Оставить заявку
Для заказа и получения более подробной информации оставьте заявку, наш менеджер свяжется с Вами!
Нажимая на кнопку, вы даете согласие на обработку персональных данных и соглашаетесь c политикой конфиденциальности
Воздушное лазерное сканирование: Эволюция технологий и области применений.
Воздушное лазерное сканирование: Эволюция технологий и области применений.
В ближайшие месяцы Hexagon представит следующее поколение воздушного датчика на основе однофотонной лидарной технологии (SPL). Это обновление нашей чрезвычайно популярной системы Leica SPL100 для широкозонной картографии высот, в которой будет использована новейшая технология SPL с целью значительного снижения затрат на воздушный сбор данных, связанных с обновлением крупных проектов по картографированию рельефа, таких как амбициозная и успешная Программа 3D-картографирования рельефа (3DEP) Геологической службы США.
Данные о высоте, полученные в Швейцарии с помощью Leica TerrainMapper-3. Сегодня лидар может проникать сквозь лесные кроны для точного измерения высоты деревьев, плотности кроны и рельефа местности.
В целом коммерческая картографическая индустрия переживает период захватывающих преобразований, и сегмент лидарных технологий растет так же быстро, если не быстрее, чем любой другой. Как и многие технологии, эволюция лидара была обусловлена сочетанием прорывов в технических инновациях и меняющихся экономических и пользовательских требований клиентов.
Чтобы полностью понять, где сегодня находится технология лидара, как далеко она продвинулась за короткий промежуток времени и куда она движется, мы посчитали полезным вернуться к эволюции воздушных лазерных сканеров, которые теперь известны как лидар, или световая локация и дальнометрия. Это также поможет различить текущие вариации систем, которые подпадают под термин «лидар».
Лазерное профилирование доказывает свой потенциал
Известная нам сегодня авиационная технология возникла как "лазерное профилирование", осуществляемое с помощью вертолетов, оснащенных лазерными дальномерами. Поскольку вертолет двигался с относительно небольшой скоростью по сравнению с самолетами с неподвижным крылом, бортовой прибор испускал лазерные импульсы со скоростью примерно 1000-2000 в секунду в одну линию, направленную на местность внизу.
В целом коммерческая картографическая индустрия переживает период захватывающих преобразований, и сегмент лидарных технологий растет так же быстро, если не быстрее, чем любой другой. Как и многие технологии, эволюция лидара была обусловлена сочетанием прорывов в технических инновациях и меняющихся экономических и пользовательских требований клиентов.
Чтобы полностью понять, где сегодня находится технология лидара, как далеко она продвинулась за короткий промежуток времени и куда она движется, мы посчитали полезным вернуться к эволюции воздушных лазерных сканеров, которые теперь известны как лидар, или световая локация и дальнометрия. Это также поможет различить текущие вариации систем, которые подпадают под термин «лидар».
Лазерное профилирование доказывает свой потенциал
Известная нам сегодня авиационная технология возникла как "лазерное профилирование", осуществляемое с помощью вертолетов, оснащенных лазерными дальномерами. Поскольку вертолет двигался с относительно небольшой скоростью по сравнению с самолетами с неподвижным крылом, бортовой прибор испускал лазерные импульсы со скоростью примерно 1000-2000 в секунду в одну линию, направленную на местность внизу.
Представленный в 2002 году, Leica ALS40 обеспечивал максимальную частоту импульсов 45 кГц и максимальную частоту сканирования 70 Гц.
Эти импульсы отражались от поверхности земли, возвращались к сенсору и преобразовывались в измерения расстояний с помощью простого расчёта времени прохождения сигнала (time‑of‑flight). В сочетании с известной высотой полёта вертолёта каждый такой расчёт превращался в измерение высоты конкретной точки на земной поверхности.
Собранные данные формировали узкий профиль рельефа — поскольку прибор испускал световые импульсы только по одной линии во время перемещения вертолёта над ландшафтом.
Лазерное профилирование было весьма дорогостоящим, а сфера его применения ограничивалась сбором данных по узким коридорам — обычно для энергетических компаний и операторов трубопроводов. В других случаях лазерное профилирование чаще использовали для выборочной проверки других наборов высотных данных, особенно в фотограмметрии. Тем не менее потенциал этой методики был очевиден.
До этого момента большинство аэрофотосъёмок рельефа выполнялось с помощью фотограмметрического анализа оптических изображений, при котором подавляющее большинство точек поверхности определялось методом интерполяции. Лазеры же не просто напрямую и точно измеряли точки вместо их оценки — они имели ещё одно важное преимущество: световые импульсы проникали сквозь кроны деревьев, фиксируя высоту поверхности земли под ними. Этого фотограмметрия на основе изображений не могла обеспечить в густо заросших растительностью районах.
При постобработке лазерных данных можно было отделить импульсы, отразившиеся от крон деревьев и строений, от тех, что достигли поверхности земли. Это позволяло создавать точные цифровые модели рельефа (bare‑earth digital elevation models), отображающие именно поверхность земли без учёта растительности и построек.
Эти импульсы отражались от поверхности земли, возвращались к сенсору и преобразовывались в измерения расстояний с помощью простого расчёта времени прохождения сигнала (time‑of‑flight). В сочетании с известной высотой полёта вертолёта каждый такой расчёт превращался в измерение высоты конкретной точки на земной поверхности.
Собранные данные формировали узкий профиль рельефа — поскольку прибор испускал световые импульсы только по одной линии во время перемещения вертолёта над ландшафтом.
Лазерное профилирование было весьма дорогостоящим, а сфера его применения ограничивалась сбором данных по узким коридорам — обычно для энергетических компаний и операторов трубопроводов. В других случаях лазерное профилирование чаще использовали для выборочной проверки других наборов высотных данных, особенно в фотограмметрии. Тем не менее потенциал этой методики был очевиден.
До этого момента большинство аэрофотосъёмок рельефа выполнялось с помощью фотограмметрического анализа оптических изображений, при котором подавляющее большинство точек поверхности определялось методом интерполяции. Лазеры же не просто напрямую и точно измеряли точки вместо их оценки — они имели ещё одно важное преимущество: световые импульсы проникали сквозь кроны деревьев, фиксируя высоту поверхности земли под ними. Этого фотограмметрия на основе изображений не могла обеспечить в густо заросших растительностью районах.
При постобработке лазерных данных можно было отделить импульсы, отразившиеся от крон деревьев и строений, от тех, что достигли поверхности земли. Это позволяло создавать точные цифровые модели рельефа (bare‑earth digital elevation models), отображающие именно поверхность земли без учёта растительности и построек.
Данные, полученные с помощью однофотонного лидара.
Следующее инновационное решение революционизировало воздушное лазерное профилирование и превратило его в то, что действительно можно было назвать лазерным картографированием. Под лазером был установлен сканер, так что световые импульсы рассеивались по поверхности широкими полосами вместо одной линии, захватывая измерения рельефа на обширных территориях. Установка этих новых лазерных сканеров на самолеты с неподвижным крылом, способные летать быстрее и выше, значительно увеличила объем сбора данных и общую экономическую эффективность.
За неимением лучшего термина, эта ранняя версия воздушного лазерного сканирования часто называется линейным режимом лидара.
Воздушный лидар в линейном режиме все чаще рассматривался как жизнеспособная техника картографирования. Теперь можно было создавать точные модели рельефа без растительности с интервалом между точками всего в один или два метра, даже под пологом растительности. Среди множества первоначальных применений этой технологии было создание высокоточных гидрографических карт, которые можно было использовать для определения направления течения поверхностных вод в случае наводнений.
Однако два ключевых нововведения позволили лидару сделать этот гигантский скачок вперед в плане точности и его широкого использования картографическими организациями.
Вспомогательные и движущие силы
Первым из них стало введение в конце 1990-х годов на борту самолета системы GPS/инерциального измерительного блока, или GPS/IMU. Одновременно с захватом точек рельефа это устройство собирало точные координаты местоположения самолета, а также его ориентацию (тангаж и крен) в полете. В ходе постобработки эти данные GPS/IMU объединялись с данными лидара для определения удивительно точных координат X, Y и Z для каждой точки рельефа.
За неимением лучшего термина, эта ранняя версия воздушного лазерного сканирования часто называется линейным режимом лидара.
Воздушный лидар в линейном режиме все чаще рассматривался как жизнеспособная техника картографирования. Теперь можно было создавать точные модели рельефа без растительности с интервалом между точками всего в один или два метра, даже под пологом растительности. Среди множества первоначальных применений этой технологии было создание высокоточных гидрографических карт, которые можно было использовать для определения направления течения поверхностных вод в случае наводнений.
Однако два ключевых нововведения позволили лидару сделать этот гигантский скачок вперед в плане точности и его широкого использования картографическими организациями.
Вспомогательные и движущие силы
Первым из них стало введение в конце 1990-х годов на борту самолета системы GPS/инерциального измерительного блока, или GPS/IMU. Одновременно с захватом точек рельефа это устройство собирало точные координаты местоположения самолета, а также его ориентацию (тангаж и крен) в полете. В ходе постобработки эти данные GPS/IMU объединялись с данными лидара для определения удивительно точных координат X, Y и Z для каждой точки рельефа.
Линейная система Leica TerrainMapper-3 объединяет лидарный блок и систему камер в одном модуле. Модульная конструкция позволяет легко заменять, ремонтировать или модернизировать отдельные компоненты.
Рисунок 5. (a) Изображение, полученное датчиком до обработки, снятое с высокого травяного участка; (b) геопривязанное изображение, преобразованное в отражательную способность для изображения травяного участка, и (c) полностью постобработанное изображение болотистого участка.
Вторым ключевым фактором стало наступление цифровой эры в картографии и дистанционном зондировании. Традиционная фотограмметрия переживала переход от аналогового процесса к цифровому — благодаря появлению софткопи‑фотограмметрии (обработки изображений в цифровой среде). Вскоре после этого цифровые бортовые сенсоры начали заменять плёночные камеры для получения оптических снимков.
За очень короткий промежуток времени весь процесс картографирования с использованием дистанционных снимков — от сбора данных до конечного результата — стал цифровым.
Для многих давно работающих компаний в сфере аэрокартографирования это существенно облегчило быстрое внедрение лидаров. Поскольку лидар по своей природе являлся цифровой технологией, а воздушное дистанционное зондирование стремительно становилось таким же, геодезисты уже наладили сквозные цифровые рабочие процессы обработки данных.
Огромные массивы цифровых точек, получаемых с помощью лидара, уже не выглядели столь пугающе, как это могло быть всего несколько лет назад. В результате лазерный сканер был воспринят как жизнеспособный новый источник картографических данных.
Рост применения воздушного лидара в конце 1990‑х — начале 2000‑х годов стимулировали и другие факторы.
Ряд компаний‑производителей оборудования — таких как Optech (ныне Teledyne Geospatial) и Azimuth Corporation (приобретена Leica Geosystems в 2001 году) — выпускали коммерческие воздушные лидарные системы. Конкуренция побуждала их создавать более мощные устройства, способные обеспечивать более высокую плотность точек измерений на поверхности земли. Их системы позволяли получать всё более точные данные при увеличении скорости полёта и высоты съёмки.
Этот рыночный фактор привёл к снижению цен на оборудование — одновременно с тем, как полёты стали экономически эффективнее благодаря техническим инновациям.
Ещё одним рыночным фактором, ускорившим внедрение лидаров, стал спрос со стороны заказчиков. Конечные пользователи высотных данных — особенно в прибрежных районах (например, в штате Луизиана, США), где моделирование сложных режимов приливов и паводковых потоков напрямую зависело от точности данных и плотности точек, — активно обращались к лидарным технологиям.
Интерполяция трёхмерных значений по оптическим снимкам уже не удовлетворяла требованиям: геопространственные пользователи начали прямо указывать в запросах предложений (RFP) необходимость применения именно лидарной технологии.
Перевод
Государственные и федеральные ведомства сыграли в этом ключевую роль. Хотя официальная инициатива 3DEP (3D Elevation Program) стартовала лишь в 2012 году с требованием использовать лидар, Геологическая служба США (USGS) и другие организации применяли эту технологию уже несколько лет до этого. С тех пор национальные картографические службы по всему миру запустили аналогичные 3D‑программы, в которых использование лидара стало обязательным.
Стремление к упрощению
По мере того как конкуренция заставляла воздушные лидарные системы покрывать поверхность Земли всё более плотной сеткой лазерных импульсов при более высоких скоростях и высотах полёта, испытывались на прочность законы физики и возможности технологии линейного режима (linear‑mode).
Чтобы повысить производительность, системы начали включать технологии «множественных импульсов в воздухе» (multiple‑pulse‑in‑the‑air), а позже — возможность работы без затворов (gateless multi‑pulse), что позволяло импульсам перекрываться в полёте и преодолевать ограничения, связанные со скоростью света.
При излучении миллионов перекрывающихся импульсов в секунду устройство должно было отслеживать каждый из них — и это становилось чрезвычайно сложно, особенно в городских условиях. Например, высокие здания приводили к тому, что некоторые отражённые импульсы достигали сенсора раньше, чем те, что были излучены позднее. Возникали и другие проблемы, связанные с нарушением последовательности сигналов.
В результате масштабирование производительности лидарных систем линейного режима стало чрезмерно сложным. Решением стало создание массово‑параллельных сенсоров — к которым относятся как однофотонные лидары (single‑photon lidar), так и лидары в гейгеровском режиме (Geiger‑mode lidar).
Например, в системе Leica SPL100 фактически работают 100 линейных лидаров, каждый из которых излучает до 100 000 импульсов в секунду и обладает весьма простой функцией множественных импульсов. Благодаря такой архитектуре гораздо легче получать корректные измерения расстояний в условиях сложного рельефа.
Лидары в гейгеровском режиме (Geiger‑mode) используют схожий принцип, но с вращающейся решёткой сканеров. Она работает так, словно содержит тысячи простейших устройств линейного режима, излучающих по одному импульсу за раз.
Хотя эти две разновидности могут показаться сложными, на деле они проще за счёт массово‑параллельной архитектуры.
В результате:
Иными словами, недавняя эволюция воздушных лидарных систем позволила:
Еще одним ключевым фактором в этой эволюции является технологическое улучшение самих лазеров. Лазерные дальномеры используются в нескольких очень требовательных отраслях, и автономные транспортные средства являются наиболее заметными среди них. Производители самоуправляемых автомобилей стремятся получить лазеры, которые были бы лучше, легче, меньше и дешевле, чем когда-либо.
Одной из задач для производителей лазеров всегда было создание систем, которые включаются и выключаются очень чисто при каждом излучении импульса. В противном случае в собранных наборах данных вводится "дрожание" или шум, что создает двусмысленность и неточность в измерениях. В то время как системы в линейном режиме измеряли бы диапазон по многим сотням или тысячам возвращенных фотонов, которые усредняли бы это лазерное дрожание, в случае с одним фотоном - как следует из названия - измерение диапазона измеряется одним или двумя фотонами, поэтому любое дрожание сразу же видно в точности высоты. Разработчик лазерного блока, интегрированного в современные однофотонные системы, значительно снизил дрожание в этих продуктах, с должным признанием того, что самоуправляемые автомобили быстро продвигают развитие технологий.
В то же время поставщики разрабатывают более легкие лазеры по более низким ценам, чтобы удовлетворить потребности автомобильной промышленности. В целом, лазеры теперь могут собирать высококачественные данные с меньшей мощностью, что означает меньший вес. Это, в свою очередь, позволило поставщикам лидарных систем создавать более компактные приборы, которые можно устанавливать на меньшие самолеты и даже беспилотные летательные аппараты (БПЛА) - еще один скачок вперед для картографической отрасли.
Хотя экономика воздушного картографирования рельефа значительно улучшилась за последние 25 лет благодаря эволюции базовой технологии и конструкции системы, финансовый аспект также выиграл от изменения философии разработки. Например, воздушные лидарные системы Leica Geosystems разработаны с учетом пути обновления. Эти продукты построены с учетом как минимум двух, а возможно, и трех следующих поколений перед заменой на новые покупки.
В настоящее время разрабатывается множество других улучшений лидара, обусловленных как внутренними, так и внешними факторами воздушного картографирования. За 25 лет на рынке технология не показывает признаков замедления - она все еще быстро ускоряется. В следующей статье мы рассмотрим предстоящие изменения, которые ускорят воздушное лазерное сканирование на долгие годы вперед.
За очень короткий промежуток времени весь процесс картографирования с использованием дистанционных снимков — от сбора данных до конечного результата — стал цифровым.
Для многих давно работающих компаний в сфере аэрокартографирования это существенно облегчило быстрое внедрение лидаров. Поскольку лидар по своей природе являлся цифровой технологией, а воздушное дистанционное зондирование стремительно становилось таким же, геодезисты уже наладили сквозные цифровые рабочие процессы обработки данных.
Огромные массивы цифровых точек, получаемых с помощью лидара, уже не выглядели столь пугающе, как это могло быть всего несколько лет назад. В результате лазерный сканер был воспринят как жизнеспособный новый источник картографических данных.
Рост применения воздушного лидара в конце 1990‑х — начале 2000‑х годов стимулировали и другие факторы.
Ряд компаний‑производителей оборудования — таких как Optech (ныне Teledyne Geospatial) и Azimuth Corporation (приобретена Leica Geosystems в 2001 году) — выпускали коммерческие воздушные лидарные системы. Конкуренция побуждала их создавать более мощные устройства, способные обеспечивать более высокую плотность точек измерений на поверхности земли. Их системы позволяли получать всё более точные данные при увеличении скорости полёта и высоты съёмки.
Этот рыночный фактор привёл к снижению цен на оборудование — одновременно с тем, как полёты стали экономически эффективнее благодаря техническим инновациям.
Ещё одним рыночным фактором, ускорившим внедрение лидаров, стал спрос со стороны заказчиков. Конечные пользователи высотных данных — особенно в прибрежных районах (например, в штате Луизиана, США), где моделирование сложных режимов приливов и паводковых потоков напрямую зависело от точности данных и плотности точек, — активно обращались к лидарным технологиям.
Интерполяция трёхмерных значений по оптическим снимкам уже не удовлетворяла требованиям: геопространственные пользователи начали прямо указывать в запросах предложений (RFP) необходимость применения именно лидарной технологии.
Перевод
Государственные и федеральные ведомства сыграли в этом ключевую роль. Хотя официальная инициатива 3DEP (3D Elevation Program) стартовала лишь в 2012 году с требованием использовать лидар, Геологическая служба США (USGS) и другие организации применяли эту технологию уже несколько лет до этого. С тех пор национальные картографические службы по всему миру запустили аналогичные 3D‑программы, в которых использование лидара стало обязательным.
Стремление к упрощению
По мере того как конкуренция заставляла воздушные лидарные системы покрывать поверхность Земли всё более плотной сеткой лазерных импульсов при более высоких скоростях и высотах полёта, испытывались на прочность законы физики и возможности технологии линейного режима (linear‑mode).
Чтобы повысить производительность, системы начали включать технологии «множественных импульсов в воздухе» (multiple‑pulse‑in‑the‑air), а позже — возможность работы без затворов (gateless multi‑pulse), что позволяло импульсам перекрываться в полёте и преодолевать ограничения, связанные со скоростью света.
При излучении миллионов перекрывающихся импульсов в секунду устройство должно было отслеживать каждый из них — и это становилось чрезвычайно сложно, особенно в городских условиях. Например, высокие здания приводили к тому, что некоторые отражённые импульсы достигали сенсора раньше, чем те, что были излучены позднее. Возникали и другие проблемы, связанные с нарушением последовательности сигналов.
В результате масштабирование производительности лидарных систем линейного режима стало чрезмерно сложным. Решением стало создание массово‑параллельных сенсоров — к которым относятся как однофотонные лидары (single‑photon lidar), так и лидары в гейгеровском режиме (Geiger‑mode lidar).
Например, в системе Leica SPL100 фактически работают 100 линейных лидаров, каждый из которых излучает до 100 000 импульсов в секунду и обладает весьма простой функцией множественных импульсов. Благодаря такой архитектуре гораздо легче получать корректные измерения расстояний в условиях сложного рельефа.
Лидары в гейгеровском режиме (Geiger‑mode) используют схожий принцип, но с вращающейся решёткой сканеров. Она работает так, словно содержит тысячи простейших устройств линейного режима, излучающих по одному импульсу за раз.
Хотя эти две разновидности могут показаться сложными, на деле они проще за счёт массово‑параллельной архитектуры.
В результате:
- однофотонные лидары (single‑photon) и лидары в гейгеровском режиме легче эксплуатировать и обслуживать;
- они обеспечивают колоссальные темпы сбора данных на обширных территориях — даже при резких перепадах высот и на высоких скоростях полёта самолёта.
Иными словами, недавняя эволюция воздушных лидарных систем позволила:
- измерять намного более высокую плотность точек высот на поверхности земли;
- охватывать значительно большие географические площади за один полёт;
- делать это при существенно меньших затратах.
Еще одним ключевым фактором в этой эволюции является технологическое улучшение самих лазеров. Лазерные дальномеры используются в нескольких очень требовательных отраслях, и автономные транспортные средства являются наиболее заметными среди них. Производители самоуправляемых автомобилей стремятся получить лазеры, которые были бы лучше, легче, меньше и дешевле, чем когда-либо.
Одной из задач для производителей лазеров всегда было создание систем, которые включаются и выключаются очень чисто при каждом излучении импульса. В противном случае в собранных наборах данных вводится "дрожание" или шум, что создает двусмысленность и неточность в измерениях. В то время как системы в линейном режиме измеряли бы диапазон по многим сотням или тысячам возвращенных фотонов, которые усредняли бы это лазерное дрожание, в случае с одним фотоном - как следует из названия - измерение диапазона измеряется одним или двумя фотонами, поэтому любое дрожание сразу же видно в точности высоты. Разработчик лазерного блока, интегрированного в современные однофотонные системы, значительно снизил дрожание в этих продуктах, с должным признанием того, что самоуправляемые автомобили быстро продвигают развитие технологий.
В то же время поставщики разрабатывают более легкие лазеры по более низким ценам, чтобы удовлетворить потребности автомобильной промышленности. В целом, лазеры теперь могут собирать высококачественные данные с меньшей мощностью, что означает меньший вес. Это, в свою очередь, позволило поставщикам лидарных систем создавать более компактные приборы, которые можно устанавливать на меньшие самолеты и даже беспилотные летательные аппараты (БПЛА) - еще один скачок вперед для картографической отрасли.
Хотя экономика воздушного картографирования рельефа значительно улучшилась за последние 25 лет благодаря эволюции базовой технологии и конструкции системы, финансовый аспект также выиграл от изменения философии разработки. Например, воздушные лидарные системы Leica Geosystems разработаны с учетом пути обновления. Эти продукты построены с учетом как минимум двух, а возможно, и трех следующих поколений перед заменой на новые покупки.
В настоящее время разрабатывается множество других улучшений лидара, обусловленных как внутренними, так и внешними факторами воздушного картографирования. За 25 лет на рынке технология не показывает признаков замедления - она все еще быстро ускоряется. В следующей статье мы рассмотрим предстоящие изменения, которые ускорят воздушное лазерное сканирование на долгие годы вперед.
11 ноября / 2025