地植被生长调查、量测和典型参数获取。
提取森林结构特征等典型参数，结合同步获取的地面调查数据，开展试验数据和方法的验证，形成植被分布、单树木高度、位置等参数等评估报告。试验方案流程如图所示。

图7 试验方案流程图
示范成果：无人机载雷达植被分布和典型参数评估示范报告
2、课题组织实施与管理措施
项目组的研究人员总共有15人，其中高级职称5人，中级职称7人，博士1人，硕士4人，分别从事机械结构设计、控制系统设计、光机结构设计、地面控制工作站、作业软件开发、电气系统设计、数据处理软件开发、系统集成、系统检校、数据处理和实验工作。
为保证项目的顺利实施，北科天绘将建立一套完善的项目组织管理和运行机制，加强项目计划的统一管理，确保任务按时完成。具体项目组织实施和管理措施如下：
1） 项目由总经理张智武牵头，在公司年度研发和经营计划中把该项目作为支持重点，加强5kg无人机载激光雷达的研发力量；项目团队成员分别从研发部、生产部、技术支持部、项目经理部和采购库存管理部门抽调，项目成员保证60%以上时间参与该项目工作。
2） 2015年3月开始，改组公司技术支持部为两个部门，即项目经理部和技术支持部。技术支持部的首要任务是落实多旋翼无人机合作厂商，项目经理部负责应用飞行验证项目具体规划和落实；公司研发部负责5kg无人机载激光雷达的总体方案设计、各分系统模块研制和多旋翼无人机集成工作，陈楠高工负责研发计划调度并组织研发阶段报告编写，杨燕林高级工程师负责技术方案协调和研发成果落实，研发部负责项目设计文档入库管理和接口文档共享；公司生产部负责设备生产组织和调试工作，赵瑞环组织生产实施、分系统及整机测试和设备标定工作；研发过程中阶段目标和成果评审由研发部组织，生产部和技术支持部参与评审，并提供过程质量建议。必要时邀请外部专家参与关键技术模块和系统总体方案设计和评估工作。
3） 在项目实施过程中，物料和零部件采购按照公司已有的ISO9000流程执行，所有项目相关采购需独立列支，按季度做统计报表并报公司财务部。
4） 项目外协合同按照公司OA流程审批执行，研发部陈楠和生产部赵瑞环分别负责外协合同的质量管理过程。
5） 项目负责人在每季度组织专门会议对该项目计划执行情况和关键节点进行进度评估和业绩考核。关键节点包括全系统实施方案评审，5kg机载雷达结构方案及装机方案评审，系统集成测试及定标方案评审，应用项目规划和实施方案评审，项目5kg级无人机载激光雷达研制工作总结报告评审等。
六、课题各年度任务目标、考核指标及研究开发内容完成的计划进度
年度
分年度研究开发内容、目标及考核指标
2015 年
1月 –3月根据前面二修改调整
工作任务：项目规划，系统概要设计阶段
工作目标：对项目工作整体评估，并制定详细执行计划
研发内容：系统概要设计，系统技术指标计算及分解，关键部件技术成熟度及外协调研
考核指标：
1、 项目详细计划安排（M.S. Project格式），包括任务分工和人员组织
2、 系统实施方案报告，分系统技术指标定义
4月– 6月
工作任务：
执行5kg激光雷达系统详细设计阶段工作任务，针对系统模块高度集成化设计开展关键技术攻关，多旋翼无人机厂家走访，落实采购任务。
工作目标：
开展关键技术攻关和激光雷达详细设计，完成主要分系统详细方案设计，完成多旋翼无人机调研。
研发内容：
系统总体方案详细设计，包括激光发射机单元，主动光学测量分系统设计、光电检测模块设计、测距及测角模块设计，系统控制及数据采集（SCADA）模块设计；关键技术攻关，包括主动光学系统集成光学模块研制，光电检测厚膜集成电路研制，SCADA系统SOC研制；多旋翼无人机厂家调研，包括飞机尺寸、旋翼个数、振动环境、最大带载重量、电池容量、留空时间、作业展开时间等方面内容。
考核指标：
1、 激光、光学、光电、测量和SCADA模块及分系统详细设计方案报告，包括图纸，物料清单（BOM）和接口控制文件（ICD）等；
2、 主动光学系统设备尺寸优于160mm x 90mm x 70mm，光电检测电路尺寸优于150mm x 90mm x 35mm，SCADA系统尺寸优于100mm x 100mm，电气系统模块尺寸优于80mm x 80mm。
3、 关键零部件外协采购合同；
4、 多旋翼无人机厂家、产品性能及报价对照表格
7月– 9月
工作任务：
继续执行激光系统详细设计阶段工作任务；落实多旋翼无人机采购任务，拟定激光雷达与多旋翼无人机平台一体化集成方案。
工作目标：
完成激光雷达详细设计，采购多旋翼无人机，完成全系统集成方案设计。
研发内容：
系统总体方案详细设计，包括5kg级激光雷达电气系统设计和结构设计；继续开展关键技术攻关，明确关键技术方案；明确多旋翼无人机技术指标参数，明确多旋翼无人机飞控系统接口定义，研究多旋翼飞控系统并设计激光雷达集成方案，包括机械结构、电气联接、电源供电、通信逻辑和地面控制等；各分系统模块采购、加工；激光雷达控制及通信软件研发。
考核指标：
1、 完成多旋翼无人机采购
2、 完成关键技术攻关和激光雷达详细设计方案，包括各分系统详细设计方案和接口定义文档，完成5kg级激光雷达结构设计，其各项技术指标包括：
1） 设备重量： < 5 kg ；
2） 激光探测距离： > 300 m ；
3） 激光扫描视场：> 60度；
4） 激光探测频率：500 kHz （max）
5） 多回波数据采集（1-4回波）
10 月– 12月
工作任务：激光雷达系统集成测试；激光雷达及多旋翼无人机集成测试。
工作目标：完成5kg级无人机载激光雷达系统样机研制
研发内容：
编写微型激光雷达系统集成测试大纲和测试细则；微型激光雷达集成测试；编制多旋翼无人机载激光雷达系统集成测试大纲和实验细则；多旋翼无人机载激光雷达系统集成测试及功能测试；全系统环模实验，着重测试在振动和电磁干扰条件下，全系统的安全和可靠特性。
考核指标：
1、 完成微型激光雷达总装集成和功能测试，技术指标如下：
1）距测精度(RMS)：< 5mm + 50 PPM（10mm@100m，）
2）测角精度(RMS)：0.01°
2、 完成多旋翼无人机及激光雷达一体化集成和功能测试工作，其各项技术指标包括：
1） 机上载荷总重：~8 kg
2） 作业条带幅宽： > 1倍飞行高度；
3） 位姿测量系统精度：优于0.1°/hour
4） 数字相机视场： > 60度
2016年
1月– 3月
工作任务：
编写多旋翼无人机激光雷达系统操作规程和飞行实验大纲；布设实验区；编写系统测试软件和实验分析软件。
工作目标：实现全系统飞行测试，获得飞行实验数据。
研发内容：
系统软硬件全面功能及性能测试，保证系统可靠和飞行安全；测试实验环境建设，包括实验飞行区域，空域协调；
考核指标：
1、 飞行实验大纲，飞行实验测试细则
2、 测试全系统飞行作业能力
1） 飞行作业高度：20 – 200 m ；
2） 最大巡航速度：10 m/s；
3）续航时间：25 min；
3、 系统定标软件及算法
4、整机系统通过环模实验验证
2016 年
4月 – 6月
工作任务：
系统可靠性评估；设计系统定标方案；开发数据解算软件；应用飞行验证区考察；空域协调
工作目标：
5kg级激光雷达系统定标，解决大姿态变化情况下数据解算关键技术，准备应用飞行验证项目
研发内容：
完善系统安全可靠性评估大纲；控制点布设及测量；激光雷达系统测绘飞行控制软件开发及测试；系统定标及数据解算软件开发及测试
考核指标：
1、 完成全系统定标和精度评定；
2、 系统进入常规作业状态，系统展开时间优于1小时
3、 完成应用飞行验证区规划和准备工作
2016年
7月 –9月
工作任务：
联合合作单位，推进应用飞行验证项目顺利开展，包括空域协调，测区规划，控制及检测点布设等。
工作目标：开展应用飞行验证工作
研发内容：
系统可靠性评估；按照测试大纲和操作规程，依据测区规划定义飞行航线；针对激光雷达及多旋翼无人机一体化作业平台完善航线设计及规划软件；
考核指标：
5kg无人机载激光雷达飞行应用演示验证。完成应用飞行验证包括，完成精度评估报告，完成第三方精度评价报告。
1）高程测量精度：优于15 cm；平面测量精度：优于20 cm
2）作业精度：达到1:1000测图标准，争取达到1:500测图精度
2016年
10 月– 12月
工作任务：完善应用飞行验证项目内容，评估应用飞行验证成果，准备项目结题验收
工作目标：应用飞行验证，项目结题
研发内容：
应用飞行验证项目测区覆盖性评估和补飞；测绘数据处理及专题数据分析；应用飞行验证项目飞行实验总结和数据精度评估；项目结题准备，包括技术及工作报告，财务报告等。
考核指标：
1、 应用飞行验证项目成果：
1） 飞行验证测区面积：> 1 km2
2） 测绘比例尺：1:1000
3） 数据产品：DSM，DEM，典型地物建模
4） 数据格式：.las, .xyz, .tiff
2、完成项目技术报告和工作报告等项目结题文件
七、课题经费预算 500.00 单位：万元
1、项目经费来源：
来 源
2015年
2016年
合 计
市财政科技经费
150
0
150
其他
来源
国家有关部委拨款
0
0
0
项目主持单位匹配
0
0
0
课题承担单位自筹
150
200
350
其他
0
0
0
合 计
300
200
500
2、项目经费支出：500万
（1）项目经费支出预算
科 目
来源
2015年
2016年
合 计
设备费
市财政科技经费
75.8
0
97.8
其他来源
0
22
材料费
市财政科技经费
43
0
85
其他来源
36
6
测试化验加工费
市财政科技经费