Воздушная лазерная съемка
Руководство на 2025 год

Часть I: Основы лидара

С начала XXI века воздушное лазерное сканирование (обнаружение света и измерение дальности) произвел полную революцию в получении топографических данных. Национальные картографические агентства по всему миру быстро внедрили эту активную технологию дистанционного зондирования и постепенно изменили свои производственные процессы для создания национальных и транснациональных цифровых моделей рельефа (ЦМР). За последние 25 лет был достигнут огромный прогресс как в сенсорных технологиях, так и в стратегиях обработки данных. Вес и габариты сенсоров значительно уменьшились, что позволило интегрировать лазерные сканеры геодезического класса в беспилотные летательные аппараты (БПЛА). Скорость сканирования, в свою очередь, значительно возросла, что позволило достичь плотности точек более 20 точек/м² (ppsm) и, следовательно, получать результаты с субметровым разрешением. Хотя точная геометрия и способность проникать сквозь растительность являются основными преимуществами воздушного лазерного сканированяе, радиометрические данные все чаще используются, например, для улучшенной семантической маркировки полученного трехмерного облака точек. Цель этого учебного пособия, состоящего из четырёх частей, — ещё раз рассмотреть принципы работы воздушного лазерного сканирования и обсудить современные тенденции. Часть I посвящена основам, а части II–IV содержат подробную информацию о концепциях интегрированных датчиков, лазерной батиметрии и лидарах для БПЛА.

Основная концепция

Воздушное лазерное сканирование — это кинематический метод сбора трехмерных данных, обеспечивающий получение облаков точек земной поверхности и расположенных на ней объектов, таких как здания, инфраструктура и растительность. Три основных компонента включают: (i) лазерный сканер, состоящий из блока LiDAR (измерение дальности) и устройства отклонения луча (сканирование); (ii) глобальную навигационную спутниковую систему (GNSS) для измерения положения платформы в картезианской геопространственной координатной системе; (iii) инерциальную навигационную систему (INS), предоставляющую ориентацию платформы.

В системе датчиков, показанной на рисунке 1, лазерные лучи непрерывно сканируют в боковом направлении, и, благодаря поступательному движению платформы, захватывается полоса местности под летательным аппаратом. Расстояния между датчиком и целями на земле определяются путем измерения времени прохождения исходящего лазерного импульса туда и обратно и доли сигнала, рассеянного обратно от освещенных целей в поле зрения приемника (FoV). Это обычно называется принципом измерения времени пролета (ToF). Для получения трехмерных координат объекта в системе координат с географической привязкой (например, WGS84) необходимо непрерывно измерять положение и положение платформы, а также угол сканирования в дополнение к дальности. Таким образом, бортовой лидар представляет собой синхронизированную по времени многосенсорную систему, в которой трехмерные точки рассчитываются путем прямой географической привязки. Для получения точности определения траектории полёта в сантиметровом диапазоне необходимо использовать базовую станцию ​​ГНСС, расположенную в зоне съёмки. Это может быть как постоянная, так и виртуальная станция поставщика услуг ГНСС, либо ГНСС-приёмник, установленный на штативе в опорной точке с известными координатами.

Идеальный лазерный луч бесконечно мал, но на практике реальные лазерные лучи можно представить как световые конусы с узким углом раствора. Типичный диаметр освещённого пятна на земле (зона охвата) находится в диапазоне от сантиметров до дм в зависимости от высоты полёта и расходимости луча датчика. Типичные характеристики современных бортовых лидарных датчиков приведены в таблице 1.

Из-за ограниченного размера зоны обзора, несколько объектов вдоль линии визирования лазера освещаются одним импульсом, и датчики ToF могут возвращать несколько точек за один лазерный импульс. Кроме того, датчики воздушного лидара обычно предоставляют дополнительные атрибуты для каждой обнаруженной лазерной точки, такие как мощность сигнала (интенсивность) или отражательная способность (калиброванная радиометрия). Пример, представленный на рисунке 2, демонстрирует как проникающую способность воздушного лидара, так и его способность регистрировать радиометрическую информацию. Представленная сцена имеет полное покрытие точек на земле с первыми эхо-сигналами (черными) на открытых участках и вторыми и третьими эхо-сигналами (красными и зелеными соответственно) на заросших участках (рисунок 2a). На рисунке 2b показан радиометрический состав, где, например, границы дороги выделены белым цветом (т.е. с высокой отражательной способностью).

Лазерная локация

Основным компонентом каждой лазерной сканирующей системы является дальномер. Расстояние от датчика до объекта обычно оценивается путем измерения времени прохождения короткого лазерного импульса туда и обратно (ToF). Учитывая скорость света c, время излучения импульса t0 и время прибытия обратного импульса t1, расстояние от датчика до цели R можно рассчитать как:

Метод сдвига фаз, являющийся альтернативой методу ToF, используется в наземном лазерном сканировании. В этом случае непрерывный лазерный сигнал накладывается на несущую волну, и измеряется сдвиг фаз излученного и отраженного (модулированного) сигналов. Основным преимуществом принципа ToF является его присущая многоцелевая способность, т.е. из одного лазерного импульса можно извлечь несколько отраженных сигналов вдоль линии визирования лазера (см. рисунок 2а). Это особенно полезно при обследовании участков с растительностью. Метод сдвига фаз, напротив, обеспечивает только один отраженный сигнал за импульс.

Сканирование

В воздушном лидаре сканирование поверхности Земли осуществляется на основе маршрутов полета (см. рисунок 1). Для покрытия площади трехмерными точками требуется (i) поступательное движение летательного аппарата и (ii) устройство отклонения луча, систематически направляющее лазерные лучи под датчик или вокруг него. На рисунке 3 показаны типичные механизмы отклонения луча и получаемые в результате этого точечные рисунки на земле.

Вращающиеся многогранные полигональные колеса создают параллельные линии сканирования на земле, приблизительно перпендикулярные траектории полета. Регулируя скорость вращения, скорость полета и частоту повторения импульсов, можно добиться равномерного распределения точек на земле в поле зрения ±30° вокруг надира. Сканирующий клин с одним зеркалом, наклоненным на 45°, позволяет сканировать всю вертикальную плоскость (360-градусные панорамы). Сканеры Palmer используют наклонную ось вращения зеркала и создают спиральный рисунок сканирования на земле. Такое коническое сканирование обеспечивает постоянный угол падения лазерного луча относительно горизонтальной плоскости земли, что особенно полезно для лазерной батиметрии, поскольку позволяет поддерживать постоянный угол между лазерным лучом и поверхностью воды. Сканеры Palmer также используются для топографического лазерного сканирования, обеспечивая обзор под мостами и съёмку рельефа и зданий с разных ракурсов. Однако плотность точек менее однородна, поскольку на границе полосы она значительно выше, чем в её центре. Ещё одним недостатком является отсутствие обзора в надир. Наконец, осциллирующие зеркала многократно качаются между двумя положениями. Этот механизм сканирования также приводит к более высокой плотности точек на краю полосы из-за необходимого замедления и повторного ускорения зеркала в противоположном направлении.

Обнаружение сигнала

В традиционной лазерной локации с использованием ToF-лазера отраженный сигнал высококоллимированного лазерного импульса принимается одним детектором. Для преобразования оптической мощности в цифровую радиометрическую информацию используется двухэтапная процедура. Сначала лавинный фотодиод (ЛФД) преобразует принятое лазерное излучение в аналоговый сигнал, а затем аналого-цифровой преобразователь (АЦП) формирует окончательное измерение в цифровом виде. ЛФД, используемые для воздушного лазерного сканирования, работают в линейном режиме, то есть в пределах динамического диапазона ЛФД оптическая мощность и аналоговый выходной сигнал линейно связаны. Такие ЛФД измеряют интенсивность принятого сигнала и определяют отражательную способность объекта и/или свойства материала освещаемых объектов посредством радиометрической калибровки.

Фактическое определение дальности реализуется либо аппаратными компонентами лазерного сканера (дискретные эхо-системы), либо путём высокочастотной дискретизации всего отраженного эхо-сигнала (полная форма сигнала). В последнем случае захваченные сигналы либо обрабатываются в режиме онлайн встроенным ПО датчика, либо сохраняются для детального анализа на этапе постобработки. Сохранение полных форм сигнала позволяет применять сложную постобработку сигнала, например, гауссовское разложение, что обеспечивает преимущества в отношении точности измерения дальности, разделяемости целей и характеристик объекта (амплитуда, ширина эхо-сигнала, коэффициент отражения и т. д.). Тем не менее, для надёжного обнаружения одного объекта требуется не менее нескольких сотен фотонов.

Другой подход — лидар Гейгера (Gmlidar), в котором излучается расходящийся лазерный импульс, что приводит к большому лазерному следу на поверхности. Отражённый сигнал регистрируется матрицей лавинных фотодиодов Гейгера (GmAPD), то есть матрицей приёмных элементов, чувствительных к одиночным фотонам. APD каждого отдельного элемента матрицы работает в режиме Гейгера, при котором дополнительное смещение выше напряжения пробоя переводит детектор в состояние, в котором приход одного или нескольких фотонов достаточен для запуска лавинного эффекта, что приводит к резкому повышению напряжения на выходе приёмника. Проход фотодиода инициирует стоп-импульс для оценки дальности с помощью время-цифрового преобразователя (TDC). После пробоя соответствующая ячейка неактивна в течение определённого времени, поэтому для каждой ячейки APD от одного лазерного импульса можно измерить только один эхо-сигнал.

В отличие от этого, технология, называемая однофотонным лидаром (SPL), использует короткий лазерный импульс, который дифракционным оптическим элементом (DOE) разделяется на сетку из 10×10 суб-лучей (лучей-частиц). 100 лучей-частиц имеют высокую степень коллимации, поэтому их траектории на поверхности не перекрываются. Для каждого бимлета сигнал обратного рассеяния принимается отдельным детектором, совмещенным с направлением лазерного луча. Каждый детектор, в свою очередь, состоит из матрицы из нескольких сотен ячеек, чувствительных к одиночным фотонам, каждая из которых работает в режиме Гейгера. Возможные реализации этой технологии включают фотоумножители на основе микроканальных пластин или кремниевые фотоумножители. В ограниченном динамическом диапазоне каждый детектор действует как лавинный фотодиод (ЛФД), работающий в линейном режиме, что обеспечивает умеренные возможности многоцелевого сканирования. Как для SPL, так и для Gmlidar, чувствительность приёмника к одиночным фотонам обеспечивает большую высоту полёта и, следовательно, потенциально более высокую производительность. Это особенно актуально для топографического картирования всей страны. Схема, иллюстрирующая три различных варианта (лидар с линейным режимом, Gmlidar, SPL), представлена ​​на рисунке 4.

Геометрическая модель датчика

Как указано выше, воздушный лидар представляет собой кинематический измерительный процесс, основанный на тесно синхронизированной многосенсорной системе, состоящей из ГНСС-приёмника, инерциальной системы позиционирования (ИНС) и собственно лазерного сканера. Вычисление геопривязанных трёхмерных точек называется прямой геопривязкой и показано на рисунке 5.

Стандартный процесс обработки данных бортового лидара начинается с расчета траектории платформы с использованием фильтра Калмана для данных наблюдений ГНСС и ИНС. В результате получается так называемая сглаженная наилучшая оценка траектории (SBET), включающая абсолютные трехмерные координаты (X, Y, Z) измерительной платформы в геоцентрической декартовой системе координат (с центром в Земле, связанной с Землей: ECEF), а также положение измерительной платформы относительно местного горизонта (навигационные углы: крен, тангаж). На следующем этапе данные траектории объединяются с измерениями лазерного сканера с временными метками. При этом производители обычно компенсируют небольшие систематические инструментальные эффекты дальномерно-сканирующего устройства на основе лабораторной калибровки и напрямую предоставляют скорректированные трехмерные координаты обнаруженных объектов (т.е. отраженные лазерные сигналы) в системе координат датчика. Эти данные составляют основу для расчета трехмерных координат объекта в системе координат ECEF согласно уравнению 2:

Цепочка преобразований в уравнении 2 преобразуется между следующими системами координат (CS), каждая из которых обозначена определенным индексом и выделена определенным цветом на рисунке 5.
s/синий: сканер CS
i/красный: INS CS
n/нет цвет: навигация или платформа CS (например, местный горизонт CS)
e/пурпурный: ECEF (ориентированный на Землю, фиксированный на Земле) CS

При чтении уравнения 2 справа налево, xs (xs, ys, zs), трехмерная точка в локальном сканере CS, поворачивается на углы визирования в системе INS (Ris) и перемещается с помощью рычага (ai). Плечо рычага представляет собой вектор смещения между фазовым центром антенны GNSS и исходной точкой системы сканирования, а углы обзора обозначают небольшие угловые различия (Δrroll, Δpitch, Δyaw) между опорными плоскостями сканера и INS соответственно (см. зеленые элементы на рисунке 5). Rni преобразует результирующий вектор из INS CS в навигационный CS (локальный горизонт CS) на основе углов крена, тангажа и рыскания, измеренных INS, а Ren преобразует в декартову систему ECEF. Последний поворот зависит от географического положения (широты/долготы) источника INS. Трехмерные координаты лазерной точки xe(t) в конечном итоге получаются путем добавления координат ECEF антенны GNSS (ge).

Общая неопределенность положения и вертикали (TPU/TVU) 3D-лазерных точек зависит от точности как лазерного сканера, так и траектории, а также от синхронизации всех компонентов датчика (GNSS, INS, сканер). Современные лазерные сканеры обеспечивают точность определения расстояния в 1-3 см. Интеграция результатов наблюдения GNSS как с базовой станции, так и с системы лидарных датчиков при последующей обработке позволяет получить точность в 3-5 см. Типичная точность INS, используемой для бортового лидара, составляет 0,0025° для крена/тангажа и 0,005° для угла поворота (рыскания). В целом, современные бортовые лидарные датчики обеспечивают точность определения координат в трехмерном пространстве на уровне субд.
 
Модель радиометрического датчика

Информация о радиометрических свойствах освещенных объектов имеет большое значение, например, для семантической маркировки облаков точек и для многих последующих приложений. Уравнение лазер-радар описывает фундаментальную взаимосвязь между передаваемой и принимаемой оптической мощностью:

Мощность принимаемого сигнала PR зависит от мощности излучения PT, дальности измерения R, расходимости лазерного луча γ, размера апертуры приёмника D, эффективной площади рассеяния σ, а также факторов, связанных с потерями в системе ηSYS и ηATM. PBK, наконец, указывает на фоновое солнечное излучение, которое ухудшает отношение сигнал/шум.
Эффективная площадь рассеяния σ учитывает все свойства цели и может быть разделена на площадь освещённой цели (A), отражательную способность объекта (ρ) и телесный угол рассеяния (Ω).

Малые значения Ω относятся к зеркальному отражению (например, от поверхности воды или стекла). В свою очередь, большинство естественных целей (почва, трава, деревья и т. д.), а также герметичные поверхности (асфальт, бетон) являются диффузными рассеивателями. Для идеальных диффузно отражающих целей (Ω = 180°) применим закон косинусов Ламберта. Поперечное сечение также зависит от освещённой площади A, которая является функцией диапазона измерения R, угла раствора луча γ и угла падения между лазерным лучом и нормалью к освещённой поверхности. В то время как наиболее общая формулировка уравнения лазерного радара показывает затухание принимаемой мощности с R4, потеря сигнала для целей, которые полностью перекрываются одним лазерным лучом, ограничена R2, как записано в уравнении 3. Типичными примерами таких протяжённых целей являются точки на открытой местности, дороги или крыши зданий.

Таким образом, полная мощность (интенсивность), измеренная бортовыми лидарами, сильно зависит от дальности измерения и других факторов. Для обеспечения сопоставимости радиометрических данных между различными полётными полосами и, более того, между различными полётными миссиями, необходима гомогенизация измеренных исходных значений интенсивности. Простые стратегии коррекции учитывают эффект доминирующей дальности для коррекции измерений мощности принятого сигнала, а более строгие подходы используют радиометрическую калибровку на основе внешних радиометрических эталонных измерений для получения характеристик объекта, таких как сечение обратного рассеяния или отражательная способность объекта. На рисунке 6 показан пример из кампании бортовых лидаров в Вене. На снимке изображена площадь императрицы Марии-Терезии (Maria-Theresien-Platz) между Музеем изящных искусств и Музеем естественной истории. Трёхмерное облако точек окрашено в оттенки серого с помощью калиброванного коэффициента отражения и RGB-канала с истинным цветопередачей. Для последнего требуется интеграция лазерного сканера и камеры. Такие интегрированные системы датчиков являются основной темой второй части данного руководства, которая будет опубликована в следующем выпуске журнала LIDAR Magazine.

Дополнительная литература

Mallet, C. and F. Bretar, 2009. Full-waveform topographic lidar: State-of-the-art, ISPRS Journal of Photogrammetry and Remote Sensing, 64(1): 1–16.
Shan, J. and C.K. Toth, 2018. Topographic Laser Ranging and Scanning: Principles and Processing, Second Edition, Taylor & Francis, Boca Raton, Florida, 637 pp.
Vosselman, G. and Maas, H.-G. (eds.), 2010. Airborne and Terrestrial Laser Scanning, Whittles Publishing, Dunbeath, Caithness, Scotland, 336 pp.
Wagner, W., 2010. Radiometric calibration of small-footprint full-waveform airborne laser scanner measurements: Basic physical concepts, ISPRS Journal of Photogrammetry and Remote Sensing, 65(6): 505–513.