Платформа M300 RTK и лидар L1

Эксклюзивные наборы данных, полученные с помощью лидара

Основные результаты анализа выборочных данных включают:

• Модель L1 может создавать плотные облака точек (см. выше).
• Быстрая обработка данных с помощью приложения DJI Terra: требуется 3 минуты, чтобы обработать данные, полученные за 30 минут полета.
• Автономный сбор данных превращает лидар L1 в доступный и простой инструмент, работающий по принципу plug-and-play.
• Модель L1 помогает идентифицировать непонятные детали облака точек, в частности, линии электропередачи или компоненты, которые не видны на 2D-ортомозаике.
• Модель L1 оснащена лидарным датчиком и RGB камерой, которая обеспечивает цветопередачу при создании облака точек и полную реконструкцию оригинальной модели.

Лидар L1 – это первый современный лидар от компании DJI, разработанный специально для флагманского дрона DJI M300 RTK.

Чтобы оценить качество работы лидара, мы совершили полет для сбора выборочных данных, а затем обработали полученную информацию с помощью программного обеспечения Terra от DJI.

Начальник службы ГИС и геодезии компании Heliguy™ Бен Сангстер остался впечатлен полученными результатами.

Он говорит: «L1 - это комплексная модель, которая помогает создавать плотные облака точек. Увидев технические характеристики L1, мы были поражены, а датчик великолепно проявил себя в полевых условиях.

Мы обработали полученные данные с помощью приложения DJI Terra, которое отличается легкостью в применении и чрезвычайно оперативной обработкой информации; благодаря приложению нам удалось создать качественное облако точек.

Качество собранных данных и их обработки гарантирует высокое качество исполнения на всех этапах работы с использованием технологии LiDAR на базе платформы DJI для оптимизации рабочих процессов и получения оптимального результата».

Автономный сбор данных с помощью технологии LiDAR

Компания Heliguy™ протестировала платформу M300 RTK и датчик L1 на ферме в Уоркворте, графстве Нортумберленд (Великобритания). Ниже вы видите изображение данной местности, представленное в виде облака точек, созданного с помощью L1 и приложения Terra.

Поставленная задача была выполнена в ходе одного полета. Мы выбрали стандартный режим для проведения картографических работ в приложении DJI Pilot, а затем начертили на экране стандартную многоугольную зону полета, чтобы отметить границы области проведения съемки. Был установлен коэффициент перекрытия 20%. Мобильная станция D-RTK 2 для платформы DJI M300 RTK была настроена для сбора максимально точных данных о местоположении в дополнение к инерциальной измерительной системе L1.

После этого мы приступили к выполнению задачи. В процессе работы мы убедились в том, насколько легко и быстро происходит развертывание L1 для эффективного и качественного сбора данных с помощью технологии LiDAR.

Бен говорит: «Модель L1 была разработана в ответ на активный спрос со стороны операторов БПЛА, работающих в отрасли проектирования, строительства и геодезии, которым был необходим мощный, но удобный в эксплуатации дрон с технологией LiDAR, и наш эксперимент доказал, что L1 – это именно то, что нам нужно.

Тот факт, что поставленная задача была решена путем выбора стандартного режима для проведения картографических работ, которые используют для создания обычной D-ортомозаики, и последующего развертывания платформы M300 RTK и лидара L1, говорит о том, насколько эффективно данное оборудование для сбора информации.

В прошлом использование технологии LiDAR было ограничено из-за целого ряда проблем и высокой стоимости оборудования, однако появление комплекта L1+M300 RTK полностью изменило эту ситуацию, предложив рынку доступный и экономичный вариант оборудования. Я думаю, что этот шаг станет настоящим прорывом на рынке технологии LiDAR».

Плотность облака точек, созданного с помощью L1

Модель L1 представляет собой доступный инструмент для использования технологии LiDAR, но что можно сказать о качестве получаемой информации?

Судя по выборочным данным, датчик помогает создавать несколько надежных моделей облака точек.

Например, на этой фотографии (см. ниже) показано довольно подробное изображение места проведения съемки, особенно если присмотреться к крышам зданий, которые кажутся плотными и полностью сформированными.

Надо признать, что в этой модели имеются не столь тщательно выделенные участки, например, боковые стены сооружений, но это связано с тем, что стабилизатор во время полета был закреплен под углом 90°. Изображение боковых стен построек не кажется таким же четким из-за невозможности захватить в кадр плотное множество точек.

Смена положения стабилизатора заметно повышает плотность облака точек на этих участках.

Бен говорит: «Наборы данных, полученные с помощью L1, помогают реконструировать подробную и достоверную модель. Несмотря на то, что камера была закреплена под углом 90°, она все равно смогла заснять хозяйственные постройки со всех сторон, отчасти благодаря углу обзора лидарного датчика (70°).

Да, остаются менее проработанные участки, но мы выяснили, что этот недостаток связан с положением стабилизатора. Тем не менее, при любом угле наклона камеры (например, 70°) мы смогли бы получить очень подробное изображение фасадов сооружений, тем самым еще больше увеличив плотность облака точек».

В отличие от большинства других лидарных систем для БПЛА, L1 представляет собой готовую к эксплуатации модель, оснащенную 3-осевым стабилизатором. Это означает, что любое непреднамеренное вращение дрона (наклон, крен или поворот) корректируется благодаря системе динамической стабилизации (±0,01°), обеспечивая равномерное распределение точек даже при очень высокой скорости сканирования.

Таким образом, риск пробелов в данных значительно уменьшается, что позволяет выполнять задачи по сбору информации с привязкой к местности.

Сбор сложных данных

Благодаря диапазону распознавания до 450 м частота точек у модели L1 составляет 240000 точек/с. Поскольку L1 поддерживает до 3-х возвратов, частота точек может вырасти до 480000 точек/с.

Вдобавок ко всему модель L1 является единственным лидаром, который поддерживает режим линейного сканирования и режим неповторяющегося сканирования. Это означает, что по мере увеличения времени интеграции сканируемая область в пределах поля зрения (FOV) тоже увеличивается.

Это увеличивает вероятность обнаружения объектов и других деталей, попадающих в поле зрения камеры.

Обе функции позволяют аналитикам выделять и классифицировать различные типы объектов в облаке точек, например, линии электропередачи, которые можно пропустить при работе с другим оборудованием или использовании других методов съемки, включая фотограмметрию.

На это стоит обратить внимание при просмотре наборов данных, полученных с помощью L1. Например, эта модель включает сложные детали, в частности, линии электропередачи, идущие к передней части здания (см. в центре снимка).

Теперь сравните полученное изображение с 2D-ортомозаикой этого же участка (фотограмметрия выполнена с помощью датчика, установленного на камере Zenmuse DJI P1). Линии электропередачи не видны, потому что они слишком малы, чтобы их можно было разглядеть с помощью фотограмметрии. Это доказывает важную роль технологии LiDAR – а точнее модели L1 – в выявлении сложных деталей.

Помимо выявления мелких деталей L1 поддерживает 3 возврата, позволяя пилотам генерировать высотные отметки в лесных массивах и извлекать их в формат моделей DEM и DSM.

Технология LiDAR – и это еще одно ее преимущество перед фотограмметрией – использует лазерные лучи, которые проникают через пространство между листьями и ветками и достигают земли.

Напротив, в традиционной фотограмметрии густая растительность может помешать получить точную информацию о топографии земельного участка.

Облака точек, созданные с помощью модели L1, передают изображение в истинном цвете

В модель L1 интегрированы RGB камера и лидарный датчик (см. фото).

Такая конструкция дает множество преимуществ.

Во-первых, RGB камера, которая обеспечивает съемку фото- и видеоматериалов, генерирует информацию о цвете для облака точек в режиме реального времени. Это позволяет создавать цветные облака точек и полностью реконструировать оригинальную модель.

Как правило, модели, созданные с помощью технологии LiDAR, предлагаются в черно-белом цвете, поэтому L1 избавляет от необходимости тратить дополнительное время и деньги на создание облаков точек в оригинальном цвете.

Цветовые режимы L1

• оригинальный цвет;
• окрашивание по коэффициенту отражения;
• окрашивание по высоте;

В ходе постобработки с помощью приложения DJI Terra можно использовать следующие цветовые режимы:

• видимый цвет;
• коэффициент отражения;
• высота;
• возвращение чисел;

На изображении (см. ниже) показана модель, созданная на основании коэффициента отражения путем регистрации силы отражения лазерного луча. Низкие значения указывают на низкую отражательную способность, а высокие – на высокую отражательную способность.

Эта функция полезна для множества применений, например, классификации покрова земли.

Посмотрите, каким образом с помощью расчета силы отражения можно определить виды растительности вокруг фермы: нижняя часть поля в основном зеленого цвета, а верхняя – синего.

Обратите внимание на маленький кусочек красного цвета в нижней части поля; в подобных случаях отличие коэффициента отражения может заставить пользователя внимательно присмотреться к данному участку и принять решение на основе полученных данных. К слову, эти нюансы были бы не видны невооруженным глазом.

Беглый взгляд на ортомозаику этого же участка показывает суть различий: внизу растительность более густая, и это видно благодаря информации, полученной с помощью технологии LiDAR.

Одним из преимуществ фотограмметрии является то, что она обеспечивает мгновенно узнаваемые и понятные карты местности; в конечном итоге, с помощью фотограмметрии мы создаем модели, основанные на сотнях или тысячах объединенных снимков объекта.

Это не только помогает оперативно разобраться в цифровом аналоге изображений, но и понять абстрактные символы, полученные с помощью технологии LiDAR.

Например, сравните эти два изображения фермы в Уоркворте: на 2D-ортомозаике изображены теннисный корт и транспортные средства. Эти объекты практически невозможно распознать в облаке точек, созданном с помощью технологии LiDAR.

Возможность сравнивать полученные наборы данных чрезвычайно полезна

Также полезна возможность использовать L1 для оперативного доступа к просмотру облака точек LiveView, которое предоставляет мгновенную и максимально точную аналитику. Вы также можете проанализировать качество выполнения полевых работ, сразу же проверив данные облака точек после очередного полета.

Эта функция гарантирует получение надежных и качественных данных, позволяя при необходимости собрать дополнительную информацию.

Например, вернемся к изображению боковых стен сооружений. Вы видите, что они нуждаются в детализации, поэтому можно установить камеру под другим углом, чтобы увеличить плотность точек на этих участках. Кроме того, можно получить дополнительную информацию в ходе пилотирования дрона в ручном режиме.

RGB камера представляет собой 1-дюймовую КМОП-матрицу с разрешением 20 МП и механическим затвором для предотвращения искажений при вращении затвора.

Фактически, это такая же камера, что и на модели DJI Phantom 4 RTK, разработанной DJI для фотограмметрии на малой высоте. Поэтому среднее пространственное расширение (GSD) у L1 составляет 2,74 см при высоте полета 100 м (на случай, если вы решите использовать данную модель для фотограмметрии).

Приложение DJI Terra для постобработки данных, полученных с помощью L1

Модель L1 совместима с приложением DJI Terra. Это означает, что вы можете объединить модель L1, платформу M300 RTK, базовую станцию ​​D-RTK и приложение Terra в единый комплект для сбора максимально точных данных в режиме реального времени с последующей обработкой полученной информации.

Фактически, приложение DJI Terra представляет собой универсальное решение для постобработки данных. Этот программное обеспечение объединяет IMU (инерциальный измерительный блок) и данные, полученные с помощью глобальной спутниковой навигационной системы (ГНСС) для построения облака точек и расчета спектра видимого света, а также для вычисления данных POS. Это позволяет без труда реконструировать объекты и создавать отчеты о точности данных.

Высокоточный IMU

Прежде чем мы перейдем к разговору о приложении DJI Terra, давайте уделим немного внимания IMU.

Модель L1 оснащена высокоточным IMU, который измеряет ускорение 3-осевого стабилизатора и угловую скорость дрона в режиме реального времени. Это позволяет вычислить скорость, положение и угол высоты полета беспилотника.

Высокоточный IMU имеет важнейшее значение для сбора точных и качественных данных, потому что без его участия ваше облако превратится в произвольный набор точек.

В обычных условиях точность IMU составляет 0,025° (крен/тангаж)/0,08° (рыскание). Для повышения надежности и точности данных модель L1 также была оснащена видеодатчиком для точного позиционирования и двухчастотным приемником ГНСС. Это позволяет L1 обеспечивать относительную точность 5 см и абсолютную точность 10 см при полете на высоте 50 м.

Во время эксперимента мы не использовали контрольные точки или систему GPS для проверки точности данных, однако технические характеристики подтверждают непревзойденную точность лидара.

Кстати, во время эксперимента дрон M300 RTK выполнил несколько маневров в виде «восьмерки» до и после сбора данных для калибровки IMU.

Приложение DJI Terra для эффективной обработки данных, полученных с помощью лидара

Мы были поражены скоростью, с которой приложение DJI Terra обработало полученные данные – всего за 3 минуты!

Это действительно быстро, но нужно учитывать, что для фотограмметрической обработки снимков с помощью датчика P1 приложению DJI Terra потребовалось целых 12 часов!

Одна из основных причин заключается в том, что в отличие от фотограмметрической обработки программному обеспечению не требуется искать одну и ту же точку на нескольких изображениях и каждый раз ее реконструировать. Технология LiDAR основана на прямых измерениях, что существенно уменьшает время обработки.

L1 хранит необработанную информацию в формате .dat. В ходе обработки она преобразуется в формат .las, который является стандартным форматом облака точек.

Вся необработанная информация обрабатывается вместе с данными о местоположении, взятыми из системы RTK и IMU, для получения максимально точного результата.

Бен говорит: «На обработку ушло 3-4 минуты. И это намного быстрее фотограмметрической обработки данных. Скорость работы приложения Terra на самом деле впечатляет. Обработка участка площадью 250 x 250 м была проведена очень быстро.

С другой стороны, фотограмметрическая обработка данных, полученных с помощью P1, потребовала почти 12 часов. В итоге результат обработки информации, собранной L1, был готов намного раньше, а качество наборов данных выше всяких похвал».

Следует подчеркнуть, что файлы с необработанными данными о местоположении и данными, полученными с помощью лидара, могут быть обработаны только через приложение Terra, поскольку результаты лазерного сканирования зависят от разработчика и не могут быть обработаны в приложениях сторонних производителей.

Компания DJI заявила, что со временем приложения сторонних производителей могут стать совместимыми с системой первичной обработки данных компании, поэтому мы советуем вам следить за новостями.

Эффективность лидара

Скорость работы приложения DJI Terra является наглядным воплощением эффективности работы всего комплекта оборудования, включащего платформу M300 RTK, L1 и приложение Terra.

Платформа M300 RTK отличается невероятной продолжительностью времени полета (до 55 мин), а в комбинации с L1 она обеспечивает эффективный метод сбора данных в процессе аэрофотосъемки, площадь которой достигает 2 км² на высоте 100 м.

Участок фермы, который мы выбрали для проведения эксперимента, был намного меньше. Нам понадобилось всего полчаса, включая время калибровки IMU, на полет дрона над участком площадью 250 м x 250 м на высоте 80 м.

Бен говорит: «L1 – это эффективный инструмент для аэрофотосъемки. Выбранный нами участок был небольшим, но L1 отлично зарекомендовал себя и на более крупных площадках. Добавьте к этому скорость обработки данных в приложении Terra, и вы получите надежный и эффективный инструмент».

L1 и платформа M300 RTK имеют уровень защиты IP. Это означает, что они оба могут работать в плохих погодных условиях, создавая дополнительные возможности для сбора данных. Уровень защиты M300 RTK – IP 45, а L1 – IP44. Диапазон рабочей температуры у дрона и камеры составляет от -20°C до 50°C.

Пример из практики использования L1 и M300 RTK: выводы

В прошлом интеграция технологии LiDAR и беспилотника представлялась откровенно сложной задачей.

Дроны, оснащенные технологией LiDAR, крайне редко использовались в аэрофотосъемке в связи с отсутствием портативных, недорогих и функциональных моделей, проблемами при постобработке данных и необходимостью получения специального образования для интерпретации полученных результатов.

Компания DJI готова решить эту задачу с помощью модели L1. Это удобная, компактная, экономичная и автономная модель, которая создает дополнительные возможности использования лидара в комбинации с дронами.

Фактически, разработка этой модели отражает общую позицию компании DJI в отношении дальнейшего развития индустрии дронов. Она заключается в стремлении к созданию современных, эффективных, действенных и простых в эксплуатации моделей, которые готовы к работе сразу после распаковки.

Благодаря способности создавать детальные и плотные облака точек с последующей обработкой данных в приложении DJI Terra для оптимизации всех этапов рабочего процесса, L1 является идеальной моделью для любителей аэрофотосъемки, способствующей активной популяризации технологии LiDAR.