اسکن لیزری پهپادی به روز

اسکن لیزری هوایی با یک پهپاد

اسکن لیزری هوایی (ALS) گستره وسیعی از فرصت ها را در حوزه های نقشه برداری و شناسایی تغییرات ارائه می دهد. اگرچه، در نتیجه هزینه های فراوان مرتبط با ALS معمولی، نقشه برداری لیزری چند زمانه به ندرت مورد مطالعه قرار گرفته و کاربرد داشته است. سامانه های هوایی بدون سرنشین (پهپادها) راه های جدیدی را برای انجام نقشه برداری از طریق اسکن لیزری در مسیری مقرون به صرفه تر ارائه می نمایند و در را به روی بسیاری از کاربردهای مرتبط با شناسایی تغییرات می گشایند. تفاوت های میان دو نوع سکوی پهپادی (سامانه های بال ثابت و عمودپرواز) چیست و سامانه های جاری و به روز اسکن لیزری متناسب با پهپادها چه هستند؟ به خواندن ادامه دهید تا بفهمید.

بکارگیری پهپادها برای اسکن لیزری یک حوزه نسبتاً جدید در پژوهش ها و کاربردهاست. یکی از نقاط آغازین بکارگیری یک هلیکوپتر کنترل شده از راه دور مجهز شده به سنجنده های ناوبری و لیزرهای ارتفاع یاب های (آلتیمترها) مناسب برای نقشه برداری توپوگرافی در سال ۲۰۰۶ بود. بکارگیری پهپادهای بزرگتر با اسکنرهای لیزری تقریباً یک دهه است که تحت مطالعه قرار گرفته و موضوع مباحثات بسیاری در ارتباط با امکانات اسکن لیزری پهپادی در صنعت بوده است.

مقایسه سکوهای پهپادی

بطور کلی می توان پهپادها را به دو دسته تقسیم نمود: بال ثابت ها و عمود پروازها. هر گروه مناسب وظایف و کاربردهای بخصوصی است. سامانه های بال ثابت معمولاً در نتیجه مدیریت سوخت بهتر، زمان عملیاتی طولانی تر و پشتیبانی از حمل بار بیشتری را به کاربرانشان ارائه می دهند. این سامانه ها اجازه پرواز با سرعت بیشتری را نیز می دهند، که آنها را برای مناطق بزرگ و یا ماموریت های مربوط به نواحی دوردست مناسب می سازد. سکوی بال ثابت نسبت به مدل های عمود پرواز که به روش پیچیده تری با اینرسی دست و پنجه نرم می کنند، در پرواز با ثبات تر است. از سوی دیگر، سامانه های بال ثابت در هنگام دور زدن به فضای بیشتری نیاز دارند که موجب افزایش طول مسیر و کاهش کارایی می شود. به علاوه، پهپادهای بال ثابت به فضای بیشتری برای بلند شدن از زمین و فرود نیاز دارند که آنها را برای استفاده در مناطقی که زیر ساخت های موجود کم بوده و یا اصلاً وجود ندارد، نامناسب می سازد. از منظر اخذ داده ها، سرعت بالاتر بال ثابت ها تراکم داده ها را کاهش می دهد و یا نیاز به سنجنده های گرانتر با عملکرد بهتر را برای دست یافتن به یک سطح خاص از تراکم را به وجود می آورد. بطور خلاصه، این محدودیت ها مطلوبیت سکوی بال ثابت را در کاربرد در پروژه های نقشه برداری از مناطق کوچک با زمین های پیچیده و یا پر عارضه، کمتر می کنند. در مقابل، مدل های عمود پرواز، پرواز در حالت ایستا و یا با سرعت کم را نیز ممکن می سازند. آنها قابلیت مانوور بسیار فوق العاده ای را ارائه داده و به یک نوار هوایی برای بلند شدن از زمین و یا فرود نیاز ندارند. این امکان بکارگیری سنجنده های نسبتاً ارزان قیمت را که اسکن لیزری پهپادی را برای جامعه گسترده تری از کاربران قابل دسترسی می سازد، به وجود می آورد.

سامانه های صنعتی

چندین اسکنر صنعتی که با سنجنده هایی مناسب اسکن لیزری پهپادی مجهز شده اند وجود دارد. بسیاری از این سنجنده ها برای کاربردهای صنعتی و رباتیک طراحی شده اند (به عنوان مثال تولید شده توسط SICK، Ibeo، و Hokuyo). مزیت اصلی این سنجنده ها قیمت پایین، اندازه کوچک و عمر بالای آنهاست، که همگی برای اسکن لیزری با پهپادها مفید هستند. اگرچه، عملکرد این نوع از سنجنده ها محدود است. سرعت جمع آوری داده، دقت ارتفاع سنجی، حداکثر دامنه محدود و گاهاً کمبود فناوری های پردازش سیگنال در دسترس و یا اجرا شده به این معناست که آنها همیشه در عملیات های پر کاربرد تجاری مناسب نیستند، اما برای بسیاری کاربردهای دیگر (تحقیقات) کفایت می کنند. سایر سامانه های سازگار با پهپاد که به تازگی ظهور کرده اند، سنجنده های لیزری چند لایه ای هستند که از صنعت خودکار سازی نشات گرفته اند، از آن جمله می توان به Velodyne LiDAR Puck LITE و Quanergy M8-1 LiDAR اشاره کرد. این سامانه ها نرخ داده بالا و دیگر ویژگی های دلخواه را در ازای یک قیمت منطقی ارائه می کنند. اخذ داده ها بصورت چند لایه، نمونه برداری در راستای مسیر را بهبود می بخشد، حال آنکه میدان دید ۳۶۰ درجه ای امکان جمع آوری داده ها از نماهای پیچیده ای نظیر محیط های شهری را بطور جامع تری به وجود می آرود.

سنجنده های حرفه ای

سنجنده های خاص پهپادی برای عملیات های هوایی طراحی شده اند و مشخصاتشان آنها را برای کاربردهای حرفه ای مناسب می سازد. اگرچه این تلاش ها در حوزه طراحی تاثیر واضحی بر قیمت گذاری آنها داشته و سامانه هایی از این رده محصولات، برچسب قیمت هایی با حداقل چند ده هزار یورو دارند. قرار دادن چنین سنجنده هایی روی یک پهپاد، هزینه تمام شده سامانه را به نحو چشم گیری افزایش می دهد. این مساله تاثیری منفی بر بهره برداری از قابلیت های آنها در صنعت نقشه برداری دارد. ای Reigl VQ-480-U و یا VUX-1 Variants مثال هایی از سنجنده های حرفه عملکرد کامل هستند. آنها اجازه انجام عملیات در ارتفاعات بالا (۵۰۰ تا ۱۵۰۰ متر) را می دهند. اگرچه در این ارتفاعات، در نتیجه وجود مقررات سخت در ارتباط با پهپادها، بکارگیری یک هواپیمای دارای سرنشین روش مناسب تری است.

مثال هایی از پهپادهای با ارتفاع پرواز پایین

Hokuyo و Velodyne LiDAR Puck LITE که پیشتر به آنها اشاره شد، مثال هایی از سنجنده هایی هستند که برای ماموریت های تعریف شده در ارتفاعات کم که معمولاً در نتیجه مقررات ایمنی، پیش نیاز عملیات های پهپادی است، مناسب هستند. این سنجنده ها می توانند در ارتفاعات پروازی تا ۱۰۰ متر بکار گرفته شوند، اما در عمل ارتفاع عملیاتی آنها ۴۰ تا ۷۰ متر است. قابلیت پروازی پهپادهای کوچک نشان داده شده در شکل ۱ با در نظر گرفتن حاشیه امنیت در حدود ۲۰ دقیقه است، اما زمان پرواز به شرایط باد نیز بستگی دارد. این نتایج مربوط به یک مسیر پروازی با طول ۱٫۵ و ۲ کیلومتر هستند. با میدان دید ۶۰ درجه ای و ارتفاع پرواز ۷۰ متری، امکان اخذ تصاویر از یک نوار با عرض ۸۰ متر وجود دارد. شکل ۲ مثال هایی از ابر داده های جمع آوی شده با یک Hokuyo UXM-30LXH-EWA برای نقشه برداری توپوگرافی از بستر رودخانه را نمایش میدهد. این مجموعه یک تصویر هوایی از خطوط نقاط کوچکتر (که آنها هم از طریق پهپاد بدست آمده اند) را نشان می دهد.

کاربرد پهپادها در سنجش از دور شهری

کاربردها در محیط های شهری متفاوت هستند و ممکن است از نقشه برداری عمومی از منطقه برای اهداف برنامه ریزی ساختمانی تا شناسایی اجزای خطوط نیرو با مقیاس کم به منظور تعمیر و نگهداری آنها، متغیر باشند. فضای شهری غالباً شلوغ است. حاشیه کمی برای تصحیح خطا وجود دارد و نقص در عملکرد ما را با خطر وارد آمدن خسارت به مردم و یا مایملک آنها مواجه می سازد، که به این معناست که بکارگیری پهپادها در محیط های شهری می تواند چالش برانگیز باشد. اگرچه، این ابزار به عنوان فناوری جدیدی که گستره ای از کاربردهای جدید در نقشه برداری و شناسایی تغییرات را ارائه می کند، در نظر گرفته می شود. داده های ارائه شده در شکل ۳ با استفاده از یک پهپاد عمود پرواز مجهز شده به یک Velodyne LiDAR Puck گردآوری شده اند. بسته سنجنده بکار گرفته شده در اینجا در بردارنده یک ابزارNovAtel IGM-S1 GNSS-IMU برای مشاهده و ثبت راستا و مسیر پروازی سنجنده نیز هست. این سکو برنامه پروازی را در حالیکه پیشرفت عملیات از طریق یک صفحه نمایش که از طریق WLAN به سامانه متصل شده، قابل مشاهده است، بصورت خودکار اجرا می کند. مسیر پروازی دقیق (اصلاح شده) در طول پروسه پسا پردازش با استفاده از داده های یک ایستگاه مبنای GNSS یا داده های یک شبکه مجازی، پس از محاسبه داده های هر ابر نقطه ای، محاسبه می شود. دقت ابر نقاط بطور مستقیم به دقت راه حل مسیر پروازی بستگی دارد، اما در عین حال به عملکرد سنجنده مرتبط نیز وابسته است. در بهترین حالت، می توان دستیابی به ابر نقاط با دقتی در حدود ۵ تا ۱۰ سانتیمتر را انتظار داشت. تراکم نقاط در داده ها می تواند بین ده ها تا هزاران نقطه در هر متر مربع باشد که در مقایسه با مجموعه داده های سنتی ALS (1 تا ۲۰ نقطه در هر متر مربع) عدد بسیار بزرگتری است. میدان دید وسیع سنجنده، اخذ همزمان داده های زمینی، زیرساخت های خیابان، دیوار ساختمان ها و ساختار سقف ها را امکان پذیر می کند.

لیدار آنی

با نگاهی به آینده، فناوری لیدار آنی (ASC TigerCub) یک توسعه نوید بخش در حوزه اسکن لیزری پهپادی خواهد بود. لیدار آنی در نتیجه سنجش چارچوب مبنا، امکان دستیابی به نرخ بالا و سریع اکتساب داده ها با پوشش و همپوشانی هوایی همزمان را فراهم می سازد. این، اصل چند منظری در اخذ داده ها را که شناسایی عارضه را بهبود می بخشد، را امکان پذیر می کند. اگرچه، سنجنده های لیدار آنی در حال حاضر بسیار گران هستند و در نتیجه منشا نظامیشان، در حوزه های غیر نظامی دانش محدودی در مورد آنها در دسترس است. یک روش جالب دیگر، توسعه سنجنده های شمارش فوتون حالت جامد در اندازه های مختلف است: سنجنده های بزرگتر برای بکارگیری در هواپیماهای دارای سرنشین و یا پهپادهای بزرگ، و یا سنجنده های سبک وزن و بینهایت کوچک بر مبنای دیودهای گسیل کننده یک فوتون منفرد (SPAD). در آزمایشگاه های تحقیقاتی، سنجنده های SPAD می توانند به دامنه عملکردی معادل اسکنرهای لیزری صنعتی با قیمت پایین موجود دست یابند. در سال های پیش رو و زمانی که این سنجنده ها بطور کامل توسعه یافته و عملیاتی شوند، قطعاً حوزه اسکن لیزری پهپادی را با تغییر مواجه خواهند ساخت.

اسکن لیزری هوایی با یک پهپاد