LiDAR a fotogrametria w badaniach dronami

Wykrywanie za pomocą dronów stało się w ostatnich latach coraz bardziej popularne.

Mapowanie lotnicze z wykorzystaniem bezzałogowych statków powietrznych pomaga zespołom zbierać cenne informacje z powietrza w sposób szybki, wydajny, bezpieczny i niedrogi, jednocześnie przyczyniając się do kształtowania procesów decyzyjnych, poprawy komunikacji oraz zwiększania przychodów i wyników.

W miarę jak trend wykorzystania dronów do pomiarów nabiera tempa, pojawia się regularnie jedno pytanie: która metoda gromadzenia danych jest najlepsza: LiDAR czy fotogrametria?

Niedawne wprowadzenie na rynek zestawów mapujących L1 i P1 firmy DJI pokazuje rosnące zainteresowanie i zapotrzebowanie na te dwie metody mapowania lotniczego; L1 (poniżej, po prawej) to czujnik LiDAR (z funkcjonalnością fotogrametryczną), natomiast P1 (poniżej, po lewej) to dedykowany zestaw do fotogrametrii z pełnoklatkową matrycą o wysokiej rozdzielczości 45 MP.

Wydaje się zatem zasadne porównanie tych dwóch metod mapowania lotniczego. Czym one są? Jakie są ich zalety i wady? Kiedy należy je stosować? I czy któraś z nich jest lepsza od drugiej?

Czym jest LiDAR?

LiDAR oznacza wykrywanie i pomiar odległości za pomocą światła (ang. Light Detection and Ranging).

Jak więc działa LiDAR? LiDAR, znany również jako skanowanie laserowe 3D, działa poprzez wysyłanie impulsów świetlnych w stronę powierzchni ziemi lub znajdującego się na niej elementu i mierzenie czasu potrzebnego na ich odbicie.

Czas potrzebny na powrót do źródła LiDAR wskazuje dokładną odległość obiektu lub cechy terenu. Jest to znane jako zasada czasu przelotu (ToF – Time of Flight).

Daje to dokładną pozycję punktu, w którym laser uderzył w powierzchnię ziemi. W zależności od użytego czujnika, jednostki LiDAR mogą emitować setki tysięcy impulsów na sekundę, pomagając w tworzeniu szczegółowej wizualizacji tego, na czym skupia się czujnik.

Można to następnie wykorzystać do tworzenia chmur punktów 3D; dokładnej wizualizacji przedstawiającej ukształtowanie terenu, topografię oraz cechy zeskanowanego obszaru.

Powyższy obraz – terminalu gazowego Shell w Bacton, uchwycony za pomocą L1 – przedstawia chmurę punktów LiDAR.

Drony wyposażone w technologię LiDAR stały się użytecznym narzędziem do pomiarów lotniczych w wielu zastosowaniach, takich jak leśnictwo, rolnictwo czy budownictwo.

Czym jest fotogrametria?

Fotogrametria to sztuka wykonywania fotografii o wysokiej rozdzielczości w celu odtworzenia obszaru objętego pomiarami.

Obrazy te są przetwarzane i łączone przy użyciu zaawansowanego oprogramowania w celu stworzenia realistycznych, georeferencyjnych i mierzalnych modeli 3D świata rzeczywistego.

W zależności od oprogramowania, te cyfrowe bliźniaki mogą być w pełni interaktywne, pomagając zespołom w szybkim i łatwym dostępie do kluczowych informacji i ich przyswajaniu.

Fotogrametria może być również wykorzystywana do tworzenia szczegółowych map 2D. Te zbiory danych ortofotomap stanowią dokładne fotograficzne odwzorowania obszaru wraz z informacjami georeferencyjnymi.

Aby to zilustrować: pierwszy obraz to ortofotomapa 2D gospodarstwa rolnego, podczas gdy drugi to model 3D obiektu, oba wykonane za pomocą kamery fotogrametrycznej P1.

Liczba zdjęć potrzebnych do uzyskania wartościowych zbiorów danych fotogrametrycznych waha się od setek do tysięcy, w zależności od wielkości terenu i pożądanej dokładności.

Zastosowania fotogrametrii są bardzo szerokie i obejmują zarządzanie projektami, mapowanie miejsc zdarzeń, marketing, wykonywanie obliczeń i pomiarów hałd, mapowanie topograficzne oraz pomiary budynków.

LiDAR vs fotogrametria – Zalety i wady

Jak wszystko, LiDAR i fotogrametria mają swoje dobre i złe strony.

Czynniki te, wraz z zakresem misji, mogą determinować wybór jednej z tych aplikacji.

Wszechstronność misji
Jedną z głównych zalet stosowania LiDAR w porównaniu z fotogrametrią jest poprawa wydajności podczas określonych misji.

Na przykład LiDAR jest skuteczniejszy, a co za tym idzie dokładniejszy, na obszarach pomiarowych o dużej gęstości roślinności.

Dlaczego? Ponieważ impulsy LiDAR są w stanie przenikać przez szczeliny między liśćmi i gałęziami, docierając do poziomu gruntu.

W przeciwieństwie do tego, w tradycyjnej fotogrametrii roślinność może uniemożliwić uzyskanie dokładnego odwzorowania topografii podłoża.

Z tego powodu LiDAR jest dokładniejszym rozwiązaniem niż fotogrametria do tworzenia numerycznego modelu terenu (DTM); modelu „nagiej ziemi” (bez znajdujących się na niej obiektów/budynków) zawierającego dane o wysokości terenu.

Ten zestaw danych, udostępniony heliguy™ przez Bena Bishopa, dyrektora technicznego Flythru Limited, pokazuje różnice między LiDAR a fotogrametrią w rejestrowaniu poziomu gruntu w celu wygenerowania DTM.

Biorąc pod uwagę gęstość roślinności w tym przykładzie, fotogrametria (niebieski) sprawdziła się dobrze, ale wykres pokazuje przewagę LiDAR (różowy) w tej sytuacji.

Zwróćmy uwagę, na przykład, na grubą różową linię (i brak niebieskiej) na podłożu w miejscach bezpośrednio pod drzewami, co pokazuje, w jaki sposób impulsy LiDAR mogą uderzać w grunt na obszarach o dużej roślinności, w przeciwieństwie do fotogrametrii.

Różni się to od numerycznego modelu pokrycia terenu (DSM), który reprezentuje powierzchnię ziemi i obejmuje wszystkie znajdujące się na niej obiekty. Zarówno LiDAR, jak i fotogrametria są dobrymi rozwiązaniami do tworzenia DSM.

Statystyki podają, że LiDAR może przenikać przez obszary o nawet 90% pokryciu roślinnością, podczas gdy w przypadku fotogrametrii jest to bliżej 60%.

Z tego właśnie powodu LiDAR stał się ulubionym narzędziem profesjonalistów z branży leśnej.

LiDAR jest nie tylko bardziej skuteczny na obszarach o dużej roślinności, ale lepiej sprawdza się również podczas misji wykonywanych w warunkach słabego oświetlenia, a nawet w nocy, bez potrzeby korzystania z zewnętrznego źródła światła.

W przeciwieństwie do tego, na wyniki lotu drona fotogrametrycznego może mieć poważny wpływ słabe oświetlenie, kurz czy zachmurzenie.

Dzięki wysokiej gęstości próbkowania punktów i naturze bezpośredniego pomiaru LiDAR, jest on również skuteczniejszy w mierzeniu i rejestrowaniu małych/wąskich obiektów, takich jak linie energetyczne, rurociągi oraz elementy o ostrych krawędziach.

Jest to widoczne w tych dwóch zestawach danych. Linie energetyczne są widoczne na środku obrazu po lewej stronie – wykonanego za pomocą czujnika LiDAR L1 – ale nie widać ich na ortofotomapie 2D tej samej sceny, zarejestrowanej za pomocą czujnika fotogrametrycznego P1.

Z tego powodu LiDAR może być również wykorzystywany do dokonywania złożonych pomiarów odległości między przewodami a drzewami, co pokazuje poniższy obraz,  jak wykazała firma Keltbray w tym studium przypadku.

Łatwość użycia
Dostępność to jedna z największych różnic między LiDAR a fotogrametrią.

LiDAR jest dość złożony i wymaga wysokiego poziomu wiedzy, co może zwiększać margines błędu i zapotrzebowanie na doświadczonego specjalistę.

Jednakże DJI L1 pomaga zniwelować tę lukę, upraszczając procesy LiDAR i czyniąc je bardziej dostępnymi dla szerszego grona osób.

Mimo to, ogólnie rzecz biorąc, fotogrametria jest prostszą metodą pomiarową.

Owszem, należy wziąć pod uwagę pewne rzeczy, na przykład to, jaka wysokość lotu zapewni najlepszą terenową rozdzielczość terenową (GSD – Ground Sampling Distance) i jaki stopień pokrycia obrazu jest potrzebny, aby zapewnić najdokładniejszy model.

Ale ogólnie rzecz biorąc, postępy w fotogrametrii dronowej pozwoliły na uproszczenie procesów, przyczyniając się do udostępnienia dokładnych map i modeli każdej organizacji posiadającej drona z przyzwoitą kamerą.

Zbiory danych
Różnica między zbiorami danych LiDAR a fotogrametrią jest ogromna.

Zbiór danych LiDAR składa się z tysięcy punktów – lub odbić – tworzących szczegółową chmurę punktów 3D, która wyznacza zarys terenu i jego wysokości.

Z tego powodu zestaw danych LiDAR nie zawsze tworzy atrakcyjny wizualnie obraz i może wymagać wysokiego poziomu umiejętności do interpretacji. Czasami, jeśli chodzi o szczegółowe powierzchnie i cechy, LiDAR może być mało precyzyjny, co oznacza, że można mieć wątpliwości co do tego, co się faktycznie widzi.

Mając to na uwadze, możesz uzyskać wizualnie bardziej przystępny model, wykorzystując kolor z oddzielnych zestawów danych.

Ponadto niektóre systemy LiDAR, w tym L1, posiadają funkcje fotogrametryczne, które pomagają dodać więcej szczegółów do chmury punktów i ułatwiają wzajemne odniesienia. W rzeczywistości operatorzy L1 korzystają z możliwości generowania kolorowych modeli chmur punktów w czasie rzeczywistym.

Ale zapomnijmy na chwilę o estetyce: osoby potrafiące interpretować zestaw danych LiDAR znają jego prawdziwą wartość dla określonych zastosowań.

W przeciwieństwie do tego, fotogrametria tworzy modele oparte na setkach lub tysiącach zdjęć świata rzeczywistego, które są ze sobą łączone.

Z tego powodu mapa 2D lub model 3D stworzony za pomocą tej techniki pomiarowej jest natychmiast rozpoznawalny, co pomaga zespołom szybko i łatwo uzyskiwać dostęp do cyfrowych bliźniaków, udostępniać je i rozumieć.

Ponieważ fotogrametria obejmuje zdjęcia w wysokiej rozdzielczości, jest w stanie uchwycić szczegóły wizualne każdej cechy terenu i, w przeciwieństwie do niektórych chmur punktów LiDAR, wyodrębnia to, co abstrakcyjne, z zestawu danych.

Na przykład te dwa zdjęcia budynków w centrum Henderson, wykonane przez wydział inżynierii miasta Henderson, pokazują różnice między zestawami danych LiDAR (górne zdjęcie) a fotogrametrycznymi (dolne zdjęcie). Pełne studium przypadku możesz przeczytać tutaj.

Z tych powodów – oraz z faktu, że pomiary z drona pozwalają na uzyskanie powtarzalnych danych – fotogrametria stała się kluczowym narzędziem dla wizualizacji lotniczych, monitorowania zmian i śledzenia postępów prac, na przykład na placu budowy.

Koszt
LiDAR wykorzystuje lasery, podczas gdy fotogrametria opiera się na obrazach zebranych przez kamerę.

Tradycyjnie czujniki LiDAR były duże, więc wymagany był większy statek powietrzny.

Dlatego fotogrametria stała się znana jako rozwiązanie bardziej opłacalne niż LiDAR.

Jednak ta różnica się zaciera. Weźmy na przykład moduł LiDAR L1 firmy DJI, który stanowi tańsze i bardziej kompaktowe rozwiązanie w porównaniu z innymi czujnikami LiDAR na rynku.

Dzięki ciągłej innowacji istnieje duża szansa, że LiDAR będzie stawał się coraz bardziej dostępny (pod względem ceny i zastosowania).

LiDAR kontra fotogrametria: co jest dokładniejsze?

Jeśli chodzi o pomiary, jedną z najważniejszych kwestii jest dokładność.

Przy prawidłowym wykonaniu, zarówno LiDAR, jak i fotogrametria są niezawodnymi i dokładnymi metodami.

Jednak zanim przejdziemy dalej, oto definicje dwóch terminów, które są integralną częścią tej sekcji:

• Dokładność względna (pionowa): dokładność względna odnosi się do dokładności punktów danych w zestawie danych względem siebie. Jeśli odległość między punktem A a punktem B w terenie wynosi 62,128 m, przy całkowitej dokładności względnej +/- 20 mm należałoby oczekiwać, że odległość modelu będzie mieścić się w przedziale od 62,126 m do 62,130 m. Dane o dokładności względnej BĘDĄ zbierane w odniesieniu do układu współrzędnych, ale nie z wysoką dokładnością bezwzględną.
• Dokładność bezwzględna (pionowa): dokładność bezwzględna odnosi się do dokładności zestawu danych w odniesieniu do układu współrzędnych lub punktu odniesienia. Na przykład przy dokładności bezwzględnej 20 mm margines błędu wynosiłby 40 mm (20 mm w każdym kierunku).

Dokładność drona LiDAR

Gdy dokładność jest najważniejsza, LiDAR jest niezwykle niezawodnym rozwiązaniem.

Pamiętaj, że LiDAR działa poprzez uderzanie w powierzchnię ziemi lub znajdujący się na niej obiekt, wystrzeliwując impulsy laserowe z góry i mierząc odbicie. Reprezentuje zatem pomiar bezpośredni.

To, wraz z integracją z danymi GNSS, pomaga nadać Twojej cyfrowej mapie terenu wysoki poziom dokładności pionowej.

LiDAR jest również idealnym rozwiązaniem do uzyskania dokładności bezwzględnej, zwłaszcza jeśli zamierzasz stworzyć realistyczny model gołego gruntu, dzięki zdolności do uwzględnienia wzniesień i roślinności.

W rzeczywistości, dzięki wysokiej gęstości punktów danych LiDAR (z czujnikami emitującymi setki punktów na metr kwadratowy), geodeci mogą tworzyć naprawdę solidny zestaw danych.

Jako uwaga na marginesie, przy sprawdzaniu różnych rozwiązań LiDAR kluczową specyfikacją jest częstotliwość impulsów laserowych. Wyższa częstotliwość impulsów pozwala na zbieranie większej liczby pomiarów na sekundę, tworząc bardziej szczegółowe modele i zmniejszając liczbę lotów potrzebnych do pokrycia określonego obszaru.

Ale LiDAR to system złożony i wiele czynników decyduje o jego dokładności.

Nie chodzi tylko o czujnik LiDAR: inne systemy wysokiej precyzji, takie jak pozycjonowanie satelitarne (dane GNSS) i jednostka inercyjna (IMU), muszą być wysokiej jakości, aby zbudować dokładną chmurę punktów, która wiernie odzwierciedla obszar pomiarowy, jego teren, topografię i cechy.

Ogólnie jednak LiDAR ma tendencję do tworzenia skanów z większą szczegółowością i dokładnością niż fotogrametria.

Dokładność fotogrametrii z drona
Nie oznacza to jednak, że fotogrametria nie jest dokładnym rozwiązaniem pomiarowym.

Wręcz przeciwnie. W rzeczywistości niektóre drony mogą zapewnić dokładność na poziomie centymetrów.

Istnieje jednak kilka ważnych czynników, które mogą wpłynąć na dokładność.

Na przykład jakość drona i kamery.

Rozmiar matrycy, jej rozdzielczość i ogniskowa wpływają na odległość terenową piksela (GSD) oraz wymaganą wysokość lotu.

Dla wyjaśnienia, GSD definiuje się jako odległość (w calach, centymetrach lub milimetrach) między środkami dwóch kolejnych pikseli na mapie.

Jeśli więc dron osiąga GSD 5 cm/px, oznacza to, że jeden piksel na mapie cyfrowej odpowiada 5 cm w rzeczywistości.

Im mniejszy GSD, tym wyższa dokładność. Weźmy jako przykład poniższe zdjęcia: ortofotomapa z GSD 5 cm (po lewej) jest znacznie bardziej szczegółowa niż ta po prawej z GSD 30 cm. Dzieje się tak, ponieważ im wyższa wartość GSD obrazu, tym mniejsza rozdzielczość przestrzenna obrazu i mniej widoczne szczegóły.

Kiedy lepiej użyć drona LiDAR?

LiDAR może być kluczowym narzędziem w arsenale geodety.

Choć można go wykorzystać do szerokiego zakresu zastosowań, istnieją być może konkretne typy misji, w których sprawdza się naprawdę unikalnie.

Należą do nich:

Mapowanie złożonych terenów pokrytych roślinnością
W warunkach słabego oświetlenia lub w nocy
Kiedy konieczne jest wykrycie małych/wąskich obiektów, takich jak kable lub rury, które mogą nie zostać wykryte lub rozpoznane przy użyciu alternatywnych metod.
LiDAR jest również skuteczną metodą, gdy dokładność jest szczególnie istotna oraz w projektach, w których precyzja jest priorytetem.

Kiedy lepiej użyć fotogrametrii z drona?

Coraz więcej firm, organizacji i działów z rosnącego zakresu branż wdraża fotogrametrię z użyciem dronów.

Istnieją scenariusze, które idealnie pasują do tej techniki pomiarów lotniczych. Należą do nich:

Zestawy danych wymagające oceny wizualnej
Projekty wymagające łatwych do zrozumienia map i modeli
Skanowania bogate w kontekst, które są przystępne i wymagają minimalnego doświadczenia oraz przetwarzania końcowego.

Mapa 2D lub model 3D może być niezwykle cenny do monitorowania postępów na placu budowy, poprawy komunikacji między zespołami a interesariuszami, planowania i zarządzania miastem oraz sprawdzania występowania błędów/uszkodzeń.

Dron LiDAR i fotogrametria: jakie rozwiązania są dostępne?

W ekosystemie DJI dostępnych jest wiele rozwiązań wspomagających gromadzenie danych LiDAR i fotogrametrycznych.

Kliknij, aby uzyskać więcej informacji na temat dronów LiDAR i skanerów LiDAR.

Dron LiDAR
Flagowa platforma komercyjna DJI, M300 RTK, może być używana jako dron LiDAR dzięki wprowadzeniu czujnika Zenmuse L1.

L1 integruje moduł Lidar, kamerę RGB 20 MP oraz precyzyjny system IMU.

Jego główne cechy to:

• Wysoka wydajność – możliwość pokrycia do 2 km² w jednym locie
• Stopień ochrony przed warunkami atmosferycznymi IP54
• Obsługa trzech powrotów sygnału
• Gęstość punktów wynosząca 240 000 pkt/s
• Dokładność pionowa 5 cm / Dokładność pozioma 10 cm
• Zasięg detekcji 450 m
• Podgląd chmury punktów na żywo (LiveView)

M300 RTK i L1 mogą być również używane w połączeniu z platformą oprogramowania mapującego DJI – DJI Terra. Umożliwia to geodetom dostęp do danych 3D, szczegółów złożonych konstrukcji oraz precyzyjnych rekonstrukcji wizualnych. Terra jest również wysoce wydajna w przetwarzaniu danych LiDAR z sensora L1.

Fotogrametria dronowa
M300 RTK i Zenmuse P1

M300 RTK można zintegrować z kamerą Zenmuse P1. Ten ładunek posiada pełnoklatkowy sensor 45 MP, co czyni go wysoce wydajnym rozwiązaniem do fotogrametrii.

Inne kluczowe cechy to:

• Możliwość osiągnięcia dokładności 3 cm w poziomie i 5 cm w pionie, bez konieczności stosowania GCP
• Wysoka wydajność, pokrycie 3 km² w jednym locie
• 3-osiowy stabilizowany gimbal z funkcją Smart Oblique Capture, idealny do dużych obszarów pomiarowych
• Mechaniczna migawka globalna z czasem naświetlania 1/2000 sekundy
• TimeSync 2.0, umożliwiający synchronizację na poziomie mikrosekund
• Wymienne obiektywy o stałej ogniskowej (24/35/50 mm)
• Aktualizacja umożliwiła również używanie modelu P1 w połączeniu z rozwiązaniem mapującym DJI, Terra.

Phantom 4 RTK

Phantom 4 RTK to rozwiązanie DJI do mapowania niskiego pułapu. Jest szczególnie odpowiedni do małych obszarów pomiarowych, ale ze względu na swoją przystępność, stanowi dobre wprowadzenie dla osób, które dopiero zaczynają przygodę z pomiarami dronowymi.

Jego główne cechy to:

• Moduł RTK
• 1-calowy sensor CMOS 20 MP
• Mechaniczna migawka zmniejsza ryzyko efektu "rolling shutter"
• System TimeSync, który synchronizuje kontroler lotu, kamerę i moduł RTK
• LiDAR a fotogrametria: co jest lepsze?
• Istnieje dobry powód, dla którego LiDAR i fotogrametria stały się popularnymi technikami pomiarów dronowych: pozwalają na pozyskanie wysokiej jakości danych i dostarczają cennych informacji.

Ale co jest lepsze?

Tak naprawdę trudno udzielić jednoznacznej odpowiedzi, ponieważ obie metody mają swoje zalety.

Pod wieloma względami wszystko sprowadza się do rodzaju wykonywanej pracy.

LiDAR jest niezwykle potężny w konkretnych zadaniach, takich jak wymagające projekty, w których kluczowa jest precyzja wysokościowa, skomplikowane konstrukcje lub obszary o dużej gęstości roślinności.

Dzięki innowacjom, takim jak nowy ładunek L1 od DJI, LiDAR staje się coraz bardziej przystępny i ekonomiczny, jednak pozostaje faktem, że jest to wysoce wyspecjalizowana technika pomiarowa.

Dlatego też, w przypadku szerszych potrzeb pomiarowych, fotogrametria będzie bardziej niż wystarczająca: jest zazwyczaj tańsza, bardziej dostępna i, jeśli jest wykonana poprawnie, na tyle dokładna, by spełnić większość wymagań.

Dla zespołów potrzebujących wysoce wizualnych zasobów cyfrowych, fotogrametria z użyciem drona jest potężną metodą pomiarów lotniczych.

Jednak bez względu na preferowaną technikę, innowacje w obu dziedzinach są ekscytujące; czego dowodem są nowe sensory L1 i P1 od DJI.

Ciągły rozwój w tych obszarach jedynie poprawi zdolność geodetów lotniczych do pozyskiwania bardzo szczegółowych i dokładnych map oraz modeli – szybciej, bezpieczniej i taniej niż kiedykolwiek wcześniej.