З в о р о т н і й д з в і н о к
Запросити зворотній дзвінок
Ім'я*
Телефон*
Коментар
(044) 390-71-26 (044) 495-28-29

Новина від 10.01.2018

Технологія у фокусі: батіметричний лідар

Автор статі: Натан Квадрос (Науково-дослідний центр просторової інформації, Австралія)

 

З підвищенням рівня моря і збільшенням інтенсивності екстремальних природних явищ відновився інтерес до вивчення прибережної зони для подальшого розуміння її функціонування. Основоположним критерієм для розуміння ризиків в районах з високою вразливістю є збір даних про поверхні прибережної зони суші і дна моря. Для отримання детальної трьохмірної моделі вздовж берегової лінії батиметричний лідар використовує саму ефективну і економіну технологію, яка дозволяє одночасно зобирати дані, як по землі, так і по морському дну. Його здатність успішно здійснювати збір висотних даних з обох сторін від берегової лінії над районами, простирающимися більш ніж на 100 км вздовж узбережжя, зробила батіметричний лідар «золотим стандартом» для вразливих узбережніх районів і моделювання узбережного бентичного середовища (ареал на дні моря, що містить найбільшу частину морського  життя).

 

Батіметричний лідар - це технологія збору даних з допомогою літального апарата. На відміну від повітряного топографічного лідара, який використовує інфрачервоні хвилі з довжиною хвилі 1064 нм, системи батіметричного лідара для проникнення в водний стовп і вимірювання морського дна використовують монохромний лазерний сканер з зеленою хвилею видимого електромагнітного випромінення (світла) з довжиною хвилі 532 нм.

Батіметричний лідар має чотири основні датчика:

  • GPS приймач, який дає положення літального апарата (як правило, літака);
  • інерційний вимірювальнй пристрій (IMU), який дає повздовжній і поперечний крени і рискання (відхилення від курса) літального апарата/літака;
  • лазерний сканер, який  випромінює імпульсний сигнал по визначеному шаблону;
  • датчик, який зчитує повернутий сигнал.

Знання положення і орієнтації всіх цих компонентів дозволяє виконати точні вимірювання, які реєструються системою лідара. Деякі з цих датчиків тепер можуть вимірювати більш ніж 100000 точок в секунду, що приводить до зйомок з щільністю більше 10 точок на м2 мілководдя. В недавній зйомці, проведеній на Самоа, больше 1,8 млрд. точок були зібрані на площі трохи більше 1100 км2. Самі глибокі вимірювання досягли глибини більше 75 м.

 

Екологічні міркування

Додавання водного стовпа в зйомки, що виконуються  батіметричними лідарами, робить їх більш чутливими до несприятливих впливів оточуючого середовища, чім їх топографічні аналоги. Ці впливи можуть привести до прогалин в даних, скороченню зони покриття і зниженню якості вимірювань. Щоб звести до мінімума ці наслідки і добитись успішної зйомки  з допомогою батіметричного лідара, необхідно враховувати множину факторів, таких як погода для польотів, керування повітряним рухом, каламутність води, приливи, стан моря, стан рослинності і доступність наземного контролю. Відсутність прозорості води є основною перепоною для проникнення в товщу води імпульсів лазерного сканера на мілководді. Висока мутність, морська трава і морське дно з низьким коефіцієнтом відбиття створюють ризики для виконання успішної зйомки. Розуміння і керування цими умовами допомогає знайти різницю між успіхом і невдачею.

 

Індивідуальні характеристики датчиків батіметричного лідара

Датчики батіметричного лідара, як правило, мають більш індивідуальні характеристики і відмінності, чім датчики топографічного лідара. Важливо відмітити, що всі сучасні датчики батіметричного лідара можуть вимірювати топографію і батіметрію. Найбільш очевидна відмінність між мілководними (10 м) системами. Мілководні системи, як правило, мають меншу потужність кожного лазерного імпульса і більш високу частоту вимірювань (висока розподільна здатність), менший діаметр лазерної плями і менше поле зору приймача, і в цілому можуть вимірювати тільки глибину води в прозорому водному стовпі. Глибоководні системи батиметричного лідара використовують лазер з більшою потужністю на імпульс, більш низьку частоту вимірювання(низька розподільна здатність), більшу лазерну пляму і більше поле зору приймача. Ці глибоководні системи батіметричного лідара розрізняються по діапазону глибин від 2 до 3 раз при вимірюванні глибин в прозорих водах. Для максимальної деталізації і зони охоплення при зйомках з літального апарата оператори батіметричних зйомок в теперішній час одночасно використовують як мілководні, так і глибоководні датчики в спарених оптичних портах.

Шаблони сканування для датчиків залежать від форми польотного галса, нахилу датчика відносно літального апарата і метода сканування. Форми сканування варіюються між прямолінійною, еліптичною дугою, коловою дугою, еліпсами і колами (дивіться малюнок вище). Колові і еліптичні сканери можуть дивитись вперед і назад, збільшуючи кількість виборок, зібраних в області, що може привести до отримання додаткових  даних по краям області сканування. Решта шаблонів за звичай нахилені вперед або назад відносно літального апарата. Методи сканування варіюються між осцилюючими зеркалами, обертаючимися призмами, комбінаціями колового і конічного сканування, обертаючимися багатогранними зеркалами і осцилюючими растровими сканерами. Всі ці методи приводять до незначних відмінностей в шаблоні сканування і можуть бути помічені в подальшій хмарі точок.

Важливим параметром при використанні батіметричних лідарних систем є енергія лазерного випромінення на кожний імпульс. Хоча такі фактори, як область охоплення оптичної системи приймача і поле зору впливають на глибину проникнення в товщу води, потужність лазера в поєднанні з тривалістю імпульса найбільш сильно впливають на глибину проникнення. Висока потужність лазера і більша тривалість імпульса, як правило, приводять до більш глибокого проникнення в водний стовп. Недоліком більш високої енергії лазерного імпульса є те, що частота вимірювання нижче, а це призводить до низької щільності точок. Однак повне проникнення звуку в морське дно як і раніше не можливе.

 

Допуски для датчиків батіметричного лідара

Останні досягнення в датчиках батіметричного лідара йдуть по декільком напрямкам. Деякі з цих досягнень включають в себе декілька датчиків в літальному апараті, більш інтегровані системи з додатковими датчиками, більш високу продуктивність для отримання даних, калібровку відбивної здатності між польотними галсами, більшу щільність точок, покращення якості при зборі даних для прісної води і розширену класифікацію хмар точок. Слід відмітити також, що, ще рано використовувати батіметричні лідари при зйомках  з допомогою малих безпілотних літальних апаратів (БПЛА), хоча ця тенденція, ймовірно, зміниться в найближчі десять років. Досягнення в хмарних обчисленнях і обробці велечезних масивів даних також мають велечезні перспективи для обробки хмар точок, і буде цікаво побачити, як індустрія буде використовувати ці досягнення, щоб забезпечити додатковий економічний ефект для кінцевих користувачів.

 

Підсумкові зауваження

При виборі і використанні батіметричного лідара важливо враховувати фактори оточуючого середовища, а також індивідуальні характеристики системи. І навіть в цьому випадку успіх зйомки часто визначається знаннями і досвідом оператора. В противному випадку рішення про вибір найкращої системи для зйомки буде залежати від області зйомки, оточуючого середовища, проектних вимог і надійності датчиків лідара. Аспекти, які за звичай визначають вибір датчика, відносяться до максимальної глибини, щільності точок, області охоплення, вимог до кінцевого продукту і, що досить важливо, до передбачуваної області застосування отриманих даних.

 

Ця стаття була опублікована в журналах GIM International і Hydro International в 2016 році.