LIDAR - technologie i aplikacje

LIDAR to technika pomiarowa, wykorzystująca impulsy światła laserowego do uzyskiwania informacji o powierzchni, w kierunku której są wysyłane, na podstawie czasu powrotu światła od niej odbitego. Na jego podstawie wyznaczana jest odległość, która dzieli skaner i skanowany obiekt. W ten sposób powstaje chmura punktów przetwarzana w specjalnym oprogramowaniu w cyfrowy model przedmiotu inspekcji.

Skanery LIDAR składają się z kilku komponentów. Niezbędne jest oczywiście źródło światła - dioda laserowa i jego odbiornik, mierzący światło odbite od skanowanego obiektu. Dodatkowo wyposaża się je zazwyczaj w układ optyczny, który kształtuje wiązkę promieniowania tak, żeby zwiększyć zasięg skanowania. Częścią skanerów LIDAR są również moduły GPS, dostarczające informacji o lokalizacji. Oprócz tego, jeżeli urządzenie pomiarowe pracuje na pokładzie przemieszczającego się samochodu albo statku powietrznego, wymagane jest korygowanie wyników, w obliczeniach bowiem trzeba uwzględnić wysokość, na jakiej znajduje się pojazd i jego przechył. Dlatego skanery wyposaża się w inercyjne jednostki pomiarowe.

Klasyfikacja systemów LIDAR

Z powyższego wynika, że wyróżnić można dwie grupy systemów LIDAR: powietrzne i naziemne. W ich obrębie wprowadzana jest dalsza klasyfikacja. Każdy typ ze względu na specyfikę, głównie sposób gromadzenia danych pomiarowych, z którego wynikają jego zalety i ograniczenia, odpowiada na potrzeby różnych aplikacji.

Skanowanie z powietrza

 

Rys. 1. Zasada pomiaru w skanerach LIDAR

Systemy pierwszego typu znajdują się na pokładzie statków powietrznych: dronów, samolotów, helikopterów. Skanują teren z wysokości - pomiar odległości dzielącej je od powierzchni ziemi pozwala na tworzenie map ukształtowania terenu. Systemy powietrzne mają liczne zalety. W porównaniu do skanowania naziemnego umożliwiają szybsze zbadanie rozległych obszarów. Wynika to stąd, że w krótszym czasie są w stanie swoim zasięgiem objąć większy teren i nie muszą omijać przeszkód, jak drzewa, słupy energetyczne. Dzięki temu w pomiarach bardzo dużych powierzchni nawet skorzystanie z samolotu może się okazać tańsze, nie mówiąc o oszczędnościach w razie użycia dronów wyposażonych w skanery LIDAR.

Systemy topograficzne i batymetryczne

W obrębie tej kategorii wprowadza się dalszy podział na systemy: topograficzne i batymetryczne. Pierwsze z pokładu statku powietrznego skanują ląd. Na podstawie danych przez nie zbieranych tworzone są mapy topograficzne terenu. Odwzorowania krajobrazu i zabudowań są następnie wykorzystywane na przykład w projektach urbanistycznych, w planowaniu inwestycji takich jak budowa autostrad, osiedli mieszkaniowych, wyznaczanie tras linii kolejowych. Systemy batymetryczne z kolei skanują, przenikając wodę, dna akwenów morskich i linie brzegowe. Informacje zebrane w ten sposób służą do tworzenia map ukształtowania dna zbiorników i wykrywania przedmiotów nietypowych i niebezpiecznych: niewybuchów, śmieci, wraków.

Systemy mobilne i statyczne

Systemy naziemne pracują na lądzie - są montowane na statywach albo na pojazdach, i skanują w wielu kierunkach, zbierając dane o otoczeniu dookoła. Często współpracują z powietrznymi, gdy dla uzyskania pełnego obrazu wymagane jest zebranie danych bardziej szczegółowych lub tam, gdzie obiekt pomiaru jest z powietrza niedostępny. Wyróżnić można dwie grupy naziemnych systemów LIDAR: mobilne i stacjonarne. Pierwsze z nich instalowane są w pojazdach, jak samochody, łodzie, pociągi. Stacjonarne z kolei umieszczane są na statywach, które w razie potrzeby przenosi się z miejsca na miejsce, by zapewnić większe pokrycie. Statyczne skanery LIDAR często są używane w pomiarach wewnątrz budynków, na przykład przez inżynierów, architektów, archeologów i w kopalniach.

Wyzwania systemów batymetrycznych

Projektując systemy LIDAR, uwzględnić trzeba specyfikę aplikacji. Niektóre z nich wymagają spełnienia dodatkowych warunków. Przykładem są systemy batymetryczne. Komplikacje w ich przypadku wynikają stąd, że pomiary są przeprowadzane częściowo w innym ośrodku - w wodzie. Sprawia to, że są bardziej, niż systemy topograficzne, narażone na niekorzystny wpływ czynników środowiskowych utrudniających penetrację promieniami lasera. By uniknąć luk w odczytach, pod uwagę trzeba w związku z tym wziąć: pogodę podczas lotu, przejrzystość wody, pływy morskie, stan roślinności oraz współczynnik odbicia dna morskiego.

Skanery wód płytkich i głębokich

Generalnie skanery batymetryczne można podzielić na te do wód płytkich, czyli o głębokościach poniżej 10 m oraz wód głębinowych (powyżej 10 m). Pierwsze wykorzystują lasery o mniejszej mocy i mniejszej średnicy wiązki, skanując z większą częstotliwością (większą rozdzielczością), przy mniejszym polu widzenia odbiornika, w porównaniu do tych używanych w skanowaniu na dużych głębokościach. Na głębokość penetracji największy wpływ ma moc lasera i czas trwania impulsu - im wyższa jest ta pierwsze i im dłuższy ten drugi parametr, na tym większą głębokość można "prześwietlić" akwen. Wiąże się z tym jednak ograniczenie częstotliwości odczytów, co z kolei skutkuje znacznie mniejszą gęstością punktów pomiarowych. Dlatego, by zapewnić większą elastyczność pomiarów, skanery pokładowe wyposaża się często w dwa porty optyczne, które pozwalają jednocześnie podłączać mierniki do wód płytkich i głębokich.

Jakie znaczenie ma długość fali?

Ważnym aspektem pomiarów z wykorzystaniem wiązki lasera jest długość fali. O tym, jaka jest wymagana, decyduje aplikacja - przykładowo w skanerach batymetrycznych musi być używany laser zielony (532 nm). W pozostałych systemach LIDAR wykorzystuje się z kolei przeważnie światło o długości fali w zakresie bliskiej podczerwieni o długości 905 albo 1550 nm.

Dawniej standardem było 905 nm, gdyż lasery emitujące światło o tej długości fali są tańsze niż lasery 1550 nm i zapewniają dokładniejszy pomiar. Z drugiej strony mogą poważnie uszkodzić wzrok, gdyż światło to dociera do siatkówki. To o długości fali 1550 nm jest bezpieczniejsze, ponieważ tam nie dociera, choć trzeba pamiętać, że też może spowodować uraz, uszkadzając soczewkę oka. Generalnie zatem, niezależnie od długości fali, skanery LIDAR trzeba projektować z uwzględnieniem wymogów norm bezpieczeństwa oczu.

1550 nm czy 905 nm?

Przy większej długości fali (1550 nm) można poza tym bezpiecznie używać większej mocy wyjściowej. Problemem w przypadku laserów 1550 nm jest natomiast to, że dłuższe fale są bardziej rozpraszane przez wilgoć w atmosferze. Przez to, w razie wystąpienia niekorzystnych warunków pogodowych, można się spodziewać problemów z dokładnością oraz trzeba się pogodzić z mniejszą rozdzielczością skanowania. Przewagą laserów 905 nm w przypadku pomiarów przy silnym zawilgoceniu jest mniejszy współczynnik absorpcji wody.

Aby skompensować wpływ pochłaniania wody na dokładność, skanery 1550 nm często wysyłają więcej impulsów laserowych. Przez to niestety zużywają więcej energii i przeważnie muszą być większe, w wyniku czego są droższe. Generalnie zresztą cechuje je większa złożoność i koszt w porównaniu z tymi 905 nm, które wykorzystują szeroko dostępną, tańszą technologię. Te drugie dominują poza tym w systemach powietrznych.

Autonomiczna przyszłość

Autonomiczne pojazdy są popularnym tematem. Dużo się ostatnio pisze i mówi o potencjale tej technologii, która ma zdaniem wielu specjalistów szanse już w całkiem niedalekiej przyszłości zrewolucjonizować ruch drogowy oraz logistykę. W tej ostatniej duże nadzieje pokłada się w autonomicznych wózkach do transportu bliskiego.

Główną kwestią jest zatem już nie tyle czy, ale jak i kiedy, uda się te przewidywania wdrożyć w życie. Dzięki m.in. sztucznej inteligencji oraz urządzeniom pomiarowym, jak opisywane skanery LIDAR, które stanowią odpowiedź na pierwsze z postawionych pytań, odpowiedź na drugie coraz częściej brzmi: wkrótce.

Jeżeli chodzi o skanery laserowe, o tym, czy przyczynią się do zwiększenia autonomii pojazdów, zdecydują dwie ich cechy: zasięg oraz rozdzielczość kątowa. Im będą większe, tym lepiej dla tej aplikacji, chociaż generalnie już teraz parametry dostępnych skanerów (100 m, 0,1º) spełniają jej wymogi. Nie oznacza to jednak, że systemy pomiarowe LIDAR w tym zastosowaniu nie mają konkurencji.

Z czym konkurują skanery LIDAR?

Zagrozić ich pozycji teoretycznie mogłyby dwa typy urządzeń: sonary oraz radary. W pierwszych zamiast światła używa się fal dźwiękowych. Korzysta się z nich już w systemach wspomagania kierowców w przypadku, gdy wystarczający jest ich kilkumetrowy zasięg, na przykład jako sensorów parkowania. Niestety, w pojazdach autonomicznych wymagany jest zasięg co najmniej 60 metrów, który sonary wyklucza.

W radarach korzysta się z fal radiowych. Ich zasięg, który wynosi nawet kilkaset metrów, jest wystarczający jak na potrzeby aut autonomicznych. Chociaż radary dobrze działają w trudnych warunkach pogodowych, ich koszt jest przystępny i umożliwiają nie tylko detekcję obiektów, ale również ich śledzenie, czyli określanie prędkości i kierunku, w jakim się poruszają, rozdzielczością nie dorównują skanerom LIDAR. Dlatego w samochodach samojezdnych będą raczej stanowić ich uzupełnienie.

LIDAR vs. kamery

Z kolei w przeciwieństwie do kamer skanery LIDAR działają niezależnie od oświetlenia otoczenia, zatem spełniają swoją funkcję tak w dzień, jak i w nocy, bez zakłóceń powodowanych przez cienie, światło słoneczne czy oślepienie światłem reflektorów aut z naprzeciwka. Oprócz tego zaletą nie do przecenienia jest fakt, że analiza wyników pomiarów jest w ich przypadku znacznie prostsza i szybsza, jeżeli oczywiście bierzemy pod uwagę detekcję obiektu a nie jego klasyfikację. Kiedy bowiem przed pojazdem nagle pojawi się jakiś obiekt, na podstawie ogólnej informacji ze skanera laserowego szybko można oszacować, jak daleko się znajduje oraz jak duży jest. Informacje te mogą następnie wyzwolić stosowną do sytuacji akcję automatycznego systemu sterowania autem, na przykład: "zwolnij" albo "zatrzymaj" pojazd. Aby pozyskać analogiczne dane z obrazu należy go z kolei najpierw poddać bardziej złożonej obróbce, korzystając ze skomplikowanych algorytmów przetwarzania. To wymaga większej mocy obliczeniowej.

Czy skanery LIDAR zastąpią kamery?

Dlatego często rozważa się łączenie kamer ze skanerami LIDAR. Ma to spowodować, że system sterowania nie będzie zużywał wszystkich swoich zasobów na analizę danych z obrazów, gdy nie jest to niezbędne. Okazuje się bowiem, że skanery LIDAR w systemach autonomicznych nie mogą całkowicie zastąpić kamer. Wynika to z ich ważnych w tym zastosowaniu ograniczeń, a mianowicie braku możliwości rozpoznawania kolorów oraz interpretowania napisów. W związku z tym nie sprawdzą się w zadaniach takich, jak interpretowanie sygnalizacji świetlnej czy rozpoznawanie znaków drogowych, z czym są w stanie bez problemu poradzić sobie kamery. Co prawda można próbować obejść to ograniczenie skanowania laserowego, na przykład implementując techniki rozpoznawanie znaków na podstawie różnic w ich kształtach, ale mimo wszystko kamery mają pod tym względem nad nimi wyraźną przewagę.

Monika Jaworowska