Ako funguje LIDAR pri leteckých prácach s dronom?
Stavebníctvo, kartografia, geodézia, či ochrana životného prostredia, sú len niektoré z mnohých oblastí, v ktorých sa využíva 3D skenovanie. Trojrozmerné modely terénu, stavieb, či objektov dávajú odborníkom potrebné vizuálne a priestorové dáta, na základe ktorých môžu efektívne plánovať ďalšie aktivity. Na zber týchto dát sa používa LIDAR – senzorická technológia, o ktorej si v tomto texte povieme viac. Hlavne vďaka vývoju autonómnych vozidiel zaznamenal vývoj LIDARu výrazný pokrok, ktorý priniesol zmenšenie, zlepšenie parametrov a výrazný pokles ceny. LIDAR v spojení s dronom tak umožňuje veľmi efektívne a presné skenovanie zemského povrchu, stavieb, energetických sietí a iných objektov.
Prečítajte si tiež: Čo je digitálna fotogrametria a ako sa pri nej využívajú drony?
Čo je LIDAR?
Slovo LIDAR je skratkou pre Light Detection And Ranging. LIDAR pozostáva z laserového zdroja, ktorý vysiela laserové lúče a z detektora, ktorý zároveň prijíma odrazy týchto lúčov. Na základe rozdielu času medzi vyslaním lúča a prijatím jeho odrazu sa vypočíta vzdialenosť objektu. Senzor zároveň vie, akým smerom vyslal lúč, čiže dostávame informáciu o smere a vzdialenosti objektu. Ak si predstavíme, že týchto lúčov vyšleme za sekundy stovky tisíc až milióny, tak pomerne rýchlo vieme zostrojiť 3D obraz povrchu.
Ako funguje LIDAR?
LIDAR je založený na jednoduchom princípe merania času, ktorý prejde medzi vyslaním svetelného lúča zo zdroja k objektu a jeho návratom naspäť do zdroja. Nato aby to naozaj prinášalo presné výsledky je potrebné splniť viacero predpokladov.
Prvým je laserový zdroj, ktorý je v moderných LIDARoch schopný vyslať stá tisíce až milióny krátkych impulzov zväčša v infračervenom spektre. Vlnová dĺžka laserového žiarenia má rozhodujúcu úlohu v tom, čo LIDAR vidí. Napríklad, vlnová dĺžka 905nm je výrazne absorbovaná vodnou parou, ale vlnová dĺžka 903nm nie je tak výrazne absorbovaná vodnou parou. Zároveň musí byť systém schopný registrovať akým smerom bol každý z týchto lúčov vyslaný. Preto nejde len o jednoduchý záblesk laserového svetla, ale samotný lúč je modulovaný.
Druhou dôležitou časťou je detektor, ktorý prijíma jednotlivé odrazy. Bežný LIDAR je schopný zaznamenať 2-3 odrazy každého lúča. Špičkové LIDARy evidujú aj viac ako 5 odrazov. Treba si uvedomiť, že svetlo preletí 1m zhruba za 3 nano sekundy, takže detektor musí byť schopný vyhodnocovať naozaj veľmi rýchle javy. Ak si zoberieme, že typická presnosť LIDARU na drone je cca 1cm, tak sa bavíme o piko sekundách.
Tretia dôležitá časť LIDARu je inerciálna meracia jednotka (IMU). Úlohou tejto jednotky je neustále sledovať natočenie LIDARu. Obvykle sa údaje o natočení sledujú s frekvenciu minimálne 200Hz. Vďaka tejto jednotke vieme kam sa LIDAR „pozerá“.
Poslednou dôležitou časťou je GNSS systém, ktorý je zodpovedný za určenie polohy, kde sa dron s LIDARom nachádza. Pre tieto účely sa používajú GNSS prijímače korekciou trajektórie v reálnom čase (RTK) alebo s korekciou trajektórie v post procesingu (PPK).
Všetky dáta sú ukladaná obvykle v tzv. surovom stave, pričom je kladený veľký dôraz na vzájomnú časovú synchronizáciu týchto údajov. Po skončení merania je preto potrebné nahrať všetky dáta do počítača a pomocou špecializovaného programu vytvoriť tzv. mračno bodov. Mračno bodov je súbor, ktorý obsahuje informácie o nameraných bodov. Pre každý bod je zaznamenaný minimálne čas merania, súradnice bodu, intenzita odrazu. Pokiaľ je LIDAR vybavený aj pomocnou kamerou, tak je možné priradiť aj jednotlivým bodom informáciu o farbe.
LIDAR pri leteckých prácach - rozhovor
O tom, aké výhody poskytuje LIDAR v kombinácii s dronom sme sa porozprávali s Michalom Ševerom zo spoločnosti UAVONIC, ktorá poskytuje profesionálne služby v oblasti leteckých inšpekcií, video produkcie a geodetických meraní pomocou laserových skenerov.
1. Ako dlho sa venujete leteckým prácam s UAV?
UAVONIC s.r.o. je na trhu od roku 2014, kedy začínal prevažne ako distribútor značiek ZeroTech a XIRO na európsky trh. Postupne začali prevládať najmä služby pomocou dronov a komplexné dronové riešenie, ktoré tvoria dnes tvoria väčšinu príjmov spoločnosti. V našom portfóliu sú najmä činnosti pre priemysel, energetiku, stavebníctvo a poľnohospodárstvo. Riešenia máme postavené jednak na komerčne úspešnej značke DJI, kde ponúkame drony DJI Enterprise a DJI Agriculture, ale využívame aj otvorené platformy ako je Arudpilot, PX4, ROS.
2. Aké sú výhody použitia LIDARU na drone?
Vďaka rozvoju autonómnych vozidiel, sa stal aj LIDAR omnoho dostupnejšou technológiou. My používame LIDAR Zenmuse L1 od spoločnosti DJI, ktorý je do určitej miery zodpovedný za revolúciu v oblasti LIDARov. Okrem toho sme robili aj vlastný vývoj LIDARu, ktorý sme však ukončili vzhľadom na cenovú úroveň, kde sa dnes LIDARy pohybujú. Táto skúsenosť bola však neoceniteľná z pohľadu skúseností a znalostí, ktoré sme o samotných snímačoch získali.
Pre zachytenie reality sa používa fotogrametria a LIDAR. My využívame obe metódy a niekedy ich aj účinne kombinujeme. Hlavnou prednosťou LIDARu voči fotogrametrii je zachytenie dlhých a tenkých konštrukcií, ako sú stožiare, vodiče, konštrukcie mostov. Taktiež je výrazne vernejšie zobrazenie geometrických tvarov, kedy fotogrametria má tendenciu vytvárať „tečúce“ rohy.
3. Na aké činnosti používate LIDAR?
LIDAR je dnes pre nás voľnou číslo 1 pre čokoľvek, kde potrebujeme zachytiť 3D priestor, pričom je jedno či ide o meranie skladových zásob uhlia alebo o vytvorenie 3D modelu územia pre developera. Dokonca aj pri inšpekčných prácach má význam použiť LIDAR pre presné zachytenie tvaru rôznych priehradových konštrukcií. LIDAR od DJI Zenmuse L1 je pre nás zaujímavý hlavne z pohľadu celkového workflov pri spracovaní dát. V živom náhľade si hneď vieme skontrolovať, či sú dáta v poriadku. Po dolietaní vieme priamo na notebooku spraviť spracovanie surových dát. Typicky spracovanie letu, ktorý trval 30 minút, zaberie menej ako 10 minút. Takže prvú kontrolu dát robíme hneď po nalietaní, čo nám dáva istotu, že do kancelárie ideme s dobrými dátami.
4. Aký druh LIDARu používate?
Najčastejšie lietame s dronom DJI Matrice 300 a používame LIDAR DJI Zenmuse L1, ktorý je plne integrovaný s týmto dronom. Celé to vytvára komplexný systém, ktorý poskytuje tzv. centimetrovú presnosť vďaka duálnému GPS systému s RTK/PPK. Okrem toho má systém jednotnú časovú synchronizáciu, ktorá zabezpečuje hladký proces spracovania dát v SW DJI Terra. Okrem Lidaru, využívame aj fotogrametrickú kameru DJI Zenmuse P1, ktorá vďaka svojej integrácii poskytuje tiež vynikajúce dáta na následný postprocessing. Napríklad aj vďaka tomu, že kamera je tiež časovo synchronizovaná s dronom, tak všetky fotky obsahujú nie len GPS súradnice stredu fotky, ale aj všetky uhly natočenia kamery. Vo výsledku to znamená, že zo 120 metrov spravíte ortofotomapu, ktorá má rozlíšenie 2cm/px a chyba umiestnenia kontrolných bodov sa hýbe do 5cm. Samotný dron DJI M300 je postavený pomerne robustne a má odolnosť voči vetru do 55km/h a krytie IP45, čo umožňuje lietanie aj v pomerne ťažkých poveternostných podmienkach.
5. Ako funguje postprodukčné spracovanie dát z LIDARu?
LIDAR zapisuje do svojej internej pamäte jednak dáta zo snímača ako i dáta o GPS polohe a tiež o náklonoch z IMU jednotky. Nato aby sme dostali výsledné mračno bodov (pointcloud) je potrebné v postprocessingu spojiť tieto dáta dokopy. Toto obvykle zabezpečuje software dodávaný výrobcom LIDARu, v našom prípade je to DJI Terra. Výstupom býva obvykle mračno bodov v konkrétnom súradnicovom systéme. Obvykle sa používajú karteziánske súradnicové systémy, kde ku každému bodu, je uložené informácia o polohe X,Y,Z a farbe bodu, intenzite odrazu, GPS čase, čísle odrazu a prípadne iných údajoch. Následne sa využívajú ďalšie špecializované programy, v ktorých sa dá robiť ďalšie spracovanie mračien bodov. Určite treba spomenúť opensource projekt CloudCompare, ktorý poskytuje mnoho užitočných nástrojov na prácu s mračnom bodov.
Mračno bodov ofarbené podľa nadmorskej výšky
Ofarbené mračno bodov z LIDARu
Pánovi Ševerovi ďakujeme za odpovede na naše otázky a zaujímavý rozhovor. Viac informácií o spoločnosti UAVONIC a jej aktivitách si môžete pozrieť na webovej stránke www.uavonic.com
Kde všade sa LIDAR používa?
Vďaka svojim špecifickým vlastnostiam a výhodám sa LIDAR systémy používajú v rôznych druhoch aplikácií. Spomeňme len niektoré z nich:
Lesníctvo
Skenovanie lesov pomocou LIDARu sa dá využiť na lepšie zaznamenanie stavu lesa. Pomocou špecializovaných programov je možné riešiť množstvo analytických úloh, ako je určenie množstva drevnej hmoty, počítanie počtu stromov, identifikácia ročného prírastku, meranie výšky stromov a pod.
Klasifikované mračno bodov doplnené o vektorizáciu objektov
Astronómia
NASA použila technológiu LIDAR na skenovanie povrchu červenej planéty. Dokázali tak vytvoriť topografickú mapu Marsu a tiež odhaliť sneh padajúci do atmosféry.
Mapovanie
Zrejme najčastejšie využívanou oblasťou využitia laserového skeneru je mapovanie územia. Kartografi získavajú pomocou dronov s LIDARom presné údaje o zemskom povrchu často krát oveľa efektívnejšie, ako pri použití lietadiel alebo vrtuľníkov. Svetelné implulzy z LIDARu dokážu preniknúť aj pomedzi stromy, čím je možné dosiahnuť presný 3D model tvaru povrchu aj v husto zarastených oblastiach.
Mobilné telefóny a tablety
Novinkou v oblasti mobilných zariadení je systém miniatúrneho LIDARu vo výbave smartfónov alebo tabletov. Túto funkciu využijú najmä architekti a dizajnéri, ktorí si môžu v na to určených aplikáciách vytvárať 3D modely miestností a objektov.
Autonómne autá
Vývoj na poli autonómnej mobility by nebol možný bez použitia LIDARu a ďalších senzorov. Viaceré spoločnosti vyvíjajú laserové skenery schopné „dovidieť“ násobne ďalej ako súčasné systémy. Technológiu zároveň upravujú tak, aby fungovala spoľahlivejšie aj v nepriaznivom počasí.
Meteorológia
V meteorológii sa používa viacero druhov LIDARov. Vedci pomocou nich môžu napríklad pozorovať atmosféru a detailne študovať oblaky a ich pohyb. V tomto prípade sa využíva práve fakt, že rôzne vlnové dĺžky laserového lúča sa správajú rozdielne vo vodnej pare.
Záver
Vývoj technológie LIDAR uľahčil prácu mnohým odborníkom a poskytol presnejšie výsledky ich meraní. Drony umožnili pohyb týchto skenerov v želanej výške a rýchlosti, čím sa opäť rozšírili možnosti ich využitia v rôznych oblastiach.
PODOBNÉ PRÍSPEVKY
Prečítajte si našu reportáž o konferencii DRONTEX 2023, ktorá sa uskutočnila v októbri v Piešťanoch a spojila odborníkov na bezpilotné technológie z krajín V4!
V tomto článku sme vyspovedali slovenského UAV hobby pilota, Daniela Koppa, ktorý nám porozprával o jeho ceste ku získaniu európskych licencií v kategórii A1/3 a A2.
O tom, akú úlohu zohrávali operátori dronov pri boji s požiarom v Českom Švajčiarsku, sme sa porozprávali so Štepánom Komosným.