CC BY
1СРАВНЕНИЕ ТЯЖЕЛЫХ ЛАЗЕРНЫХ СКАНИРУЮЩИХ СИСТЕМ ДЛЯ
ПИЛОТИРУЕМОЙ АВИАЦИИ Рыльский И.А.1, Вербовский В.В.2, Груздев Р.В.3
1Рыльский Илья Аркадьевич - кандидат географических наук, старший научный сотрудник, Региональный центр Мировой системы данных, Географический факультет, Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова, 2Вербовский Виталий Викторович - заместитель генерального директора,
ООО «АртГео», г. Москва
3Груздев Роман Викторович - кандидат геолого-минералогических наук, Институт природных ресурсов, экологии и криологии СО РАН, г. Чита
Аннотация: лазерное сканирование - метод съемки земной поверхности, появившийся в конце 1990-х годов. Относится к активным методам съемок, не нуждается в солнечном освещении. За прошедшие четверть века лазерное сканирование (в первую очередь - с воздушных носителей) завоевало свою нишу на рынке высокоточного картографирования и в данный момент является во многом безальтернативным методом. В данный момент эволюция технологических решений привела к появлению лазерных сканирующих систем для съемок с воздуха, обладающих исключительными характеристиками (точность, производительность, универсальность, прочие). В то же время, на рынке наблюдается обилие различных моделей тяжелых сканирующих систем, выпущенных в разные годы и с разным назначением.
Ключевые слова: лазерное сканирование, большие данные, аэрофотосъемка, точки лазерных отражений, ГИС, дистанционное зондирование.
УДК 1.6.21.528.88
В настоящее время (ноябрь 2023) компания Riegl является безусловным лидером на рынке лазерного сканирования. Широчайший ассортимент решений компании предназначен для работ с использованием всех видов лазерного сканирования: воздушного (с пилотируемых аппаратов и БПЛА), мобильного, наземного, промышленного.
В 2022-2023 году, как и ранее, наиболее сложным и востребованным направлением является воздушное лазерное сканирование. В этой нише Riegl предлагает своим пользователям выбор из 21 модели лазерных сканеров. Характеристики этих изделий варьируют в очень широких пределах, и предназначены для решения практически всех мыслимых задач в этой области. Оценивая эти изделия в совокупности, их можно разделить на несколько классов:
1 - наиболее производительные системы, предназначенные для высотных и скоростных пилотируемых носителей; предполагается работа на высотах до 3-4 километров и более, скорости 300-500 км/ч
2 - средний класс - предназначен для использования на высотах 1-3 км с использованием пилотируемых носителей со скоростью 250-350 километров в час;
3 - облегченные решения для самолетов со скоростями 120-250 км/ч, СЛА, вертолетов, автожиров, тяжелых БПЛА;
4 - решения для БПЛА среднего класса;
5 - лазерные сканеры для сканирования дна водоемов (с пилотируемых и беспилотных носителей;
Рассмотрим данные классы подробнее.
г& Ь' Щ
Нн'к! I1260 и 1460 - внешне практически идентичны
Ш: [—1 г™]
Г^ 156011-8 и 1560/1-ОИ' - внешне практически идентичны
Рис. 1. Внешний вид наиболее производительных систем Riegl. К данному классу мы относим 4 модели. Их характеристики приведены в таблице 1:
Таблица 1. «Флагманы».
Название 1460 1260 1560и-8 1560i-DW
Частота, точек в секунду 4 400 000 2200 000 4 000 000 2 000 000
Частота эффективная * 2930 000 1 470 000 2 660 000 1 330 000
Макс. Высота съемки (альбедо (А)=
20%) 4400 4400 4 000 3 000
Макс. Высота съемки на макс.
Частоте (А= 20%) 1900 1900 1 700 1 300
Угол охвата, градусов 60 60 58 58
Число строк в секунду, 600 600 600 600
Точность дальномера, мм 20 20 20 20
Угол отклонения по тангажу 0 0 8 8
Число сенсоров, шт 2 1 2 2
Дивергенция луча, мрад 0,17 0,17 0,17 0,17
Класс лазера 4 4 3В 3В
Габариты, мм** 495х495 х745 495х495 х603 495х495 х780 495х495 х780
Масса**, кг 75 65 60 60
Число камер 2 2 2 2
Модели 1560и-8 и 1560-DW были представлены в предшествовавшие годы, модели 1460 и 1260 выпущены в 2023 году. Все эти системы отличает внешний форм-фактор: они предназначены для использования совместно с гиростабилизированными платформами, имеют довольно большие габариты (в высоту - от 60 до 78 см), массу (60-75 килограмм) и место для двух крупных среднеформатных камер (2х150 мегапикселов или 150 Мпикс+тепловизор). Обе этих системы построены на базе двух сенсоров (первый содержит 2 лазера работающих в ближнем ИК (БИК, 1064 нм), второй работает в диапазонах БИК+Зеленый. Они имеют Х-образную развертку лучей в плане, в вертикальной же плоскости их оси разнесены на +/-8 градусов, что обеспечивает гораздо большие возможности для съемки стен и крутых участков в сложных географических средах (города, горные ландшафты).
Сканер 1460 является новым шагом вперед, обладая еще большей номинальной и фактической частотой работы - до 2.93 миллиона точек в секунду. Достигается это использованием одновременно двух сенсоров (аналогичных использованным в 1260), но в данной системе не применяется ни Х-образная схема сканирования, ни отклонение плоскостей сканирования от надира.
Сканер 1260, в отличие от их предшественников, имеет один сенсор, и представляет собой «облегченный» вариант 1460 с производительностью вдвое меньше чем у 1460.
Обращает на себя внимание эволюция не только максимальной частоты сканирования (рост скорости с 4.0 до 4.4 миллиона точек в секунду), но и максимальной высоты, до которой возможно использование
этой частоты (с 1700 у 1560ii-S до 1900 у 1460). Также все эти 4 системы позволяют работать со скоростью до 600 строк сканирования в секунду, что позволяет их использовать на очень скоростных носителях. Также все эти системы имеют очень узкий луч - всего 0.17 мрад - что позволяет при высоте работы в 2000 м иметь «пятно» отражения диаметром всего 34 см.
Производительность систем впечатляет. Так, VQ1460, будучи установлен на носитель типа Beechcraft KingAir 350, может быть использован на крейсерской скорости в 540 км/ч (150 м/с), работая с высоты 1900 м на полной частоте. При этом на земле будет обеспечена плотность сканирования около 9 точек на квадратный метр - со средним шагом около 33 см между точками. При этом потенциал по частоте строк не будет использован полностью - потребуется работа на частоте 450 строк в секунду. При потере примерно 25% времени на развороты и 30% - в поперечном перекрытии, фактическая производительность при плотности 9 точек на 1 м2 составит 620 км2 за 1 летный час. При плотности не 9, а 4 т/м2 производительность составит 1000 км2 за 1 летный час. При плотности 1 т/м2 производительность составит 1500 км2 за 1 летный час.
Назначением подобных систем является съемка крупных территориальных единиц с городской или смешанной застройкой (города-миллионники, области и регионы, крупные горные лицензионные участки, приграничные территории на глубину 3-6 км) под масштаб 1:1000-1:5000 с подробностью на уровне 1:500. Отметим, что при использовании камер с разрешением 150 Мпикс и углом охвата равным углу сканирования лазерного сканера размер пиксела (при высоте полета в 2000 м) составит около 13 см, что достаточно для масштаба 1:1000-1:2000.
Список литературы
1. Груздев Р.В., Рыльский И.А., Применение воздушных лидаров в высокоточной гравиразведке (на примере Восточного Забайкалья). Вестник Забайкальского Государственного Университета. Чита, 2022. №2, Т.28, 6-18
2. Капралов Е.Г., Кошкарев А.В., Тикунов В.С. Основы геоинформатики. Учебное пособие для студентов вузов в 2-х книгах. М.: Академия, 2004. C. 480.
3. Рыльский И.А., Парамонов Д.А., Кожухарь А.Ю.1, Терская А.И. Создание виртуальной модели района Большой Сочи - Красная Поляна - плато Лаго-наки. Интеркарто, 2023. №29, С. 589-606.
4. Giuliani, G., Chatenoux B., De Bona A.: Building an Earth Observation Data Cube: lessons learned from the Swiss Data Cube (SDC) on generating Analysis Ready Data (ARD). Big Earth Data 1-2 (1), 100-117 (2017).
5. Huang L. et al. Octsqueeze: Octree-structured entropy model for lidar compression //Proceedings of the IEEE/CVF conference on computer vision and pattern recognition. - 2020. - С. 1313-1323.
6. Janowski A., Szulwic J., Tysiac P. Airborne and mobile laser scanning in measurements of sea cliffs on the southern Baltic. 15 th International Multidisciplinary Scientific GeoConference SGEM, 2015. 114-124
7. Octree homepage, https://en.wikipedia.org/wiki/Octree Last accessed 16 Jan 2020.
8. Rieger P. Range ambiguity resolution technique applying pulse-position modulation in time-of-flight scanning lidar applications. Optical engineering, 2014. 53(6), 061614-061614.
