Write Close
Close
Напишите нам
WhatsApp
VK
Mail

Лидар

© Введение
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 Lidar 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.

LiDAR является аббревиатурой от Light Detection and Ranging - обнаружение света и дальности (расстояния).

Lidar

Общий принцип работы лидара
LiDAR работает аналогично радару и сонару, но использует световые волны от лазера вместо радио или звуковых волн. Система LiDAR рассчитывает, сколько времени требуется свету для попадания на объект или поверхность и отражения обратно в сканер. Расстояние затем рассчитывается с использованием скорости света.

Скорость света составляет 299 792 458 метров в секунду.

Системы LiDAR 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. лидар
Вид на город, полученный с помощью лидара

Использование технологии Лидар

Системы LiDAR 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).

Применение LiDAR для анализа окружающей среды также приносит пользу. 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 LiDAR меньшего диапазона и с более низкой дальностью, чтобы помочь в навигации автономных транспортных средств. Именно на использовании этой технологии работают система автоматического управления в автомобилях Тесла и им подобных. лидар
Лидар

Для чего нужен LiDAR?

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 LIDAR 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 лидар 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 и сравнив, сколько из каждой длины волны поглощено или отражено. Эта система, которая называется LiDAR с дифференциальным поглощением (DIAL), может использоваться для всего: от обнаружения утечек из газопроводов до измерения загрязнения воздуха.

Одним из наиболее распространенных применений является полицейское оборудование для измерения скорости автомобилей. Хотя мы обычно думаем о них как о радарах, портативные приборы гораздо чаще используют лазеры LiDAR с длиной волны 905 нм, которые дешевы, безопасны и очень эффективны.

У LiDAR есть множество приложений и утилит, и их полный объем вскоре превзойдет все наши ожидания, поскольку технология постоянно развивается. LiDAR является одной из множества технологий, которые вместе составляют основу новой эпохи автоматизации. От базовых приложений для датчиков до систем 3D-печати, 3D-сканирования, моделирования и умных городов, LiDAR трансформирует мир разными способами. лидар

LiDAR в дополненной реальности (AR)

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 LiDAR предлагает высококачественное "3D-картирование", которое позволяет другим AR-системам размещать данные поверх карты с высоким разрешением. Используя облако точек, LiDAR дополняет AR. 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.

Карта местности, полученная с помощью лидара с самолета
LiDAR в автономных транспортных средствах

Ожидается, что автономные автомобили скоро появятся на дорогах, и они полностью произведут революцию в автомобильном секторе. Без LiDAR автономные транспортные средства немыслимы. LiDAR 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. LiDAR также используется для предотвращения столкновений путем измерения расстояния между автомобилем и любым другим препятствием перед ним. Это делается путем установки LiDAR на бампер или крышу. Адаптивная система круиз-контроля в автономном автомобиле получает информацию от датчиков LiDAR, с помощью которой она решает, когда включать тормоза, замедлять или ускорять машину. лидар

LiDAR в смягчении последствий изменения климата

Сверхвысокое разрешение и точные изображения захвата LiDAR подчеркивают даже мельчайшие детали. По этой причине ученые и геологи все чаще отдают предпочтение LiDAR. Он может помочь отслеживать процессы обезлесения и ведения сельского хозяйства более эффективно, чем любой другой метод. И полученные данные также указывают на то, что осталось незамеченным в предыдущих оценках, что делает его еще более надежным.

LiDAR в космосе

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

Геодезия является одной из самых известных областей применения LiDAR. Съемка используется в областях строительства, городского планирования и изучения топографии региона. Съемка LiDAR собирает данные очень быстро и, таким образом, превосходит обычные методы. Пространственные модели, созданные с использованием LiDAR, имеют незначительный запас погрешности, экономят значительную сумму денег и улучшают принятие окончательного решения. При съемке точечные данные преобразуются в цифровую модель рельефа (ЦМР). ЦМР может иметь любую текстуру в зависимости от области применения и плотности данных. После создания поверхности, анализ может быть выполнен правильно. лидар

Археология

Для исследование старых археологических раскопок, здесь LiDAR полезен из-за исключительной детализации, которую он предлагает. LiDAR экономит время, а также усилия археологов и позволяет им создавать модели, которые раньше было практически невозможно создать. Потрясающие трехмерные изображения древнего города майя были созданы двумя археологами с помощью LiDAR. Эта модель позволила совершенно по-другому взглянуть на структуру города и назначение отдельных зданий.

Лазерный лидар

Что такое LiDAR Mapping (лидар карты) ?
Lidar
При картировании LiDAR используется лазерная сканирующая система со встроенным инерциальным измерительным блоком (IMU) и приемником GNSS, который позволяет осуществлять географическую привязку каждого измерения или точки в результирующем облаке. Каждая точка объединяется с другими для создания трехмерного представления целевого объекта или области.

Карты LiDAR могут использоваться для определения точности позиционирования - как абсолютной, так и относительной, чтобы узнать, где в мире были собраны данные и как каждая точка связана с объектами с точки зрения расстояния.

Данные LiDAR в форме или облаке точек можно использовать для картирования целых городов, с точностью до миллиметра. Элементы и объекты, такие как дорожные сети, мосты и 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. лидар

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 с использованием 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.
Лидар на автомобиле
Основная идея работы навигационного лидара: 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 лидар реагирует и получает информацию гораздо быстрее, чем любой водитель. Полученные данные 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 непосредственного 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, или что растущая черная капля посреди комнаты это кошка, ползущая к вам. Как человек, вы знаете эти вещи, потому что ваш мозг обрабатывает визуальную информацию, и анализирует поступающие в него данные. А у роботов нет энциклопедического жизненного опыта, так что они находятся в естественном неблагоприятном положении, когда дело доходит до «видения» мира. лидар

Вот почему автономные роботы (например, автономный погрузчик) и автомобили с автоматическим управлением часто предпочитают смотреть на мир по-другому, используя системы LIDAR вместо камер.
Лидар на крыше автомобиля
Чтобы создать изображение с помощью технологии лидара, нужен лазер и что-то, что улавливает отраженный свет. Также необходимо перемещать лазерный луч и заставлять его сканировать все вокруг, вся эта система должна также комплектоваться GPS-приёмником, чтобы вы могли выяснить свое местоположение.

Если рассматривать внутренности лидара, то, как правило, он состоит из полупроводникового диодного лазера, похожего на тот, который используется в лазерном принтере или проигрывателе компакт-дисков, только более мощного. Вместо того, чтобы излучать видимый свет (длина волны которого составляет около 400 – 700 нанометров), автомобиль с автоматическим управлением будет использовать LIDAR с невидимым лазером ближнего инфракрасного диапазона (около 900 –1100 нанометров). В подводных сканерах LIDAR используется зеленый лазерный свет с более короткими длинами волн (около 530 нм) в середине видимого диапазона. Чем дальше лазер LIDAR должен проникать, тем больше длина волны, которую он будет использовать, потому что свет с большей длиной волны имеет более низкую частоту и меньшую энергию. Самые последние беспилотные автомобили, оснащенные лазерными лидарами с автоматическим приводом используют волны 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 LIDAR - это своего рода фотоэлемент, изготовленный из арсенида кремния или галлия, который спроектирован с максимальной чувствительностью для любой длины световой 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 что можно обнаружить намного более низкие уровни света. Сотни APD могут быть встроены в одну микросхему для создания площадки детекторов, называемой многопиксельным счетчиком фотонов (MPPC).

Быстро вращающийся на большой скорости лазер довольно сложен в изготовлении - но, к счастью, мы можем обойтись без него. Все, что нужно сделать в системе LIDAR, это экранировать луч, и для этого используется быстро вращающееся зеркало. В современных системах LIDAR 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. лидар
Работа лидара, схема лидара
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.

лидар карты

Какие данные вы получаете?
Данные с лидара могут быть использованы сами по себе или объединены с данными, собранными другими способами. В случае воздушной карты системы LIDAR обычно используют GPS (спутниковая навигация). В автомобилях с автоматическим управлением LIDAR, как правило, используется вместе с GPS, бортовыми датчиками (например, акселерометрами или спидометрами), инерциальными системами наведения и гирокомпасами, а также навигационными данными с сохраненных карт (например, Google Street View). То, что в итоге получается, называется «облаком точек»: трехмерный массив измерений лидара, связанный с конкретными GPS-координатами. лидар

Преимущества и недостатки LiDAR

Чтобы завершить эту статью, нам, вероятно, следует рассмотреть причины, по которым LiDAR так широко используется по всему миру.

Преимущества

  • Высокая скорость и точность сбора данных
  • Высокое проникновение
  • Не зависит от интенсивности света в окружающей среде и может использоваться ночью или на солнце.
  • Высокое разрешение изображения по сравнению с другими методами.
  • Отсутствие геометрических искажений
  • Легко интегрируется с другими методами сбора данных.
  • ЛИДАР имеет минимальную зависимость от человека, что хорошо в определенных сферах, где человеческая ошибка может повлиять на надежность данных.

Недостатки

  • Стоимость лидара достаточно высока.
  • Системы LIDAR плохо работают в условиях сильного дождя, тумана или снега.
  • Системы LIDAR генерируют большие наборы данных, которые требуют больших вычислительных ресурсов для обработки.
  • Ненадежные результаты в турбулентных водных условиях.
  • В зависимости от принятой длины волны рабочие характеристики систем LIDAR ограничены по высоте, поскольку импульсы, генерируемые в определенных типах LIDAR, становятся неэффективными на определенных высотах. лидар

Лидар купить

Источники бесплатных данных LiDAR
Геологическая служба США
USGS является источником достоверных бесплатных данных LiDAR, 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 8-летний период. Информация представляет собой дискретные данные, классифицированные в облаке точек, предоставленные в формате LAS.
Национальное управление океанических и атмосферных исследований США
Наборы данных NOAA LiDAR являются одними из наиболее часто используемых. Поскольку они часто обновляются, являются достоверными и бесплатными для использования. 600 с лишним наборов данных занимают около 890 000 кв. км и представляют усилия многих организаций и учреждений, таких как Инженерный корпус армии США и Национальная геодезическая служба NOAA.

Прибрежный топографический LiDAR при Управлении прибрежного управления NOAA - это хранилище, содержащее топографические данные США, собранные многими группами с использованием различных датчиков LiDAR.
Межведомственная инвентаризация высот США
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. Данные обновляются каждую весну и осень.
Открытая топография
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 похвальный объем данных LiDAR, 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, а также подмножество данных (например, только наземные данные). Пользователи могут скачать результаты этого запроса в двоичном облачном формате ASCII или LAS. Существует также возможность создания пользовательских производных продуктов, таких как цифровые модели рельефа, с заданным пользователем разрешением и параметрами алгоритма. 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.
Пьюджет Саунд Консорциум
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. Первоначальными источниками данных были Китсап PUD, город Сиэтл, региональный совет Пьюджет-Саунд, НАСА и USGS, и к нему присоединились округа Клаллам и Айленд. PSLC уже более десяти лет собирает высококачественные данные LiDAR в тихоокеанском северо-западном регионе. Большая часть этого набора данных достаточна для определения рисков наводнений, для геологического картографирования, для гидрологического моделирования, для определения углов наклона, для моделирования радиоволновой передачи и аналогичного использования с уровнем детализации, соответствующим горизонтальному масштабу 1: 12000 или меньше. лидар
Data.gov US
В хранилище открытых данных правительства США, data.gov, есть раздел, в котором вы можете найти данные о высотах LiDAR, 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. Хотя общедоступный набор данных является бесплатным и общедоступным, для не федерального раздела применяются различные условия использования.
Агентство по охране окружающей среды Великобритании
В 2015 году Агентство по охране окружающей среды Великобритании предоставило свои данные LiDAR для свободного использования, чтобы побудить компании и сообщества строить модели риска наводнений. На данный момент архив данных LiDAR Агентства окружающей среды содержит цифровые данные о высоте, полученные в результате исследований, проведенных специализированной группой Агентства по дистанционному зондированию. Точные данные высот доступны для более чем 70% территории Англии, которые были объединены и повторно отобраны для обеспечения наилучшего покрытия. 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 рельефа Нидерландов
Текущий файл высот Нидерландов или Actueel Hoogtebestand Nederland (AHN) представляет собой цифровую карту высот для всей страны. Он содержит подробные и точные данные о высоте, в среднем восемь измерений высоты на квадратный метр. Весь набор данных доступен как открытые данные. Как растровые данные, так и облака точек могут быть загружены через PDOK и NationalGeoregister. Возможна загрузка данных на карте местности, а географические файлы с разметкой карты можно скачать. Вы также можете использовать средство просмотра облаков точек AHN2 с графическим интерфейсом, точками экспорта и навигацией.
Национальный географический институт Испании
Центр загрузки Национального географического института Испании предоставляет данные, охватывающие всю территорию Испании облаками точек с координатами X, Y, Z и такими атрибутами, как классификация или цвет, полученными с помощью бортовых датчиков LiDAR. 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, таких как цифровые модели земли; наземные модели зданий, растительности, линий электропередач или линий связи; изучение зон затопления; гидрографические модели; автоматическое обнаружение изменений ландшафта или таких элементов, как здания; база для ориентации карт среди других.
Национальная земельная служба Финляндии
Национальная земельная служба Финляндии собирает данные 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 данные лазерного сканирования доступны в виде версии, в которой точки, представляющие поверхность земли, автоматически классифицируются в файловой службе открытых данных NLS. Вы можете выбрать нужные данные, их формат и систему координат, а также область, которую охватывают данные.

Лазерный гравер Gistroy