Сравнение метода фотограмметрии и сканирования LiDAR в беспилотных технологиях

Бурное развитие беспилотных технологий в гражданской сфере сделало их почти незаменимыми во многих отраслях деятельности. Мы уже не раз писали о том, насколько успешно и эффективно беспилотные системы интегрируются в бизнес-процессы и научные исследования. 

Одной из таких областей, где специалисты только выиграли от внедрения беспилотников, стала картография и геодезические исследования. Опытные профессионалы все, как один, отмечают сокращение финансовых расходов и трудозатрат на проведение картографических работ при использовании беспилотных систем. Другим преимуществом специалисты считают существенное  сокращение сроков выполнения проектов по сравнению с традиционными методами, включая применение пилотируемых летательных аппаратов. Наконец, опросы профессионалов свидетельствуют, что в результате исследования объектов беспилотниками и применения специализированных программ обработки данных пользователи получают более точные и повторяемые результаты.

В этой статье мы не только поговорим о новых методах картографии и геодезии, которые сегодня принято объединять под общим понятием “дистанционное зондирование с помощью воздушной съемки”, но и обсудим разницу между двумя технологиями, преимущества и недостатки каждой из них, а также возможности и ограничения в применении. Понятно, что у каждой технологии есть свои преимущества и недостатки. И выбор какой-то конкретной для практического применения будет во многом определяться типом выполняемого картографического проекта.

Что такое дистанционное зондирование?

Под дистанционным зондированием земной поверхности всегда подразумевали методы сбора данных, которые исключают непосредственный физический контакт между измеряемым объектом и человеком или объектом, выполняющим измерение. Этот термин приобрел универсальный характер, поэтому нет ничего удивительного, что в число традиционных методов дистанционного зондирования (например, с помощью спутника или самолета) со временем включили беспилотные летающие платформы. Дистанционное зондирование применяется в комплексе наук о Земле: географии, гидрологии, геологии, экологии и океанографии. 

Кроме научного применения дистанционное зондирование также эффективно в бизнесе и государственном/муниципальном управлении, а также в военной сфере. Без дистанционного зондирования не обходится ни общественное планирование, ни городское развитие, ни землеустройство, ни строительство, ни военная разведка.

Еще одним интересным направлением в дистанционном зондировании является съемка для сельского хозяйства с использованием технологии  нормализованного разностного индекса растительности (NDVI). Об этом мы уже писали, например, в “Обзоре квадрокоптера DJI Phantom 4 Multispectral. 

Дистанционное зондирование позволяет собрать важные данные, которые будут обработаны, проанализированы и использованы по отдельности или в комплексе (с другими данными) для создания формы геопространственных данных, то есть числовых данных, привязанных к определенным координатам местоположения объектов.

Дистанционное зондирование применяется в самых разных областях и помогает решать широкий круг задач. Оно носит более практичный и экономичный характер, что особенно важно для сбора геопространственных данных на больших участках земной поверхности. Например, часто для предварительного исследования районов будущего строительства крупных инфраструктурных проектов приходилось (а зачастую и сейчас приходится) задействовать большое количество людей и дорогого оборудования. Процедура трудоемкая и дорогая и она становится еще более дорогой и трудоемкой в условиях, когда исследовать приходится сложный тип рельефа. Беспилотники позволяют значительно удешевить рабочий процесс, сократить трудозатраты и время выполнения, снизить риск для людей и выполнить проект почти в любых сложных природных условиях. 

Что такое наземные контрольные точки?

Для геодезических исследований, в том числе с применением беспилотников, часто используют наземные контрольные точки (GCP). Они повышают точность карт, создаваемых с помощью дистанционного зондирования. Если дистанционное зондирование использует беспилотные технологии, то для повышения точности также может применяться установка контрольных точек. Об этом мы уже частично рассказывали в статье “Основы точности позиционирования в аэросъемке”.  

Наземные контрольные точки устанавливаются заранее. Они необходимы для точных измерений и сопоставления с данными GPS, полученными с помощью портативных приемников GPS. Наземные контрольные точки служат в качестве своеобразного эталона для калибровки данных, собранных с помощью дистанционного зондирования. Количество контрольных точек и плотность станций зависят от плана съемки. Чем больше контрольных точек, тем точнее и качественнее результат в виде карты или модели. Впрочем, обратной стороной этого метода выступает проблема высоких затрат на оборудование и времени на выполнение проекта.

Активное и пассивное дистанционное зондирование

Чтобы лучше понять различия между технологиями фотограмметрии и  LiDAR, сначала следует разобраться в том, чем отличаются друг от друга пассивные и активные технологии дистанционного зондирования. К пассивному дистанционному зондированию принято относить такой сбор данных, который использует свойства исследуемых объектов излучать или отражать (например, свет, радиоволны и т.п.). То есть, не летательный аппарат, а сами объекты исследования выступают в качестве источника активности. Использование технологии инфракрасной, тепловизионной или радиометрической съемки – это примеры пассивного дистанционного зондирования. Также к пассивному дистанционному зондированию относится аэрофотосъемка, а значит, и фотограмметрия. 

При активном дистанционном зондировании сама беспилотная летательная платформа, а точнее ее специальное оборудование излучает энергию, которая затем отражается или рассеивается измеряемым объектом. Затем отраженная энергия измеряется специальным датчиком для сбора данных о форме, размере или местоположении объекта. Радары и лазерные сканеры LiDAR используют как раз именно такую схему работы. 

Что такое фотограмметрия?

Итак, технология фотограмметрии относится к разновидности пассивного дистанционного зондирования. Создание карты методом фотограмметрии – это использование целого набора фотоснимков определенного участка земной поверхности и их “сшивание” в единое целое. Однако это упрощенное объяснение, так как карта – это больше, чем просто сшитая версия отдельных аэрофотоснимков. Благодаря технологии перекрывающихся фотоснимков фотограмметрия может определить глубину отдельных деталей на изображениях. Это делается с помощью метода триангуляции, который очень похож на то, как работают человеческие глаза. Ведь они тоже по сути захватывают два отдельных изображения объекта, который мы видим, и соединяют их вместе.

Мы уже рассказывали о том, какое оборудование и программное обеспечение требуется для картографии методом фотограмметрии в статье “Фотограмметрия с помощью дронов в качестве альтернативы классическим методам”. Поэтому тут лишь частично повторим, что в целом, для подобной работы не требуется слишком сложное оборудование, если вы используете БПЛА. Практически, любой дрон с хорошей высокопроизводительной камерой можно запрограммировать на получение нескольких перекрывающихся изображений по заранее заданной траектории полета. Обработка этих изображений в единую согласованную карту обычно выполняется с помощью специального программного обеспечения для фотограмметрии: DJI Terra, а также совместимых для дронов DJI программных продуктов сторонних разработчиков (Pix4D, PrecisionHawk и др.).

Преимущества и ограничения фотограмметрии

Специалисты вполне обоснованно отмечают основное преимущество технологии фотограмметрии – ее доступность и экономичность. Есть примеры, хотя мы не рекомендуем так делать, использования для таких задач камеры смартфона, установленной на беспилотник.  Для реализации таких оригинальных решений используются специальные приложения для фотограмметрии и несколько команд автоматизации. Но даже если если вы используете для съемок качественную летающую камеру, фотограмметрия остается сравнительно простым и доступным методом. Использовать его намного проще и дешевле, если сравнивать с более сложными технологиями, включая LiDAR.

Еще одним преимуществом фотограмметрии является ее способность создавать высококачественные аэрофотоснимки с использованием полного спектра цветов. Так как в процессе используется видимый свет, в результате получаются карты высочайшего качества. Это в полной мере относится и к трехмерным моделям ландшафта, которые нередко используются не только по прямому назначению (в строительстве, городском планировании или других подобных сферах), но и в целях создания визуальных образов, которые выглядят очень привлекательно и могут встраиваться в рекламные материалы, видеоролики или презентации.

Однако в последние годы специалисты все чаще сталкиваются с ограничениями технологии фотограмметрии. Иногда это приводит к сокращению использования данного метода дистанционного зондирования. Говорить о резком сокращении было бы некорректно, однако проблемы существуют. Они связаны с тем, что технология полагается на применение визуальной съемки, зависит от видимого света, а также может отобразить только то, что видит камера. 

Но как быть, например, в том случае, если вам нужно получить точную карту ландшафта, скрытого густыми лесопосадками? Карта, созданная с помощью фотограмметрии, сможет лишь отобразить лесной массив (или другие объекты, скрывающие подстилающую почву). А это уже снижает качество полученного продукта и возможности его использования для принятия определенных решений. И тогда на помощь приходит технология LiDAR.

Технология LiDAR

О LiDAR и особенностях ее применения в беспилотных системах мы подробно рассказывали в статье “Как использовать беспилотные платформы, оснащенные LIDAR?”. Не имеется смысла повторяться и снова рассказывать вам о том, что такое LiDAR, поэтому сосредоточимся на том, каковы преимущества и недостатки данной технологии по сравнению с технологией фотограмметрии, а также поговорим о возможностях и ограничениях в применении LiDAR для научных и коммерческих целей.  

Если вы не забыли, то для выполнения фотограмметрии пользователям приходится работать исключительно в условиях хорошей освещенности, т.е. технология зависит от видимого света. И вот здесь мы сталкиваемся с первым и очевидным преимуществом LiDAR – его независимостью от видимого света и универсальностью. То есть, вы можете выполнять съемку LiDAR не только днем, но и ночью или просто в условиях плохой видимости. И что еще важно, так это способность импульсов LiDAR проникать сквозь густую растительность и получать данные о состоянии рельефа, скрытого кронами деревьев или кустарником.

Один и тот же участок леса и дороги. Первый- результат обычной фотосъемки с воздуха. Второй – сканирование LiDAR. На втором снимке отчетливо просматриваются скрытые лесом военные укрепления.

Напомним, что в основе LiDAR лежит технология световых импульсов, которые позволяют в итоге создать плотное облако точек, из которых программа создает результат. Такой метод имеет явные преимущества перед фотограмметрией за счет более высокой точности и возможности получения информации, скрытой от визуальных камер. В большинстве случаев благодаря датчикам LiDAR можно создавать модели с точностью до 1 метра. Дополнительное оборудование на беспилотниках, включающее высококачественные датчики IMU и модули GNSS для повышения точности позиционирования, способствуют еще большей точности моделей, вплоть до 1 см. Такой же точности можно добиться  помощью установки нескольких наземных контрольных точек. 

Другим преимуществом технологии LiDAR является простота и скорость обработки данных по сравнению с методом фотограмметрии. Например, если вы хотите создать модели высокой точности методом фотограмметрии, то вам потребуется большое перекрытие в диапазоне от 60% до 90%. Это ведет к удлинению сроков обработки данных, а также предъявляет довольно высокие требования к аппаратному и программному обеспечению. Если же вы решили использовать для получения высокоточных моделей технологию LiDAR, то вам потребуется перекрытие в диапазоне от 20 до 30%. Опять же для обработки данных полученных методом лазерного сканирования не нужно слишком мощное оборудование и много времени.

Однако у технологии LiDAR имеется и ряд недостатков или ограничений, которые следует учесть, особенно новичкам. Во-первых, следует отметить сравнительно высокую стоимость оборудования для лазерного сканирования. На рынке сегодня представлено множество разработок от различных фирм из разных стран. Стоимость может поэтому существенно варьироваться. Но, например, датчики наиболее известных американских производителей могут стоить от 50 000 до 300 000 долларов. 

Во-вторых, весь комплекс подвесного оборудования для беспилотников будет весить достаточно много, что потребует приобретения или использования летающих платформ высокой мощности и с большими возможностями для полезной нагрузки. Например, одним из наиболее популярных вариантов до сих пор является гексакоптер DJI Matrice 600 Pro, обзор которого ранее мы делали в специальной статье. Впрочем, сегодня появляются лазерные сканеры, адаптированные под возможности серии промышленных дронов DJI Matrice 200 обеих версий и под новейший промышленный квадрокоптер DJI Matrice 300 RTK. 

Еще один момент, который следует учитывать тем, кто еще никогда не сталкивался с технологией LiDAR. Дело в том, что датчики LiDAR собирают данные без цвета. Это значит, что в итоге получается монохромная модель, которая не только визуально выглядит не очень привлекательно, но и затрудняет ее интерпретацию. Впрочем, современные программы позволяют раскрашивать монохромные модели, например, в зависимости от параметров высот. Это важно, если создается цифровая модель местности. Тем не менее, модели, созданные с помощью LiDAR, не подойдут для приложений, где требуется визуальный анализ, то есть, например, для риэлторов (оценка недвижимости), сельского хозяйства (оценки состояния урожая) или других подобных целей. 

Когда лучше использовать фотограмметрию, а когда – LiDAR?

Во многих областях фотограмметрия остается единственным методом, своего рода методом по умолчанию. Причин может быть много: от специфики проектов до фактора стоимости. Многим компаниям, государственным структурам и научным подразделениям сегодня доступны качественные дроны DJI, например, Phantom 4 RTK, а также специализированное программное обеспечение для обработки данных. В таких случаях фотограмметрия остается наиболее практичным и полезным методом в картографии. Фотограмметрия также будет более удачным решением, если вам приходится вести съемку исключительно открытых зон рельефа, где нет объектов, закрывающих интересующие участки поверхности. 

Также если вам нужно создавать трехмерные модели, то нет ничего лучше, чем метод фотограмметрии. Визуальные модели в таком случае получаются с полным спектром цветов, особенно если вы использовали для съемки дрон DJI с качественной визуальной камерой. Фотограмметрия становится хорошим подспорьем, если в вашем проекте требуется визуальная оценка, например, оценка состояния рельефа или дорожные условия, но не только. Да, существуют проблемы с точностью, но их можно решить за счет применения модулей GNSS и установки наземных контрольных точек. 

Но есть обстоятельства, когда LiDAR остается по сути единственно возможным решением. Например, если в вашем проекте объект исследования содержит большое количество различных зданий, лесных насаждений или других препятствий, то фотограмметрия не поможет. И лучше будет обратиться к методу лазерного сканирования. LiDAR лучше покажет точные перепады высот или скрытые под растительностью объекты. Отсюда растущая популярность лазерного сканирования с воздуха в таких сферах, как строительство, создание и обследование инфраструктуры, археологические исследования и т.п. Наконец, как уже отмечалось, LiDAR будет единственным вариантом, если полевые исследования приходится выполнять ночью или в условиях плохой видимости. 

Можно ли сочетать обе технологии?

Если каждая технология обладает определенными преимуществами и недостатками, то возникает логичный вопрос: а можно ли объединить возможности обеих технологий для получения нужных результатов? Да, такая возможность существует. Например, если вам нужно получить высокоточную, полноцветную трехмерную модель объекта, то для этого логично использовать и метод фотограмметрии, и LiDAR. Как это делается? Вы собираете данные с помощью визуальной камеры и отдельно по этому же объекту ведете съемку с помощью LiDAR. Затем в программе производите “наложение” фотографий фотограмметрии на 3D-модель, созданную LiDAR. Однако здесь следует учитывать разную степень точности технологий, что усложняет такой процесс.  Выход можно найти в использовании геоинформационных систем и объединении пространственных данных. Процесс получится достаточно трудоемким и дорогим, но в ряде крупных промышленных проектов такой подход вполне оправдан.

Заключение

Сегодня картография и трехмерные модели рельефа, создаваемые с помощью беспилотных технологий, представляют перспективное и быстро развивающееся направление. Во многом этому способствует не только общая политика цифровизации, но и быстрое развитие беспилотных технологий, их удешевление и простота работы с ними. По сравнению с традиционными методами использование дронов для картографии – это большой шаг вперед (см. статью “Все, что вам необходимо знать о геодезических исследованиях с помощью дронов”). Воздушная съемка с дронов выполняется быстрее,  стоит дешевле и часто дает более качественные данные. 

Технологии фотограмметрии и LiDAR, описанные в этой статье, представляют собой два варианта выполнения картографических исследований. Иногда они являются своеобразной альтернативой, а иногда возможно или предпочтительно использование какого-то определенного метода. Причина заключается в том, что у каждой технологии есть как собственные преимущества, так и недостатки (ограничения). Фотограмметрия дешевле и позволяет получать полноцветные модели, но характеризуется более низкой точностью и более требовательна к постобработке. С другой стороны, LiDAR – гораздо более дорогая технология, позволяющая создавать высокоточные, хотя и монохромные модели. Выбор используемой технологии во многом зависит от сферы использования и обстоятельств реализации проекта. Часто возникают варианты, когда вы можете максимизировать возможности каждой из описанных технологий.