Аеробатиметричний LiDAR: Підводне картографування

Як працює аеробатиметричний LiDAR

Основним елементом технології є імпульсний зелений лазер, яка оптимально підходить для проникнення крізь чисту воду з мінімальним розсіюванням і поглинанням. Вимірювання базуються на принципі Time-of-Flight (ToF): система фіксує час проходження лазерного імпульсу від платформи до об’єкта (морського або річкового дна) та назад. Щоб забезпечити точність даних, використовується рефракційна корекція за законом Снелліуса, що враховує зміну напрямку променя при переході з повітря у воду.

Сенсорні системи – це складні багатокомпонентні установки, що включають такі ключові елементи:

1. Лазерний сканер – генерує та спрямовує лазерні імпульси у вигляді скануючих шаблонів по ділянці дослідження. Хоча деякі сканери використовують лише зелену довжину хвилі для вимірювання як батиметрії, так і топографії одночасно, інші також включають інфрачервоні лазери для точнішого збору даних з водних поверхонь. Системи з двома довжинами хвиль особливо корисні для картографування складних середовищ, де зустрічаються вода та суша.

2. Глобальна навігаційна супутникова система – забезпечує точну геоприв’язку сенсорної платформи. Високоточні диференціальні установки ГНСС, які часто використовуються з наземними базовими станціями, забезпечують корекції в режимі реального часу або з постобробкою для досягнення точності визначення положення з точністю до кількох сантиметрів. Ця можливість має вирішальне значення для створення детальних карт та вирівнювання наборів даних між кількома геодезичними місіями.

3. Інерціальний вимірювальний блок (IMU) – ці дані, у поєднанні з вихідними даними GNSS, дозволяють точно орієнтувати лазерні імпульси та точно геоприв’язувати зібрані точки у тривимірному просторі.

Разом ці компоненти створюють тісно інтегровану систему, яка генерує високороздільні, геопросторово точні набори даних. Це дозволяє проводити детальний аналіз зануреної топографії, водної рослинності та підводних структур.

Набір даних річки Піелах, отриманий за допомогою RIEGL VQ-840-G (та розфарбований окремими зображеннями DJI P1)

Ключові показники ефективності батиметричного LiDAR з повітряного простору

1. Глибина проникнення

Глибина проникнення батиметричного LiDAR залежить від прозорості води, вихідної енергії лазера та чутливості приймача. В ідеальних умовах, таких як чиста вода з низькою каламутністю, він може досягати глибини до трьох разів більшої за глибину Секкі. Наприклад, у чистих прибережних або внутрішніх водах це може означати глибину понад 30 метрів. Однак, зважені осади, водорості або інші частинки можуть розсіювати та поглинати лазер, зменшуючи його ефективну глибину. Сучасні лазерні системи з вищою енергією імпульсу та оптимізованими довжинами хвиль розроблені для подолання цих проблем, забезпечуючи більш стабільні вимірювання глибини в різних водних середовищах.

2. Точність

Батиметричний LiDAR забезпечує вражаючу точність як топографічних, так і батиметричних точок даних, досягаючи вертикальної точності в межах 10 см. Цей високий рівень точності зумовлений точною синхронізацією часу компонентів системи LiDAR, включаючи лазерний сканер, GNSS та IMU. Крім того, передові методи обробки, такі як повний аналіз форми хвилі та корекція рефракції, ще більше підвищують точність вимірювання, враховуючи такі фактори, як динаміка поверхні води та ослаблення сигналу в товщі води.

3. Щільність точок

Системи LiDAR високої щільності можуть досягати щільності точок понад 50 точок на квадратний метр, що має вирішальне значення для створення детальних цифрових моделей місцевості (ЦММ) та батиметричних карт. Таке щільне покриття даних дозволяє фіксувати дрібномасштабні об’єкти, такі як невеликі геоморфологічні структури, занурена рослинність та штучні підводні об’єкти. Досягнення такої щільності залежить від таких факторів, як висота польоту, частота повторення лазерних імпульсів та геометрія сканування. Висока щільність точок особливо цінна для таких застосувань, як моделювання середовища існування, аналіз заплав та моніторинг інфраструктури. Однак, заради безпеки очей, зелені лазери не так колімовані, як інфрачервоні лазери, що використовуються для топографічного картографування, і показують діаметр лазерного сліду на поверхні понад 10–50 см при роботі з дронів або літальних апаратів з пілотом відповідно.

Ці показники підкреслюють універсальність аеробатиметричного LiDAR у зборі детальних і точних даних у широкому діапазоні водних і наземних середовищ.

Застосування повітряного батиметричного LiDAR

1. Картографування прибережних та річкових зон – авіабатиметричний LiDAR широко використовується для картографування занурених та міжприпливних топографій, надаючи набори даних високої роздільної здатності, необхідні для управління прибережною зоною, аналізу заплав та безпеки судноплавства. Технологія допомагає виявляти підводні небезпеки, піщані мілини та схильні до ерозії ділянки, підтримуючи морську діяльність та планування інфраструктури.
   Приклад – RIEGL VQ-840-G був успішно розгорнутий в Австрії для картографування занурених русел річок з винятковою деталізацією, що дозволяє точно моделювати морфологію річки та допомагає проводити гідрологічні оцінки.
2. Гідродинамічні та ерозійні дослідження – точні цифрові моделі поверхні (DTM), отримані за допомогою батиметричного LiDAR, мають вирішальне значення для вивчення гідродинамічних процесів та перенесення осаду. Завдяки отриманню детальної інформації про морфологію русла та закономірності відкладення або ерозії осаду, ця технологія є безцінною для розуміння річкових систем та управління стабільністю водних шляхів. Морфодинамічні дослідження також можуть використовувати ці дані для документування та прогнозування змін, спричинених повенями або інфраструктурними проектами.
   Приклад : Аналізи ерозії після повені у річкових середовищах підкреслюють здатність LiDAR відстежувати зміщення осаду та кількісно визначати об’ємні зміни з часом.

3. Моніторинг довкілля – батиметричний LiDAR відіграє вирішальну роль в управлінні довкіллям, надаючи інформацію про розподіл водної рослинності, структури середовищ існування та стан екосистеми. Його здатність фіксувати атрибути поверхні та товщі води також підтримує оцінку якості води. Крім того, ця технологія допомагає виявляти занурене сміття або забруднювачі, що сприяє зусиллям з охорони та відновлення.
   Приклад : Детальні дані зануреної топографії із зелених лазерних систем використовувалися для моніторингу середовищ існування рослинності в прибережних та річкових екосистемах.

4. Управління стихійними лихами –  у сценаріях стихійних лих батиметричний LiDAR є вирішальним інструментом для моделювання та пом’якшення наслідків. Дані про висоту з високою роздільною здатністю підтримують моделювання штормових нагонів, цунамі та річкових повеней, дозволяючи прогнозним моделям оцінювати ризики та планувати евакуацію. Після стихійних лих лідар можна використовувати для кількісної оцінки збитків, таких як ерозія від штормових нагонів або зміни морфології русла після затоплення.
   Приклад : Моделі моделювання прибережних повеней, збагачені цифровими моделями поверхні (DTM), отриманими за допомогою LiDAR, допомагають прогнозувати вплив підвищення рівня моря та штормових подій.

Ці застосування демонструють універсальність батиметричного LiDAR у вирішенні критичних проблем в управлінні навколишнім середовищем та інфраструктурою, а також у зменшенні ризику стихійних лих.

Технологічний прогрес у батиметричному LiDAR

Еволюція технології батиметричного LiDAR ознаменована суттєвими інноваціями в конструкції датчиків, обробці даних та операційних платформах. Ці досягнення підвищили точність, універсальність та доступність технології, розширюючи її потенціал застосування в різних галузях. Ключові технологічні досягнення включають:

1. Повний аналіз форми хвилі – повний аналіз форми хвилі є значним прогресом в обробці даних LiDAR. Замість того, щоб фіксувати лише окремі точки, ця методика реєструє весь відбитий лазерний сигнал, що дозволяє детально моделювати водні стовпи, занурені об’єкти та навіть рівні каламутності. Аналізуючи такі атрибути, як амплітуда імпульсу, ширина відлуння та форма хвилі, повний аналіз форми хвилі може розрізняти рослинність, осад та тверді поверхні, збагачуючи набори даних для екологічних досліджень та седиментології (Ji et al., 2022). Крім того, цей підхід покращує проникнення в глибину, оптимізуючи обробку сигналів для ослаблених відбитих сигналів у каламутній воді.
2. Двохвильові системи – поєднуючи зелені та інфрачервоні лазери, двохвильові системи вирішують завдання зйомки складних середовищ (Gangelhoff et al., 2023). Зелений лазер чудово проникає крізь водні поверхні та картографує занурені об’єкти, тоді як інфрачервоний лазер надає інформацію про водну поверхню та топографічні дані про наземні поверхні та рослинність. Ця подвійна здатність забезпечує безперешкодну інтеграцію батиметричного та топографічного картографування за один політ, що робить технологію ідеальною для таких районів, як прибережні зони та береги річок, де суша та вода переплітаються.
3. Інтеграція з БПЛА – мініатюризація систем LiDAR дозволила їх інтеграцію з безпілотними літальними апаратами. Легкі, компактні системи, такі як RIEGL VQ-840-G та YellowScan Navigator, розроблені для розгортання БПЛА, що значно знижує експлуатаційні витрати та дозволяє проводити обстеження у віддалених або важкодоступних місцях. LiDARна базі БПЛА може літати на менших висотах, покращуючи просторову роздільну здатність та щільність точок, що робить його ідеальним для локалізованих досліджень, таких як картографування середовища існування або інспекції інфраструктури. Ці системи також дозволяють здійснювати частіший збір даних, підтримуючи програми, що потребують часового аналізу.

Ці досягнення демонструють зростаючу складність технології батиметричного LiDAR, що дозволяє здійснювати точніший та повніший збір даних, розширюючи її використання для нових та складних застосувань. Очікується, що майбутні інновації, такі як обробка даних на основі штучного інтелекту та вдосконалені конструкції датчиків, ще більше розширять можливості цієї трансформаційної технології.

Приклад роботи RIEGL VQ-840-G на дроні з компонентами батиметричного LiDAR датчика

Проблеми та обмеження батиметричного LiDAR

Хоча батиметричний LiDAR забезпечує чудові можливості для підводного картографування, ця технологія також має обмеження. Ці проблеми можуть вплинути на його операційну ефективність та точність даних:

1. Каламутність води – ефективність батиметричного LiDAR значною мірою залежить від прозорості води (Saputra et al., 2021). У середовищах з високим навантаженням осадових порід, цвітінням водоростей або іншими твердими частинками лазерний сигнал значно послаблюється через розсіювання та поглинання. Це зменшує глибину проникнення та обмежує можливість точного захоплення занурених об’єктів (Richter et al., 2017). Такі стратегії, як повний аналіз форми хвилі та оптимізація енергії лазерного імпульсу, допомагають зменшити це, але проблема залишається значною у водах з високим рівнем каламутності (Maas et al., 2019).
2. Умови навколишнього середовища – зовнішні фактори навколишнього середовища, такі як погода та динаміка поверхні, можуть суттєво впливати на якість даних (Tysiac, 2020). Наприклад, хмарність може блокувати сигнали GNSS, необхідні для точного геоприв’язування. Аналогічно, стан поверхні води, такий як хвилі або відбиття сонця (ефекти відблисків), може порушити здатність лазера рівномірно проникати, що призводить до невідповідностей даних. Щоб мінімізувати цей вплив, важливо проводити дослідження в спокійних умовах та у ретельно вибраний час.
3. Високі витрати – сучасні батиметричні LiDARні системи мають значні витрати не лише на обладнання, але й на обслуговування, калібрування та експлуатацію (Pricope & Bashit, 2023). Такі платформи, як пілотовані літальні апарати або безпілотні літальні апарати, оснащені спеціалізованими датчиками, такими як Teledyne Optech CZMIL Supernova або RIEGL VQ-880-GII, вимагають значних інвестицій. Ці витрати можуть бути непомірними для менш масштабних проектів або організацій. Однак постійні інновації в мініатюризації датчиків та розгортанні безпілотних літальних апаратів допомагають з часом зменшити ці витрати.

Незважаючи на ці труднощі, батиметричний LiDAR постійно розвивається. Поточні дослідження та технологічні розробки спрямовані на усунення цих обмежень та розширення його можливостей використання в ширшому діапазоні середовищ.

Майбутні перспективи батиметричного LiDAR

Майбутнє батиметричного LiDAR виглядає світлим, з постійним удосконаленням як апаратних, так і програмних технологій. Ці розробки спрямовані на подолання поточних обмежень та відкриття нових можливостей:

1. Інтеграція штучного інтелекту (ШІ) – обробка даних на базі ШІ має революціонізувати аналіз батиметричних наборів даних LiDAR. Алгоритми машинного навчання можуть покращити розпізнавання ознак, автоматизувати класифікацію даних та підвищити точність у складних середовищах. Наприклад, ШІ може допомогти виявляти занурену рослинність, шари осадових порід або підводні структури, значно скорочуючи час і зусилля, необхідні для ручної пост-обробки. Крім того, прогнозні моделі ШІ можуть імітувати зміни навколишнього середовища, такі як ерозія або зміни середовища існування, на основі історичних даних LiDAR.
2. Мініатюризація датчиків – тенденція до компактних та легких LiDARних датчиків створює нові можливості для їх розгортання. Мініатюрні датчики все частіше інтегруються з БПЛА та невеликими автономними платформами, що дозволяє проводити дослідження у важкодоступних або чутливих районах, таких як мілководні річки, коралові рифи або зони стихійних лих. Ці системи не тільки знижують витрати, але й роблять можливими часті, локалізовані дослідження, підтримуючи такі програми, як динамічний моніторинг середовища існування або оцінка інфраструктури в режимі реального часу (Szafarczyk & Tos, 2022).
3. Удосконалені сенсорні технології – майбутні датчики обіцяють вищу точність, більшу глибину проникнення та мультиспектральні можливості (Guo et al., 2022). Наприклад, досягнення в однофотонному та повнохвильовому LiDAR розширюють межі підводної роздільної здатності та проникнення, дозволяючи проводити детальні дослідження навіть у каламутній воді. Двоканальні системи, що поєднують топографічні та батиметричні можливості, ще більше оптимізують роботу в змішаних середовищах.
4. Доступність та доступність – оскільки виробничі витрати знижуються завдяки технологічному прогресу та ринковій конкуренції, батиметричний LiDAR стає доступнішим для ширшого кола користувачів (Igbinenikaro et al., 2024). Ця демократизація сприятиме його впровадженню на ринках, що розвиваються, та менш масштабним застосуванням, таким як громадський моніторинг узбережжя або проекти з відновлення навколишнього середовища.
5. Глобальні застосування – розширення застосувань у сфері пом’якшення наслідків зміни клімату, стійкості до стихійних лих та сталого управління ресурсами, ймовірно, ще більше стимулюватиме їхнє впровадження. Наприклад, батиметричний LiDAR відіграватиме вирішальну роль у моделюванні підвищення рівня моря, проектуванні стійкої прибережної інфраструктури та управлінні водними екосистемами.

Ці досягнення разом вказують на майбутнє, де батиметричний LiDAR стане стандартним інструментом як у наукових дослідженнях, так і в практичних застосуваннях, пропонуючи неперевершене розуміння підводного світу.

Висновок

Авіабатиметричний LiDAR знаходиться на передовій сучасних геопросторових технологій, що являє собою значний крок у нашій здатності картографувати та аналізувати підводне середовище. Поєднуючи точність, ефективність та універсальність, ця технологія стала важливою для застосування в гідрології, екологічній науці, розвитку інфраструктури та міському плануванні. Його здатність збирати дані високої роздільної здатності як з підводних, так і з наземних поверхонь підтримує такі важливі ініціативи, як управління прибережними зонами, готовність до стихійних лих та збереження середовища існування. Незважаючи на такі проблеми, як каламутність води та експлуатаційні витрати, постійні інновації в сенсорних технологіях, обробці даних та інтеграції платформ продовжують розширювати його можливості та доступність.

Оскільки ми стикаємося зі зростаючими екологічними проблемами та технологічним прогресом, роль батиметричного LiDAR у підтримці сталого розвитку та стійкості до стихійних лих стане ще важливішою. ​​Забезпечуючи обґрунтоване прийняття рішень та сприяючи глибшому розумінню водних та прибережних систем, ця технологія прокладає шлях для більш стійкої та сталої взаємодії з водними ресурсами нашої планети.

Джерело: HYDRO International