Аспарух Камбуров, Българска геоинформационна компания

Въведение

LiDAR (Light Detection and Ranging) е електронно-оптична дистанционна технология за определяне на разстояния до обекти с използване на насочен сноп светлина. Най-широко разпространен е методът с излъчване на лазерни импулси към даден обект и приемане на отразените от повърхността му сигнали, като заедно с това се извършва и точно измерване на времето за достигането им до обекта и обратно (фиг. 1). Това дава възможност за определяне разстоянието до него, скоростта му на движение, а също и някои качествени характеристики, като химичен състав и концетрация, цвят и др.

LiDAR се прилага с успех в различни области – геодезия, минно дело, фотограметрия и дистанционни методи, геоинформатика, география, геология, геоморфология, сеизмология, физика на атмосферата, археология. За целта са разработени съвременни лазерни инструменти, наричани лидари, чрез които се събират  пространствени данни за заобикалящата среда. Въпреки високата им цена, лидарите намират все по-голямо приложение за различни области на науката и техниката в България.

История

Абревиатурата LiDAR е употребена за пръв път през 1953 г. в труда на Мидълтон и Спилхаус „Метеорологични инструменти“. Като източник на електромагнитни вълни първите лидари използват обикновени или импулсни лампи, чиито лъчи се пропускат през модулатори за получаване на светлинен импулс. През 1963 г. в САЩ започват изпитания с преносим лазерен далекомер XM-23, с мощност на излъчване 2.5 W и обхват 200 – 10000 m. Той се превръща в основен прибор за изследователска работа през 60-те години. Оттогава датират и първите опити за атмосферни измервания с лазерен източник на светлина.

През 1969 г. с помощта на лазерен далекомер и рефлектор, доставен на лунната повърхност от космическия кораб Аполо 11, се определя разстоянието до Луната. И до ден днешен четири рефлектора, поставени през годините от Луноход-2 и различни мисии на Аполо, се използват за наблюдение на нейната орбита. Постепенно лазерните далекомери сe обособяват в отделен технически отрасъл, а названието лидар, добило гражданственост в САЩ през 1985 г. благодарение на речника Уебстър, започва да се отъждествява с лазерните сканиращи технологии.

Описание на технологията

Лидарите работят с електромагнитни вълни във видимата и инфрачервената част на спектъра. Ето защо, за разлика от радарите те имат възможност за регистриране на изключително дребни частици – водни капки, аерозоли и молекули, с размери от порядъка на 10 µm до 250 nm. Тези параметри на сигнала, наред с по-добрата му плътност и кохерентност са идеални предпоставки за оптимално отражение от газообразни среди, което прави метода подходящ за атмосферни и метеорологични изследвания (фиг. 1). Последните се извършват с помощта на т. нар. атмосферни лидари, чрез които освен разстояние до обектите се анализират различни физични и химични свойства на отразяващата среда. Тяхна разновидност са доплеровите лидари, с които се определят посоката и скоростта на движение на въздушни течения в атмосферата.

Фиг. 1. Схема на технологията LiDAR

В геодезията и други сфери, за които интерес представлява точното определяне на разстояние до даден обект, се използват т. нар. сканиращи лидари, посредством които се формира двумерна или тримерна картина на околното пространство. Този метод заляга в основата на лазерното сканиране – ефективна технология за изготвяне на цифров модел на терена (DTM) и цифров модел на повърхността (DSM) на големи площи. В практиката са обособени два дяла лазерно сканиране – наземно и въздушно (фиг. 2). В първия дял се използват лидари, монтирани на борда на различни типове летателни апарати, докато при втория се прилагат наземни лидари.

Фиг. 2. Наземно и въздушно лазерно сканиране

Устройство

В зависимост от схемата за измерване на отразения от обекта сигнал се разглеждат две основни групи лидари – кохерентни (с фазови детектори) и некохерентни (с амплитудни детектори). Фазовите лидари се характеризират с по-висока разделителна способност и точност, за сметка на сложна конструкция и по-висока цена. Двата типа лидари имат сходно функционално устройство, състоящо се от (фиг. 3):

1.      Лазерен източник  – в практиката са най-разпространени лазери с дължина на вълната 600-1000 nm. Те са евтини, но се налага да бъдат ограничавани по мощност заради вредното им влияние върху човешкото око. В повечето области на приложение на лазерите безопасността на човешкото око е задължителен фактор. Лазери с дължина на вълната 1550 nm са невидими за окото, което ги прави безопасни дори при високи нива на мощност. Поради по-несъвършената технология за лазерна детекция те се прилагат с успех само за дълги разстояния и приложения с ниска точност (напр. инфрачервени очила за нощно виждане). Лидарите за въздушно топографско картиране използват инфрачервени итербий-неодимови лазери с дължина на вълната 1064 nm, докато въздушната батиграфия разчита на 532 nm неодимови лазери поради доброто им проникване през водни повърхности без отслабване и разсейване на сигнала.

2.      Сканираща оптика – принципът на работата на лазерните скенери се основава на отразяването на лазерен лъч от повърхността на даден обект (фиг. 1). Системата измерва разстоянието до обекта и ъглите на наклон θ и азимут φ и с помощта на съответното програмно осигуряване пресмята координатите на точките на отражение в реално време в предварително зададена координатна система. За целта се генерира лазерен лъч с дължина на вълната от подбрана част на видимата област, който се насочва към обекта чрез система от огледала 2. Отразеният от обекта лъч попада в детектора, който измерва разстоянието и заедно с показанията на датчиците за отчитане на ъглите на завъртане (енкодери) по азимут и по наклон се предават в блок за управление 4, от който, чрез сериен кабел 5 или мрежов TCP/IP Ethernet 6 се предават за обработка на компютър 10. Данните от сканирането се съхраняват и на USB памет 8 в лазерния скенер, а чрез монтираната цифрова камера 9 има възможност за фотозаснемане на обекта. Освен чрез лаптоп 10, системата може да се контролира от портативно мобилно устройство 11 по безжична технология 7.

Фиг. 3. Устройство на лидар за наземно сканиране RIEGL

3.      Детекция и обработка на сигнала – важен компонент в устройството на лидарите е динамичния диапазон (чувствителността) на приемателния канал. Разпространени са две технологии за детекция на отразения лазерен лъч – чрез фотодиоди и фотоусилватели. След приемане чрез софтуерен продукт 12 се извършва цифрова обработка на сигнала, до получаване на окончателното цифрово изображение на обекта 10.

4.      Позиционни и навигационни системи – за приложения, в които е необходима информация за точното местоположение на сензорите в пространството, използваните лидари са снабдени с високоточни инерциални (INS) и GPS устройства.

Тримерен (3D) лазерен скенер за наземно сканиране

Тримерният лазерен скенер представлява лидарно устройство, чрез което се анализират обекти от заобикалящата среда с цел събиране на данни за формата, размерите и някои качествени характеристики (напр. цвят). Тези данни се използват за създаване на цифров тримерен модел на обектите за широк кръг приложения. За тази цел лазерният скенер създава т. нар. облак от точки, всяка от които съдържа геометрична информация за обекта, на базата на която чрез екстраполация се определя формата му (фиг. 4).

Фиг. 4. Модел на промишлени съоръжения, заснети чрез облак от точки

Като функционалност 3D скенерите наподобяват цифрови камери – те също разполагат с конично зрително поле и събират информация от отразяващи повърхности. Но докато с цифрова камера се събират данни за видимия образ на точките от даден обект, чрез лазерния скенер се определят разстоянията до тези точки, на базата на които се формира цялостното тримерно изображение. Ако лазерният скенер бъде поставен в центъра на една сферична координатна система (фиг. 5), всяка заснета точка от околността може да бъде определена в пространството чрез три координати {φ, θ, r}, имащи смисъл съответно на азимут, наклон и дължина на пространствения вектор до точката. Като отправно начало за двата ъглови елемента служи векторът на хоризонтален лазерен лъч с координати {φ=0, θ=0}. Заедно с разстоянието от центъра, тези кординати описват цялостно положението на всяка точка в локална координатна система. За определяне в глобална декартова координатна система е необходимо да са известни координатите на лазерния скенер, като за трансформация между двете системи служат формулите:

x=r sinΘ cosφ 

y=r sinΘ cosφ

z=r sinΘ

Фиг. 5. Сферична координатна система

В общия случай лазерно сканиране от една станция е недостатъчно за цялостно моделиране на даден обект, като в повечето случаи се използват множество станции за наблюдение. Окончателният тримерен модел на обекта се получава след привеждане на всички изображения в единна референтна система и последващото им комбиниране.

Технологично лазерните скенери се разделят на контактни и безконтактни. Контактните скенери описват повърхността на обектите чрез осъществяване на физически контакт с тях (машини за измерване на координати, дигитализиране на пластелинови фигури в за създаване на анимационни изображения). При безконтактните липсва физически допир, като те от своя страна се разделят на активни и пасивни. Активните скенери излъчват емисии от светлинни, ултразвукови или рентгенови лъчения, чиито отразени сигнали се регистрират и измерват. Пасивните не излъчват нищо, а само регистрират отразената от обектите заобикаляща светлина. В съвременната геодезия и фотограметрия се използват безконтактни активни тримерни лазерни скенери. На фиг. 6 и табл. 1 e представен един от водещите модели на пазара на лазерни сканиращи системи, Trimble GX.

Фиг. 6. Тримерен лазерен скенер Trimble GX

Същинският функционален елемент в тези устройства представлява лазерен далекомер, чрез който разстоянието до даден обект се определя посредством прецизно измерване на времето между излъчване и приемане на светлинни импулси. Генерирането на такива импулси се извършва с помощта на лазер, а техните отражения се регистрират от фотодетектори. Ако t е измереното време, c – скоростта на светлината, то разстоянието до обекта се изчислява по формулата:

Оттук следва, че точността на лазерните скенери зависи от възможността за прецизно измерване на време. Съвременните скенери могат да измерват разстояния към 5000 – 10 000 точки за секунда, с точност в милиметровия диапазон – достатъчна за геодезически и фотограметрични приложения. Характерен  недостатък на скенерите с висока разделителна способност е трудното регистриране на отражения от повърхността на остри обекти (ръбове на сгради и др.). Също така е възможна появата на дисторсия на изображението вследствие на движение на скенера или обекта, което е особено характерно при работа на открито и пряка слънчева светлина. Ето защо повечето лазерни скенери са оборудвани с компенсаторно устройство.

Табл. 1. Технически характеристики на лазерен скенер Trimble GX

Обхват	350 m при 90% отразяваща повърхност	Trimble GX 3D
	200 m при 35% отразяваща повърхност
	155 m при 18% отразяваща повърхност
Скорост	5000 точки в секунда
Точност на единична точка	Положение – 12 mm на 100 m
	Разстояние – 7 mm на 100 m
	Хоризонтален ъгъл – 12“
	Вертикален ъгъл – 14“
Разделителна способност	3 mm на 50 m
Лазер	Импулсен, 532 nm, зелен

Популярност набира и новото поколение лазерни скенери, които вместо импулсен използват фазов принцип на работа, носещ изключително висока разделителна способност и скорост за заснемане на точки (508 000 pixel/s с модел Leica HDS 6100, 976 000 pixel/s с FARO Laser Scanner Photon 120/20). Трябва да се отбележи, че в сравнение с импулсните скенери фазовите са с по-скромни възможности по обхват на действие (79 m при 90 % отразяваща повърхност с Leica HDS 6100, 120 m с FARO Laser Scanner Photon 120).

Приложения на LiDAR за наземно лазерно сканиране

Използването на технологията LiDAR в наземното сканиране е изключително успешно, с разнообразни приложения за геодезия, минно дело, картиране, фотограметрия, строителство на сгради и съоръжения, качествен контрол, археология, медицина, машиностроене и много други.

Лазерното сканиране може да бъде използвано за изследване на деформации по геодезически методи. На базата на цифрови модели на терена, създавани през определени периоди от време, може да се правят оценки за промени в топографията и тяхното влияние върху околната среда. Сканирането е много подходящо и за извършване на геодезически снимки и за картиране на местността.

Фиг. 7. Геодезическа снимка с лазерен скенер

В строителството, чрез сканиране и документиране в реално време на изгражданите сгради, съоръжения или машини се спестява време и труд. За определяне на точна оценка на състоянието на пътни или ж.п. съоръжения, на базата на предварително създадени тримерени модели и периодично провеждани инсцекции, може да се установи степента на износване и необходимостта от рехабилитация.

Фиг. 8. Тримерен модел на железопътна инфраструктура

При работа в опасни и труднодостъпни терени лазерните скенери за несравними с традиционните методи и инструменти. За повишаване на техническата безопасност в открити рудници намаляването на необходимото производствено време и нуждата от физически достъп до рудничните стъпалата е решаващо. Също така определянето на обеми и създаване на тримерни CAD модели се извършва с доста по-висока точност и в значително по-кратки срокове. В България лазерно сканиране се прилага успешно в рудничен комплекс „Елаците  Мед“ АД.

Фиг. 9. Тримерен модел на насипище в открит рудник

В архитектурата и фотограметрията наземните лазерните скенери са ценен инструмент, особено за създаване на цифрови модели на сгради, подлежащи на реконструкция. Те допълват въздушното лазерно сканиране при изготвяне на тримерен модели на градската среда, на базата на които се оценява влиянието на новопроектирано строителство върху облика на града.

Фиг. 10. Създаване на тримерен модел на катедрала

Друго приложение лазерните скенери намират при изграждането и поддържането на различни инженерни съоръжения – мостове, тунели. Археолозите използват лазерно сканиране за моделиране на ценни предмети на изкуството.

Фиг. 11. Приложение на лазерно сканиране в археологията и тунелното строителство

В метеорологията, чрез тримерно лазерно сканиране се създават атмосферни модели с висока разделителна способност и точност. Много интересни са приложенията на лидарите в анимацията, както и за генериране на т. нар. виртуална реалност, при което съществуваща архитектура се дигитализира до получаването на тримерен компютърен модел. Такъв модел може да се използва за симулиране на различни ситуации, от попадане в изкуствени лавини до разиграване на филмови екшън сцени или самолетни битки.

При разследване на катастрофи, чрез дигитализиране и тримерно моделиране на сцената на инцидента могат да бъдат установени причините за произшествието, както и средства за евентуалното му избягване.

Фиг. 12. Сцена на пътно-транспортно произшествие

Заключение

В съвременния свят технологията LiDAR се използва широко в области, вариращи от лазерна микроскопия до космическа геодезия. Тя е в основата на наземното лазерно сканиране – метод за събиране на пространствени данни и създаване на тримерен цифрови модели. Предимствата пред конвенционалните методи са многобройни, например:

• висока скорост на заснемане
• милиметрова точност
• високо ниво на автоматизирана обработка
• възможност за безконтактно измерване
• възможност за измервания в недостъпни или опасни зони
• по-малка вероятност за грешки в сравнение с класическите методи
• финансова икономичност

Описаните факти гарантират бъдещето на лазерните сканиращи системи в съвременния свят.