Нет товаров в корзине.
Батиметрические сканеры: обзор технологии
Оглавление
Интерес к изучению прибрежных зон растет с увеличением их застройки и роста интенсивности экстремальных природных явлений. Топо-батиметрическая съемка важна для любого строительства и поддержания инфраструктуры в прибрежной зоне, а также для охраны и мониторинга окружающей среды.
Воздушная лазерная батиметрия с помощью дронов – это современный метод измерения и картографирования глубины водных объектов, в котором используются проникающие характеристики видимого зеленого света и возможности БПЛА.
Современные сканеры позволяют получать сразу как батиметрические, так и топографические данные, и такое комплексное топо-батиметрическое лазерное сканирование эффективно для бесшовной съемки ландшафтов прибрежных зон.
Хотя приближение лидара к поверхности воды ограничивает ширину полосы обзора по сравнению с самолетом, а ограниченная скорость БПЛА снижает охват территории на единицу времени, съемка с беспилотников обычно приводит к повышению пространственного разрешения данных по сравнению с пилотируемыми средствами.
Батиметрический лидар – это эффективная и экономичная технология, которая позволяет составлять карты глубин быстрее и экономичнее, чем с использованием судна или самолета. БПЛА легко транспортируются и могут работать в труднодоступных местах или в опасной среде. Доступность БПЛА и небольших высококачественных датчиков позволила добавить воздушным исследованиям гибкость, а данным – детализацию.
Сферы применения воздушной батиметрической съемки с БПЛА
Множество аспектов производства требуют обновленных подходов и технологий батиметрической съемки – рыболовство, поддержание инфраструктуры и обеспечение безопасности прибрежного судоходства, прибрежный и морской туризм, разработка полезных ископаемых в шельфовой зоне, использование энергии ветра. Из экологических задач можно отметить мониторинг количества и качества водных ресурсов, сохранение и защиту сред обитания в районах, подверженных наводнениям или береговой эрозии, моделирование среды обитания для прибрежных организмов и сообществ.
Неинвазивная съемка с воздуха поддерживает все эти задачи без воздействия на окружающую среду и без риска для работников. Способность успешно осуществлять сбор данных как на дне, так и на суше сделала топо-батиметрический лидар инструментом для комплексного исследования уязвимых территорий. Беспилотник работает без контакта с водой, что удобно при работе с водоемами и водотоками с сильным течением, а также с сильно загрязненными водами.
Как работает лидар в батиметрии
Лазерный импульс передается на поверхность воды, где часть энергии возвращается на оптический приемник воздушного судна, а другая часть импульса проходит через толщу воды до дна и только после этого отражается обратно на приемник. Прошедшее время между полученными импульсами от поверхности воды и дна позволяет определить глубину воды.
Системы топо-батиметрического лидара используют как инфракрасные волны с длиной волны около 1064 нм, так и сигнал с длиной волны около 532 нм – зеленый свет в спектре видимого электромагнитного излучения. В то время как инфракрасный импульс отражается от суши или от поверхности воды, зеленый проникает в воду, рассеивается в ней и отражается от морского дна. Глубина проникновения зеленого импульса в среднем в 2,5–3 раза больше показателя прозрачности воды по диску Секки.
Важным параметром при использовании батиметрических лидарных систем является энергия лазерного импульса. Высокая мощность лазера и большая длительность импульса, как правило, приводят к более глубокому проникновению в толщу воды. Недостатком более высокой энергии импульса является то, что частота измерений обычно ниже, чем у систем с меньшей энергией. Основная причина – ограничение, диктуемое стандартом безопасности для глаз. Системы с меньшей энергией имеют гораздо более высокую частоту измерений.
Именно частота измерений отличает топо-батиметрические датчики LiDAR от традиционных батиметрических. Высокая частота измерений датчиков топо-батиметрической съемки приводит к сокращению расстояния между точками, но ради высокой частоты приходится жертвовать глубиной проникновения. При этом по мере увеличения глубины высокая частота измерений становится излишней, что связано с рефракцией луча, из-за чего расположение и форма каждого лазерного пятна становятся менее определенными в зависимости от глубины.
Батиметрические лидарные датчики имеют больше индивидуальных характеристик и различий, чем топографические. Наиболее очевидным является разделение на мелководные (< 10 м) и глубоководные системы (> 10 м). Мелководные, как правило, имеют меньшую импульсную мощность лазерного излучения, более высокую частоту измерений (высокое разрешение), меньший диаметр лазерного следа и меньшее поле зрения приемника.
Глубоководные системы используют лазер с большей импульсной мощностью, более низкой частотой измерения (низкое разрешение), большим диаметром лазерного следа и большим полем зрения приемника. Для максимизации детализации и зоны охвата при съемках с летательного аппарата операторы одновременно используют как мелководные, так и глубоководные датчики.
Необходимо учитывать специфические ограничения лидара в контексте батиметрии. Проблемы могут возникнуть как при малых, так и при больших глубинах. Для расчета глубины воды необходимо четко различать донные и поверхностные сигналы, а в случае небольшой глубины эти сигналы накладываются друг на друга. Но все же основное препятствие для проникновения импульсов сканера в толщу воды – это мутность.
Пример маршрута миссии в UgCS для выполнения батиметрической съемки. Источник: SPH Engineering
Лидар может измерять глубину до нескольких десятков метров, но максимальная глубина проникновения для лазерной системы зависит от прозрачности воды и отражения от дна.
Максимальные глубины, указанные производителем, достигаются только в идеальных условиях, что в основном зависит от мутности воды. Вдобавок к этому могут помешать водоросли, прибрежная наземная растительность и донные осадки с низким коэффициентом отражения.
Добавление водного столба в съемку делает ее более чувствительными к неблагоприятным воздействиям окружающей среды, чем при топосъемке. Эти воздействия могут привести к пробелам в данных, сокращению зоны покрытия и снижению качества измерений. Чтобы свести к минимуму эти последствия при съемке, необходимо учитывать погоду для полетов, мутность воды, приливы, состояние моря и состояние растительности.
Понимание всех этих факторов позволяет лидару выполнить наиболее точные измерения. Некоторые из лидарных датчиков могут измерять более 100 тыс. точек в секунду, что приводит к съемкам с плотностью более 10 точек на квадратный метр мелководья. При топо-батиметрической съемке на Самоа, на площади чуть более 1100 км2 было получено более 1,8 млрд. точек. Измерения достигали глубины более 75 м.
Сложно сравнивать различные датчики LiDAR, так как каждый из них уникален с точки зрения качества съемки и стоимости. Решение о том, какой датчик использовать, зависит от района исследования, окружающей среды, требований проекта и доступности оборудования. На выбор больше всего влияет максимальная и минимальная глубина съемки, уровень детализации и область применения данных.
Сейчас производители лидарных датчиков активно совершенствуют свои топо-батиметрические системы. Основные направления – снижение веса оборудования и увеличение глубины съемки.
Примеры топо-батиметрической съемки
Пример съемки с погружным батиметром ECT400
БПЛА, оснащенный одним или двумя эхолотами, способен собирать данные с высокой точностью и значительно быстрее. Это происходит благодаря простоте транспортировки и быстрому развертыванию. Кроме того, применение беспилотного комплекса с погружным батиметром ECT400 в 2 раза более экономичен по сравнению с традиционными способами сбора данных.
Беспилотный комплекс с погружным батиметром ECT400 способен работать в труднодоступных местах, в небезопасных или опасных условиях.
Места, недоступные пешком или опасные для человека (крутые берега, шахтные карьеры, загрязненные воды, препятствия на местности и т.д.), а также воды прудов, озер и каналов могут быть обследованы с помощью дрона.
Компактный и легкий эхолот ECT400 подходит для выполнения работ по измерению высот для навигации, мониторингу движения осадков, контролю подмыва опор моста, организации охраны гавани, мониторинга волн и приливов, а также создания 3D карт рельефа дна. Модель совместима с универсальной промышленной летной платформой DJI Matrice 300 RTK.
К преимуществам эхолота ECT 400 относится:
- Сбор данных отраженного сигнала в режиме реального времени по полной толщине воды;
- Ультракомпактная конструкция (диаметр: 50 мм, длина 70 мм);
- Идеально подходит для навигации ТНПА/АНПА и батиметрии;
- Серийный интерфейс (RS232, 485, 422);
- Совместимость с Hypack, Topcon receiver, HydroPro (Trimble);
- Установлен погружной соединитель Seacon;
- Удобное программное обеспечение с графическим интерфейсом для мгновенного обновления изображений;
- Встроенный датчик наклона (опционально);
- Диапазон глубины: до 100 м.
Ниже представлен результат проведенной съемки озера компанией UgCs. Специалисты использовали эхолот ECT400, установленный на дрон DJI Matrice 600 Pro. Также рекомендуем прочитать статью о нашем эксперименте с батиметрической съемкой на основе беспилотного комплекса DJI Matrice 600 Pro с эхолотом ECT400.
2D и 3D карта озера с указанием глубин по итогам батиметрической съемки с DJI Matrice 600 Pro + ECT400.
Источник: SPH Engineering
Источник: SPH Engineering
Примеры наземной батиметрической съемки с TDOT
TDOT – это мелководная лазерная система, использующая зеленый свет для съемки влажного грунта, русел рек и мелкого морского дна. Он позволяет получать данные с плотностью 100 точек/м2 и выше. Прибор весит 2,7 кг, и его легко без модификаций установить на промышленный беспилотник DJI Matrice 300 RTK.
При экспериментальных измерениях в Японии TDOT был использован для определения мест с риском затопления в русле реки. Измерения проводились на высоте 40 м при скорости полета 2,5 м/с. Максимальная глубина на речном участке с сильным течением составила 3,2 м.
Пример съемки кораллового рифа с TDOT Green, максимальная глубина – 10 метров. Источник: Amuse Oneself
В этом же исследовании точность облака точек TDOT сравнили с результатами тахеометрической съемки. Вертикальная разница между ними была меньше 160 мм как для речного дна, так и для суши. Максимальное расхождение составило около 400 мм и, вероятно, было связано с крупными камнями на дне реки.
В 2018 году в Колорадо продемонстрирован топо-батиметрический лидар, закрепленный на DJI Matrice 600 Pro. Лидар работает от собственного аккумулятора, что экономит заряд батареи дрона и увеличивает время полета. В первой миссии при среднем и сильном ветре M600 справился с 5 кг полезной нагрузки датчика и в каждом из 13 полетов получил батиметрические лидарные данные с сантиметровой точностью.
Съемка DJI Matrice 600 Pro c лидарной системой компании ASTRALiTe
Вторая демонстрация была проведена в Калифорнии в месте слияния рек Колорадо и Блю. Было проведено четыре полета с продолжительностью 10-12 минут. Данные съемки помогли в определении объемов стока двух рек и для составления профилей глубины, картографирования растительности и обнаружения подводных объектов.
Третья серия демонстрационных полетов была проведена в Институте морской биологии Гавайского университета (HIMB).
Это значительное достижение в миниатюризации! Батиметрию с платформы беспилотника среднего размера теперь так же легко выполнять, как и топографическую съемку лидаром. Это прорыв - иметь лидарную систему батиметрического сканирования, способную работать на широко доступном беспилотнике DJI Matrice. Это открывает совершенно новые сферы бизнеса.
В течение трех дней LiDAR испытывался на наветренной стороне острова в условиях сильного прибоя и соленых брызг морской воды. В этих условиях эксперты провели батиметрическую съемку прибрежной зоны с Matrice 600 Pro. По полученным данным составили профили дюн, заливов и лагун, а также карты подводных структур коралловых рифов с сантиметровым разрешением. Всего было проведено семь полетов, самый продолжительный из которых длился 17 минут.
Результат съемки с лидарной системой ASTRALite. Цифровой двойник с рельефом дна, воды и прибрежной территории. Источник: ASTRALite
Заключение
Преимущества топо-батиметрической съемки с воздуха – это высокая скорость и точность, а также работа в автоматическом режиме и без контакта с водным объектом. Съемка с беспилотника идеально подходит для мелководных районов и труднодоступных мест (крутые берега, горные карьеры, мелководье, пересеченный рельеф).
При выборе и использовании батиметрического лидара важно учитывать особенности района съемки и индивидуальные характеристики устройств. И даже в этом случае успех съемки часто определяется знаниями и опытом оператора.
Решение о выборе лучшей системе для съемки будет зависеть от области съемки, окружающей среды, проектных требований и параметров датчиков LiDAR. Аспекты, которые обычно определяют выбор датчика – это глубина водного объекта, плотность точек, охват территории и предполагаемая область применения полученных данных.
