LiDAR dla Dronów: Przełomowa technologia która zmienia sposób w jaki widzimy świat.

Jeśli rynek dronów nie jest wam obcy, mogliście już jakiś czas temu usłyszeć termin LiDAR, szczególnie w ciągu ostatnich dwóch lat. Jednak czym dokładnie jest LiDAR i jak w połączeniu z UAV diametralnie zmienia sposób pozyskiwania danych ?
W tym artykule, postaramy się dokładnie zagłębić w owym temacie. Odpowiadając na pytania czym dokładnie jest LiDAR i w jaki sposób, do jakich zadań, jest on używany.

Czym jest LiDAR ?

LiDAR to nic innego jak akronim od słów Light Detection And Ranging. W dużym skrócie jest to urządzenie działające na podobnej zasadzie jak radar, ale wykorzystujące światło zamiast mikrofal, co ważne urządzenie charakteryzuje się dużą rozdzielczością. Trochę dokładniej, LiDAR jest połączeniem lasera z teleskopem. Laser wysyła poprzez specjalny układ optyczny bardzo krótkie i dokładnie odmierzone, ale silne impulsy światła o konkretnej długości fali i w określonym kierunku.

Światło to ulega po drodze rozproszeniu, które jest obserwowane za pomocą teleskopu, znajdującego się w tym samym urządzeniu, a następnie rejestrowane za pomocą czułego detektora – fotodiody lub fotopowielacza, a także kamer CCD i CMOS, który bada natężenie zaobserwowanego rozproszonego światła. Otrzymane dane są następnie analizowane komputerowo. Różnica w czasie powrotu światła lasera do sensora a także różna długość fal są wykorzystywane następnie do tworzenia komputerowego obrazu 3D danego przedmiotu/ terenu.

Podobnie działa sonar, który wykorzystuje fale dźwiękowe odbijające się od obiektu i wracające do swojego źródła. Dzięki czemu mierzona jest różnica w odległości od poszczególnych punktów a następnie tworzony obraz 3D.
Zbieranie danych dotyczących terenu czy wykonywanych inspekcji przy użyciu LiDARu zamocowanego do Drona zamiast np. do samolotu jest zdecydowanie nową techniką. Która oparta jest m.in. na precyzyjnych skanerach laserowych, GPS, i INS czyli Inertial Navigation System.

Połączenie tych trzech rzeczy daje nam niezwykle precyzyjny obraz mapingu 3D. Jeden z najbardziej rewolucyjnych aspektów LiDAR, w porównaniu na przykład do tzw. fotogeometrii (która w skrócie polega na łączeniu i synchronizacji danych uzyskanych z bardzo dużej ilości zdjęć) jest to, że pozwala specjalistom na przebicie się np. przez korony drzew lub inne przeszkody jak woda i umożliwia precyzyjne mapowanie terenu. Jednym słowem to co niegdyś trzeba było zrobić ręcznie klucząc pomiędzy przeszkodami teraz można wykonać z powietrza.

W jaki sposób najczęściej, LiDAR wykorzystywany jest w połączeniu z Dronem ?

Zanim drony zagościły na dobre w naszej cywilizacji, LiDAR mógł być używany do zbierania danych terenu za pomocą samolotu lub helikoptera. Co oznaczało, że tego typu usługa była bardzo kosztowna i niezbyt powszechnie używana.

Obecnie kiedy rynek dronów rozkręcił się na dobre, technologia LiDAR nie pozostaje w tyle. Oznacza to że dokładne pomiary terenu z powietrza stały się znacznie bardziej osiągalne dla wielu mniejszych firmy nie tylko, jak do tej pory, dla dużych projektów. Mimo że LiDAR jest w dalszym ciągu droższy niż zwykła fotogeometria ( konkretne różnice pomiędzy tymi dwoma technologiami omówimy poniżej) jest znacznie bardziej dostępny niż zaledwie rok czy dwa lata temu.

Najczęściej wykorzystujemy LiDAR kiedy:

• Mapowany teren jest bardzo zalesiony, znajduje się na nim wiele sprzętu np. budowlanego lub innych przeszkód do tej pory uniemożliwiających zwykłe mapowanie.
• Chcemy stworzyć model 3D obiektów skomplikowanych lub szczegółowych typu linie przesyłowe wysokiego napięcia, rurociągi, nabrzeża skalne itp.

Poniżej kilka przykładów w których LiDAR używany jest obecnie:

Archeologia

W wielu przypadkach archeolodzy nie chcą lub obawiają się kopać w miejscu przypuszczalnych znalezisk, są to obawy uzasadnione, ponieważ tego typu działania mogą przyczynić się do nieodwracalnego zniszczenia historycznych obiektów przykrytych górą ziemi i piachu. LiDAR między innymi, umożliwia im zobrazowanie co dzieje się pod powierzchnią ziemi z powietrza, bez potrzeby wcześniejszego jej naruszenia. Przykładowo, na początku 2017 roku przebadano prawie 700 km dżungli w El Mirador w Ameryce centralnej w poszukiwaniu pozostałości po cywilizacji Majów. Dzięki LiDAR odkryto wiele starożytnych świątyń, dróg i innych obiektów, których odnalezienie wcześniej nie było możliwe.

Rolnictwo

LiDAR w nie bagatelny sposób pomaga rolnikom zdecydować które tereny wymagają większego nawożenie a które nie. Tworzy również dokładną mapę elewacji terenu na farmach, ta zaś następnie może być przerobiona na mapę ukazującą naświetlenie i zacienienie poszczególnych miejsc. Informacje dostarczone za pomocą LiDAR pomagają także zobrazować różnicę w jakości i dojrzałości plonów w danym miejscu na mapie co umożliwia gigantyczne oszczędności w nawożeniu i znacznie optymalizuje pracę rolników.

Pomiary przemysłowe i mapowanie terenu

LiDAR popularny jest również do tworzenia map 3D w przemyśle, m.in dla:

• Pomiaru dużych składów węgla czy innych surowców
• Map topograficznych dla dużych projektów przemysłowych i budowlanych
• Dokładnego pomiaru dróg podczas odbywającego się ruchu.
• Jeśli chodzi o branże przemysłowe trzeba zaznaczyć, że LiDAR bardzo często łączony jest z danymi fotogeometrycznymi.

Ochrona przyrody

LiDAR używany jest obecnie do monitorowania erozji wydm na świecie, pomiaru wysokości drzew oraz objętości ich koron w Parkach Narodowych. Jak również do sprawdzania terenów narażonych na zalania czy przepustowości rzek w danych miejscach.

Autonomiczne samochody

Jedną z dziedzin w których LiDAR jest obecnie wykorzystywany są autonomiczne samochody. Nie ma to co prawda nic wspólnego z dronami, ale dobrze obrazuje działanie technologii i jest to na tyle ciekawe, że postanowiliśmy w skrócie o tym napisać
LiDAR jest wstanie rozpoznać żółte pasy na drodze, co daje istotne informacje systemowi pokładowemu w którą stronę samochód ma się poruszać. ACC ( Adaptive Cruise Control ) korzysta z pomocy LiDARu w celu dopasowania prędkości pojazdu w zależności od ruchu przeszkody znajdującej się przed nim.

Nie chcemy bardziej zagłębiać się w tą tematykę, natomiast polecamy wiele niesamowitych filmów tłumaczących zastosowanie tej technologii w pojazdach autonomicznych.

Na koniec, różnica pomiędzy Fotogeometrią a LiDAR

Kiedy mowa o pomiarach, często zaczynają się dyskusje porównujące możliwości fotogeometrii i technologii LiDAR. Jak również debata co jest lepsze ? Prawda jest jednak taka, że nie ma prawidłowej odpowiedzi na to pytanie. Trzeba przeanalizować rodzaj pomiarów i ich późniejsze zastosowanie.

Fotogeometria jest lepsza w niektórych przypadkach a LiDAR w innych.

Fotogeometria to w skrócie pozyskiwanie pomiarów z fotografii na podstawie dokładnej lokalizacji poszczególnych punktów na mapie do tworzenia np. map 3D. Niegdyś fotogeometria była wyczerpującym i żmudnym procesem, trwającym bardzo długo, jednak drony radykalnie zmieniły ten stan. Zarówno poprzez możliwość szybkiego zebrania tysięcy zdjęć z powietrza podczas jednego lotu jak również przyczyniły się do wytworzenia nowych technologii umożliwiających łączenie zdjęć w taki sposób, żeby otrzymać mapę 3D.

Wiec jak mamy podjąć decyzje czego użyć LiDARu czy fotogeometrii ?

Ogólnie rzecz biorąc, przyjęło się, że fotogeometria jest dobra do pomiarów bardzo dużych połaci terenu które nie są zbyt zalesione lub przykryte innymi przeszkodami. Podczas gdy LiDAR jest lepszy do pomiarów mniejszych terenów naszpikowanych różnymi konstrukcjami czy roślinnością. (trzeba jednak zaznaczyć, iż powyższe podejście jest podyktowane głównie różnicą cen dwóch usług, jeśli w najbliższy latach cena technologii LiDAR się zmieni, może zmienić się również sposób w jaki do tej pory podchodzimy do pomiarów).

Na zakończenie, warto zaznaczyć, że obie technologie często się uzupełniają. Najlepszym rozwiązaniem jest wykorzystywanie LiDAR w połączeniu z fotogeometrią. Trzeba jednak pamiętać, że z roku na rok technologia bardzo idzie do przodu i staje się tańsza. Kto wie co za parę lat będziemy mogli uzyskać dzięki powyższym narzędziom. W tym artykule chcieliśmy jak naj ogólniej opisać zasady działania i wykorzystania LiDAR, będziemy jednak wracać w przyszłości do tego tematu i zagłębiać się znacznie dokładniej, analizując jego potencjał w różnych gałęziach przemysłu.