Лидар — технология лазерного зонирования¶

Лидар (от англ. LiDAR — Light Detection and Ranging, «определение расстояния и характеризование объектов с помощью света») — метод активной дистанционной сенсорики, основанный на измерении времени задержки лазерных импульсов, отражённых от поверхности Земли, объектов и атмосферы. Результатом сканирования является облако точек (point cloud) — массив координат с отражённой интенсивностью, из которого строятся трёхмерные модели местности и объектов. Лидар применяется в геодезии, картографии, лесоведении, археологии, а также в системах помощи водителю и беспилотных транспортных средствах.

¶Принцип работы

Лидарная система состоит из лазерного излучателя, приёмника отражённого излучения (фотоприёмника), оптической системы сканирования, блока синхронизации и навигационного блока (гирокомпас, инерциальная система, приёмник ГЛОНАСС/GPS). Прибор испускает короткие лазерные импульсы (обычно в ближнем инфракрасном диапазоне, длины волн 532, 905 или 1550 нм) с частотой от десятков до сотен килогерц. Время往返 между посылкой импульса и приёмом его отражения определяет расстояние до объекта по формуле d = c·t/2, где c — скорость света, t — двойное время задержки.

Сканирование территории выполняется либо механическим вращением оптической головки, либо электронным (бесщелевым) управлением лучом — в твёрдотельных системах на основе оптических фазовых решёток (OPA) или микрозеркальных матриц (MEMS). Непрерывная работа аппарата (самолёта, вертолёта, беспилотника) в сочетании с инерциальной навигацией позволяет получать плотные трёхмерные модели рельефа с точностью от единиц сантиметров.

¶Классификация

По платформе размещения лидары подразделяются на:

• Наземные — стационарные и переносные сканеры (Trimble, Leica, Riegl), применяемые для инженерных изысканий, обмеров зданий, создания моделей инфраструктуры.
• Аэрофотосъёмочные (аэролидар) — монтируемые на самолёты, вертолёты и беспилотные летательные аппараты (БПЛА). Наиболее распространённый способ получения цифровых моделей рельефа (ЦМР) на больших площадях.
• Космические — лазерные альтиметры, установленные на спутниках: ICESat (NASA, 2003), ICESat-2 (2018), российский «Диалог-ЭО» и другие. Применяются для мониторинга ледников, океана, лесов.
• Мобильные — комплексы, размещаемые на автомобилях, поездах, судах для сканирования инфраструктуры в процессе движения.
• Штатные автомобильские — компактные лидары, устанавливаемые на серийные машины с системами автономного вождения (Waymo, Cruise, «Яндекс»).

По длине волны различают ультрафиолетовые (355 нм), видимые (532 нм) и инфракрасные (905 и 1550 нм) системы; 1550 нм считается более безопасным для зрения и позволяет увеличить дальность до нескольких километров.

¶Точность и характеристики

Ключевые параметры лидара:

Погрешность определяется не только качеством оптики, но и характеристиками поверхности: тёмные и шероховатые объекты отражают меньше энергии, что сокращает дальность и снижает плотность облака точек.

¶Применение

Геодезия и картография. Аэрофотосъёмочные лидары используются для построения цифровых моделей рельефа (ЦМР) и цифровых моделей местности (ЦММ), включая территории под пологом леса — в отличие от фотограмметрии, лазерный луч частично проникает сквозь кроны деревьев, что позволяет снимать и рельеф, и высоту древостоя одновременно. В России аэрофотолидарные работы выполняют институты аэрогеодезии, в том числе подразделения Росреестра.

Лесоведение. По облаку точек рассчитываются высота деревьев, диаметр стволов, объём древесины, плотность кроны — параметры, необходимые для лесоустроительных работ и оценки запасов.

Археология. Лидарное сканирование выявляет следы древних построек, дорог и оросительных систем под растительностью, что привело к ряду крупных открытий в тропических регионах Центральной и Южной Америки.

Горное дело и строительство. Наземные сканеры применяются для мониторинга устойчивости откосов карьеров, контроля объёмов выемки грунта, обмеров промышленных объектов.

Автономный транспорт. Лидар — один из основных сенсоров систем автономного вождения: он строит точную трёхмерную карту окружения в реальном времени, не завися от освещённости. Российские разработки в этой области представлены, в частности, изделиями компании «Лидары Сити» и научными группами МФТИ и МГУ.

Метеорология и экология. Лазерные сканирующие дальномеры (лидары атмосферы) измеряют распределение аэрозолей, высоту облачного покрова, концентрацию пыли и загрязнений, применяются для контроля выбросов промышленных предприятий.

¶История

Первые эксперименты по определению расстояния лазерным лучом проведены в начале 1960-х годов вскоре после создания лазера. В 1971 году аппарат Apollo 15 использовал лазерный альтиметр LRA для измерения рельефа Луны. В 1980-е годы лидары начали применяться в авиации для гидрографии и картографии. Широкое коммерческое распространение технология получила в 2000-е годы с удешевлением лазеров и появлением высокоточных систем ГЛОНАСС/GPS. В России развитие аэрофотолидарных технологий связано с работами в области лазерной съёмки Земли из космоса, в том числе с проектами Института прикладной геодезии и подразделений РАН.

¶Ограничения

Лидар не различает цвета и материалов — интенсивность отражённого сигнала даёт лишь косвенную информацию о свойствах поверхности. Сильный дождь, снегопад или туман рассеивают излучение и снижают качество данных. Стоимость высокоточных сканеров остаётся значительной, хотя в автомобильном сегменте наблюдается устойчивое снижение цен при переходе к твёрдотельным технологиям.

¶Источники

• Бурдинский В. А. Лазерное сканирование в геодезии и картографии. — М.: Картгеоцентр, 2011.
• Шаров Н. Г. Лазерные сканирующие дальномеры: теория и практика. — СПб.: Политехника, 2010.
• Vosselman G., Maas H.-G. Airborne and Terrestrial Laser Scanning. — CRC Press, 2010.
• NASA. ICESat-2 Mission Overview. — 2018.
• Роскартография. Материалы по лазерному зонированию местности.