Как использовать беспилотные платформы, оснащенные LIDAR?

Технология LIDAR (или LiDAR) сегодня все чаще мелькает в заголовках газетных новостей и в статьях научно-популярного характера. Несомненно, она предоставляет пользователям определенные преимущества по сравнению с другими методами исследований, ведущихся с применением беспилотных летающих платформ. Но что это за технология, в чем заключается ее сила и преимущества? Давайте посмотрим.

Что такое LIDAR?

В последнее время об этом инструменте говорят все больше и больше. И те, кто впервые сталкивается с технологическими инновациями в геодезии, включая использование беспилотных платформ, все чаще задаются вопросом, что представляет собой LIDAR. Этот прибор нередко ассоциируют с радаром или локатором. Да, LIDAR позволяет находить скрытые объекты, но принцип его работы иной. Для сканирования поверхности он использует лазерный луч. Если привычная нам технология фотограмметрии использует визуальную съемку для создания топографических карт и трехмерных моделей, то LIDAR с помощью лазерного луча создает изображение на основе тысяч точек с данными. В последнем случае очевидным преимуществом становится очень высокое качество съемки и высочайший уровень детализации объекта.    

Это совсем не значит, что LIDAR станет доминирующим инструментом и самым предпочтительным решением. Причина в том, что фотограмметрия, по крайней мере пока, занимает свою нишу и играет важную роль в качестве более дешевого, удобного и простого в настройке инструмента по сравнению  с системой LIDAR. 

Тогда в чем же преимущества LIDAR и где его лучше применять? У этой системы также есть собственная ниша: быстрое и эффективное сканирование (съемка) с воздуха, чтобы “увидеть” то, что скрыто от человеческого глаза под деревьями, из-за слабого освещения, облачности или других факторов, препятствующих традиционной аэрофотосъемке. Кроме того, в то время как метод фотограмметрии предлагает создавать точную трехмерную карту путем определенного количество перекрывающихся изображений, LIDAR ту же карту сможет создать на основе точных измерений. Результаты этих измерений можно использовать для создания точных цифровых матриц высот и/или моделей рельефа (Digital Elevation Models (DEM)/Digital Terrain Models (DTM)).

Во многих случаях LIDAR также можно использовать для обоснования более точных решений по детализации небольших или тонких (узких) объектов, например, линий электропередач, трубопроводов. В таких ситуациях, если не брать в расчет тепловизионную съемку, визуальные кадры не позволят точно выделить объект из окружения. Подводя итоги небольшому сравнению преимуществ фотограмметрии и технологии LIDAR, можно сказать, что в одних случаях лидерство будет по-прежнему за фотограмметрическим методом, а в других – за технологией LIDAR.

LiDAR, LIDAR или lidar?

Истоки технологии уходят к теперь уже далеким 1960-м годам, когда появились первые лазеры. Сейчас уже мало кто (кроме специалистов) знает, что слово “лазер” является сокращением от английского выражения “light amplification by stimulated emission of radiation”, то есть “усиление света посредством вынужденного излучения”, или laser. Первое время слово писали с заглавной буквы (как, кстати, и слово “Интернет”), пока технология не стала привычной. 

Сейчас немного забавная ситуация складывается с термином LIDAR. Строго определенного правила написания не существует: термин все еще обсуждают. Сначала под словом LIDAR подразумевали просто “свет” или “радар”. Но впоследствии смысл названия новой технологии был расширен и превратился в аббревиатуру выражения “обнаружение и определение дальности с помощью света” (англ. “Light Detection and Ranging”). Оно более точно соответствует той сути, которая описывает саму технологию и вместе с тем напоминает опять же о радаре (“радиообнаружение и определение дальности” – англ. “radio detection and ranging”) и сонаре (“система звуковой локации и обнаружения” – англ. “sound operation, navigation and range”), которые также представляют собой аббревиатуры технологий, но теперь также не требуют заглавных букв, как это было в начале. Так как же правильно писать? Все три варианта допустимы, писать можно так, как удобно. 

Как устроен и функционирует LIDAR?

Как уже отмечалось, принцип работы LIDAR’а напоминает принципы функционирования радара и сонара, но основан на технологии лазерного луча. Лазерный луч направляется датчиком или сканером. Затем, достигнув объекта, луч как бы отражается от него, а датчик фиксирует время, требующееся на возвращение. Расчет времени происходит на основе простого уравнения, в котором время, умноженное на скорость света (300 000 км/с), делится на 2, чтобы учесть в расчетах путь туда и обратно и определить пройденное расстояние.

Это позволяет определить точные параметры расположения того объекта, куда попал один луч лазера. Однако при этом следует учесть, что датчик способен быстро направлять сотни тысяч лучей. В результате, процедура позволяет создать детальное “визуальное” представление о объекте, “обстреливаемом” лучами датчика. Причем неважно, находится ли объект прямо под дроном, над ним или под определенным углом. Наконец, технология позволяет фильтровать любые посторонние данные отображения или “обратное рассеяние” из-за перемещений лазера. Один из наиболее ярких примеров применения технологии LIDAR – дорожная полиция, использующая специальные “пушки” (радары определения скорости) для фиксации скоростного режима автомобилей. В таких устройствах датчик направляет лучи для получения информации о расстоянии до автомобиля. Несколько параметров позволяют точно рассчитать скорость машины. Кроме этого соответствующие модели LIDAR устанавливаются на беспилотные версии автотранспорта. Но это уже тема другого порядка.

Многократный запуск лазерных лучей весьма эффективен, когда необходимо увидеть какие-то объекты, которые скрыты густой растительностью (джунглями, тайгой, густым кустарником). Пока один луч попадает, например, на край листа, другой проникает сквозь крошечный промежуток между листьями и добирается до объектов ниже. Посмотрите на то, как солнечные лучи падают сквозь листву деревьев, когда вы стоите посреди леса. Это примерно то же самое. 

Такая технология помогает с помощью системы LIDAR находить скрытые древние города в лесах Латинской Америки или контролировать процессы в тропических лесах Амазонки. Команда исследователей просто запускает дрон, оборудованный подвесным датчиком LIDAR и сверху наблюдает за тем, что происходит или находится под густыми кронами деревьев. В противном случае потребовалось бы направить многочисленные команды на земле и выполнять трудоемкую работу по тщательному осмотру и наблюдению. В некоторых случаях по целому ряду объективных причин наземная разведка и наблюдение просто невозможны. LIDAR можно использовать вместе с различными цветовыми палитрами для определения переменных в каждом изображении. Они могут быть настроены на основе высоты или более точных параметров. Эти параметры настраиваются заранее с учетом особенностей ландшафта (наличия камней, растительности, типа почвы, наличия водных источников и т.п.).

Как использовать LIDAR в геодезических исследованиях?

Геодезические исследования – это одно из наиболее интересных направлений для применения лазерного сканера. Для эффективного выполнения исследований помимо беспилотной летающей платформы, оборудованной LIDAR, вам потребуется система GPS или GNSS. Она поможет определить точное местоположение инструментария. 

Кроме этого дрон должен быть оборудован инерциальным измерительным блоком (IMU) для компенсации движений самого дрона (поворотов, рыскания, тангажа). Впрочем, все дроны DJI уже давно имеют на борту этот модуль, а последние версии промышленных летающих платформ получают также резервные модули IMU для обеспечения надежности и точности работы. 

Также, вам понадобится достаточно мощный компьютер для обработки полученных данных и, возможно, дополнительное программное обеспечение в зависимости от того, что вы хотите делать с полученной информацией.

Все это может означать дополнительные расходы. Для установки LIDAR лучше всего использовать промышленные версии дронов DJI: популярные в таких случаях серии Matrice 600 Pro, Matrice 210 RTK/210 RTK V2 или новейший на сегодня Matrice 300 RTK. Эти модели, особенно М600/М200 уже давно совместимы со многими версиями лазерных сканеров. Также придется позаботиться о приобретении решений RTK и PPK, современного ПО, которое обойдется чуть дороже программных пакетов для фотограмметрии.

Тем не менее, одним из преимуществ LIDAR является то, что он не требует наземных контрольных точек. Да, пара таких точек может дополнительно подтвердить точность измерений, но это совсем не обязательный компонент. А вот для визуальной съемки такие точки будут весьма и весьма полезны. Таким образом, при использовании лазерного сканера вы уже выигрываете по времени, затраченным усилиям и даже затратам на настройку оборудования.  Кроме того, для создания 3D-модели LIDAR требуется гораздо меньше наложений изображений, чем для визуального ортофотоплана (последний требует почти в два раза больше перекрытий). Этот факт означает, что процесс обработки информации и создания моделей будет в несколько раз быстрее. Вам не придется иметь с тысячами файлов с RGB-изображениями в высоком разрешении. 

Таким образом, как и во всех операциях с беспилотниками, существует множество вариантов. И прежде чем выбирать какой-либо из них (лучше и экономичнее), следует рассмотреть все, сравнить их и рассмотреть другие возможные факторы (тип используемого датчика, управление беспилотником, тип съемки, высоту и другие параметры). 

Когда можно использовать LIDAR?

Лазерное сканирование, а значит, и применение LIDAR на беспилотной платформе, может оказаться полезным в самых разных областях. Конечно, речь идет в первую очередь о воздушной съемке и инспекциям, однако это далеко не все. Впрочем, опять же не стоит забывать и о пользе обычной съемки с помощью визуальных камер. Но когда визуальный осмотр с воздуха невозможен и не дает нужных результатов, то можно максимизировать преимущества системы LIDAR.

Выше уже приводились некоторые примеры успешного применения LIDAR. Так, например, в лесной промышленности и системе охраны лесных насаждений лазерное сканирование помогает решить целый ряд задач, которые либо не по силу наземным службам, либо требуют слишком больших ресурсов. Например, LIDAR помогает вести мониторинг лесных угодий на предмет распространения различных сорняков или опасных для деревьев организмов. Так, в Шотландии специалисты используют лазерный сканер для контроля местных лесов и распространения там грибковых заболеваний на кустах рододендрона. Кроме этого LIDAR помогает измерять густоту деревьев и многие другие важные моменты. 

Не менее интересным направлением применения лазерного сканирования с дрона становится сельское хозяйство. Так, помимо мониторинга растительности и различных сельскохозяйственных культур беспилотники, оснащенные комплексами LIDAR, проверяют дренажные системы, обследуют дамбы на рисовых фермах, проводят мониторинг урожайности, выявляют те участки, которые требуют изменения системы полива, внесения удобрений и др. 

Также специалисты стали успешно использовать технологии LIDAR для контроля за состоянием почв и рельефа для мониторинга эрозии или деформации за определенный период времени. Лазерное сканирование помогает обнаружить незначительные изменения в топографии, а также будет эффективным инструментом для мониторинга ситуации в случае стихийного бедствия, оперативного наблюдения за обстановкой, чтобы получать точную информацию о состоянии земной поверхности. Наконец, не так давно LIDAR стал активно применяться археологами (о чем уже упоминалось выше). Изучение труднодоступных районов, где когда-то могли существовать древние цивилизации, помогло сделать поразительные открытия: скрытые растительностью и слоями почвы монументальные здания, поселения людей и заброшенные сельскохозяйственные угодья. 

Еще одно направление – проверка инфраструктуры: трубопроводов, линий электропередач, железных и шоссейных дорог, кабелей и др. То есть, речь идет о таких объектах, где необходимо знать о состоянии компонентов с особыми параметрами (тонкие кабели или провода ЛЭП), для проверки которых визуальная съемка (а порой и тепловизионная) будут не очень эффективными. При нанесении на карту окружающих объектов и областей с помощью лазерного сканирования можно проверить наличие нависающих деревьев или оборвавшихся проводов, которые представляют опасность для окружающих и оборудования (поражение током, возгорание и др.). 

Как технология LIDAR может влиять на различные отрасли?

Сегодня уже есть разнообразный опыт инжинирингового применения лазерного сканирования с помощью LIDAR. Однако помимо имеющегося опыта существуют перспективные направления использования этой передовой технологии. Например, сейчас активно развивается использование технологий LIDAR для управления дорожными сетями. Этот подход подразумевает отображение всех мельчайших деталей инфраструктуры вплоть до дорожных знаков и окружающей обстановки. 

Кроме этого в контексте управления дорожными сетями LIDAR применяется для мониторинга транспортных потоков и других важных параметров. Например, новая технология оказалась весьма эффективной для изучения и расследования дорожно-транспортных происшествий, особенно в темное время суток. Лазерное сканирование обеспечивает детальное представление об обстоятельствах аварии, помогает собирать доказательства в темноте, а не по прошествии некоторого времени в светлые часы. В итоге, удается оперативно расследовать причины столкновения и открыть трассу для интенсивного движения в утренние часы. А это не только забота об удобстве людей и работе различных частных и государственных организаций. Это также возможность сэкономить значительные средства. 

В последнее время LIDAR стали активно использовать на строительных площадках и в шахтах. Лазерное сканирование может потребоваться для крупномасштабной картографии в потенциально опасных или неблагоприятных условиях, а также для подробных объемных измерений, когда нужно много точных данных для точного расчета запасов и материалов. 

LIDAR также все чаще используется в шахтах для проверки безопасности после использования взрывчатых веществ, нанесения на карту вновь открытых проходов. Благодаря новой технологии снижается риск для людей и даже возрастает уровень безопасности работ в целом. Дрон также может использоваться для поиска людей в полной темноте и быстрого спасения пострадавших от аварий.  

В этом обзоре мы привели всего лишь несколько реальных примеров, когда применение технологий LIDAR принесет явные выгоды и будет несомненным преимуществом. Однако таких направлений много и они постоянно расширяются. Как уже отмечалось, во многих ситуациях использование стандартной фотограмметрии может оказаться более чем достаточным для достижения поставленных задач, но LIDAR действительно может предложить совершенно новый взгляд на привычные вещи и сами методы геодезических исследований. И если это хотя бы чуть-чуть пробудило у вас любопытство, мы были бы очень рады помочь вам и рассказать еще больше о применении беспилотных технологий и тех возможностях, которые они предоставляют.