Развитие систем воздушного лазерного сканирования в 2019 году и их возможности

Автор: Рыльский Илья Аркадьевич

В 2019  году компания  Riegl выпустила  три новых решения. Новые поколения лазеров получили добавку «II» к базовым номерам моделей (которые ранее уже использовались в номенклатуре обозначений), однако с исходными моделями имеют общего разве только предполагаемый сегмент рынка.

Общей чертой для всех сканеров является удвоение скорости работы (точек в секунду) без изменения  размеров. По сути дела произошла модернизация ранее отлаженных моделей без изменения внешнего вида.

Список новых моделей:

Riegl VQ1560ii – тяжелый лазер High-End класса для работы на высотах до 5000 м, предназначен для пилотируемых скоростных носителей.

Riegl VQ1560ii – тяжелый лазер High-End класса для работы на высотах до 5000 м, предназначен для пилотируемых скоростных носителей, отличается вдвое более низкой, чем у 1560ii, производительностью.

Riegl miniVUX2 UAV — компактный лазер легкого класса для работы на высотах до 200 м, может быть использован на БПЛА и сверхлегких летательных аппаратах.

3 2 1

Рис.1. Внешний вид сканеров 1560ii, 780ii, miniVUX2 (слева направо)

Общие тенденции развития семейств тяжелых лазерных сканеров

Как видно из рисунка 1, все сканеры Riegl (кроме уже снятых с производства, но до сих пор использующихся в РФ Q560), теперь образуют три группы. Первая  – высотные системы топового сегмента – Q1560i, 780i, а также выпущенное в 2019 г. их новое поколение — Q1560ii, 780ii . Их отличительная черта – сохранение максимальной производительности вплоть до высоты 2000 м. Вторая группа – сканеры для БПЛА и СЛА (сверхлегкой авиации) – RIEGL VUX 1 и еще более легкий miniVUX-1 и miniVUX-2  (не включены в диаграмму из-за малой высоты работы). Третья же группа – это все лазеры, представленные в 2018 г. – 580ii, 480ii, VUX240.

4

Рис.2. Производительность различных систем Riegl (в точках в секунду) на различных высотах. Условия расчетов – скорость 180 км/ч, без поворотов и прерывания съемки, альбедо поверхности – 30%

Впрочем, никому не нужны миллиарды точек в чистом виде. Обычно заказчики оперируют терминами «площадь» и «плотность». Построив диаграмму реальной производительности системы за чистый час съемки на скорости 180 км/ч (без учета поворотов и прерываний), получим графики, приведенные на рис.2. Зеленым цветом отмечены новые модели Riegl.

5

Рис.3. Производительность различных систем Riegl (в км2/час) при различных плотностях. Условия расчетов – скорость 180 км/ч, без поворотов и прерывания съемки

Если сравнить производительность сканеров 780, 780i, 780ii между собой (или 1560, 1560i, 1560ii), то становиться очевидна их очень существенная разница в производительности в сегменте работ под масштаб 1:500 (при плотностях 10-20 точек на 1 м2 и выше), а при низкоплотном сканировании эта разница существенно менее заметна. Однако это только при низкой (180 км/ч) скорости полета. На приведенных диаграммах зеленым цветом показано «семейство» 780х, желтым – «семейство» 1560.

При скорости полета вдвое больше – 360 км/ч, картина производительности выглядит иначе:

6

Рис.4. Производительность различных систем Riegl  (в км2/час) при различных плотностях. Условия расчетов – скорость 360 км/ч, без поворотов и прерывания съемки

Нетрудно видеть, что оба семейство последовательно наращивают характеристики именно для того, чтобы применяться на скоростных носителях в целях высокоплотного сканирования. Этому способствует и очень узкий луч – всего 18 см с высоты 1000 м. Для условий РФ это вполне оправдано. Проекты в РФ в части лазерного сканирования обычно реализуются наполовину летом (недолгое, холодное, с достаточно частой облачностью на небольших высотах) и осенью (с традиционно плохой погодой и затяжными периодами сплошной низкой облачности). Проектов, выполняемых в условиях степного и пустынного климата, крайне мало. Из-за этого техническая возможность любой системы, способной работать на высоте более 1200 м, на практике может быть реализована весьма редко – по погодным условиям. В значительном количестве проектов – обследование линейных объектов и проектирование – большая ширина полосы съемки просто не нужна. Статистика полетов показывает, что лазерное сканирование с высоты более 1500 м практически не применяется или применяется в качестве дополнения к классической АФС для быстрого создания ортофото.

7

Рис. 5. Пригодность различных носителей для различных моделей лазерных сканеров Riegl,Производимых в 2019 г.

780ii

В первую очередь, необходимо отметить появление обновленной версии RIEGL VQ780ii – сканера, который заменит ранее выпускавшееся решение в аналогичном форм-факторе. Данный сканер предназначен для монтажа на носители среднего и легкого классов, преимущественно в люк (хотя возможна и установка «на лыжу» вертолета в контейнере типа  AS350/AS355 HELI-UTILITY-POD)  (http://www.dartaerospace.com/d350-602-014-airbus-heli-utility-pod). Принципиальным отличием данного сканера от предшественника является возросшая в 2  раза частота сканирования – с 1000 000 точек в секунду до 2000 000. Система позволяет сразу, «на лету» осуществлять он-лайн обработку формы сигнала, выделяя множество отражений от земли и прочих объектов для каждого выпущенного импульса. При этом в воздухе может находиться одновременно до 25  ранее выпущенных импульсов (35 MTA зон), что обеспечивает возможность поддержания максимальной частоты сканирования до высоты 1500 м включительно1. На высоте в 4800 м обеспечивается возможность работы на скорости 150 000 точек в секунду.

Для обеспечения работы на больших высотах итоговая система уже традиционно для Riegl комплектуется инерциальной системой Applanix AP60, среднеформатной камерой с разрешением 150 мегапикселов и возможностью подключения иных устройств синхронно с лазером – второй камеры с возможностью съемки в ближнем ИК-диапазоне, тепловизора, и т.п.

Можно констатировать, что по соотношению «цена/производительность» на сегодняшний день это одна из наиболее привлекательных систем. Вероятно, в ближайшие годы это будет наиболее востребованное решение в сегменте высокопроизводительных систем воздушного лазерного сканирования.

 1560ii

Тем не менее, характеристики RIEGL VQ780ii мернут по сравнению с техническими возможностями его старшего брата – RIEGL VQ1560ii. Данная система весьма необычна: обладая форм-фактором ее предшественника – RIEGL VQ1560i –  она имеем вдвое большую скорость работы (4000 000 точек в секунду). Аналогично VQ780ii, сканер комплектуется 150-мегапиксельной среднеформатной камерой, может быть укомплектован и дополнительным сенсором (тепловизор), а также снабжается инерциальной системой АР60, обладающей точностью измерения углов до 0.0025 градуса и позволяющей работать с больших высот – вплоть до 5500 метров.

Характеристики RIEGL VQ1560ii близки к таковым у RIEGL VQ1560i в части скорости съемки до высоты 1500 м. Аналогично и расположение лазеров – с наклоном от надира плоскостей сканирования вперед и назад, что очень важно при съемках городов (чтобы были стены зданий, а мертвые зоны были сведены к минимуму). Форма корпуса, оптимизированная для установки в круглом люке среднего или тяжелого носителя на гироплатформе, осталась также неизменной.

До высоты 500 м RIEGL VQ1560ii обладает такой же, как RIEGL VQ1560i производительностью. Такой же – значит фантастической, и не имеющей на декабрь 2019 г. конкурентов. Так, при работе с высоты в 900 м на Ми8 система покажет плотность около 50 точек на 1 м2 (1:500), с высоты в 2000 м – «всего лишь» 15 т/м2, а при высоте полета 400 м – 100 точек на 1 м2.

Огромное количество строк сканирования в секунду – до 600 – позволяет успешно применять данную систему на очень скоростных носителях. Так, при работе  с носителя типа Beachcraft KingAir (c крейсерской скоростью около 500 км/ч) с высоты 1500 м охват достигнет 1700 м, плотность точек – более 11 т/м2 (1:500), размер пиксела – 10 см (1:1000),а производительность – 900 км2 в час, или 4500 км2 за 5-часовой полет2.

Подобные возможность позволяют за 1 съемочный сезон  (скажем, 50 съемочных дней) осуществить съемку 225 000 км2 территории, совершая по одному полету в день.

miniVUX2-UAV

В 2019 году miniVUX1-UAV также получил обновление-  miniVUX2-UAV. Внешних изменений в данном сканере не заметно, однако внутренне он изменился кардинально. Скорость съемки была увеличена в 2 раза – до 200 000 точек в секунду. Появились 2 режима съемки – 100 и 200 тысяч точек в секунду. При этом на 200 000 т/сек дальность сканирования (альбедо 30%) достигает 180 м, а на 100 000 т/сек – более 220 м. Теперь, за счет незначительного (на 10-15%) снижения дальности съемки появилась возможность получать вдвое больше точек, а это означает возможность вдвое быстрее летать, вдвое быстрее делать проекты. Для сканера на БПЛА это – одно из важнейших качеств. В остальном изменений нет. Вес сканера остался на уровне 1.55 кг.

VUX240

В 2019 году был окончательно сформирован облик наиболее совершенного и производительного решения для БПЛА – Riegl VUX240.

Riegl VUX240 — компактный лазер среднего класса для работы на высотах до 1400 м, может быть использован на БПЛА и ПЛА. Сканер обладает весьма скромной массой – до 4 кг (без ИНС) огромной скоростью сканирования (сопоставимой с наиболее совершенными тяжелыми системами) – до 1.8 миллиона точек в секунду, и довольно большой дальностью сканирования (до 1400 м), что позволяет применять его не только на БПЛА, но и на пилотируемых носителях. При этом он имеет увеличенное поле зрения – не 60, а 75 градусов, что позволяет компенсировать более низкую высоту полета за счет более широкого охвата. Это еще больше повышает его производительность и снижает себестоимость работ с его применением.

8

Рис.6. Внешний вид сканеров  VUX240

Незначительное (на первый взгляд) увеличение охвата в градусах   позволяет VUX240 покрывать полосу, в 1.5 раза шире высоты полета. Таким образом, при высоте облачности в 650-700 м VUX240 обеспечит такую же ширину охвата, как и 1560ii при работе с 950-1000 м. Но если в день съемки облака будут на 700 м, то  VUX240  эффективно справится с задачей, в то время как 1560ii либо не поднимется в воздух, либо потребует в полтора раза большего летного времени.

Прочие особенности:

— широкое поле зрения и все чаще возникающие требования заказчиков, требующих не только надирной, но и перспективной фотосъемки учтены в интерфейсах сканеров: VUX240 обеспечивает возможность подключения до 4 камер.

— все сканеры по желанию заказчика могут быть оснащены инерциальной системой, для которой в конструкции уже приготовлено место – APX20 – на тот случай, если планируется работа с БПЛА (то есть с малых высот,  что не требует значительной угловой точности). Ð’ случае, если предполагается работа с пилотируемых носителей на высотах более 500 м, конечно, потребуется более крупная и дорогая ИНС, монтируемая отдельно.

— VUX240 обрабатывает «на лету» исходные сигналы, и не нуждаются в наземной обработке с целью классификации точек из разных отражений сырых данных. Это позволяет хранить меньший объем данных, для чего предназначен уже встроенный в корпус сканера твердотельный накопитель на 240 гигабайт данных. Если этого недостаточно – возможно сохранение на внешние накопители (например, ноутбук).

— VUX240 обладает очень большим количеством линий (строк сканирования) в секунду: VUX240 – 400 линий в секунду. Так, при работе не скорости 50 метров с секунду это позволяет обеспечить абсолютно равномерное распределение точек с плотностями 64 Ñ‚/м2 – для VUX240.  Для скорости 100 м/с это будет соответственно  16 Ñ‚/м2 – для VUX240. Таким образом, несмотря на малый вес и габариты, изделия могут эксплуатироваться с весьма скоростных носителей.

— VUX240 не нуждается в больших люках для установки (конечно, если не используется гироплатформа). Это позволяет использовать их на обычных носителях без вмешательства в силовой набор  летательного аппарата.

VUX240 является практически идеальным решением для БПЛА среднего и тяжелого классов, хотя может применяться и со СЛА, и с легких самолетов. Благодаря полной безопасности для зрения на сколь угодно малых дистанциях до объектов, он может летать на сверхмалых высотах, легок, но при этом может применяться и на  обычных самолетах, хотя и менее эффективно.