Экспертный обзор новинок оборудования RIEGL 2017
Осень – время сбора урожая и плодов усилий всего года. На выставке INTERGEO 2017 (Берлин) уже традиционно был представлен новый «урожай» разработок компании RIEGL в части систем лазерного сканирования. Год вышел необыкновенно урожайный – были представлены новые модели оборудования во всех областях лазерного сканирования – воздушного, мобильного, наземного, а также решений для БПЛА.
Воздушное лазерное сканирование
В этом сегменте RIEGL выпустил целых три новых решения.
Общей чертой для всех сканеров является забота о безопасности зрения тех, кто на земле: развитая система снижения мощности сигнала позволяет применять данные решения на высотах до 200 и менее (на режиме в 1% мощности) метров, что делает приборы универсальными с точки зрения высотности. Новые системы RIEGL VQ-1560i DW и RIEGL VQ-780i обладают охватом около 60 угловых градусов, то есть высота полета чуть меньше охвата или равная ему при боковом ветре, обладают очень большим количеством строк в секунду (600 и 300 соответственно), тонким лучом (всего 0.18 мрад (18 см на высоте 1 км для IR-лазера), что позволяет получить облако равномерно распределенных в пространстве точек – в отличие от лазеров с меньшим количеством строк, где распределение плотности по полю съемки очень неравномерно.
Новинка 1
В первую очередь, необходимо отметить появление обновленной версии RIEGL VQ-780i – 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. Принципиальным отличием данного сканера от предшественника является возросшая в 2.5 раза частота сканирования – с 400 000 точек в секунду до 1000 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 (25 MTA зон), что обеспечивает возможность поддержания максимальной частоты сканирования до высоты 2600 м включительно1. На высоте в 3800 м обеспечивается возможность работы на скорости 250 000 точек в секунду. Отметим, что при альбедо в 60% высота съемки возрастает до 5000 м.
Воздушная лазерная сканирующая система RIEGL VQ-780i
1000 000 точек в секунду – много это или мало? При использовании традиционных для РФ носителей типа Ан2 или Ми8 со скоростью полета около 180 км/ч это позволяет добиться плотностей: 8 т/м2 с высоты 1500 м (пригодно для 1:1000), 4.5 т/м2 – при высоте в 2600 м (1:1000-1:2000). При этом производительность на высоте 2600 м за 1 летный час составит около 470 км2, а за один полет2 длительностью 5 часов – 2350 км2.
При полетах на носителях типа L410 или CESSNA серий 3хх со скоростями около 300 км/ч на высоте около 2000 м обеспечивается охват полосы шириной в 2 км, плотность 4 точки на 1 м2 (1:1000-1:2000) и производительность на уровне 2400 км2 за один полет2 длительностью 4 часа.
При работах на малых высотах (500 м) на вышеперечисленных носителях достигается плотность 15-25 точек на 1 м2, что позволяет создавать планы 1:500 даже на территории высотной застройки и промышленных предприятий.
Для обеспечения работы на больших высотах итоговая система уже традиционно для RIEGL комплектуется инерциальной системой Applanix AP60, среднеформатной камерой с разрешением 100 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.
Новинка 2
Тем не менее, характеристики RIEGL VQ-780i меркнут по сравнению с техническими возможностями его старшего брата – RIEGL VQ-1560i-DW. Данная система весьма необычна: обладая форм-фактором ее предшественника – RIEGL VQ-1560i – и такой же скоростью работы (2000 000 точек в секунду), система оснащена лазерами с разной длиной волны – ИК (1064 нм) и зеленым лазером (532 нм). Аналогично RIEGL VQ-780i, сканер комплектуется 100-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 4700 метров.
Воздушная лазерная сканирующая система RIEGL VQ-1560i-DW
Характеристики RIEGL VQ-1560i-DW близки к таковым у RIEGL VQ-1560i в части скорости съемки до высоты 2200 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.
Принципиальным же отличием между ними является использование VQ-1560i-DW лазеров с разной длиной волны. Это позволяет получить для каждой точки отражений свои, уникальные характеристики в разных спектральных диапазонах. На практике, если мы представим облако точек в виде плановой растровой картинки и расцветим данные ИК-лазера в красном канале пропорционально яркостям, а данные зеленого лазера – в зеленом канале, то мы получим фактически спектрозональное изображение территории на экране монитора. При этом станут видны различия объектов, невидимые при использовании каждого из каналов по отдельности – породы деревьев, материал крыш и покрытия дорог, прочее. Фактически, мы получим данные как на фотографии, но освещенные не солнечным, а лазерным освещением.
Из этой особенности следует очень простой вывод – солнце для съемки, пригодной для дешифрирования не только по форме, но и по спектральным характеристикам, не нужно. Можно снимать ночью, без камеры, и видеть различия между объектами по их отражательной способности. При наличии тепловизионных изображений, также легко получаемых ночью, мы получаем возможность сформировать и третий канал (тепловой), также не нуждающийся в солнечном свете.
Итогом подобного решения являются уникальные возможности по съемке ночью с получением весьма полного набора данных. Подобное решение в первую очередь может и должно быть интересно представителям силовых и охранных структур, правоохранительных органов и служб безопасности коммерческих и государственных предприятий.
Наличие зеленого канала, по предварительным данным, также позволяет картографировать мелководные (до 1.5 м) участки рек и озер, получая картину глубин без промеров и наземных работ, что также может быть крайне важно для вышеперечисленных пользователей.
До высоты 2200 м RIEGL VQ-1560i-DW обладает такой же, как RIEGL VQ-1560i производительностью. Такой же – значит фантастической, и не имеющей на октябрь 2017 года конкурентов. Так, при работе с высоты в 1000 м на Ми8 система покажет плотность около 20 точек на 1 м2 (1:500), с высоты в 2000 м – «всего лишь» 7 т/м2 (1:1000 или 1:500 для сельских территорий), а при высоте полета 350 м – 65 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 1600 м охват достигнет 1800 м, плотность точек – более 5 т/м2 (1:1000), размер пиксела – 15 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. Но, как было отмечено выше, ни низкий угол солнца над горизонтом, ни ночное время не являются для данной системы критическими в части последующей возможности дешифровки данных, что позволяет в 2 и более раз увеличить ее производительность при наличии соответствующих погодных условий.
Новинка 3
Обновление затронуло и гидрографический флагман воздушного сканирования RIEGL VQ-880G получил новый форм-фактор при сохранении прежних характеристик, а также новое название - RIEGL VQ-880GH. Сканер, обладающий круговой схемой сканирования, максимальной частотой в 550 000 точек в секунду, и возможностью вести съемку дна на глубинах до 1.5. секки (глубина, на которой пропадает из виду белый диск диаметром 21 см) при работе в гидрографическом режиме, возможностью снимать наземные объекты с высоты до 2200 м, получил полностью переработанный корпус. Достаточно взглянуть на изображения предшественника и новинки:
Топографо-гидрографическая воздушная лазерная сканирующая система RIEGL VQ-880G
Топографо-гидрографическая воздушная лазерная сканирующая система RIEGL VQ-880GH
Новый сканер стал чуть шире в части требований к размерам люка (456 мм против 409 у предшественника, однако существенно уменьшился в части корпуса, размещенной внутри корпуса носителя (с 550 до 390 мм). Данное изменение предназначено для снижения требований к носителю по размерам внутреннего пространства – в первую очередь, при работе с вертолетов и легких носителей. Помимо размеров, в корпус измененного дизайна удалось разместить не один, а два дополнительных сенсора – это могут быть и две среднеформатные камеры, и вариант со среднеформатной камерой+тепловизор.
VQ-880GH, 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. Улучшен доступ к камерам, который может потребоваться при замене затворов камер – теперь не нужно разбирать полностью всю систему, достаточно снять панель на нижней поверхности системы.
Воздушное лазерное сканирование с использованием беспилотных летательных аппаратов (БПЛА)
В данном сегменте рынка следует отметить две новинки от RIEGL. В первую очередь, модернизации подвергся основной БПЛА вертикального взлета-посадки – RICOPTER.
Система под названием RICOPTER-M получила ряд изменений в конструкции:
- увеличена взлетная масса (с 25 до 30 кг), и полезная нагрузка (с 6,5 до 10 кг).
- габариты остались практически неизменными, улучшение характеристик достигнуто изменением параметров винтомоторных групп
- время полета при полной нагрузке – на уровне 30 минут, без уменьшения времени полета.
Собственно, рост полезной нагрузки (при краткости формулировок) позволяет реализовать кардинально новые возможности системы. Появившиеся дополнительно 3.5 кг полезной нагрузки позволяют использовать ее для установки дополнительных аккумуляторов и роста полетного времени примерно на 30% относительно номинала, или установить на БПЛА 1-2 дополнительных сенсора – более тяжелую камеру с разрешением 50 и более мегапикселов, или две камеры попроще, или камеру и тепловизор, или гиперспектральный сенсор кадрового или строчного типа. Подобная модернизация напрашивалась сама собой, так как ранее недостаток полезной нагрузки при установке сканера типа VUX1 серьезно ограничивал возможности по использованию иных сенсоров. Если – при возросшей нагрузке на 3.5 кг – система будет укомплектована miniVUX1-UAV (c гораздо более малой массой, чем VUX1-UAV), то в этом случае RICOPTER-M можно превратить в настоящую летающую лабораторию, оснащенную 3-4 разнотипными сенсорами, что открывает широчайшие перспективы для пользователей из самых разных отраслей.
Сам miniVUX1-UAV также получил обновление – miniVUX1-DL. Разница довольна заметна внешне:
Малогабаритные лазерные сканеры для БПЛА RIEGL miniVUX1-DL, слева, и RIEGL miniVUX1-UAV, справа.
Сканер потяжелел на 850 г – с 1550 до 2400. При этом его скорость сканирования - 100 000 точек в секунду – не изменилась по сравнению с обычным miniVUX1-UAV ( 150 000 точек в секунду). Закономерно возникает вопрос – для чего сделаны подобные изменения при внешне неочевидных преимуществах или даже росте массы (что существенно для сенсора, предназначенного для БПЛА).
Ответ прост – это нужно для БПЛА самолетного типа и коридорных обследований (трубопроводы, дороги, ЛЭП).
В самом деле, оба сканера предназначены для работ с малых высот (рекомендация RIEGL для обеих систем – высота полета в 80 м). На этой высоте miniVUX1-UAV позволит вести съемку с угловым охватом на уровне 120 градусов (по 60 градусов отклонения от надира) и шириной полосы около 160 м. При этом плотность сканирования будет невелика, и будет достаточно сильно отличаться от центра к краям (примерно в 2 раза). Но что делать, если нам не нужна полоса такой ширина, но нужна большая (кратно, в разы) плотность? В самом деле – при работе по автодорогам, ЛЭП, трубопроводам – типовая ширина интересующей полосы составляет около 50 м, за большее заказчик платить не готов. В этом случае получается, что из всех 360 градусов поля сканирования (на которые приходятся 100 000 точек в секунду), нас будет интересовать только примерно 1/8 часть сектора (45 угловых градусов, что дает ширину в 50-60 м с высоты в 80 м). На 1/8 часть сектора придется 1/8 от 100 000 точек, то есть всего 12500 точек в секунду. У miniVUX1-DL на эту же полосу придут все 100 000 точек. То есть в 8 раз больше.
Рассчитаем простой пример. Допустим, мы хотим сделать съемку нужного нам участка дороги длиной 100 км шириной 50 м. Нужная нам плотность – 25 точек на 1 м2 (мы хотим сделать идеальный план 1:500). Если мы будем использовать miniVUX1-UAV, то при ФАКТИЧЕСКИ используемом количестве точек в размере 12500 штук в секунду мы получим, что максимальной скоростью носителя должна быть 12500/50/25=10 метров с секунду. Это означает, что мы должны использовать БПЛА типа мультикоптер. Дальность полета мультикоптера ограничена примерно 1-2 км (пускай 2 км), и более 6 полетов в день мы вряд ли сделаем (ведь нам нужно не только летать, но и переставлять оператора). Получается, что слетав (2+2) км * 6 раз = 24 погонных км. Таким образом, съемка 100 погонных км займет у нас около 4 суток съемки.
Если же мы будем использовать miniVUX1-DL cо всеми 100 000 точек, попадающими именно в интересующую полосу, то тогда максимальная скорость съемки окажется: 100000/50/25=80 м/с. То есть мы можем выполнять съемку с любого БПЛА или даже пилотируемого носителя со скоростями ниже 250 км/ч – и мы все равно обеспечим нужное количество точек (в среднем) на 1 м2 снимаемой территории. Конечно, за счет неравномерности круговой развертки, реальная скорость, на которой мы должны снимать, может быть не в 8, а «всего лишь» примерно в 5 раз больше скорости мультикоптера, что дает не 250, а 180 км/ч. Тоже немало…Поставив данную систему на БПЛА самолетного типа, мы снимем нужный нам объект за 1-2 часа с учетом возврата БПЛА.
Таким образом, очевидно кратное, в несколько раз, преимущество как в фактической плотности сканирования при работе на линейных объектах и реальной производительности при работе по линейным объектам. Именно для таких работ эта система - miniVUX1-DL – и предназначена. И в данном сегменте, судя по всему, у нее нет конкурентов.
Мобильное лазерное сканирование
Наиболее значимой инновацией сезона 2017 г. в сегменте мобильного лазерного сканирования стал выход второй версии флагманской системы – VMX-2HA. В чем же отличия?
Мобильные лазерные сканирующие системы RIEGL VMX-1HA, слева, и RIEGL VMX-2HA, справа.
Внешние отличия новой системы довольно заметны – пожалуй, теперь она стала напоминать осьминога – благодаря новому принципу установки камер в вынесенных из корпуса двухзвенных «лапах». Шаровое сочленение «лапы» позволяет навести камеру, стоящую на ее конце, в любую интересующую нас точку пространства. Данный подход, как видно из иллюстрации, позволяет вынести камеры дальше от корпуса, избежав частичного перекрытия поля кадра крышей носителя. Узлы креплений стали меньше, позволив установить больше камер – теперь их может быть 9! Сами камеры могут быть в трех вариантах – 5, 9 или 12 мегапикселов. Впрочем, как и раньше, можно поставить и LadyBug, и Nikon D810 c его 36-мегапиксельной камерой. Из –за увеличения разрешения матриц и количества камер общий поток данных также весьма вырос, что потребовало изменения пропускной способности средств записи данных – теперь используется 10GigE.
Благодаря «лапам» большей длины, отпала необходимость в широком корпусе, и сканирующие головы удалось максимально сблизить с инерциальной системой и центром антенны ГНСС. Меньше смещения сенсоров – меньше влияние тряски на точность, реже нужна калибровка, меньше общие габариты системы в сложенном состоянии. Легче возить, легче ставить. Кроме того, корпус системы имеет пониженное аэродинамическое сопротивление – это важно как для управляемости автомобиля на большой скорости, и опять же – снижения уровня вибраций системы.
Сами сканирующие элементы, изготовленные на базе сканера RIEGL VUX-1HA с возможностью получать 1 000 000 точек в секунду на дальности до 235 м (на пониженной частоте – до 420 м) и с точностью до 3 мм, не изменились по сравнению с RIEGL VMX-1HA – система также может давать до 500 строк сканирования в секунду: так, на скорости в 90 км/ч это позволит обеспечить шаг строк на уровне 5 см. Таким образом, данная система позволяет вести съемку в один проход даже на участках, где необходимо поддерживать высокий темп движения – автострады, железные дороги, тоннели.
Неизменной осталась и инерциальная система, обеспечивающая точность измерений крена/тангажа на уровне 0.005 градуса, а курса – 0.015 градуса. В сочетании с низким (до 3 мм) «шумом» лазера это позволяет обеспечить абсолютную точность итоговых координат (допустим, в WGS-84) на уровне 20-50 мм без использования контрольных точек.
Наземное лазерное сканирование:
Новинкой сезона стал наземный лазерный сканер RIEGL VZ-2000i.
Наземная лазерная сканирующая система RIEGL VZ-2000i
Система может работать со скоростью до 1 200 000 точек в секунду. Максимальная дальность – до 2 500 м, при этом «шум» измерения по дальности – около 5 мм. Подобная точность достигается с использованием улучшенных алгоритмов оцифровки полной формы сигнала и аппроксимации формы гауссовыми функциями. Встроенная инерциальная система позволяет сразу (примерно) определять разворот сканера по всем трем осям, что впоследствии автоматически используется при сшивке и взаимном уравнивании облаков точек.
Кроме ИНС, в небольшом корпусе также помещается ГНСС-приемник с возможностью работы в RTK (обработка совместно с данными ИНС), есть место для SIM-карт для поддержки работы через 3G/4G LTE, WLAN, LAN, USB – по любому из каналов связи мы можем подключиться к работе с облаками точек, дистанционно управляя сканером. Сканер также может быть модернизирован до мобильной системы RIEGL VMZ-2000i без изменений конструкции или утраты функций наземного сканирования.
Интересной особенностью встроенной системы обработки данных VZ-2000i является фактическое наличие в ней двух компьютеров. Процессор 1 занят собственно сбором данных, фотоснимков, и расчетом положения с использованием ГНСС-ИНС-компаса. В то же время, процессор 2 занят (одновременно с процессором 1) конвертацией свежеполученных данных в формат базы геоданных RIEGL (фактически, это структурированное с использованием идеологии октодерева пространство, где хранятся точки). Тот же процессор 2 «на лету» разрешает МТА-неоднозначность, а также регистрирует в глобальной системе координат все полученные данные.
Используя средства подключения к сканеру: смартфон, планшет, ноутбук, офисный компьютер, мы можем не просто управлять сканером, но и немедленно получать отчет о том, что было снято, как снятые данные выглядят, как они располагаются на местности (в Google Earth). Хотите получить контур отснятой площади в KML? Пожалуйста… Предварительно посмотреть на скан в виде PNG-картинки? Получить превью сделанных камерой фото? Скачать сами данные в формате RXP? Все это возможно через систему управления сканером.
Для тех, кто хочет разработать и написать свои модули программного обеспечения, макросы, инженеры RIEGL предусмотрели возможность дописать собственные приложения с использованием языка программирования Pyton. Для тех, кто не хочет, и вообще любит простоту, отметим, что для перехода на следующую сканпозицию и начала работы с нее достаточно нажать ОДНУ кнопку.
Серьезное внимание было уделено калибровке значений яркости отражений от объектов. Помимо нормализации яркостей в зависимости от расстояний, это позволяет более эффективно фильтровать паразитные отражения, возникающие в условиях тумана, дымки или запыленности атмосферы.
Помимо быстрой, за счет точного ГНССС, ИНС и компаса, сшивки неограниченного числа облаков точек, позиционирования облака на поверхности Земли в реальном времени (благодаря наличию ГНСС с RTK), программное обеспечение позволяет автоматически выявлять РАЗЛИЧИЯ или ИЗМЕНЕНИЯ между двумя перекрывающимися облаками точек (или группами облаков). Это может быть весьма важно при отслеживании потенциально нестабильных объектов (стенки карьера, лавиноопасные склоны, оползневые участки). Именно в таких ситуациях наличие встроенного подавления шумов и пыли становится критичным.
Сканер адаптирован для жестких условий. При температуре в -40 сканер гарантированно работает 20 минут при условии, что его достали из теплого помещения так, чтобы внутренняя температура сканера была не ниже +15, допустим, из автомобиля.
Таким образом, налицо продолжение тренда на рост интеллектуальности съемочного прибора, продемонстрированного RIEGL на предшественнике – RIEGL VZ-400i.
