Экспертный обзор новинок оборудования RIEGL - 2018

2018 год выдался в RIEGL на редкость урожайным. На Интергео 2018 (Франкфурт), пожалуй, впервые в истории одной компанией было представлено одновременно 5 (пять!) новых моделей воздушных лазерных сканеров, три из которых – принципиально новые. Решения относятся к области применения как беспилотной, так и пилотируемой авиации. Хотя, признаться, грань между их применением каждый год все более размывается.

Воздушное лазерное сканирование

В этом сегменте RIEGL выпустил целых пять новых решений. Новые поколения лазеров получили добавку «II» к базовым номерам моделей (которые ранее уже использовались в номенклатуре обозначений), однако с исходными моделями имеют общим разве только предполагаемый сегмент рынка.

Единой чертой для всех сканеров является уменьшение размеров и наращивание скорости сканирования одновременно. Кроме того, у трех систем изменен угол охвата – с 60 до 75 градусов. Ранее охват в 60 градусов был чуть ли не визитной карточкой RIEGL, теперь компания более гибко подходит к данному вопросу.

Список новых моделей:

• Riegl VQ480II – компактный лазер среднего класса для работы на высотах до 1850 м, может быть использован на БПЛА и ПЛА;
• Riegl VQ580II – компактный лазер среднего класса для работы на высотах до 2100 м, может быть использован на БПЛА и ПЛА ;
• Riegl VUX240 - компактный лазер среднего класса для работы на высотах до 1400 м, может быть использован на БПЛА и ПЛА;
• Riegl VQ880GII – наиболее совершенный батиметрический лазер в семействе RIEGL;
• Riegl VQ840G – сканер смешанного назначения (батиметрия+суша), пригодный для установки на БПЛА.

Рис.1. Внешний вид сканеров 480ii, 580ii, VUX240 (слева направо)

Сканеры для топографии

Как видно из рисунка 1, все сканеры RIEGL (кроме уже снятых с производства, но до сих пор использующихся в РФ Q560), теперь образуют три группы.

• Первая  – высотные системы топового сегмента – Q1560i, 780i. Их отличительная черта – сохранение максимальной производительности вплоть до высоты 2000 м.
• Вторая группа – сканеры для БПЛА и СЛА (сверхлегкой авиации) – RIEGL VUX 1 и еще более легкий miniVUX-1 (не включен в диаграмму из-за малой высоты работы).
• Третья же группа – это все лазеры, представленные в 2018 г. – 580ii, 480ii, VUX240.

Основная цель выпуска на рынок этого «трио» - закрыть нишу между топовыми сканерами и сканерами для БПЛА/СЛА. Судя по диаграмме, эта задача полностью выполнена. Действительно, на высотах до 500 метров все три модели превосходят все лазерные сканеры RIEGL, кроме топового сканера 1560i (а на малых высотах, до 300 м сканер VUX240 превосходит и его). Только на высоте 600 и более метров сканер VQ1560i становится уверенно производительнее (в точках в секунду) чем сканеры 580ii, 480ii  и VUX240, которые – в силу меньшей мощности – не могут обеспечить подобную скорость на больших высотах.

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».  Отметим также и различные углы охвата у лазеров – 60° (стандартный угол для RIEGL), 75° (для сканеров 580II, 480II, VUX240), и более 120° усканера VUX 1LR. Построив диаграмму реальной производительности систем за чистый час съемки на скорости носителя 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

 Новые модели лазерных сканеров RIEGL VQ580II, VQ480ii, VUX240 показывают существенно лучшие результаты по сравнению со сканерами RIEGL Q780i и VUX-1LR, а также Q560 и Q780 в сегменте плотности 20 точек/м². Этот стандарт сейчас уже широко применяется в Европе и США, в РФ в 2017-2018 гг. также отмечен ряд проектов с такими требованиями.

В сегменте плотности 10 точек/м² (стандарт для 1:500 на городских территориях) и 6 точек/м² (1:1000) новинки RIEGL Q580ii, Q480ii, VUX240 уступают только топовым сканерам RIEGL VQ1560i и VQ780i. В сегментах плотности данных, удовлетворяющих масштабу 1:2000 (3 точки/м²) и 1:5000 (1 точка/м²) Q580II, Q480II, VUX240 уступают также как и уже снятый с производства сканер Q780.

Исходя из технических возможностей этих трех систем, вроде бы четко прослеживается их «промежуточная» роль в линейке. Однако на практике ситуация для RIEGL Q580II, 480II, VUX240 выглядит гораздо привлекательнее в том случае, если речь идет о рынке в России.

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 их 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.

Лазерные сканеры Q580II, Q480II, VUX240 адаптированы именно для работы с небольших высот. Их угол охвата – 75°, позволяет им покрывать полосу, в 1.5 раза шире высоты полета. Таким образом, при высоте облачности в 650-700 м лазерный сканер RIEGL Q580II обеспечит такую же ширину охвата, как и топовый двухканальный сканер RIEGL VQ 1560i при работе с высоты 950-1000 м. Однако если в день съемки высота облачности будет на уровне 700 м, то RIEGL Q580II эффективно справится с задачей проекта, в то время как летальный аппарат с более производительным, но более высотным сканером либо не поднимется в воздух, либо потребует в полтора раза большего летного времени из-за более узкого угла сканирования.

Третья черта – малый вес, компактные габариты и привлекательная стоимость: Q580II, Q480II, VUX240, соответсвенно занимают промежуточное положение в линейке воздушных сканеров RIEGL в том числе и по этим характеристикам. В то же время эти инструменты довольно разные – так, VUX240  весит лишь  3.75 кг (без ИНС), что всего на 250 граммов тяжелее лазерного сканера RIEGL VUX1-LR, в то время как VQ580II весит уже 9.9 кг (без ИНС). Для сравнения воздушный сканер VQ780i весит более 20 кг.В целом, все перечисленные новинки компании RIEGL - это весьма легкие и компактные приборы, пригодные для установки не только на полноценные самолеты и вертолёты, но и на ЛА среднего класса и отдельные типы БПЛА (БАС).

На этом общие особенности рассматриваемых систем воздушного лазерного сканирования не заканчиваются.

- широкое поле зрения и все чаще возникающие требования заказчиков, требующих не только надирной, но и перспективной фотосъемки учтены в интерфейсах сканеров  RIEGL VQ-480II и VQ-580II и допускают подключение до 5 камер, а сканер RIEGL VUX-240 – до 4 камер.

- все сканеры по желанию заказчика могут быть оснащены инерциальной системой, для которой в конструкции уже приготовлено место под ИНС Applanix APX-20 как раз на тот случай, если на проекте планируется работа с использованием БПЛА (то есть работа с малых высот,  что не требует значительной угловой точности). В случае, если предполагается работа с пилотируемых носителей на высотах более 500 м, тогда конечно, потребуется более точная и крупная ИНС, монтируемая отдельно.

- все сканеры обрабатывают отражённые сигналы «на лету», и не нуждаются в наземной обработке с целью классификации точек в сырых данных номерам отражений. Это позволяет хранить меньший объем файлов данных, для чего предназначен уже встроенный в корпус сканера твердотельный накопитель на 240 гигабайт. Если этого недостаточно, товозможно хранение результатов съёмки и на внешних накопителях (например, ноутбук или жесткий диск).

- все сканеры обладают очень не только высокой частотой сканирования, но и большим количеством линий (строк сканирования) в секунду. Модели лазерных сканеров RIEGL VQ-580II  и RIEGL VQ-480II – до 300 линий в секунду, а лазерный сканер RIEGL VUX-240 – до 400 линий в секунду. Так, при работе на скорости 50 метров с секунду (180 км/ч) это позволяет получить абсолютно равномерное распределение точек с плотностями: 36 т/м² для VQ-580II и VQ-480II,   и  64 т/м² – для RIEGL VUX-240.  Для скорости 100 м/с (360 км/ч) эти показатели будут соответственно: 9 т/м2 для VQ-580II и  VQ-480II, а  для RIEGL VUX-240 - 16 т/м² –. Таким образом, несмотря на малый вес и габариты, изделия могут эксплуатироваться с весьма скоростных носителей.

- все рассматриваемые нами новинки сканеров RIEGL не нуждаются в больших люках для установки (если не используется гироплатформа). Это позволяет использовать данные инструменты на обычных носителях без вмешательства в силовой набор  летательного аппарата.

В чем же состоят отличия этих воздушных лазерных сканеров RIEGL между собой?

Таблица 1.

Как видим, все три сканера существенно легче сканеров моделей VQ-780i и VQ-1560i. Из таблицы в целом понятно, что модели располагаются по нарастанию пригодности к использованию на БПЛА или иных носителях, летающих низко и носящих мало. Так, VQ-580II имеет более высокий класс опасности лазера и не может использоваться на высотах ниже 30 м, т.е. не подходит для большинства задач используемых БПЛА в качестве носителя. В то же время, этот сканер самый высотный из компактных, и следовательно он максимально подходит для использования на легкой авиации.

Рис. 4. Пригодность различных носителей для различных моделей лазерных сканеров Riegl, производимых в 2018 г

Лазерный сканер RIEGL VUX-240 является практически идеальным решением для БПЛА среднего и тяжелого классов, хотя может применяться и со сверхлегких ЛА, и с легких самолетов. Благодаря полностью безопасному лазерному лучу , RIEGL VUX-240 может использоваться на сверхмалых высотах, легок (т.е. быть установлен в том числе и на БПЛА), но при этом может применяться и на  обычных самолетах, хотя и менее эффективно, чем более высотный сканер RIEGL VQ-580II.

RIEGL VQ-480II – это промежуточное решение между RIEGL VQ-580II и RIEGL VUX-240. RIEGL VQ-480II столь же безопасен как и RIEGL VUX-240, так как имеет такой же безопасный лазер, но обладает при этом большей высотностью (за что приходится «платить» несколько большим весом этого инструмента). Не смотря на это RIEGL VQ-480II может применяться для установки на БПЛА, но при этом данный носитель должен обладать возможностью поднимать полезную нагрузку весом 11 кг и более.

RIEGL VQ-VQ-480II и RIEGL VUX-240 менее пригодны для работы по обводненным ландшафтам (мокрый снег, влажные леса, проч.), так как безопасный для зрения лазерный луч с длиной волны в 1550 нм практически полностью задерживается водой – в отличие от излучения лазера с длиной волны 1064 нм, как  у RIEGL VQ- 580II, который существенно менее чувствителен к влажным и обводнённым поверхностям.

Гидрографические решения для пилотируемых носителей

У компании RIEGL уже стало традицией каждый год выпускать обновление лазерных сканеров для батиметрической съемки. Модельный ряд тяжелых авиационных систем выглядит следующим образом:

• 2011 – VQ 820G
• 2015 – VQ 880G
• 2017 – VQ 880GH
• 2018 – VQ 880Gii

Рис.5 Внешний вид сканеров RIEGLVQ-880G, VQ-880GHи VQ- 880GII(слева направо)

По сути, все компоненты с заданными техническими характеристиками, которые в прошлом году удалось уместить в корпусе сканера RIEGL VQ-880GH,  в этом году упаковали в форм-фактор, близкий к сканеру RIEGL VQ-880G  и RIEGLVQ-1560i. Подобный подход позволил облегчить вес системы почти на 10%и снизить требования к люку для установки сканера. Так, новый сканер стал чуть уже в части требований к размерам люка (409 мм против 456 мм у предшественника). Кроме того, выступающая из люка в салон часть стала существенно меньше по размеру. Салонная часть сканера  RIEGL VQ-880GII такая же по высоте, как у сканера RIEGL VQ-880GH (для установки на вертолёт), что в свою очередь меньше на 80 мм, чем у RIEGL VQ-880G. В ширину система RIEGL VQ-880Gii существенно меньше даже, чем RIEGL VQ-880GH (444 мм против 580 мм).

Таблица 2. Эволюция габаритов лазерных сканеров (внутрисалонная часть)

Как видно из таблицы, упаковка фактически двух разных лазеров в корпус, аналогичный корпусу сканера RIEGL VQ880GH далась ценой полуторакратного роста объема, расположенного внутри салона, однако всего за год  эти же компоненты удалось упаковать в еще меньший объем, уменьшив при этом на 10% массу и на 10% - необходимый диаметр для люка. Достаточно впечатляющий прогресс за год в части миниатюризации авиационного воздушного лазерного сканера.

Таким образом, налицо расширение возможностей при установке сканера RIEGL VQ-880Gii на существующие носители при сохранении столь же высоких, как и у VQ-880GH технических характеристик.

Напомним, что и батиметрические воздушные лазерные сканеры RIEGL VQ-880GH, и RIEGL VQ-880GII – это инструменты, обладающие круговой диаграммой сканирования и имеющие максимальную частототу сканирования 550 000 точек в секунду (в зеленом канале), и возможностью вести съемку дна на глубинах до 1.5 Секки (1 Секка – это глубина прозрачности воды, на которой пропадает из виду белый диск диаметром 21 см) при работе в гидрографическом (батиметрическом) режиме и возможностью снимать наземные объекты с высоты до 2200 м над земной поверхностью. В корпусе лазерного сканера могут размещаться не один, а два дополнительных сенсора. Это могут быть как две среднеформатные камеры, так и вариант со среднеформатной камерой и тепловизором.

Лазерный сканер RIEGL VQ-880GII, также как и его предшественник, обладает дополнительным встроенным  лазером с длиной волны 1064 нм, что предназначено для более точного измерения длины прохождения луча под водой и точного описания формы поверхности волн.

Гидрографические решения для БПЛА

В данной области развития сканеров RIEGL также наблюдается быстрый прогресс.

- 2015 –RIEGL выпускает BDF-1 (лазерный батиметрический профилограф для БПЛА). Пожалуй, первое в истории решение в части установки гидрографического лазерного батиметра на БПЛА среднего класса (полная взлётная масса БПЛА до 30 кг).

- 2017 –совмещение RIEGL BDF-1 и легкого ИК-лазера для БПЛА и установка решения на RIEGL RiCOPTER M. Пожалуй, также первое в истории решение подобного веса для БПЛА с массой до 40 кг.

- 2018 –840G (сканер для БПЛА) – полноценный лазерный сканер с массой менее 15 кг (полностью в сборе, в едином корпусе).

Рис.6 Внешний вид (слева направо) BDF-1 и VQ 840G

Технические характеристики BDF-1 не поражают воображение: работа ведется в режиме профилографа (то есть без съемки полосы, только одна линия точек вдоль оси полета), скорость съемки – не более 4000 т/с, при этом глубина проникновения лазера в воду – не более 1 Секки (на 1.2 Секки – уже 400 т/с, на 1.5 Секки – 40 точек в секунду).  Возможности снимать сушу в режиме обычного сканирования у данного решения сильно ограничена.

RIEGL VQ-840G выглядит крайне выигрышно не только на фоне предшественника (BDF-1), но и на фоне любых других решений для БПЛА, предназначенных для съемки суши.

Он оснащен двумя сенсорами – ИК лазером (1064 нм) и зеленым лазером (532 нм), имеющими эллиптическую развертку. Оба сенсора работают на скоростях: до 200 000 точек в секунду  для зеленого и до 100 000 точек в секунду – для ИК. Съемка возможна на удалении 150-250 м от объекта (зависит от отражательной способности). При этом глубина съемки составляет от 0.7 секки (на 200 kHz) до 1.5 секки (на 0.5 kHz). Опционно ИК-лазер может быть заменен на камеру (обычно ИК-лазер используется для возможности получения отражений от поверхности воды для более точной оценки глубины – ведь в любом водоеме всегда есть волны). 

С учетом времени полета RIEGL RiCOPTER M (БПЛА, рекомендованного производителем для использования этой сканирующей системы) в 30 и более минут – мы получаем высокопроизводительный инструмент, пригодный для съемки небольших акваторий, рек, внутренних водоемов, заболоченных участков, мангровых зарослей и просто опасных водных участков с максимальной эффективностью за один вылет.