Новинки от RIEGL - 2019

В 2019 RIEGL представил три новых воздушных лазерных сканера, полностью утвердившись в роли лидера с подавляющим опережением конкурентов. Решения относятся к области применения как беспилотной, так и пилотируемой авиации.

Воздушное лазерное сканирование:

В этом сегменте Riegl выпустил целых 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 VQ-1560 II – тяжелый лазер High-End класса для работы на высотах до 5000 м, предназначен для пилотируемых скоростных носителей.

Рис.1. 1 Внешний вид сканера 1560ii

— RIEGL VQ-780 II – 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.

Рис.1.2 Внешний вид сканера 780ii

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

Рис.1. 3 Внешний вид сканера miniVUX2

Общие тенденции развития семейств тяжелых лазерных сканеров

Как видно из рисунков 1.1-1.3, все сканеры Riegl (кроме уже снятых с производства, но до сих пор использующихся в РФ Q560), теперь образуют три группы.

• Первая группа  – высотные системы топового сегмента – Q1560i, 780i, а также выпущенное в 2019 г. их новое поколение - RIEGL VQ-1560 II, RIEGL VQ-780 II. Их отличительная черта – сохранение максимальной производительности вплоть до высоты 2000 м.
• Вторая группа – сканеры для БПЛА и СЛА (сверхлегкой авиации) – RIEGL VUX-1UAV и еще более легкий miniVUX-1UAV и miniVUX-2UAV  (не включены в диаграмму из-за малой высоты работы).
• Третья же группа – это все лазеры, представленные в 2018 г. – VQ-580 II, VQ-480 II, VUX-240.

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.

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 VQ-780, VQ-780i, VQ-780 II между собой (или VQ-1560, VQ-1560i, VQ-1560 II), 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.

На приведенных диаграммах зеленым цветом показано «семейство» 780х, желтым – «семейство» 1560.

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.

RIEGL VQ-780 II

В первую очередь, необходимо отметить появление обновленной версии RIEGL VQ-780 II – 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.

RIEGL VQ-1560 II

Тем не менее, характеристики RIEGL VQ780ii мернут по сравнению с техническими возможностями его старшего брата – RIEGL VQ-1560 II. 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.

RIEGL miniVUX2-1UAV

В 2019 году miniVUX-1UAV также получил обновление-  miniVUX-2UAV. 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.

RIEGL VUX-240

В 2019 году был окончательно сформирован облик наиболее совершенного и производительного решения для БПЛА – RIEGL VUX-240.

RIEGL VUX-240 - 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.

Рис.6. Внешний вид сканеров  RIEGL VUX-240

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). В 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 т/м2 – для VUX240.  Для скорости 100 м/с это будет соответственно  16 т/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.

Мобильное лазерное сканирование

В этом сегменте  в 2019 г. RIEGL представил окончательный вариант дизайна своей флагманской системы мобильного сканирования для железных дорог. Это VMX RAIL.

Система специализирована ТОЛЬКО для использования на железнодорожном транспорте. Она оснащена сразу 3 сканирующими головками со скоростью в 1000 000 точек в секунду каждая. В целом это дает общую производительность в 3000 000 точек в секунду и 750 строк сканирования в секунду. При этом одна из головок предназначена только для сканирования головок рельсов, что она осуществляет с дистанции 3.5-4.0 метра в плоскости, перпендикулярной оси движения; две другие головки предназначены для съемки прилегающей к путям территории, и потому наклонены в двух плоскостях для обеспечения максимальной обзорности.

Рис.7. Внешний вид сканеров  VMXRAIL

Что это все дает на практике? Плотность сканирования «на рельсах» достигает 7000 точек на 1 м² при скорости движения 80 км/ч – это соответствует 1 измерению на каждые 1.5 мм² поверхности. На скорости в 90 км/ч (25 м/с) шаг между строками сканирования составляет всего 30 мм – ни один объект не будет пропущен. «Шум» облака точек – не более 3 мм, и может быть уменьшен путем осреднения за счет избыточности точек сканирования.

Наиболее удаленные точки (на полной скорости сканирования) могут регистрироваться на дальностях до 235 м, на уменьшенной скорости – до 420 м. При этом на всех дистанциях система абсолютно безопасна для зрения – все лазеры относятся к классу 1.

Система мощна и массивна – потребление около 1 киловатта, общая масса (в сборе с кожухами и системой управления) – более 200 кг. Однако за счет этого обеспечивается высочайшая защищенность (в том числе и от гравия и мелких камней)  сканирующих головок, а также жесткость рамы, на которой они установлены. Жесткость очень важна для однородности объединенного облака, получаемого разными головками – если раму будет «гулять», облако точек будет расслаиваться и двоиться.

На сегодняшний день ни одна другая компания на рынке лазерного сканирования не предлагает даже отдаленно приближающихся к этим характеристикам устройств.