ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 29.11.2023
Просмотров: 540
Скачиваний: 4
ВНИМАНИЕ! Если данный файл нарушает Ваши авторские права, то обязательно сообщите нам.
399
1 ... 29 30 31 32 33 34 35 36 37
Лекция 16. Технология Лидар
Краткая аннотация лекции: Рассматривается принцип работы технологии Лидар и области применение.
Цель лекции: изучить основы технологии 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.
Как концепция, лидар уже насчитывает несколько десятилетий.
Впрочем, интерес к этой технологии в последние годы резко вырос,
поскольку сенсоры становятся меньше, усложняются, а сфера
применения продуктов с технологией лидара все больше расширяется.
Слово лидар представляет собой транслитерацию LIDAR (Light Detection and
Ranging – световая система обнаружения и измерения дальности). Это технология получения и обработки информации об удаленных объектах с помощью активных оптических систем, использующих явления отражения света и его рассеяния в прозрачных и полупрозрачных средах. Лидар как прибор подобен радару, поэтому его применение - это наблюдение и обнаружение, но вместо радиоволн как в радаре в нем используется свет, генерируемый в подавляющем большинстве случаев лазером. Термин лидар зачастую используется равноправно с термином ладар, который означает laser detection and ranging (лазерное обнаружение и измерение дальности), хотя, по мнению Джо Бака, руководителя исследовательских работ в Coherent
Technologies, входящего в дивизион космических систем компании Lockheed
Martin, эти две концепции с технической точки зрения различны. «Когда вы смотрите на что-то, что может рассматриваться как мягкий объект, например,
400 твердые частицы или аэрозоль в воздухе, специалисты стремятся использовать лидар, когда говорят об обнаружении этих объектов. Когда вы смотрите на плотные, твердые объекты, например, автомобиль или дерево, тогда вы склоняетесь к термину ладар». Чуть подробнее о лидаре с научной точки зрения смотрите раздел «Лидар: как это работает».
«Лидар был предметом исследований в течение многих десятилетий с момента своего появления в начале 60-х годов», – продолжил Бак. Впрочем, интерес к нему заметно вырос с начала этого столетия благодаря, прежде всего, техническому прогрессу. Он привел в качестве примера визуализацию с помощью синтезированной апертуры. Чем больше телескоп, тем более высокое разрешение объекта может быть получено. Если вам необходимо чрезвычайно высокое разрешение, тогда может понадобиться гораздо более крупная оптическая система, что может быть не очень удобным с практической точки зрения. Визуализация при помощи синтезированной апертуры решает эту проблему за счет использования движущейся платформы и обработки сигналов с целью получения действительной апертуры, которая может гораздо больше физической апертуры.
Радиолокаторы с синтезированной апертурой (РСА) используются уже много десятилетий. Однако, только в начале 2000-х начались практические демонстрации формирования оптических изображений с синтезированием апертуры, несмотря на то, что лазеры уже широко использовались в то время.
«Реально понадобилось больше времени для разработки оптических источников, которые имели бы достаточную стабильность в широком диапазоне регулировки. Совершенствование материалов, источников света и детекторов (используемых в лидарах) продолжается. Вы не просто обладаете способностью проводить теперь эти измерения, вы способны выполнять их в небольших блоках, что делает системы практичными касательно размеров, веса и энергопотребления».
Также становится проще и практичнее собирать данные от лидара (или информацию, собранную лидаром). Традиционно она собиралась с сенсоров летательных аппаратов, говорит Ник Розенгартен, руководитель Geospatial
401
Exploitation Products Group в компании ВАЕ Systems. Впрочем, сегодня сенсоры могут быть установлены на наземных транспортных средствах или даже в заплечных рюкзаках, что подразумевает сбор данных человеком. «Это открывает целый ряд возможностей, данные теперь могут собираться как в помещениях, так и на открытом воздухе», – пояснил Розенгартен.
Руководитель дивизиона геопространственных решений в компании Textron
Systems Мэт Моррис утверждает, что «лидар представляет собой реально удивительный массив данных, поскольку он предоставляет обширнейшую детализацию поверхности Земли. Он дает гораздо более детализированную и, если можно так выразиться, более оттеночную картинку, чем технология цифровых данных топографических высот DTED (Digital Terrain Elevation
Data), которая предоставляет информацию касательно высоты земной поверхности в определенных точках. Возможно, одним из самых мощных сценариев использования, о котором я слышал от наших военных заказчиков, является сценарий развертывания в незнакомой местности, ведь им необходимо знать, куда им предстоит идти... подняться на крышу или перелезть изгородь. Данные DTED не позволяют вам видеть это. Вы не увидите даже зданий».
Моррис отметил, что даже некоторые традиционные данные о высотах точек рельефа местности с высоким разрешением не позволят вам увидеть эти элементы. А вот лидар позволяет это сделать из-за своего «шага позиций» – термин, описывающий дистанцию между позициями, которые могут быть точно показаны в массиве данных. В случае с лидаром «шаг позиций» может быть уменьшен до сантиметров, «поэтому вы можете точно узнать высоту крыши здания или высоту стены или высоту дерева. Это реально повышает уровень трехмерной
(3D) ситуационной осведомленности». Кроме того, стоимость сенсоров лидар снижается, как и их размеры, что делает их более доступными. «Десять лет назад сенсорные системы лидаров были очень большими и очень дорогими. Они действительно имели высокое энергопотребление. Но по мере своего развития, совершенствования технологий, платформы становились
402 значительно меньше, снижалось энергопотребление, а качество генерируемых ими данных повысилось».
Рис. 16.1 Городской ландшафт, сгенерированный программным инструментом Lidar Analyst компании Textron. Он позволяет изучать местность, извлекать 3D ландшафты и показывать информацию в программах 3D визуализации
Рис. 16.2 Серия снимков лидара, сделанная с помощью приложения SOCET
GXP от ВАЕ Systems. Монтирование мозаики (сбор последовательных снимков) может быть выполнено с данными лидара вне зависимости от того, как они были получены
Моррис сказал, что основное применение лидара в военной области - это 3D планирование и отработка боевых задач. Например, продукт Lidar
Analyst его компании для моделирования условий полетов позволяет пользователям принимать большие объемы данных и «быстро генерировать
403 эти 3D модели, затем они могут очень точно планировать свои задачи». То же самое верно и для наземных операций. Моррис пояснил: «Наш продукт используется для планирования путей входа и выхода в район цели, а так как исходные данные имеют высокое разрешение, то можно проводить очень точный анализ обстановки в пределах прямой видимости».
Наряду с Lidar Analyst компания Textron разработала RemoteView - программный продукт анализа изображений, заказчиками которого являются американские военные и разведывательные структуры. ПО RemoteView может использовать различные источники данных, в том числе данные с лидара. Компания BAE Systems также предоставляет ПО для геопространственного анализа, ее флагманским продуктом здесь является
SOCET GXP, который обеспечивает множество возможностей, включая использование данных лидара. Кроме того, как пояснил Розенгартен, компания разработала технологию GXP Xplorer, которая представляет собой приложение управления данными. Эти технологии вполне подходят для военного применения. Розенгартен, например, упомянул об инструменте для расчета посадочной зоны вертолета, который входит в состав ПО SOCET
GXP. «Он может брать данные лидара и предоставляет пользователям информацию о зонах на земле, которых может быть достаточно для посадки вертолета». Например, он может подсказать им, есть ли вертикальные препятствия на пути, например, деревья: «Люди могут использовать этот инструмент для определения зон, которые могут быть лучше всего подходить в качестве эвакуационного пункта во время гуманитарных кризисов».
Розенгартен также подчеркнул потенциал метода «монтирование мозаикой», когда множественные массивы данных лидара собираются с конкретной зоны и «сшиваются» друг с другом. Это стало возможным в связи с
«повышенной точностью метаданных лидарных сенсоров в комбинации с таким ПО, как например, приложение SOCET GXP от BAE Systems, которое может превратить метаданные в точные зоны на земле, рассчитанные с помощью геопространственных данных. Процесс основывается на данных лидара и не зависит от того, как эти данные собраны».
404
16.1 Принцип работы технологии Лидар
Лидар работает, подсвечивая цель светом. В лидаре может использоваться свет видимого, ультрафиолетового или ближнего инфракрасного диапазонов. Принцип действия лидара прост. Объект
(поверхность) освещается коротким световым импульсом, измеряется время, через которое сигнал вернется к источнику. Лидар запускает быстрые короткие импульсы лазерного излучения на объект (поверхность) с частотой до 150000 импульсов в секунду. Датчик на приборе измеряет промежуток времени между передачей светового импульса и его отражением, исходя из постоянной скорости света равной 299792 км/с. Измеряя этот промежуток времени можно вычислить дистанцию между лидаром и отдельной частью объекта и, следовательно, построить изображение объекта на основе его положения относительно лидара.
16.2 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.
405
16.3 Применение 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 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.
406
Лидар 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 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.
Технология в автономных транспортных средствах
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.
Lidar и изменение климата
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.