Spis treści:
Skaning laserowy to technologia pozyskiwania informacji o kształcie obiektu. Jego ideę można sprowadzić do zasady laserowego pomiaru odległości. Pomiaru dokonuje się z punktu o określonych współrzędnych przestrzennych do badanych punktów i wyznaczeniu ich położenia w przyjętym układzie współrzędnych biegunowych. Uzyskuje się w ten sposób przestrzenną reprezentację powierzchni obiektu. Do czego tak naprawdę się przydają?
Technologie stare, ale jare - czy zawsze?
Rzućmy okiem na technologie, które trafiły do wykorzystania powszechnego. Czasami nie do końca wiadomo nawet, czy coś jest odkryciem, czy wynalazkiem. Badania ludzkiego genomu okazały się przełomem w medycynie, nie są one jednak wynalazkiem. Wynalazek to rozwiązanie techniczne lub unowocześnienie, które dotyczy urządzenia, procesu albo metody.
Wynalazek to bateria, odkurzacz i pralka. Odkrycie to Przylądek Dobrej Nadziei w Afryce i węglowodany. Nierzadko okazuje się, że zamysł czy prototypy istniały od dawna. W niektórych przypadkach przyniosła je natura. Tajemnica jednak kryje się w ciągłym ulepszaniu tego, co już znane. Jednak niektóre wersje wynalazków z perspektywy czasu zdają się już zupełnie nieprzydatne albo ich zastosowanie jest znikome. Zdezaktualizowały się.
Tylko czy na pewno wszystkie technologie odchodzą w końcu do lamusa? Co więcej, czy aby na pewno dawniej błyskotliwe wynalazki, które funkcjonują już tylko w obiegu pasjonatów, nie przydadzą się w późniejszych pracach? Osobiście trzymam w swoim ogrodzie starą taczkę. A gdzie dokładnie znajduje się moja taczka? Na technologicznej osi czasu to gdzieś w połowie drogi pomiędzy kołem a samochodem.
Nie inaczej jest z laserem – przykładem wciąż rozwijanego wynalazku, którego rozwój doprowadził w końcu do stworzenia fascynującej koncepcji, jaką jest skanowanie laserowe.
Co to jest LiDAR?
Wiązka światła laserowego zabłysła wcześnie, bo po raz pierwszy w roku 1960. Dosyć dawno, prawda? Możemy się założyć, że niektórzy Czytelnicy obstawialiby datę późniejszą. Wszystko jednak zaczęło się jeszcze wcześniej, bo w roku 1917, kiedy Albert Einstein stwierdził, że możliwe jest pobudzanie cząsteczek materii – atomów – do emisji światła. Wówczas okazało się to trudne do sprawdzenia. Sto lat później, w 2017 roku, w Polsce zgłoszono 136 niebezpiecznych incydentów lotniczych z użyciem lasera.
Nas jednak interesować będzie historia skaningu laserowego. Ta jest o wiele krótsza. Najnowszym osiągnięciem w zakresie technik pozyskiwania informacji geoprzestrzennych jest skaning laserowy. Jego dzieje rozpoczęły się w 1993 roku. Początkowo system LiDAR (Light Detection And Ranging) obejmował urządzenia montowane na statkach powietrznych, czyli laserowy skaning lotniczy (ALS – Airborne Laser Scanning). Prawdziwym przełomem był rok 1998, kiedy zaprezentowano pierwsze na świecie urządzenie do naziemnego skaningu laserowego (TLS – Terrestrial Laser Scanning).
Współczesny LiDAR w służbie... każdemu
Zaletą skanowania laserowego jest możliwość wykonania pomiarów najbardziej złożonych geometrycznie i geomorfologicznie obiektów. Są to tunele, mosty, budynki, urządzenia przemysłowe, sieci uzbrojenia terenu, skarpy, nasypy czy skrajnie budowli. Technologia na pierwszy rzut oka prezentuje się jako wysoce wyspecjalizowana. Nic bardziej mylnego.
Owszem, oprócz oczywistej przydatności dla specjalistów od geodezji, kartografii, topografii, hydrologii czy agrotechniki dla skanowania laserowego zastosowanie osoby zajmujące się zarówno amatorsko, jak i profesjonalnie takimi dziedzinami jak:
Rolnictwo – rozpoznawanie załomów, spadków i wzniesień terenu, wyznaczanie miejsc najlepiej nasłonecznionych, kontrola chwastów, wydajne nawożenie, erozja wodna gleb, szacowanie ryzyka kontynuacji i zaprzestania eksploatacji rolniczej danego terenu.
Budownictwo – wszelkie prace budowlane wymagające niezwykle precyzyjnego mapowania terenu, planowanie, lokalizacja źródeł hałasu, obszary zwartej przestrzeni, instalacje przemysłowe, sztuczne formy terenu, budownictwo wodne, odwierty, mapy osuwisk i terenów zagrożonych.
Archeologia i geomapping – “poszukiwanie historii”, strategia badań archeologicznych, przygotowywanie wykopalisk, rozwój lokalnej turystyki kulturowej, dokumentowanie nowych stanowisk, badanie przemian krajobrazu, odkrywanie struktur, tworzenie map prezentujących dawne relikty, urbex.
Konstruowanie robotów – detekcja i pomiar przestrzeni, impulsowe pomiary odległości, pobieranie danych z otoczenia, robotyka/automatyka przemysłowa.
Turystyka i rekreacja – planowanie szlaków, analiza zagrożeń na szlakach, mapy bez utraty dokładności, pozyskiwanie nieodkrytych zasobów przyrodniczo-kulturowych, promocja miejsc poprzez wirtualne wycieczki, analiza widoczności, obserwacja rozwoju roślinności.
W Polsce z LiDARów korzystają coraz chętniej korzystają instytucje i uczelnie wyższe. Wśród nich znajdują się Krajowy Zarząd Gospodarki Wodnej, Wydział Nauk o Ziemi i Kształtowania Środowiska Uniwersytetu Wrocławskiego, Państwowy Instytut Geologiczny – Państwowy Instytut Badawczy, Komenda Główna Policji czy Agencja Bezpieczeństwa Wewnętrznego. Trudno przecenić wartość materiału analitycznego, jaki dostarczają. Więcej przeczytacie w dokumencie ISOK Lotnicze skanowanie laserowe – szkolenie zostało przedstawione naprawdę bardzo przystępnie i obrazowo.
Skanery laserowe w Botland
A zwłaszcza dwa egzemplarze – skaner laserowy RPLidar A2M6 oraz skaner laserowy RPLidar A3M1 od firmy Slamtec, laureata takich nagród jak m.in. Service Robot Best AI Contribution (2019), Golden Finger Innovation Awards (2019), Annual Tech Innovation oraz Best Tech Contribution (2018).
Skaner laserowy RPLidar A2M6
Zgrabny, prawda? Jeżeli spodziewaliście się kanciastej maszynerii, to czeka Was zaskoczenie – jego wymiary to zaledwie 76 x 72,5 x 41 mm. Maleństwo waży 190 g. Zakres skanowania to natomiast pełne 360°. Imponujący zasięg pozwala na mapowanie wszystkich obiektów w odległości do 18 metrów. A2M6 w ciągu sekundy jest w stanie zeskanować 8000 próbek. Typowa częstotliwość skanowania wynosi 10 Hz (minimalna 5 Hz, maksymalna 15 Hz).
Skaner laserowy RPLidar A2M6 komunikuje się poprzez interfejs UART, prędkość kontrolowana jest poprzez PWM. Do stworzenia skanera RPLidar A2M6 wykorzystano silnik bezszczotkowy, który eliminuje tarcie i hałasy. Dzięki temu rozwiązaniu skaner pracuje płynnie i cicho. Bezszczotkowy silnik w połączeniu z technologią OPTIMAG wydłużają żywotność skanera do aż 5 lat przy założeniu, że pracuje 24 godziny każdego dnia. Czas pojedynczego pomiaru to 1/4 sekundy – 0,25 ms. Zasilanie 5V.
Skaner laserowy RPLidar A3M1
RPLidar A3M1 jest kolejną generacją skanerów laserowych 360° firmy Slamtec. Potrafi zeskanować do 16000 próbek w ciągu sekundy w zakresie do 25 m. Typowa częstotliwość skanowania wynosi 15 Hz z możliwością regulowania od 10 Hz do 20 Hz. Skaner może pracować zarówno wewnątrz, jak i na zewnątrz. Do komunikacji wykorzystuje interfejs szeregowy UART.
Na uwagę zasługuje fakt ulepszenia o wewnętrzną konstrukcję optyczną oraz załączony system algorytmów względem poprzednika tak, aby zwiększyć częstotliwość skanowania do 16000 razy na sekundę. Zasięg zwiększono z 18 m do 25 m. RPLidar A3M1 obsługuje także dwa tryby: ulepszony i zewnętrzny:
- W trybie ulepszonym laser działa w maksymalnym zasięgu oraz z maksymalną częstotliwością próbkowania dla utrzymania jak najlepszej wydajności mapowania w środowisku wewnętrznym.
- W trybie zewnętrznym RPLidar działa z większą odpornością na zakłócenia światła dziennego oraz utrzymuje wydajność podczas wykrywania białych i czarnych obiektów.
Napięcie pracy to 5 V. Masa i wymiary obydwu LiDARów są takie same – zarówno dla A2M6, jak i A3M1 jest to 76 x 72,5 x 41 mm i 190 g. W zestawie oprócz skanera znajdziecie przewody USB i kontroler. W obydwu zestawach znajdziecie odpowiednie przewody USB i kontroler.
Jakie fascynujące projekty i mapy wyjdą spod skrzydeł Waszych LiDARów? Spójrzcie jeszcze raz na listę z ikonami profesji powyżej. I jak, macie już jakieś pomysły? A może wykorzystacie je w multimediach jak na animacji poniżej?
Czekamy na wyniki z niecierpliwością!
