DRONAI: LIDAR AR FOTOGRAMETRIJA?

Pastaruoju metu, plėtojant bepiločių orlaivių panaudojimo erdvę, galima surasti nemažai informacijos apie LiDAR ir fotogrametrijos metodų palyginimą, kurį gaubia daugybė mitų ar klaidų. Tiesą sakant, abi, vis plačiau naudojamos technologijos, yra tokios pat skirtingos kaip ir panašios. Todėl svarbu suprasti, kad abiem atvejais sukuriami visiškai skirtingi produktai, pateikiami skirtingi rezultatai, joms būtinos skirtingos realaus paviršiaus fiksavimo sąlygos, o svarbiausia tai, kad jos turėtų būti panaudojamos skirtingais gyvenimo atvejais.

Nėra jokių abejonių, kad, palyginus su tradiciniais matavimo metodais, abi technologijos siūlo išgauti rezultatą daug greičiau su daug didesniu duomenų tankiu (abiem metodais visi matomi objektai matuojami be interpoliacijos). Tačiau jūsų projekto atlikimui geriausio metodo pasirinkimas priklauso nuo vėlesnių rezultatų panaudojimo atvejų, aplinkos sąlygų, atlikimo terminų ar biudžeto, neskaitant kitų žmogiškų veiksnių. Šis straipsnis yra skirtas išsamiai apžvelgti LiDAR ir fotogrametrijos metodų stipriąsias ir silpnąsias vietas, siekiant padėti jums išsirinkti tinkamiausią jūsų projekto įgyvendinimo būdą ar sprendimą.

Kaip šios technologijos veikia?

Pradėkime nuo pat pradžių ir atidžiau pažvelkime į šį mokslą, pagrįstą dviem skirtingomis technologijomis.

LiDAR (angl. „Light Detection and Ranging“) yra technologija, paremta lazerio veikimo spinduliais. Kai įrenginyje fiksuojamas lazerio laikas, reikalingas išspinduliuoti ir susigrąžinti jo šviesą. Jis dar vadinamas aktyviu jutikliu, kuris išskiria energiją, o ne aptinka energiją, išsiskiriančią iš objektų esančių ant žemės paviršiaus.

Fotogrametrija yra pasyvi technologija, pagrįsta vaizdais, kurie yra transformuojami iš 2D į 3D kartometrinius modelius. Šioje technologijoje naudojamas tas pats principas, kaip mato žmogaus akys ar kuriama 3D vaizdo įrašuose, siekiant nustatyti objektų gilumą, leidžiantį vartotojui peržiūrėti ir matuoti šiuos objektus trimis aspektais. Fotogrametrijos apribojimas yra tas, kad vaizdų generavimui naudojami tik aplinkos šviesos apšviesti taškai, kuriuos gali aptikti fotoaparato jutiklis.

Trumpai tariant, LiDAR sistemos naudoja lazerius, kad atliktų matavimus, o fotogrametrija pagrįsta nufotografuotais vaizdais, kuriuos galima apdoroti ir sujungti, kad vėliau būtų galima atlikti matavimus.

LiDAR ir Forogrametrijos mokslinių tyrimų rezultatai

Pagrindinis LiDAR sistemos produktas yra 3D taškų debesis. Taškų debesies tankis priklauso nuo jutiklio charakteristikų (skenavimo ir atkartojimo dažnio) bei skrydžio parametrų. Darant prielaidą, kad jutiklis skleidžia impulsus fiksuotu dažniu, taškų debesų tankis priklauso nuo bepilotės skraidyklės (drono) skrydžio aukščio altitudės ir greičio.

Įvairiems jutiklių panaudojimo atvejams gali prireikti skirtingų pirminių (taškų debesų) nustatymo parametrų, pvz., elektros linijų modeliavimui gali tekti parinkti taškų tankumą daugiau nei 100 taškų į kvadratinį metrą, kur kaimo vietovių skaitmeninio reljefo modelio sukūrimui užtenka 10 taškų į kvadratinį metrą.

Taip pat svarbu suprasti, kad LiDAR jutiklis renka taškus be RGB spalvų, sukuria vienos spalvos (monochrominį) duomenų rinkinį, kurį būna kiek sunkiau interpretuoti. Kad jis taptų aiškesnis ar prasmingesnis, taškų debesis atvaizduojančių programų dėka, duomenys dažnai vizualizuojami naudojant ryškesnes spalvas remiantis atspindžiais bei aukščiais.

LiDAR duomenims spalvą suteikti galima tik po jų apdorojimo, remiantis vaizdų ar kitų duomenų šaltiniais, tačiau visa tai procesą daro dar sudėtingesniu. Taškų spalva gali būti priskiriama ir pagal jų klasifikaciją (kiekvieno taško ar jų grupės priskyrimas konkrečiam objekto tipui ar grupei, pvz., medžiai, pastatai, automobiliai, žemės paviršius, elektros kabeliai).

Kita vertus, fotogrametrijos dėka galima generuoti pilnus 3D ir 2D modelius (įvairiuose šviesos spektruose), kuriuos daug lengviau vizualizuoti bei suprasti nei LiDAR. Pagrindiniai fotogrametrinių matavimų duomenys yra „žali“ arba neapdoroti vaizdai, ortofotografiniai žemėlapiai/planai, skaitmeniniai paviršių modeliai ir 3D taškų debesys, sukurti apdorojant šimtus ar tūkstančius vaizdų. Galutiniai rezultatai yra ypač vizualūs, kurių pikselių dydis (imties atstumas žemėje, angl. „Ground Sampling Distance“) gali būti net tiksliau kaip 1cm.

Atsižvelgiant į tai, panašu, kad fotogrametrija yra technologija, kuri turėtų būti pasirenkama, kai reikia naudoti vizualųjį vertinimą (pvz., statybos kontrolei, patikrinimui, turto valdymui, žemės ūkiui). O LiDAR turi kitų svarbių savybių, kurios yra svarbios kitais, tam tikrais atvejais.

Lazerio spinduliai, skleidžiami aktyvaus jutiklio, gali prasiskverbti pro augaliją. LiDAR spinduliai sugeba prasiskverbti pro mažiausius tarpelius ir pasiekti žemiau esantį paviršių, reljefą ar objektus, todėl tai gali būti ypač naudinga skaitmeninių reljefo modelių (angl. Digital Terrain Models arba DTM) generavimui.

LiDAR gali būti ypač naudingas siaurų objektų, tokių kaip elektros linijos ar telekomunikacijų bokštai, modeliavimui, nes, naudojant fotogrametrijos metodą, siaurus ar prastai matomus objektus atpažinti yra daug sunkiau. Be to, su LiDAR sistema galima dirbti net esant prastoms apšvietimo sąlygoms ar net naktį. Fotogrametrijoje taškų debesys yra labiau vizualūs (kiekvienas pikselis turi RGB paletės spalvą), tai gali būti tinkama objektams, kuriuose labiau priimtinas žemesnis geometrinio detalumo lygis, tačiau vizualinė interpretacija yra daug svarbesnė.

Tikslumas

Pradėkime nuo tikslumo apibrėžimo. Žemės matavimuose tikslumas visada turi du aspektus: santykinį ir absoliutų.

Santykinis tikslumas apibrėžia tikslumą tarp objektų, t. y. kaip jie yra išdėstyti vienas kito atžvilgiu.
Absoliutus tikslumas parodo skirtumą tarp objektų vietos ir jų tikrosios padėties Žemėje (todėl bet kuris matavimas gali turėti didelį santykinį, bet mažą absoliutų tikslumą).

Antžeminis 3D skeneris yra vienas iš tiksliausių LiDAR matavimo technologijų pavyzdys.

Antžeminis lazerinis įrenginys yra pastatomas ant žemės, o jo tiksli pastatymo vieta yra matuojama naudojant kitus geodezinius metodus. Tokiu būdu įrenginio vieta gali būti nustatoma milimetrų tikslumu.

Tačiau aukštą, ore skraidančios LiDAR sistemos, pozicijos tikslumą pasiekti yra daug sudėtingiau. Štai kodėl ant skraidančio įrenginio sumontuota LiDAR sistema beveik visuomet yra sujungta su inerciniu matavimo įrenginiu (angl. Inertial Measurement Unit arba IMU) ir GNSS imtuvu, kurie nuolatos teikia informaciją apie skenavimo platformos padėtį, jos sukimąsi ir judesį. Visi šie duomenys yra sklandžiai suderinami ir leidžia pasiekti aukštą santykinį skenavimo tikslumą (1-3 cm). Norint pasiekti ir užtikrinti aukštą absoliutų skenavimo tikslumą, reikėtų pridėti ir tiksliai užmatuoti bent keletą kontrolinių taškų žemės paviršiuje (angl. Ground Control Point arba GCP). Kai kuriais atvejais, kai reikia papildomo GNSS padėties nustatymo tikslumo, galima naudoti pažangias UAV RTK / PPK padėties nustatymo sistemas.

Fotogrametrijos metodas taip pat leidžia pasiekti 1-3 cm lygio tikslumą, tačiau jis reikalauja didelės patirties pasirinkant tinkamą aparatūrą, nustatant skrydžio parametrus ar tinkamai apdorojant duomenis. Norint pasiekti aukščiausią tikslumą galima naudoti RTK / PPK technologiją ir papildomus kontrolinius taškus (GCP) arba gali būti pagrįsta tik parenkant daugybę kontrolinių taškų. Nepaisant to, naudojant DJI Phantom klasės bepilotę skraidyklę su keliais kontroliniais taškais, galima lengvai pasiekti 5-10 cm tikslumą mažesnėse teritorijose, o tai gali būti pakankamai gerai daugeliu jo naudojimo atvejų.

Duomenų surinkimas, apdorojimas ir efektyvumas

Taip pat labai skiriasi ir duomenų surinkimo greitis tarp dviejų technologijų. Fotogrametrijoje vienas iš kritinių parametrų, reikalingų tiksliam duomenų apdorojimui, yra vaizdų persidengimas, kuris turėtų būti 60-90% (išilginis ir šoninis), priklausomai nuo vietovės reljefo struktūros ir naudojamosios techninės įrangos. Įprastai LiDAR duomenų surinkimui užtenka tik 20-30% siunčiamo lazerio pluošto persidengimo, o tai padeda greičiau surinkti reikiamus duomenis.

Be to, siekiant aukšto absoliutaus tikslumo, fotogrametrijoje reikia daugiau kontrolės taškų ant žemės, kad būtų pasiektas LiDAR lygio tikslumas. Kontrolės taškams (GCP) pamatuoti paprastai reikia tradicinių matavimo metodų, kurie užima papildomą laiką bei reikalauja papildomų išlaidų.

Be to, LiDAR duomenų apdorojimas yra labai greitas. Surinkti „žali“ duomenys reikalauja tik kelių kalibravimo minučių (5-30 minučių), kad galėtume pagaminti galutinį produktą. Fotogrametrijoje duomenų apdorojimas yra daugiausiai laiko užtrunkanti proceso dalis. Be to, jų apdorojimui reikalingi galingi kompiuteriai, kurie galėtų apdoroti gigabaitus vaizdų.

Duomenų apdorojimas vidutiniškai trunka nuo 5 iki 10 kartų ilgiau nei duomenų surinkimas lauke.

Kita vertus, daugeliu atvejų, tokių kaip elektros oro linijų inspektavimas, LiDAR taškų debesims reikalinga papildoma jų klasifikacija, tačiau tai reikalauja gerokai daugiau darbo sąnaudų ir be abejo brangios programinės įrangos (pvz., „TerraScan“, kt.).

Kaina

Kai lyginame abiejų LiDAR ir fotogrametrijos metodų sąnaudas, turime atsižvelgti į keletą šių sąnaudų elementų.

Pirmiausia – tai techninė įranga.

Bepilotėse skraidyklėse naudojamo LiDAR‘o komplektas (jutiklis, IMU ir GNSS) kainuoja nuo 50 000 iki 300 000 JAV dolerių, tačiau daugeliu atvejų aukščiausios klasės prietaisai yra geresni. Jei investuosite tokią sumą į įrangą, tikrai nenorėsite netyčia jos sugadinti. Atsižvelgiant į tai, dauguma vartotojų išleidžia papildomą 25 000-50 000 JAV dolerių sumą ir patikimesnei bepilotei skraidyklei. Visa tai pabrangsta iki 350 000 JAV dolerių už vieną matavimo komplektą, kurio suma tampa lygiaverte penkiems „Telsa S“ elektromobilio modeliams. Tai yra tikrai brangi investicija.

Tuo tarpu fotogrametrijoje – viskas, ko jums reikia, tai kamera aprūpinta skraidyklė, kuri dažniausiai būna daug pigesnė.
Asortimente nuo 2 000 iki 5 000 JAV dolerių galite rasti tikrai nemažai profesionalių daugiafunkcinių įrenginių, pvz.: DJI Inspire, kt. O nuo 5 000 iki 20 000 JAV dolerių diapazone galite įsigyti RTK / PPK sistema aprūpintą, pvz., DJI Matrice 600 komplektą arba fiksuoto sparno Sensfly eBee ir PrecisionHawk Lancaster skraidykles.

Kitas svarbus išlaidų elementas yra duomenų apdorojimo programinė įranga.

LiDAR atveju, dažnai jutiklio gamintojas ją prideda nemokamai. Tačiau po pradinio duomenų apdorojimo, vėliau gali prireikti naudoti trečiosios šalies programinę įrangą, pvz., „TerraScan“, kurios viena licencija kainuoja nuo 20 000 iki 30 000 JAV dolerių.
Fotogrametrinės programinės įrangos kainos yra gerokai žemesnės, t. y. nuo 3000 JAV dolerių už licenciją.

Akivaizdu, kad dar vienas svarbus veiksnys, turintis įtakos paslaugų kainai – darbas ir laikas.

Čia LiDAR turi reikšmingą pranašumą fotogrametrijos atžvilgiu, nes šis metodas reikalauja ne tik gerokai mažiau laiko duomenų apdorojimui, bet mažiau kontrolinių taškų (GCP). Apskritai, priklausomai nuo naudojimo atvejo ir verslo modelio, fotogrametrijos paslaugos paprastai yra pigesnės nei LiDAR, nes investicijos į techninę įrangą turi būti amortizuojamos. Tačiau, kai kuriais atvejais, efektyvumas, gaunamas naudojant LiDAR, gali kompensuoti ir brangių jutiklių kainą.

Išvados

Lyginant LiDAR ir fotogrametriją, svarbu suprasti, kad abi technologijos turi tiek savo panaudojimo sritį, tiek ir apribojimus, o daugumoje atvejų jos papildo viena kitą. Nė viena iš šių technologijų nėra geresnė nei kita, ir nė viena iš jų neapims visų įmanomų jų pritaikymo atvejų.

LiDAR tikrai turėtų būti naudojamas tuomet, kai reikia pamatuoti siauras konstrukcijas, tokias kaip elektros linijos ar telekomunikacijų bokštai, ir vietas, esančias žemiau medžių lapų lajos.
Fotogrametrija būtų geriausias pasirinkimas atliekant projektus, kuriems reikalingi vizualūs duomenys, pvz., statybos kontrolė, turto valdymas, žemės ūkis.
Daugeliu atvejų abi technologijos gali pateikti vertingų duomenų (pvz., kasyklose ar žemės darbuose), o metodo pasirinkimas priklauso nuo konkretaus jo pritaikymo atvejo, tam skirto laiko, biudžeto bei duomenų surinkimo sąlygų.

LiDAR ir fotogrametrija yra galingos technologijos, jei jas naudosite teisingai. Akivaizdu, kad mažėjant techninės ir programinės įrangos kainoms, jos taps vis labiau prieinamos. Abiejose technologijose vis dar yra „pirmųjų žingsnių“, kai kalbama apie belaidį ryšį ar mašininį programinės įrangos automatizavimą.

Likite įsijungę ir laukite tęsinio!

Autorius: Aleks Buczkowski, 2018 m. sausio 6 d., šaltinis:
http://geoawesomeness.com/drone-lidar-or-photogrammetry-everything-your-need-to-know/