О б р а т н а я с в я з ь
Заказать обратный звонок
Имя*
Телефон*
Комментарий
(044) 390-71-26 (044) 495-28-29

Новость добавлена 10.01.2018

Технология в фокусе: батиметрический лидар

Автор статьи: Натан Квадрос (Научно-исследовательский центр пространственной информации, Австралия)

 

С повышением уровня моря и увеличением интенсивности экстремальных природных явлений возобновился интерес к изучению прибрежной зоны для дальнейшего понимания ее функционирования. Основополагающим критерием для понимания рисков в районах с высокой уязвимостью является сбор данных о поверхностях прибрежной зоны суши и дна моря. Для получения подробной трехмерной модели вдоль береговой линии батиметрический лидар использует самую эффективную и экономичную технологию, позволяющую одновременно собирать данные, как о земле, так и о морском дне. Его способность успешно осуществлять сбор высотных данных с обеих сторон от береговой линии над районами, простирающимися более чем на 100 км вдоль побережья, сделала батиметрический лидар «золотым стандартом» для уязвимых прибрежных районов и моделирования прибрежной бентической среды (ареал на дне моря, содержащий наибольшую часть морской жизни).

 

Батиметрический лидар - это технология сбора данных с помощью летательного аппарата. В отличие от воздушного топографического лидара, который использует инфракрасные волны с длиной волны 1064 нм, системы батиметрического лидара для проникновения в водный столб и измерения морского дна используют монохромный лазерный сканер с зеленой волной видимого электромагнитного излучения (света) с длиной волны 532 нм.

Батиметрический лидар имеет четыре основных датчика:

  • GPS приемник, который дает положение летательного аппарата (как правило, самолета);
  • инерционное измерительное устройство (IMU), которое дает продольный и поперечный крены и рыскание (отклонение от курса) летального аппарата/самолета;
  • лазерный сканер, который излучает импульсный сигнал по определенному шаблону;
  • датчик, который считывает возвращаемый сигнал.

Знание положения и ориентации всех этих компонентов позволяет выполнить точные измерения, регистрируемые системой лидара. Некоторые из этих датчиков теперь могут измерять более 100000 точек в секунду, что приводит к съемкам с плотностью более 10 точек на м2 мелководья. В недавней съемке, проведенной на Самоа, более 1,8 млрд. точек были собраны на площади чуть более 1100 км2. Самые глубокие измерения достигали глубины более 75 м.

 

Экологические соображения

Добавление водного столба в съемки, выполняемые батиметрическими лидарами, делает их более чувствительными к неблагоприятным воздействиям окружающей среды, чем их топографические аналоги. Эти воздействия могут привести к пробелам в данных, сокращению зоны покрытия и снижению качества измерений. Чтобы свести к минимуму эти последствия и добиться успешной съемки с помощью батиметрического лидара, необходимо учитывать множество факторов, таких как погода для полетов, управление воздушным движением, мутность воды, приливы, состояние моря, состояние растительности и доступность наземного контроля. Отсутствие прозрачности воды является основным препятствием для проникновения в толщу воды импульсов лазерного сканера на мелководье. Высокая мутность, морская трава и морское дно с низким коэффициентом отражения создают риски для выполнения успешной съемки. Понимание и управление этими условиями помогает найти разницу между успехом и неудачей.

 

Индивидуальные характеристики датчиков батиметрического лидара

Датчики батиметрического лидара, как правило, имеют более индивидуальные характеристики и различия, чем датчики топографического лидара. Важно отметить, что все современные датчики батиметрического лидара могут измерять топографию и батиметрию. Наиболее очевидное различие между мелководными (10 м) системами. Мелководные системы, как правило, имеют меньшую мощность каждого лазерного импульса и более высокую частоту измерений (высокое разрешение), меньший диаметр лазерного пятна и меньшее поле зрения приемника, и в целом могут измерять только глубину воды в прозрачном водном столбе. Глубоководные системы батиметрического лидара используют лазер с большей мощностью на импульс, более низкую частоту измерения (низкое разрешение), большее лазерное пятно и большее поле зрения приемника. Эти глубоководные системы батиметрического лидара различаются по диапазону глубин от 2 до 3 раз при измерении глубин в прозрачных водах. Для максимизации детализации и зоны охвата при съемках с летательного аппарата операторы батиметрических съемок в настоящее время одновременно используют как мелководные, так и глубоководные датчики в спаренных оптических портах.

Шаблоны сканирования для датчиков зависят от формы полетного галса, наклона датчика относительно летательного аппарата и метода сканирования. Формы сканирования варьируются между прямолинейной, эллиптической дугой, круговой дугой, эллипсами и окружностями (смотрите рисунок выше). Круговые и эллиптические сканеры могут смотреть вперед и назад, увеличивая количество выборок, собранных в области, что может привести к получению дополнительных данных по краям области сканирования. Остальные шаблоны обычно наклонены вперед или назад относительно летательного аппарата. Методы сканирования варьируются между осциллирующими зеркалами, вращающимися призмами, комбинациями кругового и конического сканирования, вращающимися многогранными зеркалами и осциллирующими растровыми сканерами. Все эти методы приводят к незначительным различиям в шаблоне сканирования и могут быть замечены в последующем облаке точек.

Важным параметром при использовании батиметрических лидарных систем является энергия лазерного излучения на каждый импульс. Хотя такие факторы, как область охвата оптической системы приемника и поле зрения влияют на глубину проникновения в толщу воды, мощность лазера в сочетании с длительностью импульса наиболее сильно влияют на глубину проникновения. Высокая мощность лазера и большая длительность импульса, как правило, приводят к более глубокому проникновению в водный столб. Недостатком более высокой энергии лазерного импульса является то, что частота измерения ниже, что приводит к низкой плотности точек. Однако полное проникновение звука в морское дно по-прежнему возможно.

 

Допуски для датчиков батиметрического лидара

Последние достижения в датчиках батиметрического лидара идут по нескольким направлениям. Некоторые из этих достижений включают в себя несколько датчиков в летательном аппарате, более интегрированные системы с дополнительными датчиками, более высокую производительность для получения данных, калибровку отражательной способности между полетными галсами, большую плотность точек, улучшение качества при сборе данных для пресной воды и расширенную классификацию облаков точек. Отметим также, что, еще рано использовать батиметрические лидары при съемках с помощью малых беспилотных летательных аппаратов (БПЛА), хотя эта тенденция, вероятно, изменится в ближайшие десять лет. Достижения в облачных вычислениях и обработке огромных массивов данных также имеют огромные перспективы для обработки облаков точек, и будет интересно увидеть, как индустрия будет использовать эти достижения, чтобы обеспечить дополнительный экономический эффект для конечных пользователей.

 

Заключительные замечания

При выборе и использовании батиметрического лидара важно учитывать факторы окружающей среды, а также индивидуальные характеристики системы. И даже и в этом случае успех съемки часто определяется знаниями и опытом оператора. В противном случае решение о выборе наилучшей системе для съемки будет зависеть от области съемки, окружающей среды, проектных требований и надежности датчиков лидара. Аспекты, которые обычно определяют выбор датчика, относятся к максимальной глубине, плотности точек, области охвата, требованиям к конечному продукту и, что немаловажно, к предполагаемой области применения полученных данных.

 

Эта статья была опубликована в журналах GIM International и Hydro International в 2016 году.