LIDAR (Light Detection And Ranging) — Технология лазерного сканирования

Трехмерное лазерное сканирование — сравнительно молодое направление в области высокоточных измерений. Предпосылкой к его возникновению и развитию стало появление в арсенале геодезистов безотражательных лазерных дальномеров (тахеометров), позволяющих проводить измерения без использования специальных отражателей, а также GNSS-технологий (Global Navigation Satellite System), дающих возможность быстро и точно определять координаты на местности с помощью спутниковой информации.

Принцип действия лазерных сканеров, независимо от их типа и назначения, основан на измерении расстояния от источника лазерного импульса до объекта. Пучок лазера, выходящий из излучателя, отражается от поверхности обследуемого объекта. Отраженный сигнал поступает в приемник сканера, где по задержке времени (импульсный метод) или сдвигу фаз (фазовый метод) между излученным и отраженным сигналом определяется требуемое расстояние. Зная координаты сканера и направление импульса, можно определить трехмерные координаты точки, от которой импульс отразился.

Современные лазерные сканеры обеспечивают возможность генерации измерительных импульсов с частотой до нескольких сотен тысяч в секунду и, с помощью системы подвижных зеркал или самого корпуса сканера — распределение этих импульсов по всей поверхности объекта. В результате таких измерений или «сканирования» мы за короткое время получаем облако трехмерных точек, с большой точностью и полнотой описывающих обследуемый объект.

По назначению сканеры можно разделить на 3 основных типа:

• наземные;
• воздушные;
• мобильные.

Наземное сканирование

Наземный лазерный сканер устанавливается в точке с заранее измеренными координатами и сканирует окружающие объекты. При необходимости, для получения полной картины, производится сканирование с нескольких точек/ракурсов, после чего облака отражений «сшиваются» в единый массив.

Основные области применения наземного сканирования — внутренняя и наружная съемка и моделирование архитектурных сооружений, промышленных объектов (строительные площадки, цеха, электроподстанции, горные выработки и т.п.). Кроме того, такие сканеры успешно применяются в таких далеких от геодезии областях, как киноиндустрия и создание компьютерных игр.

Дальность действия наземных сканеров обычно лежит в пределах от единиц до сотен метров. Разрешающая способность, характеризующая плотность отражений, а также точность фиксации этих отражений — несколько миллиметров.

Воздушное сканирование

Воздушные лазерные сканеры устанавливаются на такие носители как самолет или вертолет и предназначены для съемки больших участков местности с воздуха в процессе полета. Так как положение и ориентация сканера непрерывно меняются, такие системы укомплектовываются GPS приемником и инерциальной системой IMU (Inertial Measurement Unit), в реальном времени измеряющими положение и ориентацию носителя/сканера в пространстве. Для повышения точности измерений координат используют базовые GPS станции, которые дают информацию для вычисления дифференциальных поправок, учитывающих погрешности распространения сигналов спутников. Как правило, совместно со сканирующей системой, на носитель устанавливается цифровая фотоаппаратура, позволяющая производить аэрофотосъемку одновременно с лазерным сканированием.

Дальность действия воздушных сканеров — от нескольких сотен до нескольких тысяч метров. Точность фиксации отражений по высоте — 10-15 см, в плане — 1/2000 высоты полета, что обусловлено существенной дивергенцией лазерного луча. Таким образом, при съемке местности с высоты 500м, плановая точность будет не хуже 25 см. Плотность отражений обычно составляет от единиц до сотен точек на 1 кв.м и зависит от частоты генерируемых импульсов и высоты полета. Возможность фиксации нескольких откликов от каждого импульса позволяет получать лазерные отражения от поверхности земли, скрытой растительностью — т.е. восстанавливать рельеф местности там, где это невозможно сделать с помощью традиционной аэрофотосъемки.

Воздушное сканирование применяется для съемки как площадных, так и протяженных инфраструктурных объектов, таких как дороги, трубопроводы, линии электропередач и т.д. Результаты воздушной лазерной съемки применяются в проектировании, инвентаризации объектов, картографии и многих других областях.

Мобильное сканирование

Идеологически мобильная лазерная съемка схожа с воздушной, только в качестве носителя здесь используется наземная платформа — например, автомобиль, железнодорожная мотриса или катер. Как правило, мобильная сканирующая система состоит из 2-х или более лазерных сканеров, нескольких цифровых фото/видео камер, а также GPS и IMU модулей. Сканирование производится в процессе движения носителя по дороге, железнодорожному полотну или водной поверхности. В отличие от воздушного сканера, состав объектов, находящихся при этом в зоне видимости, меньше, но плотность отражений, а значит и детальность облаков точек существенно выше.

С точки зрения геопозиционирования, основное отличие от воздушной платформы заключается в том, что, находясь близко к поверхности земли, GPS приемник мобильной системы часто попадает в области затенения сигналов спутников от зданий, растительности, элементов рельефа местности. Поэтому проблема повышения точности данных мобильного сканирования на сегодняшний день является весьма актуальной.

Основное применение мобильного сканирования — съемка автомобильных и железных дорог, мостов, путепроводов, городских улиц, береговой линии.

Преимущества и недостатки

К основным преимуществам технологии лазерного сканирования, несомненно, можно отнести высокую скорость и оперативность съемки, недостижимую любыми другими методами измерений. В области обследования линий электропередач воздушная лазерная съемка сегодня является практически мировым стандартом.

При этом нельзя забывать о правовых вопросах. Например, для проведения любой аэросъемки требуется пройти долгий путь получения соответствующих разрешений, связанных как с вопросами секретности, так и с вопросами использования воздушного пространства. Это может занимать весьма значительное время, что отрицательно влияет на оперативность.

Основным результатом лазерного сканирования — будь то наземное, воздушное или мобильное — является облако трехмерных точек, с той или иной точностью описывающих геометрические параметры объекта съемки. Количество лазерных отражений, полученных при съемке объекта обследования, часто составляет сотни миллионов и даже миллиарды. Обработка таких массивов данных и формирование на их основе конечных продуктов для пользователей в различных отраслях деятельности сегодня является наиболее трудоемкой составляющей лазерной технологии.

Результаты

Использование технологии лазерного сканирования позволяет предложить конечному пользователю самые разные продукты, которые могут быть использованы при создании геоинформационных систем, проектировании, обследовании и анализе состояния различных объектов, контроле инженерных работ, проведении регрессионного анализа и т.д.:

• топопланы разных масштабов;
• ортофотопланы;
• цифровые модели рельефа и местности;
• трехмерные векторные модели местности и объектов , включая сложные промышленные сооружения;
• результаты различных расчетов, связанных с геометрическими характеристиками объектов.