Ключевые параметры современной системы лазерного сканирования

В прошлом интеграция оборудования и необходимая комбинация различных программных инструментов были серьезным препятствием на пути развития технологий в сфере лазерного сканирования. Теперь это препятствие устранено, и пользователи могут сосредоточиться на сборе и анализе данных - «настоящей работе» геодезиста. Но каковы основные параметры современной лидарной системы?

Современные лидарные системы представляют собой полностью интегрированные платформы, обычно состоящие из одного или нескольких лазерных сканеров, цифровых камер различных спектральных диапазонов, инерциальных измерительных устройств, соединенных с приемниками глобальной навигационной спутниковой системы, систем управления полетом и так далее. Но лидарная система - это гораздо больше, чем просто оборудование. В настоящее время она включает средства для определения оптимальной конфигурации параметров системы, инструменты планирования полета для максимальной производительности, простое в использовании программное обеспечение для оператора, которое обеспечивает прямую обратную связь в полете, информируя экипаж о состоянии системы и качестве собранных данных и, наконец (не в последнюю очередь), комплексное программное обеспечение для постобработки данных.

С середины 1990-х годов развитие лазерного сканирования, похоже, следует олимпийскому девизу: «Citius, Altius, Fortius» (быстрее, выше, сильнее). В конечном итоге, однако, речь идет не только о гонке между производителями лазерных сканеров, но, в первую очередь, о требовательных клиентах и ​​их требованиях к эффективному и экономичному измерению все больших площадей с целью предоставления данных сканирования с постоянно увеличивающимся разрешением и точностью.

 

Технологическая эволюция

Замечательная эволюция лазерных технологий за последние 15-20 лет, особенно в области полупроводниковых лазеров с волоконным усилением, позволила увеличить достижимую частоту импульсов лазерных сканеров с примерно 50 кГц в прошлом до 2 МГц сегодня. Например, типичная миссия воздушного лазерного сканирования, работающая на высоте 1000 м над уровнем моря (3300 футов) и при скорости полета 100 узлов, обеспечит среднюю плотность точек всего 0,5 точки на квадратный метр для устаревшего оборудования со скоростью съемки 50 кГц и плотностью 22,5. точек / м² для современного сканирования с частотой 2 МГц.

Полностью сертифицированный самолет-аэросъемщик (Cessna 206 с установленным на ней RIEGL VQ-1560-II, готовая к выполнению калибровочного залета.

 

Анализ формы волны

Эта технология была впервые представлена в 2004 году, бортовой лазерный сканер RIEGL LMS-Q560 был первым прибором с возможностью оцифровки эхо-сигнала и записи формы принятого сигнала, технологией, которая сейчас является стандартной и считается обязательной в любом профессиональном лазерном сканере, продаваемом на рынок. Полный анализ формы сигнала является ключом к высокой точности измерений, дает возможность разделить принятый сигнал на несколько отражений и позволяет получить для каждого отражения дополнительную атрибутивную информацию (например, калиброванную амплитуду и отражательную способность, а также ширину импульса). Все это в прошлом требовало записи огромных объемов данных о сигналах и последующей обработки данных. В настоящее время использование технологии оцифровки формы сигнала в реальном времени значительно сокращает объем записываемых данных и минимизирует время обработки, сохраняя при этом информационное наполнение и улучшая характеристики измерений.

 

Устранение неоднозначности диапазона

Доступность лазерных сканеров, обеспечивающих высокую частоту сканирования в сочетании с высокой мощностью, открыла новую проблемную область: появление неоднозначности при определении дальности, вызванной эхо-сигналами «многократного оборота» (MTA) – когда в воздухе одновременно находятся несколько ранее испущенных импульсов. Из-за высокой частоты большое количество лазерных импульсов постоянно перемещается по пути между передатчиком, целью и приемником. Без дополнительных мер нельзя однозначно отнести принятый сигнал к излучению конкретного испущенного лазерного импульса – в этом случае диапазон измерения остается неоднозначным. В 2011 году RIEGL представила новую технику, основанную на особой схеме модуляции, применяемой к последовательности передаваемых импульсов, которая позволяет устранять неоднозначность дальности без какой-либо дополнительной информации. Этот метод незаменим сегодня; с более чем 30 лазерными импульсами одновременно в воздухе с типовой рабочей высоты 1800 м и частотой повторения импульсов 2 МГц, он устраняет неопределенности диапазона и позволяет восстанавливать данные без пропусков во всем диапазоне измерений.

RIEGL VQ-1560 II-S – двухканальная воздушная сканирующая система с обработкой формы полученного сигнала используется для широкомасштабной съемки в горных районах.

 

Механизмы сканирования

И наконец, что не менее важно, применяемый механизм сканирования играет центральную роль во многих аспектах съемки с воздуха. Прежде всего, он определяет распределение точек и схему точек сканирования. Получение регулярного и равномерного расстояния между точками по всей полосе съемки имеет решающее значение для захвата деталей поверхности без пропуска объектов между отдельными измерениями или линиями сканирования. Для этого в бортовых лазерных сканерах RIEGL используются вращающиеся многоугольные или призматические зеркальные отражатели.

Это дает второе преимущество, а именно гибкость в выборе различных конфигураций сканеров, оптимизированных для их конкретных приложений - от одноканальных бортовых лазерных сканеров с постоянным интервалом между точками и строками развертки до более конкретных двухканальных систем с перекрестной схемой сканирования для минимизации эффектов затенения. Это также позволяет создавать миниатюрные одноканальные сканеры для использования на беспилотных летательных аппаратах (БПЛА или «дронах») с параллельными линиями сканирования и возможностью одновременной съемки в надир / вперед / назад (NFB).

Наконец, непрерывно вращающиеся зеркальные отражатели позволяют легко управлять широким диапазоном скоростей сканирования, чтобы поддерживать постоянный и регулярный интервал между точками (независимо от воздушной скорости, высоты или частоты повторения импульсов), постоянное широкое поле зрения и обеспечивать исключительную механическую стабильность, что очень важно для стабильной калибровки системы и геометрической точности измерений.

Лазерное сканирование сильно расчлененной гористой местности.

 

Перспективы на будущее

На основе доступных в настоящее время технологий дальнейшее увеличение максимального диапазона измерения, а также скорости измерения и точности возможно уже с трудом. Любое дальнейшее увеличение частоты следования импульсов уже приближается к физическим пределам - не только в отношении лазерной технологии, но и в отношении методов разрешения неоднозначности дальности (пространственный разнос по высоте у соседних последовательно идущих друг за другом лазерных импульсов уже сейчас стал настолько мал, что сопоставим с высотой измеряемых объектов – зданий или деревьев). Ограничивающим фактором в отношении возможного увеличения мощности лазера являются правила техники безопасности для глаз. Поскольку плотность энергии на земле ограничена, дальнейшее увеличение мощности лазера потребует больших высот полета, что, в свою очередь, приведет к увеличению «пятна» лазера, что приведет к более низкому пространственному разрешению. Более того, неблагоприятные атмосферные воздействия играют значительную роль в формировании цены при сканировании с большой высоты.

Использование соответствующих механизмов сканирования имеет решающее значение для конкретных приложений. Схема перекрестного сканирования («перекрестный огонь») серии VQ-1560 сводит к минимуму эффекты затенения в городской местности с узкими улицами.

Эти вызовы создают множество стимулов для новых идей и инновационных достижений. Одной из таких попыток в последние годы было дальнейшее развитие Гейгер-лидаров и лидаров с подсчетом одиночных фотонов для гражданского рынка, которые ранее использовались только в военных целях. Следуя новым техническим подходам, принцип заключался в том, чтобы уменьшить количество фотонов, используемых для определения дальности, насколько это возможно, обеспечивая беспрецедентную высоту полета и, таким образом, оптимальный выход по площади. Несколько измерений под разными углами в одном и том же месте должны одновременно дать высокую плотность точек с достаточной точностью. С практической точки зрения пользователя, этот принцип страдает теми же недостатками, что и обычные методы, используемые в фотограмметрии, которая также полагается на достаточно большое перекрытие изображений: у этих системк крайне низкая способность к проникновению через растительность для создания моделей рельефа местности (зачастую от земли вообще нет отражений), не говоря уже об огромных усилиях по обработке данных. Что касается пагубного влияния больших высот на достижимую точность измерений, вышеупомянутое в равной степени относится ко всем типам лидаров, будь то лидар Гейгера, счетчик одиночных фотонов или линейный лидар.

 

Увеличение производительности

Принципиальным стимулом для будущих разработок является дальнейшее увеличение производительности и, следовательно, эффективности сбора данных при сохранении оптимального распределения точек на местности. Лидары с возможностью обработки формы сигналов по-прежнему будут предпочтительной технологией для обеспечения непревзойденной точности измерений, низкого уровня шума при дальности и доступности целевых атрибутов, таких как независимая от высоты калиброванная отражательная способность и отклонение формы импульса.

RIEGL VUX-120 обеспечивает оптимальное покрытие вертикальных структур благодаря технике сканирования в надир / вперед / назад (NFB).

 

Сканирование с БПЛА

Ожидается, что в ближайшем будущем направление беспилотного лазерного сканирования значительно расширится, поскольку быстрое развитие рынка БПЛА стимулирует инновации в том числе и в технологии лидарных измерений. Пользователи систем лазерного сканирования, работающих на беспилотных платформах, ожидают хорошо известного высокого качества данных, точности и аналогичного информационного содержания измерений, которые дают сейчас пилотируемой системы лазерного сканирования (ALS). Таким образом, почти все известные методы для работы бортовых лазерных сканеров, упомянутые здесь, были адаптированы к основным требованиям беспилотного лазерного сканирования - малому весу, малым размерам и высокой энергоэффективности. Замечательная миниатюризация привела к тому, что инструменты уже сейчас весят менее 2 кг и работают с частотой повторения импульсов до 1,8 МГц, что обеспечивает точность исследовательского класса около 1 см (1 сигма) на высоте полета более 135 м (450 футов). В свою очередь, недавно разработанные методы производства и использование современных легких материалов стимулируют разработку новых и инновационных инструментов для пилотируемого воздушного лазерного сканирования. Все эти инновации в области измерительной техники сопровождаются огромным повышением эффективности за счет последних разработок программных алгоритмов, а также упрощенной оценки и обработки данных, которые облегчают работу геодезистов.

Высокодетальное сканирование с плотностью более чем 50 точек на 1 м2, полученной за один проход. Выполнено с использованием VQ-1560-II с высоты 770m на уровнем поверхности на скорости 215 км/ч.

 

Авторы

Андреас Ульрих - технический и управляющий директор компании RIEGL Laser Measurement Systems, в которой он работает с 1991 года. Доктор наук в области электротехники Венского технологического университета и автор диссертации на тему "Высокое разрешение оптического доплеровский радиолокатора" (1987-1990). С 2001 года читает лекции по радиолокации в Венском технологическом университете.

Питер Ригер - менеджер департамента воздушного лазерного сканирования компании RIEGL Laser Measurement Systems, Хорн, Австрия. Он получил степень магистра в области телекоммуникаций в Венском технологическом университете в 2002 году. Его исследовательские интересы охватывают методы определения дальности лазерными сканерами с использованием метода разрешения неоднозначности, полного анализ формы сигнала и инерциальных систем/ ГНСС.