LiDAR vs fotogrammetrie pro letecký průzkum
Srovnávací průvodce, který vám pomůže vybrat vhodnou technologii měření
Pro profesionály v oblasti geodézie a mapování jsou LiDAR a fotogrammetrie nezbytnými nástroji již dlouhou dobu.
Ale nedávný pokrok v technologii dronů změnil k lepšímu způsob, jakým jsou data pořizována.
Ve srovnání s tradičním leteckým průzkumem – který se téměř výhradně spoléhal na letadla s posádkou – drony nabízejí bezpečnou, přesnou a cenově dostupnější alternativu. Technologie se stává dostupnější. Nyní mohou projekty v zemědělství, stavebnictví, ochraně, těžbě, rekonstrukci míst nehod a dalších těžit z výhod podrobných mračen bodů, přesných map a 3D modelů.
Pro zavedené geodety i ty, kteří jsou v oboru noví, bude otázka, zda pracovat s LiDAR nebo fotogrammetrií, známá. V tomto článku vás provedeme výhodami a slabými místy obou metod. Není to tak, že jedna z nich je lepší nebo by měla být upřednostňována před druhou za jakýchkoli okolností. Správná volba totiž závisí na konkrétním úkolu, dovednostech dotyčného operátora a jako vždy na rozpočtu, se kterým pracujete.
Co je LiDAR?
LiDAR je zkratka pro „detekci a dosah světla“. Senzory LiDAR fungují tak, že vysílají světelné impulsy a měří čas potřebný k jejich zpětnému odrazu od země, spolu s intenzitou.
Ačkoli se LiDAR používá již po celá desetiletí, teprve v posledních letech se technologie LiDAR stala dostatečně kompaktní na to, aby jej bylo možné integrovat do užitečné zátěže, kterou může nést dron.
Senzor LiDAR představuje pouze jednu část komplikovaného procesu. Pro sběr dat potřebných k vytvoření mračna bodů, které přesně odráží terén a jeho topografii, obsahuje LiDAR další vysoce přesné systémy: satelitní určování polohy (data GNSS) a inerciální měřící jednotku (IMU).
S trochou softwarové magie lze výstupy z letů LiDARu použít k vytváření 3D mračen bodů a map – obě vyžadují řadu dovedností pro jejich interpretaci, ale poskytují neocenitelná data v těžebních, lesnických, zemědělských činnostech.
Profesionálové s LiDARem
Nejvíce zmiňovaný přínos LiDARu pro mapování je přesnost technologie. Ale jako samotný fakt nám nestačí.
Za prvé, je důležité zvážit, co přesnost znamená pro vás a váš projekt. Upřednostňujete relativní nebo absolutní přesnost? Jinými slovy, máte obavy z toho, zda je váš konečný produkt přesný, pokud jde o jeho vnitřní parametry, nebo jeho umístění na zemském povrchu?
LiDAR je způsob, jak jít na absolutní přesnost a je obvykle nejlepší volbou, když cílem je realistický holý model země. To proto, že je to nejlepší metoda pro zohlednění nadmořské výšky, vegetace a podmínek.
Integrace LiDAR s daty GNSS a skutečnost, že se jedná o přímé měření – vystřelující tisíce laserových pulsů shora – zajišťují, že vaše konečná digitální mapa terénu má extrémní vertikální přesnost.
Topografické komplikace nepřicházejí jen ve formě zvlnění terénu. Také vegetace může blokovat získávání údajů o terénu z fotografií pomocí fotogrammetrie.
Světelné impulsy LiDARu pronikají mezerami mezi listy a větvemi až na samotný terén a zvyšují přesnost měření.
LiDAR je také vhodnější, pokud jsou nekonzistentní světelné podmínky. Chcete-li provádět noční mapování nebo mise za nízké viditelnosti, může LiDAR tento úkol zvládnout, aniž byste potřebovali externí zdroj světla.
LiDAR také umožňuje zachytit detaily, které mají malý průměr. Skvělým příkladem jsou napájecí kabely. Díky vzorkování bodů s vysokou hustotou a metodě přímého měření můžete použít LiDAR k přesnému mapování například vodiče trolejového vedení.
Nevýhody LiDARu
Nejviditelnějším problémem, který přichází s prací s LiDARem, jsou jeho pořizovací náklady. Kvůli větší provozní složitosti (a potřebě složitějších komponent a senzorů) můžete snadno utratit stovky tisíc až milióny korun za kompletní řešení.
Tato složitost také rozšiřuje prostor pro chyby a zvyšuje závislost na zkušeném profesionálovi. S více senzory a informacemi, které nejsou snadno dostupné bez určitého množství zpracování, není extrahování potřebných dat jednoduché.
Je také důležité mít na paměti, že senzory LiDAR jsou tradičně objemnější než jednoduché fotoaparáty. Vzhledem k tomu, že drony jsou pro letecký průzkum stále populárnější, může potřeba většího dronu, který unese větší užitečné zatížení, zvýšit již tak značné pořizovací náklady.
Poslední nevýhodou výběru LiDARu je pravděpodobně jeho největší síla: skutečnost, že je to nejlepší nástroj pro práci ve velmi specifických situacích. Pro mnoho aplikací postačí fotogrammetrie. Jedná se o trend, který navíc získává na síle s vylepšováním softwaru pro zpracování snímků.
Co je fotogrammetrie?
Jednoduše řečeno, fotogrammetrie je způsob měření vzdáleností pomocí fotografií. Tyto fotografie jsou zpracovávány pomocí speciálního softwaru pro generování přesných a realistických modelů světa.
Ortofotomapy a 3D modely mají různé použití, od plánování výstavby a průběžného řízení projektů až po marketingové materiály.
Počet snímků, které potřebujete pro efektivní fotogrammetrii, se může pohybovat od stovek do tisíců. Vše závisí na velikosti zájmového území a hloubce a přesnosti, které chcete dosáhnout.
Piloti dronů musí určit optimální výšku letu, aby získali potřebné rozlišení snímku. Musí také nastavit překrytí každého snímku, aby zpracovatelský software mohl bezproblémově spojit snímky dohromady.
Výhody fotogrammetrie
Hlavní výhodou použití fotogrammetrie je její přístupnost. Vzestup technologie dronů a mapovacího softwaru zjednodušil pracovní postupy a přinesl přesné mapy a 3D modely na dosah kterékoliv organizace vybavené alespoň základním dronem s kamerou.
Kromě kalibrace kamery je základní plánování letu, zaměření vašich pozemních vlícovacích bodů, provádění mapovací mise a přeměna těchto dat na výsledné produkty poměrně jednoduchá. Existuje nespočet scénářů, ve kterých tento proces přináší hmatatelné výsledky v průmyslových odvětvích jako je stavebnictví, ochrana, těžba a zemědělství.
Důležité je, že výsledky jsou také snadno přístupné. Mapy a modely s pravými barvami jsou okamžitě použitelné a intuitivní, což z nich dělá skvělý nástroj pro spolupráci a něco, na čem mohou zainteresované subjekty pracovat, aniž by trávily příliš mnoho času manipulací s daty.
Další silnou stránkou fotogrammetrie je to, jak je cenově dostupná. Jak jsme již zmínili, začít znamená investovat několik desítek tisíc korun do profesionálního dronu s fotoaparátem, což je dokonce méně, než kolik budete muset investovat do softwaru, který budete potřebovat ke zpracování svých dat.
A konečně, fotogrammetrie nabízí flexibilnější přístup. V závislosti na daném úkolu můžete mít větší kontrolu nad parametry rychlostí mise, letovou výškou a přesností.
Nevýhody fotogrammetrie
Metody průzkumu založené na fotogrammetrii mají určité nevýhody.
První spočívá v tom, že přesnost vašich map a modelů velmi závisí na kvalitě fotoaparátu vašeho dronu a technických parametrech dronu samotného.
Velikost senzoru, clona, rozlišení a ohnisková vzdálenost ovlivňují fyzické rozlišení snímku (GSD) spolu s letovou výškou, ze které snímkujete. Kromě toho budete obtížné dosahovat výsledků s absolutní přesností, aniž byste museli používat pozemní vlícovací body nebo dron s podporou RTK/PPK.
Druhou výzvou, které čelíte v oblasti fotogrammetrie, je počasí. Nebo konkrétněji světelné podmínky. Tma, oblačnost, prach a další mohou negativně ovlivnit kvalitu vašich výsledků.
Pokud jde o zpracování dat, můžete měřit pouze to, co vidíte jasně. To znamená, že lety za snížené viditelnosti – ať už kvůli vegetaci, stínům nebo denní době – vyprodukují méně pozemních bodů a méně přesné mapy a modely.
Kdy zvolit LiDAR
LiDAR se doporučuje, pokud mapujete složitý terén s vysokým procentem pokrytí vegetace. Díky jeho přímému měření, které dokáže pronikat mezi listy, větvemi a stromy, můžete s výslednými daty vytvářet přesná topografická mračna bodů.
Tato technologie je také ideální pro přesné měření objektů, jako jsou například kabely, které jsou obecně příliš tenké, aby je bylo možné rozpoznat jakoukoli jinou metodou.
LiDAR by měl být také vaší volbou, pokud geodetické mapování vyžaduje především přesnost. Ačkoli to není bez výzev, které přicházejí ve formě nákladů a odborných znalostí potřebných k uvedení dat do života.
Vyberte LiDAR pokud:
- Mapujete obtížně přístupný, složitý a zarostlý terén.
- Potřebujete zachytit detaily na tenkých konstrukcích, jako jsou elektrické vedení nebo hrany střech.
- Projekty, u nichž jsou prioritou detail a přesnost.
Kdy zvolit fotogrammetrii
Cenová dostupnost fotogrammetrie z něj činí preferovanou možnost pro ty, kteří s mapováním pomocí dronů začínají. Ačkoli je levnější než LiDAR, není to její jediná výhoda.
Vlastně pro celou řadu aplikací se ve skutečnosti lépe osvědčuje fotogrammetrie. To platí zejména v případě, že chcete používat plány vytvořené pomocí ortomozaiky, spolupracovat pomocí 3D modelů nebo poskytovat aktualizace průběhu projektu za relativně nízkou cenu.
Vyberte fotogrammetrii pro:
- Podrobné mapování, které je dostupné a vyžaduje minimální následné zpracování a odborné znalosti.
- Mapy a modely, které snadno pochopí i netrénované oči.
- Datové sady, které vyžadují vizuální posouzení.
LiDAR vs fotogrammetrie: Která je přesnější?
Stejně jako mračna bodů se skutečnými barvami vytvořená pomocí DJI L1 nejsou černobílá, odpověď zde není tak jednoduchá.
LiDAR má ve srovnání s fotogrammetrií tendenci produkovat skeny s většími detaily a přesností. Navíc, protože může dobře fungovat navzdory výzvám v oblasti pracovních podmínek, například při slabém osvětlení nebo v případě vegetace, je ideální pro scénáře, ve kterých si ceníte především přesnosti.
Mračna bodů pořízená LiDARem mohou být neuvěřitelně hustá, s až 500 body na metr čtvereční a vertikální přesností pod 3 centimetry. S vysokou hustotou datových bodů přichází robustnější datová sada, což vám dává větší univerzálnost při zpracování vašich měření.
To však neznamená, že je fotogrammetrie ze své podstaty nepřesná. Pokud je váš terén relativně jednoduchý a bez husté vegetace, stále můžete vytvářet velmi podrobné mapy a modely – zejména pokud používáte dron s RTK modulem.
LiDAR vs fotogrammetrie: Data
LiDAR a fotogrammetrie jsou zásadně odlišné metody sběru dat.
S LiDARem dosáhnete tisíců datových bodů, které tvoří 3D mračno bodů popisující dotyčný terén. Budete muset začlenit barvu ze samostatných datových sad, případně použít Zenmuse L1, aby se z mračna bodů stalo něco vizuálně přístupného.
S fotogrammetrií skončíte se stovkami nebo tisíci snímky, které je třeba zpracovat a spojit dohromady, aby vzniklo něco hodnotného – ať už je to 3D mračno bodů, mapa nebo navigovatelný model.
Cloudové zpracování dat LiDARu není tak rozšířené ani přístupné, jako cloudový fotogrammetrický software. Což znamená, že budete potřebovat odborníka, který dokáže proměnit tato nezpracovaná data na něco použitelného, spolu se správným softwarem.
Fotogrammetrické řešení DJI
Phantom 4 RTK
Phantom 4 RTK nabízí profesionálním geodetům ideální rovnováhu mezi cenou, přesností a dostupností.
Díky integrovanému RTK přijímači jsou fotografie automaticky označovány souřadnicemi a jsou korigovány proti pozemním kontrolním bodům s přesností na centimetr.
Phantom 4 RTK představuje chytrou úvodní investici bez ohledu na vaše potřeby při průzkumu.
Matrice 300 RTK + P1
Toto kombo je vlajkovou lodí fotogrammetrického řešení DJI. P1 je pokročilá užitečná zátěž pro fotogrammetrii s full-frame snímačem a výměnnými objektivy s pevným ohniskem. Díky globální mechanické závěrce a softwarovým funkcím, včetně Smart Oblique Capture je ideální pro fotogrammetrii ve velkém měřítku. P1 využívá model M300 RTK a umožňuje geodetům překonat 3 km2 v jediném letu a dosáhnout výsledků o přesnosti 3 cm horizontálně / 5 cm vertikálně i bez GCP.
Řešení DJI LiDAR
Matrice 300 RTK + L1
V modelu L1 je umístěn LiDAR modul Livox, vysoce přesná IMU a kamera s 1palcovým CMOS senzorem na 3osém stabilizovaném gimbalu. S vertikální přesností 5 cm a horizontální přesností 10 cm a schopností pokrýt 2 km2 v jednom letu tvoří M300 RTK, L1 a DJI Terra komplexní geodetické řešení, které nabízí 3D data, podrobnosti složitých struktur a přesné vizuální rekonstrukce.
Závěr
Posouzení LiDARu a fotogrammetrie jako dvou konkurenčních metod sběru dat nepřináší jednoznačné závěry. Jak jsme se již zmínili, není to tak, že jeden způsob je nutně lepší než ten druhý. Nakonec je to právě daný úkol, který určí nejlepší řešení.
Pokud se jedná o kontrastní a dobře osvětlené předměty a příznivé podmínky, je fotogrammetrie pro danou práci pravděpodobně více než adekvátní. Ale pro náročné mapovací projekty, kde se jedná o přesnost výšky, složité struktury nebo částečně zahalený terén, je LiDAR pravděpodobně lepší cestou.
Nakonec se profesionálové v oboru budou muset naučit používat obě technologie, protože drony, které je nosí, se stávají stále sofistikovanějšími.
Autor článku: Malek Murison
Přeložil GEOTRONICS Praha