Udoskonalenia technologii skanowania w powietrzu zwiększają produktywność

Autor: Linda Duffy

Zwiększone zapotrzebowanie na lotnicze LiDAR jest zaspokajane dzięki ulepszonym funkcjom skanowania i funkcjom, które tworzą gęstsze chmury punktów na większych obszarach w krótszym czasie. Jako jeden z pierwszych użytkowników technologii skanowania, Woolpert, najszybciej rozwijająca się firma architektoniczna, inżynierska i geoprzestrzenna (AEG) w USA, posiada i obsługuje każdy produkt z serii LiDAR firmy Leica Geosystems od czasu wprowadzenia na rynek ALS40 w 2002 roku. Woolpert kupił swój pierwszy Leica TerrainMapper na początku 2019 roku i od tego czasu nabył trzy kolejne. Obecnie TerrainMapper jest preferowaną technologią firmy Woolpert do mapowania dużych obszarów i trudnego terenu, w tym projektów Departamentu Transportu (DOT) i programów federalnych, takich jak Program 3D Elevation (3DEP) Amerykańskiej Służby Geologicznej (USGS).

Zapotrzebowanie na dane wysokościowe

Dane lotnicze LiDAR są cennym źródłem informacji dla wielu zastosowań, takich jak modelowanie miast 3D, rozwój infrastruktury, monitorowanie zagrożeń przybrzeżnych i naturalnych oraz ochrona środowiska. Trwają starania w celu ustanowienia aktualnego krajowego zbioru danych LiDAR, a wiele lokalnych i regionalnych podmiotów inwestuje również w zasięg LiDAR.

Oczekiwania dotyczące gęstości i dokładności wciąż rosną, aby sprostać zwiększonym możliwościom czujników LiDAR. Punktem kulminacyjnym stopniowej poprawy wydajności było wypuszczenie Leica TerrainMapper, czujnika działającego w trybie liniowym, który umożliwia zbieranie bardzo gęstych chmur punktów na większej wysokości, co znacznie skraca czas akwizycji.

“Przy mapowaniu dużych obszarów wydajność naprawdę się opłaca” — mówi Joseph Seppi, wiceprezes i lider sektora geoprzestrzennego w firmie Woolpert. „Nasze projekty mogą przekraczać 30 000 mil kwadratowych, a nawet 100 000 mil kwadratowych, więc możliwość latania na większej wysokości z większą prędkością sprawia, że TerrainMapper jest niezwykle wydajną opcją.”

TerrainMapper jest w stanie zbierać LiDAR na wysokościach lotu od 300 metrów (m) do 5,500 m i dostarcza dane USGS LiDAR Quality Level 0 (QL0) na wysokościach lotu do 2 kilometrów (km). Ten wyjątkowy poziom wydajności jest idealny dla większych regionalnych lub krajowych projektów mapowania, w których koszty operacyjne mają duży wpływ na częstotliwość aktualizacji.

Spełnianie i przekraczanie specyfikacji

Każdy projekt ma minimalne wymagania dotyczące danych w zależności od zamierzonej aplikacji. Na przykład dane USGS QL1 muszą wynosić co najmniej 8 punktów na metr kwadratowy (ppsm) z pierwiastkowym błędem średniokwadratowym (RMSE) nieprzekraczającym 10,0 centymetrów (cm). Inne kryteria mogą obejmować brak liści, brak śniegu, brak stojącej wody i brak deszczu. W klimacie umiarkowanym przeszkodą są drzewa liściaste i śnieg. W klimacie tropikalnym i subtropikalnym często problemem są chmury i deszcz. Ze względu na trudne warunki panujące na wielu obszarach geograficznych wydajne gromadzenie danych w ograniczonych oknach czasowych ma kluczowe znaczenie dla wykonania zadania.

W 2019 roku Departament Transportu Wyoming (WYDOT) zlecił firmie Woolpert sporządzenie mapy trzech obszarów osuwiskowych wzdłuż 10-milowego odcinka Continental Divide w północno-zachodnim Wyoming, w pobliżu Parku Narodowego Yellowstone. Woolpert zebrał LiDAR przy 50 psm i pokolorował chmurę punktów za pomocą zdjęć zebranych jednocześnie za pomocą zintegrowanej kamery lotniczej Leica RCD30. Ostateczne cyfrowe modele terenu (DTM) i trójkątne modele sieci nieregularnej (TIN) zapewniły WYDOT linię bazową do określenia ruchu osuwiska, objętości i szybkości, z jaką ziemia porusza się w czasie. WYDOT przeprowadził niezależną kontrolę i porównał ponad 120 wysokości poszczególnych chmur punktów z punktów zebranych w terenie. Średnia różnica wysokości 3,6 cm przekroczyła wymaganą dokładność pionową 5 cm.

TerrainMapper okazał się również skuteczny w projektach instalacji liniowych i pasach ruchu linii energetycznych, a także z powodzeniem mierzy ugięcia na wzniesionych liniach energetycznych. Nawet lecąc szybciej i wyżej niż inne czujniki, TerrainMapper zwraca niezbędną gęstość punktów dla różnych projektów.

“W terenie o dużej rzeźbie osiągamy większą wydajność, lecąc wyżej bez dostosowywania się do tak wielu różnych wysokości” – stwierdził Seppi. „A w przypadku prac użyteczności publicznej bezpieczniej jest latać na dużej wysokości, daleko nad liniami, z dodatkową korzyścią w postaci uchwycenia większej części otaczającego obszaru.”

Woolpert wykonał również ponad 10 projektów USGS w różnych stanach w 2019 roku z TerrainMapper. W stanach takich jak Floryda i Ohio gromadzenie dużych ilości danych przy dużych prędkościach odegrało kluczową rolę w ukończeniu projektów mapowania w ciągu jednego sezonu latania, pomimo warunków pogodowych.

“Pogoda w niektórych miejscach może być trudna, pozostawiając nam mniej dni na pracę, więc możliwość zbierania dużych ilości danych przez TerrainMapper pomaga nam szybko ukończyć projekt i zachować spójność” – kontynuuje Seppi. „Ponadto rozkład punktów, wzorce i doskonałe zwroty intensywności z tego czujnika są niezwykle korzystne dla wielu zastosowań ekstrakcji cech.”

Ta powiększona mapa konturowa przedstawia takie elementy, jak nawierzchnia, rury i przepust w pobliżu jeziora Wind River.

Integracja pozyskiwania i przetwarzania

Przepływ pracy po przetwarzaniu to kolejny obszar, w którym wydajność wpływa na ogólne koszty projektu. Woolpert korzysta z wieloczujnikowej platformy przetwarzania Leica HxMap, która została zaprojektowana w celu usprawnienia obsługi danych TerrainMapper. HxMap przetwarza, kalibruje i rejestruje chmury punktów LiDAR, jednocześnie przetwarzając dane z czujnika obrazu i kolorując chmurę punktów. Z pomocą HxMap firma Woolpert dostarcza w pełni przetworzone sklasyfikowane chmury punktów, które spełniają surowe specyfikacje projektu pod względem dokładności i gęstości.

“HxMap pozwala nam być bardziej elastycznym i dostosowywać się do zmian na bieżąco” — mówi Seppi. „Możemy łatwo przenieść przetwarzanie, aby przydzielić zasoby HxMap z innych projektów, gdy mamy krytyczny termin. HxMap jest jak czarna skrzynka, która automatycznie wykonuje swoją pracę za kulisami.”

Zaprojektowany specjalnie do pracy z danymi TerrainMapper, HxMap wykorzystuje zalety zintegrowanego systemu skanera/kamery do generowania wszystkich danych lotniczych w jednym interfejsie. HxMap oferuje wbudowaną triangulację powietrzną i rozwiązanie dla dużych projektów obrazowania ukośnego, ogólnokrajowych projektów ortofotomapowych oraz dużych lub małych projektów LiDAR.

Departament Transportu Wyoming przetłumaczył dane lidarowe dostarczone przez Woolperta na różne grafiki, w tym cyfrowy model terenu obszaru w pobliżu jeziora Wind River.

Ciągłe doskonalenie

Leica TerrainMapper to następna generacja czujników LiDAR po bardzo udanej serii ALS80. System czujników zwiększa szybkość zbierania danych w zależności od wysokości lotu, poprawia planowanie lotu i zapewnia równomierny rozkład punktów. Zwiększona produktywność pozwala zaoszczędzić czas i pieniądze, a wyższa częstotliwość impulsów, większa moc lasera i technologia bezbramkowa przyczyniają się do większej gęstości punktów.

“Czujniki Leica Geosystems są coraz lepsze” — mówi Seppi. „Skok wydajności do TerrainMapper z ALS80 był znaczący. Odkryliśmy, że okrągły wzór skanowania ma wiele zalet, takich jak kalibracja między liniami i regulacja wysokości tonu. Latanie wyżej i szybciej podnosi naszą wydajność o 200-400%. Produkty Leica Geosystems stanowią podstawę naszej floty czujników od 1989 roku.”

Zapotrzebowanie na dane 3D LiDAR rośnie, co sprawia, że terminowe pozyskiwanie i przetwarzanie danych ma coraz większe znaczenie. Ścisła integracja TerrainMapper z przepływem pracy HxMap przyspiesza cały proces, od pobierania danych do generowania produktu, aby zapewnić szybszą realizację każdego projektu mapowania.