Что такое лидар? Как работают лидарные сканеры и где их применяют

Что такое лидар и что означает это слово?

Кратко лидар — способ измерять мир лазерным светом. Название означает light detection and ranging — оптическое обнаружение и измерение дальности: датчик излучает лазерную энергию, принимает отражение от поверхности и преобразует время или фазу возврата в расстояние.

Одно расстояние само по себе мало полезно. Сканер мощен тем, что также записывает точный горизонтальный и вертикальный угол каждого измерения. Расстояние и два угла дают координаты X, Y, Z; сканер повторяет это от сотен тысяч до миллионов раз в секунду.

Результат — облако точек: плотный набор 3D-точек, часто с интенсивностью и цветом, описывающий форму зданий, рельефа, технических помещений, дорог или промышленных деталей. Инженеры затем измеряют, моделируют и сравнивают данные вместо повторного выезда.

Как работает лидарная технология?

Лидар измеряет время пути света к цели и обратно либо изменение фазы модулированного луча. Оба метода опираются на постоянную скорость света — примерно 300 000 км/с.

Импульсный лидар по времени пролёта

Импульсный сканер посылает короткий лазерный импульс и измеряет время возврата. Расстояние равно скорости света, умноженной на время пути туда и обратно и делённой на два. Сильные короткие импульсы обеспечивают большую дальность и хорошую работу на улице и с самолёта.

Фазовый лидар

Фазовый сканер излучает непрерывный луч, модулированный на известных частотах, и сравнивает фазы исходящего и возвращённого сигналов. Это даёт очень высокую скорость измерения и малый шум на малой и средней дальности, поэтому метод используют многие наземные сканеры зданий.

Отклонение луча и позиционирование

Зеркала, вращающиеся головки или твердотельная оптика направляют луч по сцене. Наземные сканеры вращаются на неподвижном штативе, а мобильные и воздушные добавляют GNSS и IMU либо SLAM-ПО для определения положения датчика в каждый момент.

Каковы основные типы лидарных систем?

Системы обычно группируют по носителю: в воздухе, на штативе, на транспорте или в руке. Платформа определяет скорость покрытия, точность и стоимость сильнее любой отдельной характеристики датчика.

Это типичные диапазоны, а не гарантии. Реальная точность зависит от расстояния, поверхности, калибровки, геопривязки и обработки. Подробности штативных работ — в руководстве по точности и полевому процессу наземного лазерного сканирования.

2D-лидар и 3D-лидар

2D-лидар сканирует одну плоскость, подходящую для обнаружения препятствий роботами и системами безопасности. 3D-лидар добавляет вторую ось вращения или несколько лучей и снимает полные объёмы. Геодезия и лидарное картографирование почти всегда требуют 3D-данных.

Что делает лидарный сканер в геодезии и строительстве?

В геодезии и строительстве лидар полностью и быстро фиксирует существующее состояние, позволяя измерять в офисе вместо поля. Он заменяет множество отдельных измерений рулеткой, тахеометром или GNSS миллионами точек.

• Лидарная топография и топосъёмка: воздушные и дроновые лидары создают модели голой земли, горизонтали и анализ склонов на больших площадях.
• Исполнительная съёмка и Scan to BIM: наземные сканеры фиксируют конструктивные, инженерные и архитектурные детали для реконструкции и проверки коллизий.
• Картографирование инфраструктуры: мобильная съёмка дорог, мостов, туннелей и железных дорог фиксирует габариты и состояние поверхности.
• Объёмы: штабели и земляные работы измеряют по повторным сканам.
• Мониторинг деформаций: сравнение сканов во времени выявляет осадки и смещения.

Строительный лидар особенно полезен на сложных, загруженных или опасных объектах: бригада держится на расстоянии и фиксирует всё за один проход. Обзор SLAM-сканирования и ручного мобильного картографирования рассматривает съёмку обходом помещений и туннелей.

Насколько точен лидар и что ограничивает дальность?

Точность главным образом зависит от платформы, расстояния до цели и качества геопривязки. Наземные сканеры обычно самые точные; воздушные обменивают точность на покрытие.

Дальность ограничивают мощность лазера, класс безопасности для глаз, отражательная способность поверхности и частота измерений. Тёмные, влажные или блестящие поверхности возвращают меньше света, поэтому дальность обычно указывают для конкретного отражения, например 90 % белой или 18 % серой цели. Более высокая скорость обычно уменьшает максимальную дальность.

Реальный пример: наш наземный 3D лазерный сканер измеряет до 2 млн точек/с в диапазоне 0,5–70 или 0,5–150 м (белая цель, 90 %). Дальнобойная версия достигает 614 м при 0,5 млн точек/с, но 153 м при 2 млн точек/с, наглядно показывая компромисс скорости и дальности.

Длина волны лидара и безопасность глаз

Большинство геодезических лидаров использует ближний инфракрасный свет. Распространены волны около 905 и 1550 нм; диапазон 1550 нм допускает большую мощность в пределах безопасности глаз. Зелёный свет около 532 нм проникает в воду и используется в батиметрии. Классы лазерной безопасности определены IEC 60825-1; класс 1 означает безопасность глаз при нормальном использовании.

Лидар, лазерное сканирование и фотограмметрия

Лидар и лазерное сканирование — по сути одна технология; «лазерный сканер» обычно означает штативный или ручной геодезический прибор, а «лидар» чаще относится к воздушным, автомобильным и мобильным датчикам. Спор «лазер или лидар» в основном терминологический.

Полезнее сравнивать лидар с фотограмметрией, строящей 3D-модели по перекрывающимся фотографиям.

Многие проекты сочетают методы: лидар для геометрии, камеру для цвета. «Лидарная камера» обычно и означает пару датчика глубины с RGB-камерой.

Обработка лидарных данных: от исходных сканов к результатам

Исходные лидарные данные становятся полезными после обработки: сшивки, очистки, классификации и моделирования. Заложите офисное время: оно часто превышает полевые работы.

1. Импорт и сшивка: объедините отдельные сканы в одной системе координат по маркам, общей геометрии или траекториям GNSS/IMU.
2. Геопривязка: привяжите облако к геодезической опоре для соответствия координатам проекта.
3. Очистка: удалите шум, движущиеся объекты и посторонние точки.
4. Классификация: разделите землю, растительность, здания и другие классы, особенно для моделей рельефа.
5. Получение результатов: цифровые модели рельефа, горизонтали, сечения, 2D-чертежи, сетки, лидарные 3D-модели или BIM-элементы.
6. Экспорт: открытые форматы LAS/LAZ и E57 обеспечивают переносимость между приложениями.

Руководство по обработке и сшивке облаков точек подробнее объясняет каждый этап.

Стоимость лидара и выбор сканера

Стоимость сильнее зависит от платформы и класса точности, чем бренда. Бюджетные лидарные датчики робототехники недороги, а наземные, ручные и воздушные системы геодезического класса — профессиональное капитальное оборудование.

Как общий ориентир, геодезические ручные и наземные сканеры обычно стоят десятки тысяч долларов США, воздушные системы — больше. ПО, обучение и время обработки увеличивают итог. Это только ориентиры; точная цена зависит от конфигурации.

При выборе сначала ответьте на вопросы:

• Какой результат нужен и с какой точностью?
• Работа в основном внутри, снаружи или на длинных коридорах?
• Какие максимальная дальность и скорость нужны типичному объекту?
• Нужна ли геопривязка к GNSS-опоре?

Для съёмки обходом ручной SLAM лазерный сканер весит 925 г и после постобработки даёт толщину облака ≤ 1 см. Mars Geosystems поставляет сканеры от одной единицы с OEM-вариантами для дистрибьюторов; можно запросить предложение на лидарное оборудование, описав проект.

Дополнительный материал наших инженеров: сравнение типов лидаров.

Часто задаваемые вопросы