Воздушное лазерное сканирование – что такое, как проводится и где применяется

Воздушное лазерное сканирование - что такое, как проводится и где применяется Конструкторы
Содержание
  1. Что такое воздушное лазерное сканирование и как оно проводится
  2. Беспилотные транспортные средства и краудсорсинговое картографирование
  3. Дроны и лазерное сканирование
  4. Использование в различных отраслях
  5. Камеральный:
  6. Лазерное сканирование в режимах slam/loam
  7. Лазерное сканирование с бпла
  8. Мультимодальное картографирование
  9. Мультиплатформенное лазерное сканирование
  10. Мультиспектральные сенсоры — цветное лазерное сканирование
  11. Недостатки лазерного сканирования с бпла
  12. Области применения влс с беспилотников
  13. Однофотонные системы
  14. Опыт применения комплекса «геоскан 401 лидар» в качестве беспилотной топографической системы воздушного лазерного сканирования и аэрофотосъемки
  15. Организационный:
  16. Организация лазерного сканирования с дрона
  17. Преимущества бпла
  18. Преимущества лазерного сканирования
  19. Приложения лазерного сканирования высокого разрешения высокого разрешения
  20. Применение в городском планировании
  21. Принцип действия лазерных систем
  22. Результат и применение воздушного лазерного сканирования
  23. Резюме
  24. Статистический:
  25. Съемочный:
  26. Технологии лазерного сканирования

Что такое воздушное лазерное сканирование и как оно проводится

Воздушное лазерное сканирование – активная съемка, производящаяся с воздуха при помощи летательных аппаратов (самолет, вертолет, гирокоптер, беспилотник и пр.). В отличии от наземного сканирования, где съемка осуществляется при помощи 3D сканера, основу технологии воздушного лазерного сканирования составляет система LIDAR.

Такая разница обусловлена конечными целями сбора информации. Так, при помощи наземного сканирования необходимо собрать сведения о вертикальных поверхностях с максимальной точностью, а при помощи воздушного – произвести дистанционное зондирование участков большой площади для создания цифровой модели местности. Т.е. места с повышенной детализацией, можно отсканировать только при помощи 3D сканера, причем существует прямая зависимость между точность полученных данных и расстоянием между прибором и сканируемой поверхностью (чем меньше расстояние, тем выше точность получаемых данных), но логично, что такой способ съемки абсолютно не целесообразно использовать при изучении территорий больших площадей (межселенная территория, леса и т.п.).

Смотрите про коптеры:  Постройка DIY квадрокоптера. Часть 2 практика

Да, степень детализации при использовании системы LIDAR меньше, чем при лазерном 3D сканировании, но при этом можно снимать десятки тысяч гектар территории в день причем труднодоступность мест не имеет значения, с высоты видно все.

Воздушное лазерное сканирование – это фактически эволюция доселе используемой аэрофотосъемки, постобработка которой куда более трудоемкая, а получаемые результаты все равно не дотягивают до точности, получаемой при воздушном сканировании. Зачастую эти два метода используются совместно, т.е. параллельно сканированию производится фото- и/или видеофиксация.

Еще одним безусловным плюсом современного воздушного сканирование является способность четко классифицировать «земля/не земля», т.е. при сканировании даже плотно залесенной территории или дна водоемов, прибор передаст истинный рельеф местности и позволит создать высокоточную цифровую модель территории для крупномасштабного картографирования и 3D моделирования.

Беспилотные транспортные средства и краудсорсинговое картографирование

В последние годы беспилотный транспорт вызвал значительный промышленный интерес. После конкурса DARPA Grand Challenge на автомобили с автоматическим управлением несколько крупных производителей объявили о своих будущих целях по предоставлению беспилотных транспортных средств.

Это требует оснащения транспортных средств высокоэффективными системами 3D-картографирования, как и в современных мобильных системах лазерного сканирования. Для геоинформационного сообщества эти будущие беспилотные транспортные средства являются потенциальным источником очень подробных и часто обновляемых трехмерных картографических данных.

В дополнение к транспортным средствам потребители все чаще используют возможности трехмерного картирования в своих мобильных устройствах — проще говоря, изображения с камеры смартфона и информация о местоположении могут способствовать картированию. Дополнительные возможности предлагаются другими датчиками, такими как камеры глубины и интерпретация трехмерного изображения.

Воздушное лазерное сканирование - что такое, как проводится и где применяетсяКартирование и мониторинг объектов электросетевого хозяйства и других структур, имеющих решающее значение для повседневной жизни и функционирования, является важным применением воздушного лазерного сканирования, в том числе и с БПЛА.

Дроны и лазерное сканирование

Беспилотные летательные системы (БПЛС) представляют все более важный сегмент инженерии. Дроны для картографирования и съемки предоставляют удобную в развертывании платформу для аэрофотосъемки интересующей территории. В настоящее время существуют некоторые факторы, ограничивающие использование дронов.

Это ограничение времени работы и юридическое регулирования во многих странах. В лучшем случае, дроны используют для получения ценных 3D-данных и изображений для нужд различных инженерных проектов, городского планирования и научных задач. Линейка датчиков быстро расширяются, и уже имеются небольшие лазерные сканеры для дронов, в зависимости от масштаба дронов, такие как RIEGL MiniVUX-1UAV, Velodyne Buck LITE, Cepton SORA200.

Четкие тенденции развития направлены на автоматизированные системы и обработку данных в режиме реального времени. Кроме того, более длительные сроки эксплуатации дронов достигаются благодаря улучшенной авионике, времени автономной работы и оригинальным идеям, таким как гибридный беспилотник Avartek Boxer с временем полета 2–4 часа.

Небольшие, но высокопроизводительные датчики обеспечивающие получение данных в режиме реального времени являются наиболее актуальными для дронов, и, как правило, ограниченные проектные области не требуют присутствия GNSS-IMU; данные обрабатываются в локальной системе координат с использованием методов, преобладающих в сообществе робототехники.

Использование в различных отраслях

Данная технология широко применяется для создания моделей объектов горнодобывающих предприятий в 3D. Также оно эффективно при составлении подробных планов и карт земельных участков, на которых осуществляется производство.

Лазерное сканирование позволяет решить следующие вопросы:

  • Способствует освоению и изучению новых месторождений.
  • Оценка общего объема перемещенной породы.
  • Моделирование карьеров в 3D
  • Съемка объектов на территории с целью их дальнейшей реконструкции.
  • Оценка ситуации при чрезвычайных происшествиях.
  • Создание виртуального моделирования участков для проведения презентаций.

Камеральный:

  • классификация и сегментация ТЛО;
  • расчет высоты объектов, определение уровня земной поверхности;
  • построение цифровой модели рельефа по точкам лазерных отражений класса «Земля»;
  • создание ортофотоплана, нанесение контуров и границ объектов;
  • построение цифровой модели рельефа (ЦМР);
  • отображение высот ТЛО и форм рельефа на плане;
  • уточнение плана и оценка его точности;
  • создание тематических ГИС-слоев, предусмотренных проектом.

Конечный результат определяется поставленной задачей и плановой точностью проведения лазерного сканирования с беспилотника. Как правило, лидарные данные дополняются результатами дешифрирования аэрофотоснимков, используются для создания высотной части плана и получения количественных характеристик объектов.

Аэрофотосъемка с беспилотников (самолетов и мультироторных судов) используется как основной метод создания цифровых топографических карт крупного масштаба. БПЛА оснащены профессиональными геодезическими приемниками L1/L2 GNSS RTK/PPK (определяют центр фотографирования до 3 см). Фотограмметрическая обработка данных производится в автоматическом режиме и на выходе дает:

  • детализированные цифровые модели ландшафта и рельефа;
  • плотное облако точек, позволяющее выделить на земной поверхности отдельные объекты: растительные массивы, здания, сооружения, дороги;
  • возможность построения 3D-моделей.

АФС существенно снижает расходы на создание топографических планов, сокращая объемы полевых работ и срок их проведения. За один полетный день квадракоптер способен заснять около 40 га площадей, а при необходимости для аэрофотосъемки привлекаются самолеты, производительность которых достигает 400 га/день.

Сделанные фотографии обрабатываются в камеральных условиях с применением специального ПО. В результате выдается ортофотоплан высокого разрешения и цифровая модель местности с привязкой к выбранной системе координат.

Чтобы заказать услуги аэрофотосъемки местности в «Сервис Гео», достаточно обратиться в компанию по телефону и поставить задачу в самом общем виде. Квалифицированные опытные специалисты расскажут, какие материалы им потребуются для проведения съемки, оценят коммерческую составляющую проекта. Окончательная цена определяется в процессе составления технического здания, спецификации и сметы работ.

Лазерное сканирование в режимах slam/loam

Лазерное сканирование без использования GNSS быстро развивается. Системы обычно состоят из недорогих лазерных сканеров и инерционных единиц измерения. Данные лазерного сканирования используются, а в некоторых случаях дополняются визуальной одометрией с камер, для компенсации движений сенсорной системы, для калибровки низкоэффективного IMU и для отслеживания положения датчика и / или платформы.

Эти картографические решения предоставляют трехмерные данные в реальном времени или почти в реальном времени для задач с умеренной точностью. Разработка стала возможной благодаря миниатюризации датчиков и режимм SLAM (simultaneous localization and mapping — одновременная локализация и картографирование)

и LOAM (Lidar odometry and mapping — лидарная одометрия и картографирование) и связанных с ними алгоритмов. В частности, многослойное сканирование дает достаточную информацию для оценки перемещений платформы по одному сканированию. Алгоритмы для сопоставления сканирования с такими данными работают достаточно хорошо и надежно, чтобы дать хорошие оценки позиции.

Несколько примеров — системы Gexcel HERON, GeoSLAM Zeb Horizon и Kaarta Stencil, основанные на сканере Velodyne Lidar Puck. Примечательно, что многие компании планируют выпустить на рынок аналогичные сенсорные продукты, в том числе устройства от RoboSense и Ouster.

В области наземного лазерного сканирования автоматизированная регистрация сканирования стала интересной разработкой, реализованной в Leica RTC360. Сканер снабжен инерциальными измерениями с увеличенным изображением, чтобы компенсировать перемещения между станциями сканирования, тем самым ускоряя процесс сканирования на месте.

Кроме того, использование лазерного сканера для измерения затопленных конструкций и объектов вызывает все больший интерес в морской отрасли, а системы локализации на основе кинематики, использующие инерциальные методы и методы сопоставления данных, применяются аналогично наземным аналогам.

Воздушное лазерное сканирование - что такое, как проводится и где применяетсяРанцевый лазерный сканер запечатлел конус магматических выплесков и прилегающее лавовое поле. Такие приложения позволяют лучше понять природные процессы и уменьшить опасность, но также предоставляют возможности для разведки и исследования

Лазерное сканирование с бпла

Среди воздушных носителей лазерного оборудования самым удобными и экономичными считаются беспилотные летальные аппараты. Лазерное сканирование дроном стало идеальным решением для обеспечения сверх детальных трехмерных покрытий любых территорий, включая городские массивы.

Мультимодальное картографирование

Доступные, но высокопроизводительные системы уже меняют способы получения топографических данных. Дроны — это новая технология, которая в сочетании с передовыми системами, включающими лазерное сканирование и аэрофотосъемку, позволяет быстро получать аэрофотоснимки для различных целей.

Объединение на одной беспилотной платформе бортовых оптических камер и мобильного лазерного сканера позволяет сократить время и снизить затраты на съемку. Использование этих систем обеспечивает данные с минимальными окклюзиями, что обеспечивается легко доступными точками обзора.

Установленные на транспортных средствах системы кинематического картографирования используются для получения данных о дорогах и улицах в целях картографирования и технического обслуживания. Такие данные предоставляют картографическую информацию высокой плотности для автономного вождения — пример нового вида картографирования в будущем.

Системы лазерного сканирования на основе GNSS-IMU и SLAM могут быть установлены практически на любой платформе для выполнения задач в различных средах, а также для переменных требований и масштабов данных.

Мультиплатформенное лазерное сканирование

Установленные на транспортном средстве системы лазерного сканирования доказали свою эффективность при съемке дорожной ситуации и городской застройки. Мультиплатформенные системы расширяют возможности использования лазерных сканеров для съемки естественной среды, промышленных установок и городских территорий, которые не могут быть легко доступны для съемки с помощью установленной на транспортном средстве системы.

С разработкой алгоритмов, которые допускают одновременную локализацию и картирование (SLAM), мобильное лазерное сканирование также улучшило предоставление трехмерных данных из сред, в которых отсутствует глобальная навигационная спутниковая система (GNSS), например, в помещении и на промышленных площадках.

В этой области сенсорная технология все еще испытывает значительное снижение в размерах и цене. Одновременно были улучшены производительность и точность для предоставления подробной трехмерной структурной информации о туннелях, дорогах, городских сценах и промышленных объектах.

Хотя несколько лет назад некоторые промышленные сканеры не могли синхронизироваться с внешней системой позиционирования, датчики обычно довольно легко интегрировать на мультисенсорные платформы. Небольшие размеры и простота интеграции позволяют адаптировать системы к различным потребностям трехмерных измерений.

Воздушное лазерное сканирование - что такое, как проводится и где применяетсяВ будущем все более подробные модели и карты могут создаваться на основе данных воздушного лазерного сканирования с высоким разрешением . Рельеф и инфраструктур могут быть сняты за один полет для экономии затрат. Дополнительные данные могут быть получены с помощью дронов и наземного мобильного лазерного сканирования

Мультиспектральные сенсоры — цветное лазерное сканирование

Технология мультиспектрального лазерного сканирования в настоящее время находится на стадии технологической адаптации, что обещает увеличение активной спектральной информации для картирования и обнаружения объектов. Первым примером этого была регистрация интенсивности обратного рассеяния лазера и использование значений интенсивности при визуализации облаков точек и в некоторых задачах классификации.

Появляющееся мультиспектральное лазерное сканирование (например, Optech Titan) увеличивает количество и качество получаемой спектральной информации. Однако текущая реализация не является оптимальной для получения спектральной информации из-за различных углов сканирования и шаблонов для каждого канала, и данные необходимо интерполировать для анализа.

Активно воспринимаемые радиометрические свойства целевых объектов не подвержены влиянию от изменений освещенности и аномалий, вызванных солнечным освещением, присутствующим в продуктах пассивной визуализации. Прогнозируется, что индустрия беспилотного вождения изучит эту возможность в будущем, а также прогнозируется наличие небольших датчиков форм-фактора.

Результаты классификации с данными первых мультиспектральных систем лазерного сканирования были многообещающими. Например, в некоторых исследованиях была достигнута очень высокая общая точность (96%) результатов классификации земного покрова с шестью категориями классификации (строительство, дерево, асфальт, гравий, каменистая растительность, низкая растительность).

Воздушное лазерное сканирование - что такое, как проводится и где применяетсяРешения SLAM и LOAM без GNSS могут предоставлять трехмерные данные практически в реальном времени, что является желательной функцией для критичных ко времени приложений, таких как экстренное реагирование. Могут ли системы лазерного сканирования помочь пожарным ориентироваться в дыму и выявлять жертв в условиях ограниченной видимости в будущем?

Недостатки лазерного сканирования с бпла

  • Высокая стоимость оборудования. Лёгкие лазерные сканеры, которые можно использовать с беспилотных аппаратов, стоят очень дорого, и в их использование с БПЛА надо закладывать соответствующие риски. По этой же причине основная сфера применения ВЛС – с пилотируемыми летательными аппаратами.
  • Бюджетные сенсоры характеризуются низкой детальностью и охватом, поэтому отличаются низкой производительностью и ограниченностью в сферах применения.
  • Зависимость от метеорологических и климатических условий. Например, снежный покров препятствует получению данных о рельефе поверхности.
  • Низкая точность и отсутствие детальности при съёмке вертикальных поверхностей и плоскостей.

Недостатки воздушного лазерного сканирования удаётся минимизировать с помощью комбинирования метода с наземным и мобильным лазерным сканированием, но такой подход увеличивает как сроки, так и бюджеты на получение и обработку информации.

Области применения влс с беспилотников

Сфера применения данных воздушного лазерного сканирования с БПЛА очень широка: от сельского хозяйства и проектирования в строительстве до геодезии и маркшейдерских работ. ВЛС успешно выполняет задачи изучения природных и промышленных территорий, которые ранее решались по более высокой цене и при более длительных циклах работ. Метод показал свою эффективность в следующих отраслях хозяйственной деятельности:

  • инженерно-топографические изыскания в строительстве;
  • автодорожная и железнодорожная отрасль;
  • документирование чрезвычайных ситуаций;
  • производство горных работ, маркшейдерия;
  • лесоустройство и таксация;
  • построение моделей городских территорий;
  • управление водными ресурсами и прибрежными территориями;
  • нефтегазовая промышленность.

В настоящее время большая часть картографической информации о территориях устарела, так как ее сбор и комплексный анализ проводился в 80- годы прошлого века. Воздушная лазерная съемка с БПЛА позволяет получить актуальные данные, необходимые для текущего планирования градостроительства, землепользования и ресурсопользования.

Схема применения ВЛС для решения хозяйственных задач.

Однофотонные системы

Однофотонная технология является новым технологическим прорывом для воздушного лазерного сканирования. Для однофотонных систем требуется только один обнаруженный фотон по сравнению с сотнями или даже тысячами фотонов, необходимых в обычном лазерном сканере.

В результате плотность импульсов может быть в десять-сто раз выше по сравнению с обычными датчиками. Кроме того, чувствительность детектора к энергиям в однофотонном диапазоне позволяет системам достигать более высоких максимальных диапазонов и оставаться безопасным для глаз.

Это также способствовало недавнему запуску системы ATLAS, космического лазерного сканера для глобального мониторинга на борту спутника ICESAT-2. Аналогичным образом, однофотонная технология будет вскоре использоваться в датчиках для беспилотного вождения и беспилотных летательных аппаратах.

Однофотонные данные в настоящее время обеспечиваются двумя моделями сканеров: Leica SPL100 и Harris Geiger-mode Lidar. Обе доступные однофотонные системы реализованы с использованием зеленого света (532 нм), что делает их пригодными для использования и в батиметрическом картографировании.

Также имеются однофотонные детекторы, как на рынке, так и в исследовательских лабораториях, что позволяет в ближайшем будущем создавать миниатюрные системы для дронов. Ожидается, что чувствительное обнаружение улучшит данные о глубине, хотя все еще потребуется некоторое время, чтобы усовершенствовать методологии обработки и использовать весь потенциал.

Воздушное лазерное сканирование - что такое, как проводится и где применяетсяДанные лазерного сканирования высокой плотности позволяют проводить кадастр, а также планирование и управление в городах

Опыт применения комплекса «геоскан 401 лидар» в качестве беспилотной топографической системы воздушного лазерного сканирования и аэрофотосъемки

Воздушное лазерное сканирование в данный момент переживает второе рождение, связанное с активным применением беспилотных воздушных судов (БВС). Технология одновременного выполнения воздушного лазерного сканирования (ВЛС) и аэрофотосъемки (АФС), а также их совместная обработка позволяют в несколько раз сократить срок создания картографической продукции, повышая ее точность и детальность. В качестве носителя системы воздушного лазерного сканирования и аэрофотосъемки все чаще используются БВС.

Геоскан 401 Лидар

Рассмотрим подробнее состав и характеристики аппаратной и программной части беспилотного комплекса «Геоскан 401 Лидар». Аппаратная часть комплекса включает квадрокоптер «Геоскан 401» с полезной нагрузкой в виде цифровой камеры Sony Alpha 6000 и воздушного лазерного сканера (лидара) АГМ.

Принцип аэросъемочных работ с применением воздушного лазерного сканера в комплексе с цифровой камерой следующий. Во время полета воздушного судна приемник ГНСС-сканера определяет координаты центров фотографирования снимков, инерциальная навигационная система измеряет углы наклона аппаратуры, а лидар выступает в роли дальномера, фиксируя угол и расстояние до измеряемого объекта. Пространственные координаты определяются приемником ГНСС-системы сканирования, на который передаются дифференциальные поправки от сети наземных базовых станций ГНСС, создаваемой в районе аэросъемочных работ. В результате АФС и ВЛС получаются аэрофотоснимки с точными центрами фотографирования и параметрами их внешнего ориентирования (крен, тангаж и курс) и точки лазерного отражения (ТЛО) с пространственными координатами (X, Y, Z) в геодезической системе координат. Совокупность этих данных позволяет в короткие сроки создавать цифровые модели рельефа (ЦМР) в виде матрицы высот и горизонталей, ортофотопланы высокого разрешения, цифровые модели местности (ЦММ) и трехмерные текстурированные модели местности и объектов.

Программная часть комплекса состоит из следующих ПО

  • Geoscan Planner. Программа предназначена для проектирования и выполнения АФС и ВЛС, а также для проверки проведенных полетов.
  • AGM PosWorks Web. Веб-сервис, предназначенный для расчета траекторий движения систем мобильного и воздушного лазерного сканирования.
  • AGM ScanWorks Base. Программа предназначена для обработки данных систем и точек лазерных отражений наземного и воздушного лазерного сканирования производства компании «АГМ СИСТЕМЫ».
  • Terrasolid. Программа предназначена для визуализации и обработки точек лазерных отражений как в автоматическом, так и в ручном режиме.
  • Lidar360. Программа для обработки облаков точек. Включает различные наборы инструментов для визуализации, управления, анализа и экспорта геопространственных данных для прикладных задач, используя специализированные модули Terrain, Forestry и LiPowerline.
  • Agisoft Metashape Professional. Программное обеспечение для фотограмметрической обработки с высоким уровнем автоматизации. Позволяет обрабатывать изображения, получаемые с помощью RGB или мультиспектральных камер, включая мультикамерные системы, получать по перекрывающимся снимкам плотные облака точек, текстурированные полигональные модели, ортофотопланы, цифровые модели рельефа и цифровые модели местности.

Испытания технологии применения ВЛС совместно с АФС

В данном разделе представлены материалы исследования комплексной технологии применения ВЛС совместно с АФС для создания различных топографических материалов о местности на район Заокского геополигона МИИГАиК. Также была проведена оценка качества в сравнении с классическими наземными геодезическими измерениями, выполняемыми методами тахеометрической съемки и приемниками ГНСС в режиме реального времени.

В качестве испытательного комплекса использовалась система «Геоскан 401 Лидар», представленная выше.

Исследования проводились в осенний период в 2023 г. Для оценки качества картографической продукции на полигоне существует плотная сеть маркированных опознаков (порядка 50 на 1 км2 ) с точностью пространственных координат 2–3 см (изобр. 1). Кроме того, имеются высотные пикеты, полученные в результате тахеометрической съемки на различных участках местности, а именно: 80 — в поселке Маяк на открытых участках, 650 — на склоне с перепадом высот 80 м, покрытом травяной растительностью, 350 — в покрытой деревьями и густой растительностью части полигона (изобр. 2). Такой набор контрольных данных, измеренных инструментально, позволяет получить взвешенную оценку качества картографической продукции, созданной по данным ВЛС и АФС, как по точности, так и по эффективности.

схема расположения маркированных опознаков

Изображение 1: схема расположения маркированных опознаков

схема расположения высотных пикетов

Изображение 2: схема расположения высотных пикетов

Аэрофотосъемка и лазерное сканирование контрольных участков выполнялось дважды: в сентябре в ясную погоду и в ноябре со сплошной облачностью. Если в первом случае освещенность была благоприятная для АФС, то во втором — критичная для получения качественных аэрофотоснимков. С другой стороны, полеты в ноябре были более благоприятны для лазерного сканирования, поскольку травяной покров уже угнетен и листва на деревьях опала.

Комплекс «Геоскан 401 Лидар» обеспечивает одновременное выполнение аэрофотосъемки и воздушного лазерного сканирования. Аэросъемка выполнялась на высоте 140 м с продольным перекрытием 80% и поперечным — 40%, ширина кадра составила 168 м, а ширина коридора сканирования при этом — 300 м. Данные параметры полета обеспечивают получение аэрофотоснимков с разрешением на местности 3 см и определение расстояний лазерным дальномером с точностью 2–3 см. Они определяют, в первую очередь, потенциальные метрологические характеристики топографических материалов о местности по данным АФС и ВЛС. Таким образом, точность измерения объектов местности и по снимкам, и по точкам отражения соизмерима.

Постобработка данных ВЛС и АФС заключается, прежде всего, в определении точных координат центров фотографирования для аэрофотоснимков по результатам обработки измерений, выполненных приемником ГНСС, установленным на лидаре, в дифференциальном режиме. Координаты центров фотографирования снимков были получены в результате обработки в специализированном ПО MAGNET Tools компании TOPCON. Обработка траекторий для воздушного сканирования выполнялась в ПО AGM PosworksWeb. Точность уравнивания центров проекции составила 2–3 см. Траектории ВЛС были получены с точностью 2 см.

В ПО AGM ScanWorks Base осуществлялась обработка точек лазерных отражений. На изобр. 3 и изобр. 4 показан вид сверху и в сечении облака точек после исключения избыточных отражений.

Окрашенные ТЛО (вид сверху)

Изображение 3: окрашенные ТЛО (вид сверху)

Вид ТЛО в поперечном сечении

Изображение 4: вид ТЛО в поперечном сечении

Следующим шагом технологической цепочки является обработка точек лазерных отражений, которая заключается в обрезке точек в перекрывающихся сканах маршрутов, исключении лишних точек на поворотах БВС, избыточных точек в перекрытии, устранении шумов и классификации точек относительно объектов отражения. Этот этап может быть выполнен в ПО Terrasolid и Lidar360 или в иных программах, предназначенных для работы с облаками точек. В нашем случае была поставлена задача выделения точек лазерных отражений от земной поверхности и построения ЦМР для ортофототрансформирования и создания горизонталей на топографическом плане.

Методика классификации ТЛО в различных программах примерно одинакова:

  • в автоматическом режиме устраняются шумы и переводятся в отдельный слой;
  • на сравнительно небольших характерных участках блока ТЛО подбираются параметры классификации в зависимости от характера местности;
  • выполняется автоматическая классификация всего массива ТЛО;
  • оператор в интерактивном режиме выполняет завершающую фазу классификации, используя при этом различные способы отображения, поперечные профили и другие инструменты, предлагаемые программой обработки.

В данном случае решалась задача построения ЦМР на различных по типу участках местности с оценкой точности по наземным измерениям, выполненным методом тахеометрической съемки.

Условно район полигона был разделен на три участка:

  • населенный пункт, где определены 80 высотных пикетов на открытых участках земной поверхности;
  • склон, где измерено 650 пикетов;
  • лесной массив, где измерено 350 точек.

Результаты проведенных исследований показаны в табл. 1 и на изобр. 5–7.

Таблица 1: оценка точности ЦМР по контрольным пикетам

ЦМР поселка с контрольными пикетами

Изображение 5: ЦМР поселка с контрольными пикетами

ЦМР склона с контрольными пикетами

Изображение 6: ЦМР склона с контрольными пикетами

ЦМР участка с лесным массивом с контрольными пикетами

Изображение 7: ЦМР участка с лесным массивом с контрольными пикетами

Полученные значения статистически достоверны и подтверждают ожидаемые оценки точности аппроксимации рельефа, построенного по результатам лазерного сканирования.

Наряду с обработкой ТЛО параллельно выполнялась фотограмметрическая обработка АФС в ЦФС «Agisoft Metashape Professional» с точной привязкой координат центров фотографирования. В качестве контрольных точек использовалось 48 маркированных опознаков. Полученные средние погрешности составили в плане 3–4 см, а по высоте — 4–6 см, что также соответствует ожиданиям по метрологическим характеристикам данного материала.

Поскольку метрологические оценки материалов АФС и ВЛС сопоставимы по точности и существует возможность импортировать данные сканирования в фотограмметрическую модель ЦФС Agisoft Metashape Professional, то появляется возможность совместного использования полученных данных для создания топографических материалов при картографировании, кадастровых работах, инженерно-геодезических изысканиях, маркшейдерских работах и др.

Опыт применения

Накопленный опыт применения комплекса «Геоскан 401 Лидар» в качестве беспилотной топографической системы воздушного лазерного сканирования и аэрофотосъемки на протяжении последних 2–3 лет показал, что использование комбинированной технологии предоставляет следующие преимущества по сравнению с классическими наземными методами.

Скорость. Полевые и камеральные работы можно выполнить значительно быстрее.

Точность. Воздушное лазерное сканирование позволяет получать цифровую модель рельефа с погрешностью 5–10 см в плане и по высоте.

Детальность. Данные, полученные посредством ВЛС, позволяют полностью отобразить геометрические параметры объекта и подробно описать не только форму, но и характер обследуемой поверхности.

Информативность. ВЛС позволяет получать точные координаты проводов и мелких подвесных конструкций (изоляторов, ферм).

Безопасность. Отсутствие необходимости пребывания человека в опасных и труднодоступных районах съемки значительно снижает риски получения производственных травм.

Стоимость работ значительно снижается.

Проведенные испытания подтвердили накопленный опыт использования данной комбинированной технологии компанией «АГМ СИСТЕМЫ» и ГК «Геоскан». Данная технология используется при мониторинге железнодорожных путей сообщения, газопроводов, ЛЭП, инфраструктуры населенных пунктов, строительных площадок и т.д.


Авторы статьи: М.В. Курков («Скан»), Д.А. Клестов («Скан»), В.А. Брусило («АГМ СИСТЕМЫ», Краснодар), В.М. Курков (МИИГАиК), А.С. Киселева (МИИГАиК)

Опубликовано в журнале «Геопрофи» №6, 2023. Полную версию читайте по ссылке.

Заказать услугу воздушного лазерного сканирования

Организационный:

  • оформление разрешений на проведение полетов;
  • подготовка сканирующей системы;
  • организация сети базовых станций Глонасс;
  • оборудование БПЛА необходимыми приборами.
  • составление плана полетов и разработка режимов съемки.

Организация лазерного сканирования с дрона

Для выполнения работ в сфере крупномасштабного картирования территорий и создания трехмерных моделей местности и рельефа требуется комплекс навыков: от организации и планирования полетов до знания геодезии и САПР, а также необходимая материально-техническая база и специальное программное обеспечение. В организации работ модно выделить четыре основных этапа.

Преимущества бпла

  • Точный контроль пилотажа с применением комплекса INS/GPS.
  • Высокая маневренность, легкость управления с помощью джойстиков.
  • Несколько режимов пилотирования: автоматический полет, «зависание», ручное управление.
  • Высокая точность и детальность получаемых цифровых данных.
  • Простота транспортировки на место проведения работ.
  • Отсутствие необходимости в аэродромах, взлетных полосах.
  • Возможность применения в любых метеоусловиях, ночью.
  • Определение местоположения и формы объектов сложной структуры.
  • Высокая производительность и низкая стоимость работ.

Мощный толчок к развитию лазерного сканирования с беспилотников определило создание лазерных сканеров небольшого веса от 1,5 до 3 кг. Дополнительно дроны оснащаются фото-, многозональными камерами, компактными тепловизорами и гиперспектральными сканерами.

Преимущества лазерного сканирования

  • Быстрота. Общая скорость работы и последующей обработки данных, полученных лазерным сканированием, в несколько раз выше, чем при обычной геодезии.
  • Гибкость. Сложный рельеф, плохая видимость и прочие неблагоприятные условия не будут помехами в работе.
  • Высокая точность. Лазерное сканирование с воздуха сопоставимо с наземными геодезическими работами.
  • Расширенная функциональность. Благодаря этой технологии, возможно 3D-сканирование проводов и различных висячих конструкций.

Приложения лазерного сканирования высокого разрешения высокого разрешения

Получение облака точек и спектральных данных значительно увеличивают объемы производимых данных. Автоматизация необходима для того, чтобы преобразовать увеличенную частоту измерений и плотность облаков точек в высокий уровень детализации при картировании.

В более ограниченном масштабе мультивременные облака точек были применены для обнаружения изменений как в городских, так и в природных зонах, для управления ресурсами и преодоления опасностей, эффективно демонстрируя потенциал мультивременных трехмерных данных.

В дополнение к обнаружению изменений, автоматизация требуется для различных задач моделирования. В городских условиях автоматическое создание простых моделей зданий стало подходом по умолчанию для трехмерного моделирования городов. Несколько алгоритмов для детального моделирования здания были введены, потенциально повышая уровень детализации в автоматическом моделировании.

Аналогичным образом были введены алгоритмы для моделирования объектов дорожной среды от мобильных систем лазерного сканирования. В естественной среде и в лесном хозяйстве наборы данных о точечных облаках применялись как для получения информации о параметрах на больших территориях (например, для гидравлического моделирования и анализа наводнений или процессов вечной мерзлоты), так и для детального моделирования отдельных деревьев для оценки лесных ресурсов и биомассы.

В идеале обнаружение изменений, картирование и моделирование должны сочетаться с периодическим сбором трехмерных данных с интервалами всего в несколько лет. Основываясь на многовременных данных, возможные изменения могут быть обнаружены, идентифицированы или классифицированы на основе спектральных и геометрических особенностей, а моделирование, техническое обслуживание или любое подобное действие или усилие могут быть сосредоточены на основе полученных из данных сигналов или ранних предупреждений, чтобы сэкономить затраты или избежать косвенный ущерб.

Воздушное лазерное сканирование - что такое, как проводится и где применяетсяМультиспектральное облако точек от лазерного сканера Optech Titan, представляющее городскую среду. Объединенные данные в разных областях длин волн очень помогают в классификации и распознавании объектов. Разные схемы сканирования для каждого канала становятся видимыми в необработанных данных облака точек

Применение в городском планировании

Воздушное лазерное сканирование используется при создании трехмерных изображений населенных пунктов. В работе используется инерциальные системы, приборы спутникового позиционирования, фотокамеры высокого разрешения, а также лазерные сканеры для БПЛА.

С помощью этого оборудования осуществляется съемка:

  • Автомобильных трасс.
  • Эстакад и мостов для создания из 3D-моделей.
  • Улиц населенных пунктов различного назначения для составления топографических планов.
  • Ж/д путей.

ВЛС позволяет получить точную информацию, касающуюся рельефа местности, расположения объектов на изучаемой территории, гидрографии и растительном покрове. Именно поэтому, сфера применения этой технологии распространяется также на изучение линий электропередач, нефтегазовую и другие отрасли.

Принцип действия лазерных систем

Лазерная сканирующая система состоит из нескольких элементов:

  • лазерный сканер (работает как дальномер с разверткой на углы в одной плоскости);
  • БИНС — бесплатформенная инерциальная навигационная система (служит для внешнего ориентирования и позиционирования);
  • приемник ГЛОНАСС-GPS для определения положения сканера в пространстве;
  • система записи данных и управления съемкой;
  • видеокамеры, тепловизоры, другие сенсоры: ИК, УФ — для уточнения полученных данных.

Скорость съемки современных лазеров достигает 1 000 000 точки в секунду. Измерение расстояний основано на учете времени прохождения лазерного луча и внешнего положения всей системы. Полученные результаты настолько точны, что позволяет буквально «видеть» и измерять такие мелкие предметы, как, например, ручка двери, изолятор на линии ЛЭП и тому подобные объекты.

Результат и применение воздушного лазерного сканирования

Результатом лазерного сканирования любого вида (будь то наземное, воздушное или мобильное) всегда будет облако точек в трехмерном пространстве.Постобработка данных, полученных с прибора, осуществляется при помощи специализированного программного обеспечения (ПО), которое качественно снизило как временные, так и физические затраты на камеральные работы.

Результаты воздушного лазерного сканирования широко применяются при:

  • создании цифровых моделей местности;
  • крупномасштабном картографировании, создании планов;
  • инвентаризации земельно-имущественного комплекса;
  • планировании городской застройки;
  • инспекции линейных объектов;
  • строительстве, реконструкции и инспекции линейных и площадных объектов;
  • исполнительной съемке в процессе строительства и после его окончания;
  • управлении лесными и водными ресурсами;
  • управлении сельским хозяйством и земельными ресурсами;
  • земельном кадастре;
  • экологическом мониторинге;
  • мониторинге чрезвычайных ситуаций;
  • создании и мониторинге цифровых моделей промысловых объектов.

Воздушный вид лазерного сканирования является незаменимым в безориентирной, ненаселенной местности или на опасных объектах.

Резюме

Современные топографические базы данных, как правило, основаны на аэрофотоснимках и поддерживаются национальными картографическими агентствами со значительным количеством ручной работы. Разработки в области лазерного сканирования и обработки облаков точек могут обеспечить значительную экономию средств за счет автоматизации обработки картографических данных с улучшенным выводом и качеством данных.

Мультимодальные данные лазерного сканирования будут все больше использоваться в будущем благодаря развитию и доступности высокопроизводительных сенсорных технологий. Системы меньшего размера с аналогичной или улучшенной производительностью обеспечат приложения, использующие практически любую платформу для работы с лазерными сканерами для картографирования и съемки.

Появляющаяся однофотонная технология обладает наибольшим потенциалом в качестве сенсорного решения для создания плотных облаков точек с низкими удельными затратами для сбора данных на уровне страны. Мультимодальное воздушное и наземное лазерное сканирование может быть использовано для получения более подробных данных для выбранных областей.

Облака точек с мультиспектральной информацией обеспечивают общую отправную точку для автоматизированных рабочих процессов моделирования и приложений прямой визуализации, формируя будущие топографические данные. Они представляют собой значительный актив для бизнеса в управлении лесным хозяйством и инфраструктурой и предоставляют платформу для разработки ряда будущих приложений.

Статистический:

  • уточнение траектории движения сканера, координат и углов разворота;
  • расшифровка и привязка ТЛО (точек лазерного отражения) к земной поверхности;
  • построение матрицы высот с использованием метода интерполяции;
  • перенос данных в систему графической обработки.

Съемочный:

  • настройка и калибровка системы: лазерного сканера, фотокамер;
  • инициализация оборудования в навигационной системе и ГЛОНАСС-GPS;
  • плановые полеты и сбор данных для построения облака точек;
  • сбор информации с бортовых накопителей и наземных станций;
  • предварительная оценка полноты и качества полученной информации.

Технологии лазерного сканирования

Лазерное сканирование основано на использовании оптически направленных лазерных лучей для сбора информации об объекте в прямых трехмерных измерениях. Это позволяет надежно и точно создавать траекторию системы (то есть положение и ориентацию). До середины 1990-х годов технология GNSS-IMU была недоступна для коммерческого использования.

С тех пор, однако, рынок устройств взорвался, особенно с развитием технологий волоконно-оптических гироскопов (FOG) и микроэлектромеханических систем (MEMS). Кроме того, наращивание общенациональных сетей базовых станций GNSS способствовало успеху лазерных сканеров в области геодезии и картографии во всем ее разнообразии.

Что делает лазерное сканирование таким эффективным в топографическом картографировании, так это возможность проводить трехмерные измерения целевых объектов путем проникновения луча сквозь растительность для получения информации об объектах и поверхности под ними.

Фронт световой волны, проходящий через растительность, дает информацию о растительности как о побочном объекте. Чтобы получить такую информацию, необходимо применить определенные принципы лазерной локации. Традиционный способ получения дальнодействующих измерений состоит в том, чтобы направлять мощные лазерные импульсы на цели и собирать сигнал обратного рассеяния.

Воздушное лазерное сканирование - что такое, как проводится и где применяетсяПлотное и геометрически точное облако точек предлагает фотографическое трехмерное изображение действительности для картирования, моделирования и мониторинга. Спектральная информация, полученная лазерным сканированием, будет иметь решающее значение для автоматической интерпретации данных

Тем не менее, для лазерного сканирования из космоса это оказалось проблематичным из-за чрезмерной мощности, необходимой для достижения поверхности Земли с орбиты, из-за разрушительного воздействия тепла на оптические компоненты. Новая развивающаяся технология заключается в сборе энергии на однофотонном уровне, снижая нагрузку на оптику.

Некоторые однофотонные устройства, доступные на рынке, обещают высокую эффективность получения данных с больших высот, разрешенных чувствительным детектированием. С другой стороны, облачность устанавливает пределы для полного раскрытия потенциала на практике.

Детектор отбирает не каждый возвращаемый фотон, а вместо этого с определенной для детектора вероятностью, и фотоны из других источников обнаруживаются в дополнение к тем, которые испускаются лазерным сканером. Эта стохастическая природа обнаружения требует адаптации методологии обработки данных, поскольку характеристики данных и их влияние на точность и обработку данных еще не до конца понятны.

В настоящее время существует две методики, применяемые для однофотонного детектирования. В системе режима Харриса Гейгера каждый пиксель детектора для одного импульса занят первым полученным фотоном, и никакие данные за пределами этого не собираются.

Эффективность обнаружения составляет менее 10%. Детекторы большого размера компенсируют эти две характерные особенности, а данные обычно получаются 8 или 32 точек на квадратный метр. Тем не менее, проникновение под растительностью остается несколько неопределенным.

В однофотонном лазерном сканере Leica SPL100 для каждого импульса на пиксель обнаруживается несколько целей после короткого времени прерывания детектора при срабатывании фотона. Это дает способность проникновения подобно обычному сканеру. Однако необходим дополнительный анализ, чтобы однозначно выяснить все за и против этих технологий.

Оцените статью
Радиокоптер.ру
Добавить комментарий