Wszystko, co musisz wiedzieć o tym, jak dron ze skanerem LiDAR rewolucjonizuje mapowanie i dane geoprzestrzenne.

Drony wyposażone w kamery pozwalają spojrzeć na prace naziemne z zupełnie nowej perspektywy. W różnych sektorach rynku takich jak budownictwo, służby ratownicze, rolnictwo i usługi komunalne przynoszą dodatkowe korzyści.

Technologia ładunków użytkowych w dronach stale się rozwija, co oznacza, że bezzałogowce mogą wykonywać nie tylko standardowe zdjęcia i filmy. Jednym z najnowszych osiągnięć w zakresie wykonywania pomiarów za pomocą drona jest stosowanie coraz bardziej zaawansowanych systemów LiDAR.

Wdrażając drona wyposażonego w czujnik LiDAR, firmy mogą dokonywać dokładniejszych odczytów z powietrza — tworząc modele 3D z dokładnością do centymetra i wykrywając szczegóły, które byłyby niewidoczne przy użyciu mniej zaawansowanych metod.

Systemy LiDAR są dalekie od bycia niszowym obszarem technologicznym — docierają do wszystkich gałęzi przemysłu, które potrzebują usług mapowania i gromadzenia danych geoprzestrzennych. Śledząc najnowsze zastosowania dronów z czujnikami LiDAR, możesz określić, czy te przydatne urządzenia sprawdzą się również w Twojej firmie.

Co to jest LiDAR?

LiDAR to forma technologii teledetekcji. Zamiast używać konwencjonalnych aparatów fotograficznych, czujniki LiDAR wysyłają szybkie impulsy laserowe i rejestrują odbicia, aby następnie wykorzystywać te dane do mapowania obszaru z dużą precyzją i dokładnością.

System LiDAR tworzy chmurę punktów z impulsów laserowych odbitych od powierzchni obiektów na ziemi. Punkty te są surowym materiałem dla modeli 3D. Chociaż składanie tych modeli wymaga specjalistycznego oprogramowania – i ekspertów, którzy wiedzą, jak go używać – proces jest stosunkowo szybki i generuje wysokiej jakości mapy o niewielkich rozmiarach.

Należy jednak pamiętać, że te obrazy 3D nie mają fotograficznej szczegółowości. Same impulsy laserowe nie pozwalają między innymi na określenie kolorów przedmiotów na ziemi. Dane te będą musiały pochodzić z alternatywnego źródła, na przykład z dodatkowego ładunku użytkowego w postaci kamery.

Technologia LiDAR odnotowała w ostatnich latach kilka zmian — mianowicie moduły czujników stają się coraz bardziej przystępne cenowo i znacznie lżejsze. Umożliwiło to szybką ewolucję systemów LiDAR przeznaczonych dla dronów — pojawiły się nowe modele, które umożliwiają firmom stosowanie tej technologii w większej liczbie przypadków.

Systemy LiDAR nie są dziełem jednej firmy — ich opracowywaniem zajmuje się wielu dostawców, w tym Livox i Velodyne. Za przekształcanie komponentów technicznych w moduły użytkowe odpowiadają natomiast integratorzy systemów, tacy jak GreenValley, YellowScan, Emescent i LiDARUSA.

Mając do dyspozycji takie opcje, niektóre organizacje mogą rozważyć zastosowanie systemów LiDAR do zadań, które wcześniej były realizowane za pomocą innych metod pomiarowych takich jak fotogrametria. W innych przypadkach firmy, które wcześniej korzystały z naziemnych pomiarów LiDAR, mogą zrobić to z powietrza za pomocą dronów.

Wszędzie tam, gdzie zachodzi potrzeba wykonania pomiarów i modelowania z dokładnością do centymetra, LiDAR okazuje się nieocenioną nową technologią do wyboru. Dzięki coraz większej dostępności tych systemów ich użytkowanie może rozszerzyć się na nowe branże i przypadki użycia już w ciągu najbliższych kilku lat.

LiDAR czy fotogrametria: Na czym polega różnica?

Organizacje, które już wykorzystują fotogrametrię lotniczą jako metodę pomiarów i mapowania, mogą się zastanawiać, czy przejście na LiDAR byłoby dla nich korzystne. Po pierwsze, ważne jest zdefiniowanie fotogrametrii oraz wyjaśnienie jej potencjalnych zastosowań i ograniczeń.

Fotogrametria to proces wykorzystujący liczne zdjęcia do określenia odległości. Drony fotogrametryczne przelatują nad krajobrazem lub budowlą i robią zdjęcia, które są składane w modele 2D lub 3D za pomocą oprogramowania. Modele te są stosowane w budownictwie, rolnictwie, górnictwie i każdej branży, w której istnieje potrzeba częstego mapowania.

W porównaniu z LiDAR, systemy fotogrametryczne mogą mieć trudności z rozpoznawaniem bardzo małych i bardzo szczegółowych obiektów. Podczas gdy impulsy laserowe LiDAR są w stanie wykryć np. linie energetyczne, zdjęcia wykonane przez moduły fotogrametryczne mogą zawierać zbyt mało szczegółów żeby wykryć takie przewody. Technologia skaningu laserowego LiDAR umożliwia również przenikanie przez roślinność, aby uchwycić kształt podłoża. Pozwala nawet na pracę w ciemności.

Podstawowym powodem wyboru fotogrametrii była jej względna dostępność. Dzięki lżejszym i tańszym modułom była to świetna opcja dla firm, które nie potrzebowały dodatkowego poziomu precyzji zapewnianego przez LiDAR. Co więcej, oprogramowanie do gromadzenia chmur punktów z surowych danych fotogrametrycznych jest powszechniejsze i częściej używane niż systemy LiDAR.

Wraz ze spadkiem kosztów i masy modułów LiDAR, niektóre firmy mogą zacząć chętniej korzystać z tych systemów. Co więcej, możliwe jest użycie drona z ładunkiem użytkowym LiDAR wraz z innymi metodami mapowania, aby tworzyć bardziej szczegółowe modele. Ma to znaczenie w przypadkach, gdy gotowy produkt musi być foto-realistyczny, ponieważ jak już wspomniano, impulsy LiDAR nie wychwytują kolorów obiektów.

Dlaczego warto korzystać z drona z systemem LiDAR?

Latanie dronem wyposażonym w moduł LiDAR to sposób na szybkie i bezpieczne zbieranie informacji o dowolnych miejscach i wybranych cechach terenu. Obejmuje to szereg zastosowań — od przeprowadzania inspekcji bezpieczeństwa z powietrza po kontrolowanie postępów prac w górnictwie lub rolnictwie, a nawet szacowanie wielkości zapasów materiałów.

Tworzenie dokładnych modeli 3D krajobrazów i konstrukcji to nic trudnego dla firm obsługujących floty dronów LiDAR, które mogą również otrzymywać bieżące aktualizacje, na przykład w celu śledzenia postępu budowy budynku i przeprowadzania jego pomiarów w odniesieniu do planów i schematów.

LiDAR umożliwia realizację scenariuszy, które wymagały zbyt dużej precyzji dla systemów fotogrametrycznych. Operatorzy mogą teraz na przykład mapować linie energetyczne i rekonstruować miejsca wypadków za pomocą bardzo szczegółowych chmur punktów 3D generowanych przez moduły LiDAR.

Zdarzają się też sytuacje, w których firmy nie decydują się na odejście od fotogrametrii na rzecz LiDAR. Zamiast tego korzystają z obu typów rozwiązań, zawsze mają więc pod ręką odpowiedni typ czujnika do pracy. Staje się to coraz łatwiejsze, ponieważ organizacje inwestują we wszechstronne, wydajne konfiguracje dronów, które mogą obsługiwać wiele modułów.

LiDAR – pomiar z powietrza kontra pomiar naziemny

Zastanawiając się nad wykorzystaniem dronów LiDAR trzeba zadać sobie dodatkowe pytanie — czy nie lepiej byłoby skorzystać z modułów LiDAR na ziemi. Opcje naziemne od dostawców takich jak Faro i Trimble są bardzo dokładne — zapewniają skanowanie na poziomie milimetrów.

Minusem korzystania z naziemnych systemów LiDAR jest brak wydajności. Latanie dronem nad wybranym terenem pozwala geodetom wykonać więcej pracy w krótszym czasie, jednocześnie docierając do trudno dostępnych miejsc. W porównaniu z nierzadko żmudnym procesem obsługi naziemnych skanerów laserowych jest to niewątpliwa zaleta.

Dopóki organizacja może zaakceptować dokładność +/- 5 cm podczas tworzenia modeli 3D z chmur punktów, drony LiDAR z czujnikami lotniczymi będą doskonałym wyborem zapewniającym znacznie wydajniejsze podejście do mapowania i pomiarów.

Studium przypadku: inspekcja wieży chłodniczej

Przed wyburzeniem wieży chłodniczej reaktora we Francji firma zajmująca się rozbiórkami musiała stworzyć dokładne modele 3D, aby proces mógł przebiegać precyzyjnie i dokładnie. Tradycyjne metody inspekcji byłyby niebezpieczne ze względu na obecność azbestu w farbie na wieżach. Ponadto harmonogram prac był napięty, co oznaczało, że pomiary musiałyby być przeprowadzane wieczorami.

W obliczu tych trudnych warunków zespół wykorzystał do stworzenia modeli 3D wież zarówno fotogrametrię, jak i drony LiDAR. Podczas gdy większość prac w ciągu dnia była wykonywana przy użyciu fotogrametrii, system LiDAR wykorzystywano wieczorem i o zmierzchu, generując chmury punktów, które szybko stały się szczegółowymi modelami 3D.

Drony LiDAR w akcji: najczęstsze przypadki użycia

Zastosowanie dronów z systemem LiDAR to świetny sposób dla firm ze wszystkich branż na bardziej efektywne mapowanie. To imponujące, jak wiele unikalnych scenariuszy wdrożeń wykorzystuje tę technologię. Niektóre z tych przypadków mogą również obejmować fotogrametrię, podczas gdy inne są całkowicie nowe i napędzane przez pojawienie się niedrogich dronów LiDAR.

Pomiary geodezyjne na małych działkach

Wszędzie tam, gdzie istnieje potrzeba przeprowadzenia dokładnych pomiarów działki z powietrza, dron LiDAR okazuje się idealnym narzędziem. Podczas gdy duża działka może być bardziej odpowiednia do przelotu samolotem lub załogowym helikopterem, technologia dronowa jest idealna dla małych obszarów.

Korzystanie z drona jako narzędzia pomiarowego jest bardziej przystępne niż zlecanie usług osobom trzecim, obsadzanie personelu i tankowanie standardowego samolotu. Ponadto drony są mniejsze i nie wymagają od pilotów latania nad danym miejscem, co czyni je bezpieczniejszą opcją. Kilku operatorów stacjonujących na ziemi może szybko i metodycznie wytyczyć teren, a następnie ruszyć dalej.

Pomiary topograficzne i batymetryczne

Oprócz mniejszych przedsięwzięć drony LiDAR mogą wykorzystywać czujniki do pomiaru dużych obszarów topograficznych, przejmując prace, które tradycyjnie wykonywano za pomocą samolotów lub helikopterów. W przypadku badań naziemnych dron wykorzystuje laser bliskiej podczerwieni.

Przelatując nad wodą i wykorzystując przenikające ją zielone światło, drony wyposażone w skanery LiDAR z zieloną wiązka lasera mogą również zbierać odczyty dotyczące głębokości dna morskiego lub koryta rzeki w danym obszarze. Tworząc mapy zawierające dane batymetryczne, drony LiDAR mogą uwzględniać zarówno ląd, jak i morze.

Cyfrowe modelowanie terenu przed rozpoczęciem prac

Kiedy firmy są w trakcie przygotowań do poważnych prac naziemnych, ważne jest, aby mieć mapę terenu w 3D. Tutaj kluczowy może być dokładny cyfrowy model terenu (DTM) utworzony za pomocą chmury punktów LiDAR 3D.

Za roboty ziemne płaci się zazwyczaj od ilości wydobytej ziemi, co oznacza, że dla celów planowania budżetu firmy muszą wiedzieć dokładnie, z czym mają do czynienia na danym obszarze, wykorzystując obrazowanie 3D. LiDAR może przenikać przez roślinność i inne elementy, aby uzyskać dokładne odczyty dotyczące topografii danego miejsca.

Mapowanie i rekonstrukcja wypadków

Wszelkiego rodzaju drony stają się coraz bardziej popularne w bezpieczeństwie publicznym — na przykład bezzałogowce z termowizją ułatwiają poszukiwanie osób zaginionych — nawet w nocy. W przypadku dronów technologia LiDAR idealnie nadaje się do kompleksowej rekonstrukcji miejsca wypadku. Służby mundurowe mogą wykonywać tę pracę o każdej porze dnia, ponieważ LiDAR nie wymaga światła do pracy.

Po przechwyceniu bardzo dokładnego modelu 3D funkcjonariusze mogą przystąpić do porządkowania miejsca zdarzenia. Ta możliwość jest szczególnie ważna, gdy wskutek wypadku występują utrudnienia w ruchu. Dane z drona LiDAR mogą następnie służyć jako dowód we wszelkich sprawach sądowych związanych z zaistniałymi wydarzeniami. Należy pamiętać, że fotogrametria również jest doskonałą opcją do wizualnej rekonstrukcji miejsca zdarzenia.

Leśnictwo

Inwentaryzacja lasu wykorzystywanego do produkcji syropu, papieru lub tarcicy może być trudna lub czasochłonna ze względu na duże obszary. Firmy, które nie używają dronów LiDAR, są zmuszone polegać na szacunkach opartych na domysłach pracowników.

Dzięki precyzyjnym czujnikom dron wyposażony w LiDAR może nie tylko dawać dokładne odczyty danych takich jak wysokość koron i gęstość drzew, ale też zbierać informacje dotyczące poszczególnych okazów. Podobna technologia sprawdza się nawet w słabym świetle, gdy widoczność jest ograniczona.

Rolnictwo precyzyjne

Opieranie praktyk rolniczych na precyzyjnych danych stało się w ostatnich latach bardziej popularne, a drony fotograficzne pomagają we wszystkim, od planowania upraw po śledzenie stad. Drony LiDAR mogą dodać nowy poziom dokładności prognoz, pozwalając rolnikom reagować na warunki panujące na ich polach.

Jednym z głównych zastosowań dronów wyposażonych w czujniki LiDAR w rolnictwie jest dostarczanie danych terenowych 3D, które pozwalają operatorom budować tamy na polach ryżowych. Innym zastosowaniem jest pomiar postępu upraw, dzięki czemu rolnicy mogą korzystać z nawozów w bardziej ukierunkowany sposób.

Inspekcja linii energetycznych

Przed pojawieniem się niedrogich dronów z systemami LiDAR operatorzy mediów mieli trudności z pomiarami małych elementów infrastruktury (w tym linii energetycznych). Teraz mogą jednak przeprowadzać inspekcje z powietrza. Skanowanie linii energetycznych w taki sposób pozwala geodetom zmierzyć czynniki ryzyka, takie jak wdzieranie się roślinności.

Dostawcy mediów mogą polegać na modelach 3D z dronów wyposażonych w czujniki LiDAR niezależnie od tego, czy odczytują informacje o aktualnym stanie infrastruktury sieci energetycznej, czy planują budowę nowych linii energetycznych. Dzięki temu, że urządzenia latają, mogą łatwiej i bezpieczniej pokonywać trudny teren.

Górnictwo

Za pomocą systemów LiDAR firmy wydobywcze mogą mierzyć przestrzeń wydobycia rudy w kopalniach. Obliczając dane powierzchniowe i porównując bieżące odczyty z poprzednimi, górnicy są w stanie określić postęp swoich prac. Drony zapewniają bardziej ekonomiczną opcję w porównaniu do pomiarów samolotowych i są bezpieczniejsze, a zarazem wydajniejsze niż skanowanie naziemne.

Wysyłanie dronów do kopalń to kolejny cenny sposób na zbieranie danych przy jednoczesnym dbaniu o bezpieczeństwo. LiDAR świetnie sprawdzi się jako narzędzie do wykrywania kolizji, jednocześnie umożliwiając dronowi mapowanie wewnątrz kopalni. Co więcej, po zaplanowanej detonacji pracownicy mogą najpierw użyć bezzałogowca, aby upewnić się, że konstrukcja jest wystarczająco bezpieczna, żeby do niej wejść.

Archeologia

Drony LiDAR doskonale nadają się do odwzorowywania dokładnych konturów konstrukcji, które wcale nie muszą być nowe. Korzystając z drona na stanowisku archeologicznym, naukowcy mogą uzyskać jasny obraz wielkości i względnej lokalizacji wszystkich istotnych cech terenu, a także wszelkich pozostałości obiektów stworzonych przez człowieka.

Mapowanie stanowiska archeologicznego za pomocą drona wyposażonego w skaner LiDAR jest szybsze i wydajniejsze w porównaniu do naziemnych metod skanowania i mapowania. Ponieważ drony mogą obejmować duże tereny, archeolodzy są w stanie w krótkim czasie ponownie odkryć ogromne „zaginione” obszary, nawet jeśli chodzi o całe starożytne miasta.

Pomiary objętości składowanych materiałów

Firmy budowlane wychodzą poza geodezję i wykorzystują systemy LiDAR do innych funkcji, takich jak na przykład pomiary zasobów. Wielokrotne skanowanie zapasów materiałów pozwala firmie określić tempo wykorzystania, umożliwiając kierownictwu składanie zamówień we właściwym momencie.

Zrozumienie każdego aspektu miejsca pracy umożliwia bardziej efektywne działanie. Dzięki precyzyjnym czujnikom takim jak LiDAR obserwowanie zmian objętości materiałów w czasie jest skutecznym sposobem na wprowadzenie tych rozwiązań w życie.

Drony z sensorem LiDAR

Jako że drony ze skanerem LiDAR stają się coraz bardziej dostępne, nabywcy tych technologii mogą zacząć porównywać opcje sprzętowe, aby znaleźć idealne urządzenia i ładunki do swoich celów. Doskonałym wyborem dla firm może być na przykład Zenmuse L1 z systemem LiDAR od DJI, która oferuje szeroki zestaw funkcji takich jak:

• zintegrowana jednostka pomiarowa, która zapewnia dokładność pomiaru 5 cm i absolutną dokładność 10 cm, wszystko z wysokości 50 metrów
• stabilizowany 3-osiowy gimbal, który umożliwia w pełni automatyczną kontrolę montażu poprzez integrację z systemem zarządzania lotem DJI
• 1-calowa matryca CMOS o rozdzielczości 20 MP, która rejestruje zdjęcia i wideo, umożliwiając użytkownikom stosowanie danych kolorów do chmur punktów LiDAR wraz z innymi funkcjami
• Obsługa trzech odbić na jeden impuls lasera, zapewniająca większą dokładność podczas penetracji gęstego listowia i pomiaru topografii terenu pod nim.
• Tryb skanowania bez powtórzeń, który zapewnia wyższy stopień rozdzielczości danych w porównaniu do normalnego skanowania, gdy dron rejestruje jeden obszar przez dłuższy czas.
• certyfikat IP54, który potwierdza, że L1 może pracować w niesprzyjających warunkach pogodowych takich jak mgła, dym i śnieg.

Zenmuse L1 jest przeznaczony do stosowania z wszechstronnym dronem Matrice 300 RTK, który może zostać wyposażony w wiele ładunków użytkowych, aby umożliwić operatorom jednoczesne korzystanie z kilku czujników. Dane chmury punktów z drona można następnie złożyć w modele 3D za pomocą oprogramowania DJI Terra.