Лазерное сканирование с беспилотника

Компания Zala Aero успешно провела испытания комплекса беспилотного воздушного судна (БВС) с применением технологии воздушного лазерного сканирования (Light Identification Detection and Ranging, LIDAR). Целевой нагрузкой воздушного судна стал современный лазерный сканер от ведущего мирового производителя, сообщает пресс-служба «Ростеха». 

Суть технологии заключается в определении координат поверхности (в том числе рельефа под кронами деревьев) с помощью лазерного сканера, установленного на борту БВС. Точность измерений обеспечивается системой позиционирования GNSS геодезического класса точности и инерциальной навигационной системой. Особенность беспилотной системы Zala Aero для воздушного сканирования — высокая точность измерения габаритов объектов: до 1 см в плане и по высоте. 

И немного истории. Аббревиатура LIDAR впервые появилась в работе Миддлтона и Спилхауса «Метеорологические инструменты» 1953 года, задолго до изобретения лазеров. Первые лидары использовали в качестве источников света обычные или импульсные лампы со скоростными затворами, формировавшими короткий импульс.

В 1963 году в США начались полевые испытания носимого лазерного дальномера XM-23 мощностью излучения 2,5 Вт и диапазоном измеряемых расстояний 200–9995 м. XM-23 был изначально несекретным образцом и стал базовым прибором для гражданских исследователей 1960-х годов. К концу 1960-х лазерные дальномеры стали стандартным оборудованием новых танков США (первым образцом, спроектированным с применением лазерных дальномеров, стал M551 «Шеридан», запущенный в серию в 1967 году). Гражданское применение лазерных дальномеров было ограничено лишь высокой стоимостью интегральных схем того времени. 

Тогда же, в первой половине 1960-х, начались опыты по применению лидара с лазерными излучателями для исследования атмосферы.

В 1969 году лазерный дальномер и мишень, установленная на «Аполлоне-11», применялись для измерения расстояния от Земли до Луны. Четыре мишени, доставленные на Луну тремя «Аполлонами» и «Луноходом-2», и по сей день используются для наблюдения за орбитой Луны.

В 1970-х отлаживалась технология лазерных дальномеров и компактных полупроводниковых лазеров и были начаты исследования рассеяния лазерного луча в атмосфере. К началу 1980-х эти исследования стали настолько известными в академических кругах США, что аббревиатура LIDAR стала именем нарицательным — lidar, что зафиксировал словарь Уэбстера 1985 года. В те же годы лазерные дальномеры достигли стадии зрелой технологии (по крайней мере, в военных приложениях) и стали отдельной от лидаров отраслью техники.

В СССР существовало два семейства лидарных метеорологических приборов, предназначенных для использования на аэродромах (в обоих семействах в качестве источника зондирующего светового потока использовались импульсные лампы): 

— измерители высоты нижней границы облаков — светолокаторы (в начале 1960-х создан прибор ИВО-1, в 1970-х — ИВО-2, РВО-2). Принцип действия светолокатора основан на измерении обратно рассеянного зондирующего импульса в атмосфере;

— измерители дальности видимости — трансмиссометры (созданный в конце 1960-х прибор РДВ-1, в последующие десятилетия на смену ему пришли РДВ-2, РДВ-3, ФИ-1). Принцип действия трансмиссометра (регистратора прозрачности атмосферы) основан на измерении степени ослабления интенсивности световых импульсов после их прохождения через слой атмосферы, ограниченный длиной базисной линии прибора.

Результатом воздушного 3D-сканирования является облако точек — трехмерный массив точек лазерных отражений, четко классифицированный по признаку «земля / не земля» с высокой плотностью, до нескольких десятков точек на квадратный метр. Фактически результатом съемки методом воздушного лазерного сканирования является цифровая трехмерная точечная модель истинного рельефа местности с высокой плотностью и точностью.

Одновременное использование цифровой аэрофотосъемки и воздушного лазерного сканирования дает избыточный объем данных по объекту съемки, что позволяет довольно легко определять расположение и реальные формы даже довольно сложных и труднодоступных объектов на земной поверхности. Специализированные современные авиационные лазеры также способны проникать и под водную поверхность, что дает возможность получать точные данные и строить довольно точные трехмерные модели дна, что особенно востребовано в районах планирования строительства дамб, плотин, мостов и портов, а также при обследовании шельфовых зон и акваторий водоемов, в том числе протяженных речных русел.

На сегодняшний день ни один другой метод дистанционного зондирования не позволяет получать одновременно и видимую поверхность Земли (например, растительность, линии электропередачи), и истинную поверхность рельефа. Кроме того, лазерное сканирование позволяет решать задачи ночью и в условиях пониженной видимости. Данные воздушного лазерного сканирования используются для создания трехмерных моделей местности, ортофотопланов, виртуальных моделей городов, позволяют контролировать ход инженерных работ, определять уровень провисания проводов при мониторинге линий электропередачи, обследовать состояние железных дорог и другой инфраструктуры. 

До настоящего времени лазерное сканирование в России проводилось в основном с использованием пилотируемой авиации или наземных средств. Бесспорным преимуществом воздушного сканирования с беспилотника является большая скорость получения данных, высокая точность и меньшие затраты. В сочетании с аэрофотосъемкой в видимом или ИК-диапазоне, воздушное лазерное сканирование открывает широкие перспективы для получения максимально объективной информации о состоянии поверхности Земли и наземных объектов. 

Группа компаний Zala Aero — ведущий российский разработчик и производитель беспилотных воздушных систем, уникальных целевых нагрузок и других технических средств, обеспечивающих их применение. С января 2015 года Zala Aero входит в концерн «Калашников» госкорпорации «Ростех».

Основная продукция — разведывательные беспилотные системы самолетного и вертолетного типа. В настоящее время в России работает более 1000 комплексов Zala. Область применения — охрана государственных границ, разведывательные и спасательные операции, мониторинг объектов повышенной опасности и мест чрезвычайных ситуаций.