Типы лидаров: воздушные, наземные, мобильные, батиметрические

Краткий ответ: основные типы лидаров — воздушные (на самолётах и дронах), наземные (неподвижные штативные сканеры), мобильные (автомобильные, рюкзачные и ручные SLAM-системы) и батиметрические (зелёный лазер для измерений сквозь воду). Спутниковые лидары — отдельная специализированная категория. Принцип оптического обнаружения и измерения дальности одинаков, но отличаются платформа, дальность, плотность точек и точность — от дециметров в региональном картографировании до миллиметров в наземном сканировании.

Главное

Лидары классифицируют главным образом по платформе: воздушные, наземные, мобильные, батиметрические и спутниковые.
Наземные сканеры дают наивысшую точность, обычно миллиметры вблизи; воздушные лидары покрывают крупнейшие площади с сантиметровой или дециметровой точностью.
Батиметрический лидар использует зелёный свет (около 532 нм), проникающий в воду, а топографический обычно работает в ближнем инфракрасном диапазоне.
Три главных метода измерения дальности лидаром — импульсный по времени пролёта, фазовый и непрерывный с частотной модуляцией (FMCW).
Радар использует радиоволны, проходящие через облака и некоторые материалы; лидар использует свет и даёт гораздо более высокое разрешение.

Каковы основные типы лидаров?

Основные типы лидаров — воздушные, наземные, мобильные и батиметрические системы, сгруппированные по несущей датчик платформе и измеряемой поверхности. Каждый тип — полная система: лазер, приёмник, механизм сканирования, блок измерения времени и средство определения положения и ориентации датчика.

Lidar означает light detection and ranging — оптическое обнаружение и измерение дальности. Простыми словами, что такое лидарная технология? Это измерение расстояния посылкой лазерного света к поверхности и определением времени отражения, повторяемое от сотен тысяч до миллионов раз в секунду для создания 3D-облака точек. Введение что такое лидар объясняет принцип; здесь мы сравниваем типы для выбора под проект.

Тип	Платформа	Типичная точность	Типичное покрытие	Основные применения
Воздушный топографический	Самолёт, вертолёт, дрон	Примерно 3–15 см по высоте	От гектаров до тысяч км²	Модели рельефа, лесное хозяйство, карты затопления, коридоры
Батиметрический / топобатиметрический	Самолёт или дрон с зелёным лазером	Дециметровый уровень, зависит от воды	Береговые линии, реки, мелководное морское дно	Прибрежные зоны, русла рек, картографирование местообитаний
Наземная (TLS)	Неподвижный штатив	Миллиметры на короткой дистанции	От комнаты до здания или предприятия	BIM, предприятия, наследие, мониторинг деформаций
Мобильный (транспортный)	Автомобиль, поезд, судно с GNSS/INS	Сантиметровый уровень при хорошем GNSS	Километры автомобильных или железных дорог в день	Дороги, железные дороги, уличные объекты, модели городов
Ручной / рюкзачный SLAM	Пеший оператор	Примерно 1–3 см относительно	Здания, туннели, леса	Картографирование помещений, шахты, быстрая исполнительная съёмка
Спутниковый	Аппарат на околоземной орбите	Различается; предназначен для науки	Глобальные профили	Лёд, высота леса, глобальные высоты

Что такое воздушный лидар и как он работает?

Воздушный лидар — лазерный сканер на самолёте или дроне, сканирующий землю внизу, пока GNSS-приёмник и инерциальный измерительный блок (IMU) записывают точную траекторию датчика. Сочетание дальности, угла сканирования и траектории даёт координаты каждого отражения.

Воздушный лидар обычно использует ближний инфракрасный свет и излучает от сотен тысяч до более миллиона импульсов в секунду. Важное преимущество — несколько отражений: один импульс частично отражается от листьев, веток и наконец земли, позволяя моделировать землю под лесными кронами. Поэтому метод преобладает в национальных высотных программах и моделировании затоплений.

Есть два масштаба воздушных работ:

Пилотируемые самолёты: большие площади, большие высоты и уровни качества вроде базовой лидарной спецификации Геологической службы США (USGS). Широко используемый Quality Level 2 требует не менее 2 точек/м² и вертикальной RMSE 10 см на участках без растительности.
Дроновый лидар: меньшие объекты с гораздо большей плотностью точек и меньшей высотой; выбор нагрузки — в руководстве по геодезическим дронам и картографированию с БПЛА.

Многие общедоступные воздушные данные бесплатны. В США программа USGS 3D Elevation Program (3DEP) обеспечивает национальное покрытие, а просмотрщик 3DEP LidarExplorer позволяет находить и скачивать тайлы. Многие другие страны публикуют сходные национальные наборы.

Что такое батиметрический и топобатиметрический лидар?

Батиметрический лидар измеряет глубину воды и форму дна зелёным лазером, обычно около 532 нм, проникающим в воду гораздо лучше ближнего инфракрасного света. Топобатиметрический лидар объединяет ближний инфракрасный канал для суши с зелёным для воды, непрерывно картографируя переход суша–вода.

Система регистрирует отражение от поверхности воды и от дна; разность времени с поправками на преломление и меньшую скорость света в воде даёт глубину. Проникновение сильно зависит от прозрачности: в чистой прибрежной воде достигает десятков метров, в мутных реках — лишь нескольких метров или меньше.

Типичные задачи — мониторинг береговой эрозии, подходы к портам, модели речных русел и пойм, картографирование местообитаний. Для мутной или глубокой воды обычная альтернатива — многолучевой эхолот на судне.

Что такое наземный лидар и лидарный сканер на штативе?

Наземный лидар сканирует с неподвижного штатива на земле и даёт наивысшую точность и плотность среди типов лидаров. Сканер вращается горизонтально, а зеркало отклоняет луч вертикально, покрывая почти полную сферу на каждой установке.

Несколько установок сшивают в одно облако точек. Типичная миллиметровая точность вблизи делает наземное 3D лазерное сканирование стандартом для BIM, проверки конструкций, промышленных предприятий и наследия. Наш наземный 3D лазерный сканер собирает до 2 млн точек/с при массе 4,4 кг, имеет версии 70 и 150 м (на белых целях с отражением 90%) и дальнобойную версию, а также цвет HDR. Для крупных объектов наш высокоскоростной наземный лазерный сканер работает до 1000 кГц с полем зрения 360° × 282° и безопасным для глаз лазером класса 1.

Когда сканы должны опираться на точную геодезическую основу, например в туннелях и мониторинге, сканирующий тахеометр объединяет тахеометрические углы и расстояния с 3D-сканированием. Полный статический процесс описан в статье о наземном лазерном сканировании.

Что такое мобильный лидар? Транспортные, рюкзачные и ручные системы

Мобильный лидар сканирует с движущейся платформы — автомобиля, поезда, судна, рюкзака или ручного устройства — непрерывно вычисляя собственную траекторию. Транспортные системы используют GNSS и высококлассный IMU; ручные и рюкзачные главным образом полагаются на одновременную локализацию и картографирование (SLAM).

Мобильное картографирование с транспорта: съёмка дорог, железных дорог и уличных объектов со скоростью потока. При хорошем GNSS точность сантиметровая, но ухудшается в городских каньонах и туннелях без добавления опорных точек.
Рюкзачный и ручной SLAM: здания, шахты, леса и любые места без GNSS. Наш ручной SLAM лазерный сканер весит 925 г, измеряет от 0,1 до 70 м и после постобработки обеспечивает толщину облака точек 1 см или лучше.

Мобильное лидарное картографирование обменивает часть точности на скорость: здание, требующее дня штативных установок, часто можно обойти менее чем за час. Материал что такое SLAM объясняет самопозиционирование этих систем и контроль дрейфа.

Каковы компоненты лидара и методы измерения дальности?

Каждая лидарная система имеет общие основные компоненты: лазерный излучатель, механизм отклонения луча, приёмник, точную временную электронику и систему позиционирования. Измерение расстояния различается по трём методам.

Излучатель: импульсный или непрерывный лазер, обычно 905, 1064 или 1550 нм для топографии и 532 нм для воды.
Сканирующий механизм: вращающиеся зеркала, призмы или головки; некоторые новые датчики твердотельные.
Приёмник: фотодетектор лидара, регистрирующий возвращённый свет и его интенсивность.
Положение и ориентация: GNSS/IMU в воздушных и транспортных системах, SLAM в ручных или неподвижная установка наземного сканера.

Метод дальнометрии	Как измеряет	Типичные преимущества
Импульсный по времени пролёта	Измеряет время пути каждого импульса туда и обратно	Большая дальность, несколько отражений; воздушные и дальнобойные сканеры
Фазовый	Сравнивает фазу модулированного непрерывного луча	Очень высокая скорость и низкий шум на малой и средней дальности
FMCW	Измеряет разность частот луча с частотной развёрткой	Также измеряет скорость; развивается в автомобильных датчиках

Разрешение лидара — минимальная различимая деталь — зависит от шага точек, расходимости луча (размера пятна на дистанции) и шума дальности, а не только скорости сбора точек.

Радар и лидар: в чём разница?

Радар использует радиоволны, лидар — свет: радар видит сквозь облака, дождь и некоторые материалы, но с более грубым разрешением, а лидар различает мелкие детали, но блокируется туманом, сильным дождём и твёрдыми поверхностями. Длины волн лидара около 1 микрометра, радара — от миллиметров до метров.

Критерий	Лидар	Радар
Сигнал	Лазерный свет (видимый или ближний инфракрасный)	Радиоволны или микроволны
Разрешение	От миллиметров до сантиметров	Обычно грубее
Погода	Ухудшается из-за тумана, дождя, пыли	В основном не влияет
Проникновение	Через просветы в растительности; зелёный свет — в воду	В грунт, бетон или лёд у георадара
Геодезическое применение	3D-картографирование поверхностей	Подповерхностная съёмка и спутниковое картографирование деформаций

В геодезии радарная съёмка обычно означает одно из двух: наземное исследование георадаром (GPR) для поиска подземных коммуникаций и пустот или спутниковую радарную интерферометрию для измерения движений земли. Ни один метод не заменяет лидар: они измеряют разные вещи.

Как выбрать тип лидара, ПО или исполнителя лидарных услуг

Выбирайте тип лидара по точности, площади и среде проекта; затем проверьте, что ПО обрабатывает и выдаёт данные в форматах ваших заказчиков.

Определите точность: миллиметры указывают на наземное сканирование; сантиметры — на мобильный или дроновый лидар; дециметры — на пилотируемую воздушную съёмку.
Определите площадь и форму: комнаты и здания (наземный или SLAM), площадки (дрон), коридоры (мобильный или VTOL-дрон), регионы (самолёт).
Учтите среду: растительность, воду, доступность GNSS и доступ на объект.
Спланируйте опору: GNSS- и тахеометрическая опора привязывает все типы лидаров к проектной системе координат.
Проверьте обработку: ПО для сшивки, классификации и моделирования; картографическое лидарное ПО и ГИС-инструменты для моделей рельефа и анализа.

Многие компании покупают наземные или ручные сканеры для ежедневной работы и заказывают воздушную или батиметрическую съёмку, где самолёты и специальные датчики делают подряд экономичнее. Чтобы сравнить сканеры для ваших задач, запросите предложение с типичным размером проекта и требуемой точностью.

Часто задаваемые вопросы

Чем радар отличается от лидара?

Радар посылает радиоволны, лидар — лазерный свет. Радар работает сквозь облака и дождь и в виде георадара проникает в грунт, но его разрешение грубее. Лидар подробно измеряет поверхности и может снимать землю под растительностью через промежутки в кронах, но туман, дождь и пыль уменьшают дальность.

Что такое ladar?

Ladar означает laser detection and ranging — лазерное обнаружение и измерение дальности. Это старый термин, преимущественно военный, для того же принципа, что lidar: определения расстояния по времени отражённого лазерного света. Датчики ladar и lidar работают одинаково; в геодезии и картографировании стандартным стал термин lidar.

Какова дальность обнаружения лидара?

Она зависит от типа. Ручные SLAM-сканеры обычно достигают десятков метров, наземные — от примерно 70 м до нескольких сотен метров, дальнобойные наземные и воздушные датчики — гораздо дальше, при высотах самолёта от сотен до тысяч метров над землёй. Дальность падает на тёмных, влажных или наклонных поверхностях и в тумане, дожде или пыли.

Лидар и лазерное сканирование: в чём разница?

Принципиальной разницы нет: 3D лазерный сканер — разновидность лидарной системы. На практике «лазерным сканированием» чаще называют штативные и ручные геодезические сканеры, а «лидаром» — воздушные, мобильные и автомобильные датчики. Простой лидарный дальномер измеряет одно расстояние, а сканер разворачивает луч для сбора миллионов точек.

Какой тип лидара самый точный?

Самое точное — наземное сканирование со штатива, обычно миллиметровое на короткой дистанции: прибор неподвижен и близок к поверхности. Мобильные и дроновые лидары обычно дают сантиметровый уровень, а пилотируемые воздушные — от нескольких сантиметров до дециметров в зависимости от высоты, качества GNSS и калибровки.

Видит ли лидар сквозь воду?

Обычный ближний инфракрасный лидар в основном поглощается или отражается поверхностью воды и не снимает подводный рельеф. Батиметрический лидар использует проникающий в воду зелёный свет около 532 нанометров и картографирует дно на глубинах от нескольких метров в мутных реках до десятков метров в прозрачной прибрежной воде.

Можно ли бесплатно скачать лидарные данные?

Многие общедоступные воздушные лидарные данные бесплатны. В США программа USGS 3D Elevation Program предоставляет национальное покрытие для поиска и скачивания через онлайн-просмотрщики; другие страны также публикуют государственные высотные данные. Перед инженерным проектированием проверяйте дату, плотность точек и точность открытых данных.