Сравнение возможностей картографирования подводного рельефа с использованием батиметрических лазерных сканеров

Автор: Рыльский Илья Аркадьевич

Задача получения высокоточного рельефа дна стоит  не менее остро, чем задача получения высокоточной модели рельефа. Ошибки с оценкой глубин на водном транспорте чреваты самыми тяжелыми последствиями. Однако получение качественной карты глубин требует несопоставимо больше затрат, нежели выполнение наземных съемок. При этом качество результатов съемок дна в большинстве своем хуже, а стоимость – дороже в 10 и более раз чем при работе на твердой поверхности на суше.

Давно известный метод эхолокации к сожалению малоприменим для ведения работ на мелких акваториях (где промерное судно может сесть на мель), в районах опасного судоходства (рифы, камни) и не дает высокой точности  определения глубин. В то же время он вполне применим для широкого диапазона условий среды и общепризнан. К недостаткам метода также можно отнести скромную производительность, что часто бывает неприемлемо.

Именно поэтому, сразу же после появления лазерных сканеров для сканирования земной поверхности  были сделаны попытки применить этот метод и для подводных объектов.

Наиболее интересным является вопрос глубины, до которой данный класс аппаратов позволяет картографировать дно водоема. Производители обычно заявляют данный параметр как величину, кратную 1 секки. Что такое 1 секки?

Диск Секки — белый диск, который при определении прозрачности воды, погружается в глубину водоема до тех пор, пока не пропадает из виду. Освещенность при этом принимается естественная, а диск наблюдается визуально. Глубина, на которой это произошло, называется глубиной в 1 секки. В большинстве случаев 1 секки соответствует глубине 2-6 м для равнинных рек, 4-8 м — для пресных водоемов со спокойной водой, 3-12 и более метров — для моря.

Нетрудно видеть, что результаты работы данного прибора зависят не только от прибора, но и от свойств объекта, который подвергается съемке. Зная эту особенность, необходимо вносить соответствующие коррективы в планы работ. Так, в умеренном и полярном климате наиболее удачным временем для съемки является осенний период, когда вода имеет минимальную температуру, водоросли и муть отсутствуют, весенне-летние паводковые явления минимальны. Следует избегать работ непосредственно во время и сразу после половодья, паводков, сгонно-нагонных явлений, штормов — любых метеоявлений, повышающих мутность воды.

Может возникнуть закономерный вопрос — для чего пользователю прибор, результаты которого трудно предсказать (на водных объектах) либо они требуют длительного ожидания? Ответ прост — потому что альтернативные способы ведения гидрографических работ на порядки медленнее, дороже и тяжелее, а в ряде случаев — в принципе невозможны технически. Например, на практике неосуществимы или являются «золотыми»:

• определение глубины каждого болота в тундровой зоне — потому, что слишком много болот;
• подводный рельеф ледниковых и высокогорных озер — потому что оборудование и плавсредства нужно забрасывать вертолетами;
• мангровые заросли и коралловые рифы, требующие крайне густой сети промеров;
• каменистые отмели, где невозможна навигация

Однако вполне логично, что наиболее важными и проблемными местами являются те участки суши, где мелко, а не глубоко. Это реки (такие как Лена, Колыма, Индигирка) с протяженными фарватерами и небольшой общей глубиной, это прибрежные районы морей с обширными отмелями, и им подобные районы, где рельеф дна меняется довольно быстро, а изменение глубины даже на полметра может представлять существенную проблему. Именно в такой ситуации VQ820G просто незаменим, позволяя при съемке легко переходить с суши на воду и обратно без потери скорости работы, покрывая за один съемочный день территории, съемка которых стандартными способами (с плавсредств) займет месяцы.

Из всех приборов Riegl это, пожалуй, самый универсальный прибор.

Рекомендованные области применения:

• съемка мелководных водоемов и рек, прибрежных зарослей, лиманов;
• съемка заболоченных и заозерных территорий

а также:

• съемка населенных пунктов 1:100-1:2000
• съемка ЛЭП, железных и автодорог 1:500-1:1000
• съемки площадных территорий под 1:1000 и 1:2000

На сегодняшний день в мире выпускается несколько подобных изделий.

Рассмотрим их возможности и особенности.

Гидрографические решения для пилотируемых носителей

В основном изделия для батиметрических работ представлены довольно мощными системами, и здесь  наиболее производительными приборами являются решения от RIEGL (Австрия). Модельный ряд тяжелых систем выглядит следующим образом:

2011 – VQ 820G

2015 – VQ 880G

2017 – VQ 880GH

2018 – VQ 880GII

Рис.1 Внешний вид сканеров 880G, 880GH, 880GII (слева направо)

VQ 820G

Общие сведения. Гидрографический лазерный сканер с длиной волны 532 нанометра (зеленый). Анонсирован в 2011 г., когда произвел настоящий переворот в области создания универсального прибора, позволяющего одинаково эффективно картографировать как дно водоемов, так и сушу. При этом — не снижая скорости сканирования, очень высокой даже по меркам  классических лазерных сканеров, не говоря уже о его гидрографических предшественниках.

Рис. 2. Внешний вид гидрографических лазерных сканеров VQ820

Прибор достаточно необычен.  Этот лазер дает полную картину действительности как под водой, так и над водой, что выгодно отличает его от прочих гидрографических устройств-предшественников. Одна из проблем гидрографических сканеров — учет рефракции в толще воды — решена за счет восстановления поверхности воды по данным отражений лазера от поверхности в сочетании с расчетным углом падения луча к толще воды. Точность определения дальности — 25 мм, что для гидрографических лазеров является очень хорошим результатом. Сканер позволяет вести съемку с частотой до 200 линий в секунду, что позволяет применять его на весьма скоростных носителях. Высота применения — при гидрографических работах — около 600 м, при топографических — до 1200 (при альбедо 20%) и до 2000 (при альбедо 60%).

VQ820G работает в видимом — зеленом диапазоне — спектра. Это сделано для минимизации поглощения излучения толщей воды. Естественно, этот прибор имеет весьма мощный лазер, и в сочетании с видимым диапазоном общий класс опасности — 3В. Высота безопасной для эксплуатации — 100 м над поверхностью.  Зеленое излучение внедряется в толщу воды, отражаясь от дна, что дает дополнительное отражение, и позволяет включить его в общее облако точек.

Поскольку лазер предназначен для работы в двух средах, его угол отклонения сканирующего луча сделан переменным, и имеет следующие режимы работы — в гидрографическом режиме поле охвата составляет до 42 градусов, в сугубо наземном — до 60. За счет ряда аппаратных особенностей точки лазерных отражений образуют не прямые параллельные линии, а параллельные дуги окружности.

VQ820G имеет очень высокую частоту сканирования (максимальная) — до 520 000 точек в секунду. Эффективная скорость сканирования при этом — 200 000 точек в секунду (в подводном режиме — в том числе), однако на сегодняшний день в мире нет гидрографических лазеров, работающих с такой скоростью.

В целом этот сканер является хорошо сбалансированным решением, особенно по показателю «цена-качество». На сегодняшний день в России есть несколько пользователей данной системы, зарекомендовавшей себя надежным и производительным инструментом. Имеется положительный опыт эксплуатации данной системы при температурах до -28 С.

VQ 880G

Общие сведения. Гидрографический лазерный сканер с длиной волны 532 нанометра (зеленый), являющийся дальнейшим развитием идеологии, по которой создавался VQ880G. Это один из новейших приборов, анонсированный осенью 2014 г.

Технически данный прибор существенно отличается от VQ820G. В первую очередь, бросается в глаза внешний вид (см. различия на рис. 2). Компоновка VQ880G похожа на компоновку Q1560 — это законченный сканер-платформа, адаптированный для использования вместе с гироплатформой, с уже установленными IMU и фотокамерой для цифровой аэрофотосъемки и возможностью установки дополнительной камеры (например, тепловизора).

Внутреннее устройство сканера VQ880G изменено по сравнению с VQ820G — его развертка представляет собой окружности с постоянным углом отклонения лазерного луча на 20 градусов от вертикали. Основная причина такого решения — необходимость обеспечения постоянного угла падения луча в воду. Это необходимо для более тщательного учета влияния рефракции в воде, что повышает точность определения глубины. В свою очередь, глубина проникновения лазера в воду увеличилась по сравнению с VQ820G  в 1.5 раза, и составляет 1.5 секки (при высоте полета 600 м).

Для увеличения глубины был использован более мощный лазер — 4класс опасности, безопасная высота для зрения — около 300 м. Увеличение мощности лазера позволило увеличить высотность прибора — теперь съемка возможна вплоть до высоты 3000 м при альбедо 60% и до 2000 м при альбедо 20% (для наземных объектов).

Применение круговой развертки луча позволяет максимально эффективно использовать время сканирования (нет пауз между строками как в схемах «параллельного» сканирования. Кроме того, в ходе съемки каждый объект в зоне съемки (даже при однопроходном сканировании) сканируется дважды (сзади и спереди) — исключение составляет только узкая полоса по краю зоны охвата.

Именно поэтому данный сканер имеет более высокую эффективную частоту сканирования, чем даже Q1560 — 550 000 точек в секунду против 532000 точек у Q1560. Кроме того, пользователь может управлять дивергенцией («шириной»)  луча — меняя ее от 0.7 до 2.0 миллиридиан, что позволяет ему одинаков хорошо вести съемку с больших и малых высот. Большая частота вращения — до 160 строк в секунду — позволяет работать  с высокоскоростных носителей со скоростями полета до 500 км/ч.

Сфера применения данного сканера похожа на VQ820G, однако имеет отличия. Основное — большие глубины съемки. Это свойство данного сканера окупает и экзотическую развертку (хотя в городах — это преимущество), и высокий класс опасности. Большая глубина проникновения луча позволяет более гибко применять его для рек и водохранилищ, работать с более мутными водоемами и на более глубоких морских участках. В первую очередь — на мелководьях шельфа.

VQ880GH

VQ880G получил новый форм-фактор при сохранении прежних характеристик, а также новое название — RIEGL – VQ880GH.  Сканер, обладающий круговой схемой сканирования, максимальной частотой в 550 000 точек в секунду, и возможностью вести съемку дна на глубинах до 1.5. секки (глубина, на которой пропадает из виду белый диск диаметром 21 см) при работе в гидрографическом режиме, возможностью снимать наземные объекты с высоты до 2200 м, получил полностью переработанный корпус. Достаточно взглянуть на изображения предшественника и новинки:

Новый сканер стал чуть шире в части требований к размерам люка (456 мм против 409 у предшественника, однако существенно уменьшился в части корпуса, размещенной внутри корпуса носителя (с 550 до 390 мм). Данное изменение предназначено для снижения требований к носителю по размерам внутреннего пространства – в первую очередь, при работе с вертолетов и легких носителей. Помимо размеров, в корпус измененного дизайна удалось разместить не один, а два дополнительных сенсора – это могут быть и две среднеформатные камеры, и вариант со среднеформатной камерой+тепловизор.

VQ880GH, также как и его предшественник, обладает дополнительным встроенным  лазером с длиной волны 1064 нм, что предназначено для более точного измерения длины прохождения луча под водой и точного описания формы поверхности волн. Улучшен доступ к камерам, который может потребоваться при замене затворов камер – теперь не нужно разбирать полностью всю систему, достаточно снять панель на нижней поверхности системы.

VQ880GII

По сути, это сканер VQ880GH, который упаковали в форм-фактор, близкий к 880G . Подобный подход позволил облегчить почти на 10% вес системы, снизить требования к люку для установки. Так, новый сканер стал чуть уже в части требований к размерам люка (409 мм против 456 у предшественника). Кроме того, выступающая из люка в салон часть стала существенно меньше – она такая же по высоте, как у 880GH, при этом меньше на 80 мм, чем у 880G. В ширину при этом система 880Gii существенно меньше, чем 880GH (444 мм против 580 мм).

Таблица 1. Эволюция габаритов лазерного сканера (части внутри салона носителя)

Как видим, упаковка фактически двух разных лазеров в корпус 880GH далась ценой полуторакратного роста объема, расположенного внутри салона, однако всего за год  эти же компоненты удалось «утрамбовать в даже еще меньший объем, при этом уменьшив на 10% массу и на 10% — диаметр люка. Достаточно впечатляющий прогресс в части миниатюризации.

Таким образом, налицо расширение возможностей по установке 880GII на существующие носители при сохранении столь же высоких, как и у 880GH характеристик.

Напомним, что и 880GH, и 880GII — cканеры, обладающие круговой схемой сканирования, максимальной частотой в 550 000 точек в секунду (в зеленом канале), и возможностью вести съемку дна на глубинах до 1.5. секки (глубина, на которой пропадает из виду белый диск диаметром 21 см) при работе в гидрографическом режиме, возможностью снимать наземные объекты с высоты до 2200 м. В корпусе размещается не один, а два дополнительных сенсора – это могут быть и две среднеформатные камеры, и вариант со среднеформатной камерой+тепловизор.

VQ880GII, также как и его предшественник, обладает дополнительным встроенным  лазером с длиной волны 1064 нм, что предназначено для более точного измерения длины прохождения луча под водой и точного описания формы поверхности волн.

Гидрографические решения для БПЛА

В данной области также явно наблюдается быстрый прогресс.

-2015 –BDF-1 (лазерный профилограф для БПЛА). Пожалуй, первое в истории решение в части установки гидрографического лазерного батиметра на БПЛА среднего класса (полетная масса до 30 кг).

-2017 –совмещение BDF-1 и легкого ИК-лазера для БПЛА Ricopter M. Пожалуй, также первое в истории решение подобного веса для БПЛА с массой до 40 кг.

-2018 –840G (сканер для БПЛА) – полноценный лазерный сканер с массой менее 15 кг (полностью в сборе).

Рис.3. Внешний вид (слева направо) BDF-1 и VQ 840G

Технические характеристики BDF-1 не поражают воображение: работа ведется в режиме профилографа (то есть без съемки полосы, только одна линия точек вдоль оси полета), скорость съемки – не более 4000 т/с, при этом глубина проникновения в воду – не более 1 секки (на 1.2 секки – уже 400 т/с, на 1.5 секки – 40 точек в секунду).  Возможности снимать сушу в режиме обычного сканирования у него нет.

840G выглядит крайне выигрышно не только на фоне предшественника ( BDF-1), но и на фоне любых других решений для БПЛА, предназначенных для съемки суши. Он оснащен двумя сенсорами – ИК (1064 нм) и зеленым (532 нм), имеющими эллиптическую развертку. Оба сенсора работают на скоростях: до 200 000 точек в секунду  для зеленого и до 100 000 точек в секунду – для ИК-сенсора. Съемка возможна на удалении 150-250 м от объекта (зависит от отражательной способности). При этом глубина съемки составляет от 0.7 секки (на 200 kHz) до 1.5 секки (на 0.5 kHz). Опционно ИК-лазер может быть заменен на камеру (обычно ИК-лазер используется для возможности получения отражений от поверхности воды для более точной оценки глубины – ведь в любом водоеме всегда есть волны).

С учетом времени полета RiCopter-M ( БПЛА, рекомендованного производителем для использования этой сканирующей системы) в 30 и более минут – мы получаем высокопроизводительный инструмент, пригодный для съемки небольших акваторий, рек, внутренних водоемов, заболоченных участков, мангровых зарослей и просто опасных водных участков с максимальной гибкостью.