Будущее лидарных технологий
Доктор Андреас Ульрих
Технический директор компании RIEGL, доктор Андреас Ульрих о лидарах с оцифровкой формы сигнала, однофотонных и гейгеровский лидарах в интервью главному редактору проекта SPAR 3D Шону Хиггинсу.
Андреас Ульрих доктор наук в области электротехники Венского технологического университета и автор диссертации на тему "Высокое разрешение оптического доплеровский радиолокатора" (1987-1990). С 2001 года он читает лекции по радиолокации в Венском технологическом университете. С 2006 года является техническим директором компании RIEGL.
SPAR 3D выпустил обзор, посвященный будущему воздушных лазерных сканеров. Сотрудники SPAR 3D опросили ряд экспертов в области лазерного сканирования, задав им вопрос «Каково, по вашему мнению, будущее однофотонных и гейгеровских лидаров? Что из этого является рекламной шумихой, а что нет?». В этом обзоре большинство опрошенных специалистов сошлось во мнении, что данные технологии окажут мощное воздействие на рынок лазерного сканирования, но тем не менее, очень важно отметить, что «классические», или «обычные» лидары все еще обладают существенными преимуществами. Поскольку в данном обзоре очень поверхностно упомянули об этих преимуществах, SPAR 3D опубликовал в полном объеме интервью с техническим директором RIEGL доктором Андреасом Ульрихом. Его ответы дают исчерпывающее объяснение ценности технологии анализа полной формы сигнала и позволяют понять причины, по которым компания RIEGL продолжает развивать эту технологию.
Шон Хиггинс: В чем состоят сильные стороны технологий, сравниваемых с «линейным» лидаром?
Доктор Андреас Ульрих: Использование термина «линейный» относится к более старым методам обработки аналогового сигнала лазерного отражения, а не к более совершенному цифровому режиму обработки лидаров Riegl с оцифровкой формы сигнала. Запатентованные решения по оцифровке полной формы сигнала от Riegl отличаются от указанных «линейных» лидаров очень существенно. С технической точки зрения, разница состоит в том, что анализ сигнала, поступившего с приемного элемента лидара (фотодетектора) выполняется более точно, более детально и с получением атрибутивных характеристик отражения. Лидары с оцифровкой полной формы сигнала (далее по тексту - ОПФС) обладают необычайной точностью, поскольку эта технология позволяет очень точно определить дальность, у них низкий пространственный «шум», они позволяют получать большое количество отражений от одного импульса, определять форму каждого сигнала и извлекать из нее информацию об объекте, от которого он отразился, а также позволяют выполнять несложную радиометрическую калибровку.
Теоретически однофотонные и гейгер-лидары обладают большим потенциалом по скорости сбора точек отражений, однако при этом теряется как пространственная точность, так и информация об интенсивности сигнала. Радикальное увеличение количества полученных в секунду точек отражений у гейгеровского и однофотонного лидаров может на первый взгляд ввести в эйфорию. Тем не менее, недостаток пространственной точности и полная потеря атрибутивной информации, которая могла бы содержаться в точках лазерных отражений в конечном итоге приводит не к улучшению, а к ухудшению результата. Мы же ведь все хотим, чтобы наши карты в итоге становились все более точными, но никак не менее. Рост рынка лазерного сканирования всегда базировался на том, чтобы получать все более информативные и точные данные за меньшую цену.
Меньшая стоимость получения данных и более высокая эффективность картографирования территорий – вот основные преимущества, которые обычно навязчиво предлагаются потенциальным пользователям. Теоретическое увеличение скорости сканирования полностью разбивается о реальность – например, для сверхбыстрой работы гейгер-лидара требуются только ясные дни и прекрасные погодные условия. Получение данных – это лишь один из компонентов эффективности: данные также нужно обработать и поставить заказчику. Проблемы, возникающие на этих этапах использования «новых» технологий, полностью обесценивают преимущества прироста скорости.
Шон Хиггинс: В чем состоят основные недостатки новых технологий в сравнении с лидарами с оцифровкой полной формы сигнала?
Доктор Андреас Ульрих: Точки, создаваемые при работе однофотонных и гейгер-лидаров являются полностью синтетическими и не наследуют свойства объектов, от которых они отразились. По ним нельзя определить, отразились ли они от одного или нескольких объектов, или вообще были получены за счет интерполяции или ресэмлинга. Это – критический недостаток гейгер-лидаров. Прочие недостатки - отсутствие данных об интенсивности отраженного сигнала, неспособность пробить даже редкую растительность, а также невозможность регистрации нескольких отражений от одного импульса.
Однофотонные лидары - по сравнению с гейгер-лидарами – более чувствительны к множественным отражениям. Теоретически, они могут проводить измерения на всех типах объектов – от проводов до грунта под кронами деревьев. Однако, как показали эксперименты, проведенные USGS (Геологическая служба США) и представленные на конференции ILMF в 2016 году, точность определения дальности у подобных систем значительно хуже, чем у систем с ОПФС-лидарами. Причина кроется в некорректной обработке сигнала. Ошибки определения дальности на уровне более 50 см сплошь и рядом возникают на объектах с изменяющимися размерами и отражательной способностью.
Классические лидары работают на очень разных длинах волн – 532 нм (зеленый), 1000 нм (ближний ИК), 1550 нм (средний ИК) и далее в сторону теплового диапазона; это позволяет реализовать концепцию многозонального лидара, что позволяет получать, к примеру, данные о состоянии леса. Однофотонные лидары на данном этапе работают только в видимом диапазоне, и в обозримом будущем здесь ничего не поменяется.
Шон Хиггинс: Могут ли новые технологии однажды заменить обычные технологии лазерного сканирования (вроде лидаров с оцифровкой полной формы сигнала)? Почему да или почему нет?
Доктор Андреас Ульрих: Это наиболее актуальный вопрос, занимающий умы тех, кто занят сейчас в отрасли лазерного сканирования: заменят ли эти технологии то, что сейчас принято называть лидаром. Мой ответ – нет. Оба новых варианта лидаров являются мощными инструментами тогда, когда их применяют в правильных ситуациях. Гейгер-лидар уже сейчас является наилучшим методом для быстрого получения цифровой модели рельефа в пустынных регионах или в районах боевых действий, где очень нужно оставаться вне зоны поражения ракетами ПЗРК, особенно если дело происходит в чистой атмосфере и на территории нет растительности.
В районах, покрытых растительностью, сканер с оцифровкой полной формы сигнала показывает превосходные результаты по части проникновения. Сканеры с оцифровкой полной формы сигнала позволяют дешифрировать по форме сигнала точек множество типов объектов, а не только точки, используемые для построения поверхностей, в том числе столбы, провода, сетки, и прочие мелко детальные объекты. Сканер с оцифровкой полной формы сигнала является наилучшей технологией при решении огромного количества задач, и останется таковым – при этом непрерывно эволюционируя и повышая скорость работы, и при этом еще и оставаясь непревзойденным в части точности. Сканеры с оцифровкой полной формы сигнала компании RIEGL обеспечивают скорость обработки данных лазерного сканирования, близкую к реальному времени. Это открывает новые возможности по применению данной технологии при решении задач по быстрому реагированию при спасательных операциях. Все это RIEGL уже сейчас демонстрирует в лице новейшего решения – воздушной лазерной сканирующей системы RIEGL VQ-1560i, которая позволяет снимать по 450 км2 в час при плотности 8 точек на 1 м2 и это все в сочетании с наибольшей скоростью обработки данных и очень высоким качеством этих данных, которое уже привычно для пользователей.
Шон Хиггинс: Являются ли однофотонные и гейгер-лидары зрелыми технологиями? Считаете ли вы, что им следует продолжить развитие, чтобы полностью раскрыть их потенциал?
Доктор Андреас Ульрих: Однофотонный лидар по существу является обычным «линейным» лидаром, основанным на использовании фотоумножителей; гейгер-лидар – в целом не «линейный» - все это отнюдь не новые технологии. Тем не менее, примение эти технологические решения при коммерческой съемке является новым. Согласно заявлениям создателей однофотонного лидара (на ILMF-2016) технология нуждается в улучшении и будет совершенствоваться посредством добавления данных об амплитуде принятого эхо-сигнала. Это было впервые применено в лазерном сканировании много лет назад – когда первые атрибутивные характеристики точки лазерного отражения описывались в виде 8-битного значения интенсивности. Так что в этом отношении технология однофотонного лидара еще очень незрелая.
У гейгер-лидаров длинная история в военном сегменте, там уже было использовано и применено огромное множество всяческих оптимизаций. Тем не менее, обмануть законы физики не удалось. Одно из фундаментальных ограничений – недостаточная способность детектора гейгер-лидара достаточно быстро восстановиться после срабатывания для того, чтобы отловить какие-либо дополнительные сведения об отражениях. Другое ограничение – он никогда не сможет обеспечить оценку истинной мощности отраженного сигнала, что является критичным для компенсации ухода момента регистрации отраженного импульса и не позволяет улучшить точность измерения дальности.
Шон Хиггинс: Есть ли у компании RIEGL планы по производству лидаров, основанных на технологиях однофотонных или гейгер-лидаров?
Доктор Андреас Ульрих: Как я уже говорил, мы считаем ОФПС-лидары Riegl превосходной технологией. ОФПС-лидар необычайно точен, поскольку обеспечивает высочайшую точность измерения дальности, низкую пространственную «шумность» данных, обладает возможностью регистрации очень большого количества отраженных от одного импульса сигналов, дает массу характеристик формы отраженного сигнала для каждой точки, и позволяет произвести радиометрическую калибровку для каждой точки. Наши пользователи выстраивают свои бизнес-модели, рассчитывая на высокое качество данных и возможность использования атрибутивных характеристик точек, которые они получают с наших лидаров. Все прочие технологии, которые мы здесь обсуждали, не могут обеспечить вышеуказанных характеристик. Поэтому мы будем продолжать совершенствовать именно технологию лидаров с оцифровкой полной формы сигнала.
