LiDAR vs. fotogrammetri för drönarundersökningar

Drönarmätning har blivit alltmer populärt under de senaste åren.

Luftburen kartering med obemannade farkoster hjälper team att samla in värdefull flyginformation snabbt, effektivt, säkert och till ett överkomligt pris, samtidigt som det bidrar till att forma beslutsfattande, förbättra kommunikation och driva intäkter och resultat.

I takt med att trenden med drönare för mätning accelererar uppstår en fråga regelbundet: vilken är den bästa metoden för datainsamling: LiDAR eller fotogrammetri?

Den nyligen lanserade DJI L1- och P1-karteringsnyttolasten visar det växande intresset och efterfrågan på dessa två metoder för luftburen kartering; L1 (nedan, till höger) är en LiDAR-sensor (med fotogrammetrifunktioner), medan P1 (nedan, till vänster) är en dedikerad fotogrammetrinyttolast med en 45 MP fullformatssensor med hög upplösning.

Det verkar därför lämpligt att jämföra dessa två metoder för luftburen kartering. Vad är de? Vilka är deras för- och nackdelar? När bör du använda dem? Och är den ena bättre än den andra?

Vad är LiDAR?

LiDAR står för Light Detection and Ranging.

Så, hur fungerar LiDAR? LiDAR, även känt som 3D-laserskanning, fungerar genom att skicka ljuspulser mot jordytan eller ett element på den och mäta tiden det tar att reflekteras tillbaka.

Tiden det tar att återvända till LiDAR-källan anger det exakta avståndet till objektet eller funktionen. Detta är känt som principen för flygtid (ToF – Time of Flight).

Detta ger en exakt positionering av punkten där lasern träffade jordytan. Beroende på vilken sensor som används kan LiDAR-enheter sända ut hundratusentals pulser per sekund, vilket bidrar till att skapa en detaljerad visualisering av vad sensorn fokuserar på.

Detta kan sedan användas för att skapa 3D-punktmoln; en exakt visualisering som representerar terräng, topografi och särdrag i det skannade området.

Bilden ovan – från Shells Bacton Gas Terminal, tagen med L1 – visar ett LiDAR-punktmoln.

Drönar-LiDAR har vuxit fram som ett användbart verktyg för luftburen mätning för många applikationer, såsom skogsbruk, jordbruk och byggverksamhet.

Vad är fotogrammetri?

Fotogrammetri är konsten att ta fotografier med hög upplösning för att återskapa ett mätområde.

Dessa bilder bearbetas och fogas samman med hjälp av avancerad programvara för att skapa realistiska, georefererade och mätbara 3D-modeller av den verkliga världen.

Beroende på programvaran kan dessa digitala tvillingar vara helt navigerbara, vilket hjälper team att få tillgång till och tillgodogöra sig viktig information snabbt och enkelt.

Fotogrammetri kan även användas för att skapa detaljerade 2D-kartor. Dessa ortomosaik-dataset ger korrekta fotografiska representationer av ett område med georefererad information.

För att illustrera detta är den första bilden en 2D-ortomosaik av en gård, medan den andra bilden är en 3D-modell av platsen, båda tagna med den fotogrammetriska P1-kameran.

Antalet bilder som krävs för värdefulla fotogrammetri-dataset varierar från hundratals till tusentals, beroende på platsens storlek och önskad noggrannhet.

Användningsområdena för fotogrammetri är omfattande, inklusive projektledning, kartering av brottsplatser, marknadsföring, utförande av beräkningar och volymmätningar av lager, topografisk kartering och byggnadsinspektioner.

LiDAR vs fotogrammetri – För- och nackdelar

Som med allt annat har LiDAR och fotogrammetri sina positiva och negativa sidor.

Dessa faktorer, tillsammans med uppdragsbeskrivningen, kan avgöra preferensen för endera applikation.

Uppdragets mångsidighet
En av de största fördelarna med att använda LiDAR jämfört med fotogrammetri är den förbättrade prestandan under vissa uppdrag.

Till exempel är LiDAR mer effektivt, och därmed mer exakt, i mätområden med hög vegetationstäckning.

Varför? För att LiDAR-pulser kan penetrera mellanrummen mellan löv och grenar för att nå marknivån.

Däremot kan vegetation vid traditionell fotogrammetri hindra dig från att erhålla en korrekt representation av hur markens topografi ser ut.

Av denna anledning är LiDAR en mer exakt lösning än fotogrammetri för att bygga en digital terrängmodell (DTM); en modell av den bara marken (utan objekt/byggnader på den) som innehåller markhöjddata.

Detta dataset, som delats med heliguy™ av Ben Bishop, teknisk chef på Flythru Limited, visar skillnaderna mellan LiDAR och fotogrammetri för att fånga marknivåer för DTM-generering.

Med tanke på vegetationens densitet i detta exempel gjorde fotogrammetrin (blå) ett bra jobb, men diagrammet visar fördelen med LiDAR (rosa) i denna situation.

Notera till exempel den tjocka rosa linjen (och frånvaron av blått) på marken i områdena direkt under träden, vilket visar hur LiDAR-pulser kan träffa marken i områden med hög vegetation, utöver vad fotogrammetrin kan.

Detta skiljer sig från en digital ytmodell (DSM) som representerar jordytan och inkluderar alla objekt på den. Både LiDAR och fotogrammetri är bra lösningar för att skapa DSM.

En statistik anger att LiDAR kan penetrera områden med upp till 90 % vegetation, medan fotogrammetri ligger närmare 60 %-strecket.

Det är av denna anledning som LiDAR har blivit en favorit hos yrkesverksamma inom skogsbruk.

Inte bara är LiDAR mer effektivt i områden med hög vegetation, det är också bättre lämpat för uppdrag som utförs under dåliga ljusförhållanden, eller till och med nattetid, utan behov av en extern ljuskälla.

Däremot kan resultaten från en fotogrammetrisk drönarflygning påverkas avsevärt av dålig belysning, damm eller molntäcke.

Tack vare punktprovtagning med hög densitet och LiDAR-teknikens direkta mätmetod är det också effektivare för att mäta och fånga små/smala objekt, såsom kraftledningar, rörledningar och element med skarpa kanter.

Detta visas i dessa två dataset. Kraftledningarna är synliga i mitten av bilden till vänster – tagen med LiDAR-sensorn L1 – men de är inte synliga i 2D-ortomosaiken av samma scen, tagen med fotogrammetrisensorn P1.

Av denna anledning kan LiDAR även användas för att samla in komplexa mätningar mellan kablar och träd, som bilden nedan visar, vilket demonstrerats av Keltbray i denna fallstudie.

Användarvänlighet
Tillgänglighet är en av de största skillnaderna mellan LiDAR och fotogrammetri.

LiDAR är ganska komplext och kräver en hög förståelsenivå, vilket kan öka felmarginalen och efterfrågan på en erfaren yrkesutövare.

DJI L1 hjälper dock till att överbrygga detta gap genom att förenkla LiDAR-arbetsflöden och göra dem mer tillgängliga för fler personer.

Med det sagt är fotogrammetri generellt sett en enklare mätmetod.

Ja, det finns saker att tänka på, till exempel vilken flyghöjd som ger det bästa avståndet till marken (snarare än ett kort) och vilken bildöverlappningsgrad som krävs för att säkerställa den mest exakta modellen.

Men generellt sett har framstegen inom drönarfotogrammetri möjliggjort förenklade arbetsflöden, vilket bidragit till att göra exakta kartor och modeller tillgängliga för alla organisationer med en drönare med en bra kamera.

Dataset
Skillnaden mellan LiDAR- och fotogrammetri-dataset är som natt och dag.

Ett LiDAR-dataset består av tusentals punkter – eller returer – för att skapa ett detaljerat 3D-punktmoln som avgränsar terräng och höjd.

Av denna anledning skapar ett LiDAR-dataset inte alltid en visuellt tilltalande bild och kan kräva en hög skicklighetsnivå för tolkning. Och ibland, när det gäller detaljerade ytor och särdrag, kan LiDAR vara ospecifikt, vilket innebär att du kan vara osäker på vad du faktiskt ser.

Med detta sagt kan du uppnå en visuellt mer tillgänglig modell genom att använda färg från separata dataset.

Dessutom har vissa LiDAR-system, inklusive L1, fotogrammetrifunktioner som hjälper till att lägga till mer detaljer i ett punktmoln och underlätta korsreferenser. Faktum är att L1-operatörer drar nytta av dess förmåga att generera punktmolnsmodeller i äkta färger i realtid.

Men glöm estetiken för en stund: personer som kan tolka ett LiDAR-dataset kommer att förstå dess verkliga värde för specifika tillämpningar.

Omvänt skapar fotogrammetri modeller baserade på hundratals eller tusentals bilder från den verkliga världen som sammanfogas.

Av denna anledning är en 2D-karta eller 3D-modell som skapats genom denna mätteknik omedelbart igenkännbar och begriplig, vilket hjälper team att snabbt och enkelt komma åt, dela och förstå digitala tvillingar.

Eftersom fotogrammetri involverar högupplösta bilder kan den fånga de visuella detaljerna för varje funktion på en plats och, till skillnad från vissa LiDAR-punktmoln, extrahera det abstrakta från ett dataset.

Till exempel visar dessa två bilder av byggnader i centrala Henderson, tagna av staden Hendersons ingenjörsavdelning, skillnaderna mellan LiDAR- (övre bild) och fotogrammetri-dataset (nedre bild). Du kan läsa hela fallstudien här.

Av dessa skäl – och det faktum att en drönarmätning kan fånga repeterbara data – har fotogrammetri blivit ett avgörande verktyg för flygvisualiseringar, förändringsövervakning och framstegsspårning på en byggarbetsplats, till exempel.

Kostnad
LiDAR använder lasrar, medan fotogrammetri bygger på bilder insamlade av en kamera.

Och traditionellt sett var LiDAR-sensorer stora, vilket innebar att ett större flygplan krävdes.

Därför har fotogrammetri blivit känd som en mer kostnadseffektiv lösning än LiDAR.

Denna klyfta håller dock på att minska. Ta till exempel DJIs L1 LiDAR-nyttolast, som representerar en billigare och mer kompakt lösning än andra LiDAR-sensorer på marknaden.

Och med kontinuerlig innovation finns det alla möjligheter att LiDAR kommer att fortsätta bli mer tillgängligt (när det gäller pris och användning).

LiDAR mot fotogrammetri: vad är mest exakt?

När det gäller mätning är en av de viktigaste övervägandena precision.

Om de utförs korrekt är både LiDAR och fotogrammetri tillförlitliga och exakta metoder.

Men innan vi går in på djupet, här är definitionen av två termer som är en integrerad del av detta avsnitt:

• Relativ precision (vertikal): relativ precision avser noggrannheten hos datapunkter i ett dataset i förhållande till varandra. Om avståndet mellan punkt A och punkt B är 62,128 m på marken, med en total relativ precision på +/- 20 mm, skulle du förvänta dig att modellavståndet ligger mellan 62,126 m och 62,130 m. Data med relativ precision KOMMER att samlas in med hänvisning till ett koordinatsystem, men inte med hög absolut precision.
• Absolut precision (vertikal): absolut precision avser noggrannheten hos datasetet i förhållande till ett koordinatsystem eller datum. Till exempel, med en absolut precision på 20 mm, skulle det finnas en felmarginal på 40 mm (20 mm i varje riktning).

Drönar-LiDAR-precision

När precision är avgörande är LiDAR en extremt pålitlig lösning.

Kom ihåg att LiDAR fungerar genom att träffa jordytan, eller en egenskap på den, genom att skjuta laserpulser uppifrån och mäta reflektionen. Det representerar alltså ett direktmått.

Detta, tillsammans med dess integration med GNSS-data, hjälper till att ge din digitala terrängkarta höga nivåer av vertikal precision.

LiDAR är också en idealisk lösning för att uppnå absolut precision, särskilt om avsikten är att skapa en realistisk modell av bar mark, tack vare dess förmåga att ta hänsyn till höjd och vegetation.

Faktum är att tack vare LiDARs höga densitet av datapunkter (med sensorer som avger hundratals punkter per kvadratmeter) kan lantmätare skapa ett mycket robust dataset.

Som en sidonot, när man granskar olika LiDAR-lösningar, är laserpulsfrekvensen en nyckelspecifikation. En högre pulsfrekvens samlar in fler mätningar per sekund, vilket skapar mer detaljerade modeller och minskar antalet flygningar som krävs för att täcka ett specifikt område.

Men LiDAR är ett komplext system och många faktorer avgör precisionen.

Det handlar inte bara om LiDAR-sensorn: andra högprecisionssystem som satellitpositionering (GNSS-data) och en tröghetsmätningsenhet (IMU) måste hålla hög kvalitet för att bygga ett korrekt punktmoln som exakt återspeglar mätområdet, dess terräng, topografi och särdrag.

Men totalt sett tenderar LiDAR att producera skanningar med högre detaljrikedom och noggrannhet än fotogrammetri.

Drönarfotogrammetri-precision
Det betyder dock inte att fotogrammetri inte är en noggrann mätlösning.

Tvärtom. Faktum är att vissa drönarlösningar kan ge precision på centimeternivå.

Men det finns några viktiga faktorer att ta hänsyn till som kan påverka precisionen.

Till exempel drönarens och kamerans kvalitet.

Sensorstorlek, upplösning och brännvidd påverkar alla det önskade markprovavståndet (GSD) och flyghöjden.

För protokollet definieras GSD som längden (i tum, centimeter eller millimeter) mellan centren på två på varandra följande pixlar på kartan.

Så om en drönare uppnår en GSD på 5 cm/px, motsvarar det en pixel på den digitala kartan som motsvarar 5 cm i verkligheten.

Ju mindre GSD, desto högre precision. Ta bilderna nedan som exempel: Ortomosaiken med en GSD på 5 cm (till vänster) är mycket mer detaljerad än den till höger med en GSD på 30 cm. Detta beror på att ju högre GSD-värde bilden har, desto lägre är bildens rumsliga upplösning och desto mindre synliga är detaljerna.

När är det bäst att använda drönar-LiDAR?

LiDAR kan vara ett nyckelverktyg i en lantmätares arsenal.

Även om det kan användas för ett brett spektrum av applikationer, finns det kanske specifika typer av uppdrag där det visar sig vara verkligt unikt.

Dessa inkluderar:

Kartläggning av komplex terräng med vegetationsskydd
I svaga ljusförhållanden eller under natten
När det är nödvändigt att upptäcka små/smala föremål som kablar eller rörledningar, som kanske inte upptäcks eller känns igen med alternativa metoder.
LiDAR är också en effektiv metod när precision är särskilt viktig och för projekt där noggrannhet är prioriterad.

När är det bäst att använda drönarfotogrammetri?

Fler och fler företag, organisationer och avdelningar inom en växande rad vertikala branscher använder fotogrammetri med drönare.

Och det finns vissa scenarier som passar perfekt för denna flygmätningsmetod. Dessa inkluderar:

Dataset som kräver en visuell bedömning
Projekt som kräver lättförståeliga kartor och modeller
Kontextrika skanningar som är tillgängliga och kräver minimal expertis och efterbearbetning.

En 2D-karta eller 3D-modell kan vara värdefull för att övervaka framsteg på en byggarbetsplats, förbättra kommunikationen mellan team och intressenter, stadsplanering och förvaltning samt kontrollera förekomsten av fel/skador.

Drönar-LiDAR och fotogrammetri: vilka lösningar finns tillgängliga?

Det finns ett flertal lösningar tillgängliga inom DJI-ekosystemet för att hjälpa till att samla in LiDAR- och fotogrammetridata.

Klicka för mer information om drönar-LiDAR och LiDAR-skannrar.

Drönar-LiDAR
DJIs ledande kommersiella plattform, M300 RTK, kan användas som en LiDAR-drönare tack vare lanseringen av Zenmuse L1-sensorn.

L1 integrerar en Lidar-modul, en 20 MP RGB-kamera och en IMU med hög precision.

Dess främsta egenskaper inkluderar:

• Mycket effektiv, kan täcka upp till 2 km² på en enda flygning
• Väderbeständighet enligt IP54
• Stödjer tre returer
• Punkttäthet på 240 000 punkter/s
• Vertikal noggrannhet på 5 cm / Horisontell noggrannhet på 10 cm
• Detektionsräckvidd 450 m
• LiveView punktmoln

M300 RTK och L1 kan även användas i kombination med DJI:s programvaruplattform för kartläggning, DJI Terra. Detta gör det möjligt för lantmätare att få tillgång till 3D-data, detaljer om komplexa strukturer och precisa visuella rekonstruktioner. Terra är också mycket effektiv när det gäller att bearbeta L1 LiDAR-data.

Drönarfotogrammetri
M300 RTK och Zenmuse P1

M300 RTK kan integreras med Zenmuse P1-kameran. Denna nyttolast har en 45 MP fullformatssensor, vilket gör den till en mycket kapabel lösning för fotogrammetri.

Andra nyckelegenskaper inkluderar:

• Kan nå en noggrannhet på 3 cm horisontellt och 5 cm vertikalt, utan GCP
• Mycket effektiv, täcker 3 km² på en enda flygning
• 3-axlig stabiliserad gimbal med Smart Oblique Capture, perfekt för stora mätplatser
• Global mekanisk slutare med en slutarhastighet på 1/2000 sekund
• TimeSync 2.0, möjliggör synkronisering på mikrosekundnivå
• Utbytbara objektiv med fast brännvidd (24/35/50 mm)
• En uppdatering har även gjort det möjligt att använda P1 i kombination med DJI:s kartläggningslösning, Terra.

Phantom 4 RTK

The Phantom 4 RTK is DJI’s low-altitude mapping solution. It is particularly suited to small surveying areas, but, because of its accessibility, it offers a good introduction to those who are new to drone surveying.

Dess främsta egenskaper inkluderar:

• RTK-modul
• 1″ 20 MP CMOS-sensor
• Mekanisk slutare som minskar risken för rullande slutareffekter
• TimeSync-system, som synkroniserar flygkontrollen, kameran och RTK-modulen
• LiDAR vs Fotogrammetri: vad är bäst?
• Det finns en god anledning till att LiDAR och fotogrammetri har blivit populära mättekniker för drönare: de kan hämta kvalitetsdata och ge värdefulla insikter.

Men vad är bäst?

Sanningen är att det är en svår fråga att besvara, eftersom båda har sina fördelar.

På många sätt handlar det om det specifika arbetet som ska utföras.

LiDAR är extremt kraftfullt för specifika uppdrag, såsom utmanande projekt där höjdprecision, komplexa strukturer eller områden med tät vegetation är avgörande.

Tack vare innovation, som DJI:s nya L1-nyttolast, blir LiDAR allt mer tillgängligt och prisvärt, men faktum kvarstår att det är en högt specialiserad mätteknik.

Därför, för mer omfattande mätbehov, kommer fotogrammetri att vara mer än tillräckligt: den är generellt sett billigare, mer tillgänglig och, om den utförs korrekt, tillräckligt noggrann för att möta de flesta krav.

Och för team som behöver en mycket visuell digital tillgång är drönarfotogrammetri en kraftfull metod för flygmätning.

Men oavsett din föredragna teknik är innovationen inom båda områdena spännande; ett faktum som exemplifieras av DJI:s nya L1- och P1-sensorer.

Den fortsatta tillväxten inom dessa områden kommer bara att förbättra flygmätarnas förmåga att hämta mycket detaljerade och exakta kartor och modeller, snabbare, säkrare och billigare än tidigare.