Лидар: Полное руководство по работе, использованию и обработке данных LiDAR

Принцип работы лидара основан на излучении лазерного луча в сторону объекта и замере времени, которое требуется для возвращения отраженного сигнала. Это время преобразуется в расстояние, что позволяет создать точное трехмерное представление объекта или местности.

Лидар используется в самых разных областях, включая геодезию, картографию, лесоводство, метеорологию, астрономию, а также в сфере беспилотных автомобилей, где он помогает в создании детализированной "карты" окружающей машины среды в режиме реального времени.

Лидар (LiDAR) - это технология дистанционного зондирования, которая использует лазерный импульс для сбора измерений, которые затем можно использовать для создания 3D-моделей, карт объектов и окружающей среды.

Технология существует с 1960-х годов, когда лазерные сканеры были установлены на самолетах. Лишь в конце 1980-х годов, с появлением коммерчески жизнеспособных систем GPS, данные с лидаров стали полезным инструментом для обеспечения точных геопространственных измерений.

Он работает аналогично радару и сонару, но использует световые волны от лазера вместо радио или звуковых волн. Система лидар рассчитывает, сколько времени требуется свету, для попадания в объект и отражения обратно в сканер. Расстояние рассчитывается с использованием скорости света.

Системы могут генерировать около 1 000 000 импульсов в секунду. Каждое из этих измерений или результатов может затем быть преобразовано в трехмерную визуализацию, которая представляет собой облако точек.

Использование технологии Lidar. Система чаще всего используются для геодезических задач. Благодаря своей способности собирать трехмерные измерения, системы лазерного сканирования стали активно использоваться для съемки искусственной среды (например: зданий, дорожных сетей и железных дорог), а также для создания цифровых моделей рельефа (DTM) и рельефа конкретных ландшафтов (DEM).

Лазерное сканирование является популярным методом обнаружения риска наводнений, накопления углерода в лесном хозяйстве и мониторинга береговой эрозии.

С использованием данной технологии также наблюдается повышенный уровень внедрения приложений автоматизации. Многие производители автомобилей используют сканеры меньшего диапазона и с более низкой дальностью, чтобы помочь в навигации автономных транспортных средств. Именно с использованием этой технологии работают системы автоматического управления в автомобилях Тесла и им подобных.

На сегодняшний день наиболее распространенными сферами использования системы лидар являются приложения для географического и атмосферного картографирования. Такие организации, как USGS (Геологическая служба США), NOAA (Национальное управление океанографии и атмосферы) и NASA, десятилетиями использовали лидар для создания карт Земли и космоса.

• Климатологи используют его, чтобы исследовать состав атмосферы и изучать облака, испарения и глобальное потепление
• Океанографы используют его для отслеживания береговой эрозии
• Ботаники используют лидары, чтобы измерить постоянно меняющиеся структуры лесов Земли

Мы также можем использовать Lidar для изучения газового состава атмосферы. Разные газы поглощают световые волны различной длины в необходимом количестве, поэтому мы можем дистанционно изучать газы в определенном месте, запустив в него два лазерных луча с различной длиной волны из самолета или вертолета, сравнив потом, сколько из каждой длины волны поглощено или отражено. Эта система называется LiDAR с дифференциальным поглощением (DIAL), может использоваться для всего: от обнаружения утечек газопроводов, до измерения загрязнения воздуха.

Одним из наиболее распространенных применений является полицейское оборудование для измерения скорости автомобилей, хотя мы обычно думаем, что это радар.

Портативные приборы гораздо чаще используют лазеры с длиной волны 905 нм, которые дешевые, безопасные и очень эффективные.

У лидаров большое будущее, так как данная технология не стоит на месте, постоянно развивая приложения и утилиты. От базовых приложений для датчиков до систем 3D печати, 3D сканирования, моделирования и умных городов. Lidar трансформирует мир разными способами.

LiDAR Augmented reality - это технология, которая позволяет пользователю просматривать виртуальный контент так же, как он существовал бы в реальном мире. LiDAR повышает четкость и конечный результат AR систем. Сканер лидара предлагает высококачественное "3D-картирование", которое позволяет другим AR-системам размещать данные поверх карты с высоким разрешением, используя облако точек хорошо дополняя его.
Также ведутся исследования по применению "доплеровского ветра", который позволил бы ясно видеть движение ветра. Этот подход был бы очень полезен для авиационной безопасности, визуализации атмосферных данных, прогнозирования погоды и готовности к стихийным бедствиям.

Ожидается, что автономные автомобили скоро появятся на дорогах, которые произведут революцию в автомобильном секторе. Без лидара автономные транспортные средства перестанут существовать. Лидар следует называть глазами автономного транспортного средства, поскольку он смотрит на окружение, вычисляет расстояние, определяет препятствия впереди, освещает объекты лазером, а затем создает цифровое изображение высокого разрешения. Он также используется для предотвращения столкновений, путем измерения расстояния между автомобилем и любым другим препятствием перед ним. Это делается путем установки модуля на бампер или крышу. Адаптивная система круиз-контроля в автономном автомобиле получает информацию от датчиков, с помощью которых она решает, когда включать тормоза, замедляться либо ускоряться.

Сверхвысокое разрешение и точные изображения захвата подчеркивают даже мельчайшие детали. По этой причине ученые и геологи все чаще отдают предпочтение данной технологии. Лидар может помочь отслеживать процессы ведения сельского хозяйства более эффективно, чем любой другой метод.

НАСА разработало для международной космической станции инструмент под названием GEDI (исследование динамики глобальной экосистемы), который обеспечивает уникальное трехмерное изображение лесов Земли и помогает предоставить информацию об углеродном цикле, который ранее не был доступен. GEDI предоставляет жизненно важную информацию о влиянии деревьев на количество углерода в атмосфере. Используя эту информацию, ученые теперь могут определить точный уровень углерода, который хранится в лесах, и количество деревьев, которые необходимо посадить, чтобы компенсировать влияние выбросов парниковых газов.

Геодезия является одной из самых известных областей применения технологии. Съемка используется в областях строительства, городского планирования и изучения топографии региона. При съемке материалы собираются очень быстро, превосходя обычные методы. Пространственные модели, созданные с использованием LiDAR, имеют незначительную погрешность, экономят деньги и позволяют принимать решения быстрее. При съемке точки преобразуются в цифровую модель рельефа (ЦМР). ЦМР может иметь любую текстуру в зависимости от области применения и плотности.

Для исследование старых археологических раскопок, здесь лидар полезен из-за исключительной детализации, которую он может сделать. При этом экономится время, а также усилия археологов, позволяя им "воскрешать" объекты, которые раньше было практически невозможно создать.
Потрясающие трехмерные изображения древнего города майя, были созданы двумя археологами с помощью лидара. Эта модель позволила совершенно по-другому взглянуть на структуру города и назначение отдельных зданий.

LiDAR Mapping (Карты лидара). При картировании используется лазерная сканирующая система со встроенным инерциальным измерительным блоком (IMU) и приемником GNSS, который позволяет осуществлять географическую привязку каждого измерения или точки. Каждая точка объединяется с другими для создания трехмерного представления объекта или области.

Материалы LiDAR в форме или облаке точек можно использовать для создания карт целых городов, с точностью до миллиметра. Элементы и объекты, такие как дорожные сети, мосты, растительность, могут быть классифицированы и нанесены на трехмерные карты.

Карты LiDAR также можно использовать для выделения изменений и отклонений, таких как эрозия земли, изменения наклона почвы и рост растительности.

Использование лидара на автомобилях без водителя. Как следует из названия, LiDAR работает как радар (радиоволновая навигация, используемая на кораблях и самолетах) и гидролокатор (подводное обнаружение при помощи звука, в основном используемое подводными лодками), хотя он имеет совершенно иные применения, от роботов заводского уровня и автоматических автомобилей, до "картирования" местности и измерений уровня роста лесных массивов.

Автомобиль с автономным управлением испускает лазерные лучи в пространство вокруг себя, они отражаются от различных препятствий и улавливаются специальными приемниками. Время, необходимое для возвращения луча, говорит нам, как далеко находится каждое препятствие от машины. Таким образом, LiDAR создает трехмерное изображение среды вокруг автомобиля. Причем Lidar реагирует и получает информацию гораздо быстрее, чем любой водитель. Полученные материалы обрабатывает центральный процессор, который на основании заложенных в него алгоритмов управляет автомобилем. Также он на основании местоположения благодаря системе GPS прокладывает маршрут и движется к точке назначения.

То, что вы видите своими глазами - это трехмерная цветная карта вашего окружения, которую ваш мозг построил в режиме реального времени, используя лучи света, воспринятые вашими глазами. Если бы вы были роботом с парой цифровых камер, прикрепленных к вашей голове, вы могли бы составить себе карту комнаты почти таким же образом, но это было бы не так информативно и полезно. Вы бы не знали, что один объект ближе, чем другой. Как человек, вы знаете эти вещи, потому что ваш мозг обрабатывает визуальную информацию, и анализирует поступающие в него материалы, а у роботов нет "жизненного опыта", так что они находятся в естественном неблагоприятном положении, когда дело доходит до "видения" мира.

Вот почему автономные роботы (например, автономный погрузчик) и автомобили с автоматическим управлением часто предпочитают смотреть на мир по-другому, используя системы LIDAR вместо камер.

Чтобы создать изображение с помощью этой технологии, нужен лазер и что-то, что улавливает отраженный свет. Также необходимо перемещать лазерный луч и заставлять его сканировать все вокруг, вся эта система должна комплектоваться GPS приёмником, чтобы Вы могли выяснить свое местоположение.

Как правило, Lidar, состоит из полупроводникового диодного лазера, похожего на тот, который используется в лазерных граверах или проигрывателе компакт-дисков, только более мощного. Вместо того, чтобы излучать видимый свет (длина волны которого составляет около 400 – 700 нм), автомобиль с автоматическим управлением, будет использовать невидимый спектр, близкий к инфракрасному диапазону (около 900 –1100 нм)

В подводных сканерах LIDAR используется зеленый лазерный свет с более короткими длинами волн (около 530 нм) в середине видимого диапазона. Чем дальше лазер лидара должен проникать, тем больше длина волны у него должна быть, потому что свет с большой длиной волны имеет более низкую частоту и меньшую энергию. Самые последние беспилотные автомобили, оснащенные лазерными лидарами с автоматическим приводом, используют волны с длиной 1550 нм для сканирования на расстоянии до 200 метров. Предыдущие модели, работающие на длине волны 905 нм сканировали на расстоянии 30 - 40 метров.

Фотоприемник в системе - это своего рода фотоэлемент, изготовленный из арсенида кремния или галлия, который спроектирован с максимальной чувствительностью для любой длины волны, испускаемой лазером. Различные типы детекторов используются в зависимости от диапазона, в котором работает система. Системы ближнего действия обычно используют простые кремниевые фотодиоды. В системах дальнего радиуса действия используются так называемые лавинные фотодиоды (APD). Они работают как детекторы встречного излучения Гейгера, превращая один входящий фотон света в измеримый поток электронов (электрический ток, который можно измерить), так можно обнаружить более низкие уровни света. Сотни APD могут быть встроены в одну микросхему для создания площадки детекторов, называемой многопиксельным счетчиком фотонов (MPPC).

В современных системах Лидар используются микроскопические движущиеся зеркала, основанные на технологии MEMS (MicroElectroMechanical Systems), установленные на микрочипах и аналогичные тем, которые вы найдете в цифровых проекторах, другие типы устройств используют большие зеркала размером с монету.

На практике это выглядит не так громоздко, так как современные лидары имеют тенденцию использовать очень маленькие микроскопические зеркала, основанные на технологии MEMS. Каждый крошечный зеркальный сегмент устанавливается на шарнир, притягиваемый электрически заряженными пластинами.

Данные с лидара могут быть использованы сами по себе или объединены с другими материалами, собранными другими способами

• В случае воздушной карты системы обычно используют GPS (спутниковая навигация).
• В автомобилях с автоматическим управлением, используется вместе с GPS, бортовыми датчиками (например, акселерометрами, спидометрами), инерциальными системами наведения и гирокомпасами, а также навигационными материалами с сохраненными картами (например, Google Street View). То, что в итоге получается, называется "облаком точек", трехмерный массив измерений лидара, связанный с конкретными GPS координатами.

USGS является источником достоверных бесплатных материалов, которые были собраны в рамках партнерства по разработке программы 3D Elevation Program (3DEP). Основная цель 3DEP - систематически собирать расширенные данные высот в форме высококачественных данных LiDAR по разным территориям Гавайев и США. Там собраны данные полученные за восьмилетний период. Информация представляет собой дискретные данные, классифицированные в облаке точек, предоставленные в формате LAS.

Наборы NOAA LiDAR являются одними из наиболее часто используемых. Поскольку они часто обновляются, являются достоверными и бесплатными для использования. 600 с лишним наборов занимают около 890 000 кв. км.

NOAA - это хранилище, содержащее топографические данные США, собранные многими группами с использованием различных датчиков.

Межведомственная инвентаризация высот США (USIEI) - это совместная работа USGS и NOAA с участием других федеральных агентств. Это полный общенациональный список известных высокоточных топографических и батиметрических данных по стране. Инвентаризация поддерживает программу 3D-рельефа и комплексное картирование океана и прибрежных районов.

В качестве средства сбора данных, финансируемого NSF, основной упор в OpenTopography делается на данные, связанные с науками о Земле, исследованиями, топографией и батиметрическими данными. OpenTopography содержит большой объем материалов, который доступен в формате облака точек для загрузки и обработки (например, для создания пользовательских ЦМР).

Портал также предоставляет информацию по требованию, которое позволяет пользователям определять интересующую область. Пользователи могут скачать результаты в двоичном облачном формате ASCII или LAS. Система также генерирует геоморфологические метрики, такие как карты склонов и гор, и будет динамически генерировать визуализации данных для отображения в веб-браузере или Google Earth.

Консорциум Puget Sound LiDAR (PSLC), созданный в 1999 году, представляет собой неформальную группу сотрудников различных агентств и федеральных ученых, занимающихся разработкой общедоступных карт высокого разрешения. PSLC уже более десяти лет собирает высококачественные данные в тихоокеанском северо-западном регионе. Большая часть этого набора данных достаточна для определения рисков наводнений, геологического картографирования, гидрологического моделирования, определения углов наклона, моделирования радиоволновой передачи и аналогичного использования, соответствующим горизонтальному масштабу 1: 12000 или меньше.

В хранилище правительства США, data.gov, есть раздел, в котором вы можете найти данные о высотах, которые можно загрузить с помощью выбора областей, коробочных рисунков, многоугольной графики или многоугольников ГИС. Однако эти данные предназначены только для неформальных целей и не могут использоваться для навигации.

В 2015 году Агентство по охране окружающей среды Великобритании предоставило свои материалы для свободного использования, чтобы побудить компании и сообщества строить модели риска наводнений. Архив Агентства окружающей среды содержит цифровые материалы о высоте, полученные в результате исследований, проведенных специализированной группой Агентства по дистанционному зондированию. Точные высот доступны для более чем 70% территории Англии, которые были объединены. Данные, которые доступны с разрешением 2 метра, 1 метра, 50 см и 25 см, могут быть предоставлены как DSM или как DTM, полученные путем удаления объектов из цифровой модели поверхности.

Текущий файл высот Нидерландов или Actueel Hoogtebestand Nederland (AHN) представляет собой цифровую карту высот для всей страны. Он содержит подробные и точные высоты, в среднем восемь измерений высоты на квадратный метр. Как растровые данные, так и облака точек могут быть загружены через PDOK и NationalGeoregister.

Центр загрузки Национального географического института Испании предоставляет материалы, охватывающие всю территорию Испании облаками точек с координатами X, Y, Z и такими атрибутами, как классификация или цвет, полученными с помощью бортовых датчиков. Плотность точек составляет 0,5 балла за кв. метр в первом покрытии и 1 балл за кв. метр во втором покрытии. Приложения проекта охватывают широкий спектр изображений.

Национальная земельная служба Финляндии собирает измерения лазерного сканирования для получения моделей рельефа и сбора информации о лесных ресурсах. В настоящее время данные лазерного сканирования доступны только в некоторых частях Финляндии, и цель состоит в том, чтобы охватить всю страну в течение нескольких лет. Все материалы лазерного сканирования доступны в виде версии, в которой точки, представляющие поверхность земли, автоматически классифицируются в файловой службе открытых данных NLS.