Точность – Эффективность – Плотность данных. Требования к лучшим на сегодняшний день лазерным сканерам
Лазерное сканирование вышло на арену геопространственных услуг в 1990-х годах, став жизнеспособной технологией с развитием глобального позиционирования (GPS) и внедрением технологий инерциальной навигации. Первые сканеры имели лазеры с частотой импульсов 2 кГц, что меркнет по сравнению с технологией, которую используют сегодня, но это было впечатляющее начало.
В данной статье приводится опыт использования технологии лазерного сканирования компанией NV5 Geospatial – международный поставщик инженерных и консалтинговых услуг, связанных с производством, передачей, распределением и строительством сетей электропередач с офисами в Европе, Индии, США.
Мы никогда не оглядывались назад и сегодня превратились в одну из крупнейших и наиболее эффективных компаний в мире, предоставляющих услуги лазерного сканирования. В течение последних 25 лет мы постоянно модернизировали наш парк лазерного сканирующего оборудования, добавили возможности наземного мобильного картографирования в середине 2000-х годов и внедрили топографо-батиметрический сканер, когда он впервые был представлен компанией RIEGL в 2013 году. Мы диверсифицировали наши системы сбора данных, добавив винтокрылые и беспилотные системы для наших самолетов. Всего несколько лет назад мы начали интегрировать роботизированные системы, сочетающие сканер с видимыми и тепловизионными ИК-камерами, для проведения удаленных проверок изолированных объектов. Лазерные сканеры играют ключевую роль в услугах, которые мы предлагаем нашим клиентам.
Обзор оборудования
Наши сканеры впечатляют. То же самое относится и к набору программного обеспечения, которое мы используем, чтобы превратить данные сканеров в действенную информацию. При сборе наземных данных мы полагаемся исключительно на сканеры производства RIEGL. Традиционная аэросъемка в основном осуществляется с помощью одного из четырех сканеров RIEGL VQ-1560ii-S или двух сканеров RIEGL VQ-780ii-S. Они датируются 2017 годом выпуска для моделей 1560ii и всего годом ранее для моделей 780ii. Винтокрылые и беспилотные платформы обычно оснащены одним из сканеров RIEGL VUX. Мы были одними из первых, кто внедрил технологию VUX, когда она была впервые представлена в 2013 году. Мы также используем технологию мобильного картографирования RIEGL VMX-2HA.
Для батиметрических операций мы используем один из сканеров RIEGL VQ-880gii. Опять же, мы очень рано внедрили эту специализированную технологию, купив несколько сканеров почти сразу после их первого появления на рынке.
Наш пакет программного обеспечения включает в себя множество программ различных разработчиков, таких как программное обеспечение для постобработки данных лазерного сканирования от компании RIEGL, популярные готовые модули от TerraSolid, BayesMap Solutions, Esri, а также множество специализированных приложений, разработанных нашими инженерами.
Процесс выбора оборудования
На протяжении многих лет мы тесно сотрудничали со всеми производителями лазерного сканирующего оборудования и в разное время владели лазерными сканирующими технологиями всех поставщиков. Однако в последнее время мы сосредоточили свое внимание почти исключительно на сканерах RIEGL, поскольку они обладают лучшими эксплуатационными характеристиками для широкого спектра проектов, которые мы реализуем.
При оценке оборудования мы оцениваем множество факторов. Это включает в себя возможность эффективного достижения очень высокой плотности точек с высокой трехмерной точностью. Нам также нужна способность проникать сквозь густой растительный покров, достигать больших глубин в батиметрических приложениях, адаптироваться как к городским, так и к сельским условиям проектов и одинаково хорошо работать на равнинной и горной местности. Надежность сканеров имеет решающее значение, поскольку реальные затраты, связанные с поломкой лазерной сканирующей системы в течение двух-трех недель после приобретения, могут иметь катастрофические последствия для наших тщательно продуманных планов проекта. Наконец, последующий рабочий процесс обработки сырых данных в интеллектуальные облака точек должен соответствовать нашей производственной среде.
Системная интеграция
Последовательность RIEGL в использовании программного обеспечения Ri-Acquire и Ri-Process для всей линейки сканеров позволяет нам легко интегрировать любую лазерную сканирующую систему RIEGL в наши устоявшиеся рабочие процессы. При развертывании любой новой лазерной сканирующей системы необходимо изучить нюансы, включая определение и настройку параметров сканеров, специфичных для каждого применения. Кроме того, при внедрении новых технологий всегда будут извлечены уроки, и иногда эти уроки даются нелегко! Мы используем полученную информацию для постоянного развития и совершенствования наших рабочих процессов и лучших практик. Достижения могут быть такими простыми, как небольшая настройка применяемых сканеров, усовершенствование наших алгоритмов обработки или столь же масштабными, как переосмысление всего нашего подхода к сбору данных лазерного сканирования на основе последних разработок технологий. В конечном счете широкий спектр лазерных сканирующих систем RIEGL, которыми мы владеем и управляем, позволяет нам предлагать нашим клиентам лучшие доступные решения.
Проекты
Йосемитский национальный парк
Лазерное сканирование — это мощная технология дистанционного зондирования, которая чрезвычайно полезна для формирования четкого понимания лесов путем анализа подробных моделей рельефа, от верхушек деревьев до земли. Эти модели имеют значительную детализацию, выходящую за рамки высоты деревьев. Они также содержат ценную информацию о плотности кроны и распределении ветвей. Инновационная технология сканирования оборудования RIEGL с небольшим наклоном вперед и назад двух сканирующих зеркал идеально подходит для успешной работы в густой растительности. Полные данные позволяют инженерам и ученым глубже понять прошлые пожары, диагностировать уязвимости и повысить устойчивость лесов к пожарам.
В 2019 году NV5 Geospatial работала с исследователями над созданием модели рельефа Йосемитского национального парка в горах Сьерра-Невада в Калифорнии в высоком разрешении. Эти данные были получены с помощью воздушного лазерного сканера RIEGL 1560ii при максимальной плотности 60 точек на квадратный метр (ppm).
Разрез сегментированной растительности из проекта в Йосемите, четко иллюстрирующий структурные детали, находящиеся в кроне дерева от вершины до естественной земли.
Ледник Кхумбу в Непале
Ледник Кхумбу находится у подножия горы Эверест в Непале. Он известен как самый высокий ледник на земле, достигающий высоты 25 000 футов на склоне Лхоцзе. Базовый лагерь Эвереста расположен вдоль ледника и является отправной точкой для попыток восхождения. В 2019 году Национальное географическое общество обратилось к NV5 Geospatial для создания подробной трехмерной модели ледника на определенный момент времени для научного анализа изменения климата и воздействия на водоснабжение миллионов людей.
Большая высота создает серьезные проблемы для полетов вертолета, поскольку на больших высотах двигателю трудно работать в разреженном воздухе. Мы собрали подробные модели рельефа, пролетая всего на высоте 700 футов над землей на высотах (над уровнем моря) от 16 000 до 23 000 футов. Многие участки ледника почти вертикальны; нам удалось установить воздушный лазерный сканер RIEGL 480ii под углом обзора 45 градусов, чтобы обеспечить практически идеальный сбор данных, особенно в труднопроходимой зоне ледопадов. Мы считаем, что этот снимок является новым рекордом высоты для воздушной лазерной сканирующей съемки.
Лазерный сканер RIEGL, установленный на передней части Еврокоптера для выполнения проекта на ледниках Эвереста
Археологические открытия в Колумбии
NV5 Geospatial запечатлела еще один проект для телеканала National Geographic, но проблемы существенно отличались от тех, которые были обнаружены в Непале. Густые джунгли этого района не позволили получить детальное картирование территории проекта с помощью традиционных методов дистанционного зондирования. Мы снова рассмотрели возможность полета вертолета на малой высоте, оснащенного двойными сканерами RIEGL VUX1-LR с пересекающимися шаблонами сканирования, чтобы максимизировать нашу способность проникать сквозь плотный полог и точно картографировать землю под ним. Для этого проекта высота полета была снижена до 500 футов над землей.
Этими данными воспользовались археологи, открывшие в Северной Колумбии несколько ранее неизвестных поселений. Они также использовались телеканалом National Geographic TV в сериале «Затерянные города с Альбертом Лином».
Лазерные сканирующие системы RIEGL сыграли важную роль в успехе каждого проекта. Для проекта Йосемити воздушный лазерный сканер RIEGL 1560ii идеально подходил для работы на пересеченной местности, проникал в сложную растительность и обеспечивал экономическую эффективность, по консервативным оценкам, на 20% по сравнению с сопоставимыми системами. Воздушный лазерный сканер 480ii идеально подходил для ледника Кхумбу, поскольку он имел небольшой форм-фактор и очень хорошо работал при экстремальных температурах, возникающих на высоте съемки до 23 000 футов над уровнем моря. Использование лазерного сканера VUX1 небольшого формата с перекрестной схемой сканирования и полет на очень малой высоте позволило нам эффективно проникать через густые полога джунглей. Что еще более важно, наш разнообразный набор систем лазерного сканирования позволил нам выбрать правильную технологию для решения каждой конкретной задачи проекта.
Будущее использование 3D-технологий
Одним из преимуществ нашего размера и разнообразия услуг является способность финансировать исследования новых технологий и решений. Наши профессионалы всегда ищут лучший способ решения задач и внимательно следят за развитием 3D-технологий.
Некоторые достижения станут результатом улучшения технологии лазерного сканирования, повышения эффективности и новых возможностей. Другие возникнут в результате того, как мы получаем ответы из данных в процессе обработки. Более высокое разрешение и более высокая точность позволяют нам решать проблемы, которые несколько лет назад были невозможны с помощью технологий дистанционного зондирования. То, как продвинулись технологии искусственного интеллекта и машинное обучение за последние пять лет, еще более впечатляет и открывает новые возможности. К ним относятся увеличение частоты проведения съемок и анализа, устранение препятствий при съемке в труднодоступных опасных районах или внедрение новых решений, которые улучшают процесс получения данных для наших клиентов и в итоге улучшают жизнь потребителей. Будущее 3D-технологий прекрасно!