Лидар или фотограмметрия: что выбрать для съёмки рельефа, леса и ЛЭП

Лидар или фотограмметрия — вопрос, который встаёт перед каждым, кто заказывает съёмку рельефа с дрона. Оба метода дают трёхмерную модель местности, но получают её по-разному: там, где один выдаёт точный рельеф, другой построит поверхность крон или вовсе потеряет провода. Ниже — как работают методы, где проходит граница их возможностей, что получит заказчик и как выбрать без переплаты.

Как работает фотограмметрия

Дрон снимает местность с большим перекрытием, так что каждая точка попадает на 5–10 кадров. Программа находит на снимках тысячи одинаковых деталей, по ним восстанавливает положение камеры в каждый момент съёмки и, сравнивая вид одной точки с разных ракурсов, вычисляет её положение в пространстве. Результат — плотное облако точек с цветом, цифровая модель поверхности и ортофотоплан.

Метод пассивный: камера фиксирует отражённый солнечный свет. Отсюда сильные стороны — фотографическая детальность и доступное оборудование — и ограничения: нужен свет, контрастная текстура и прямая видимость точки хотя бы с двух ракурсов.

Как работает лидар

Лидар (воздушное лазерное сканирование) — активный дальномер. Он посылает сотни тысяч лазерных импульсов в секунду и измеряет время возвращения каждого. Зная, откуда и в каком направлении ушёл импульс, система вычисляет координаты точки отражения. Положение и ориентацию сканера в каждый момент даёт связка спутникового приёмника и инерциального блока (GNSS/INS), поэтому качество траектории определяет точность всей съёмки.

Главное свойство лидара — многократные отражения. Пятно луча имеет конечный размер: часть энергии отражается от листьев, часть проходит в просветы и возвращается от веток ниже и от земли. Компактные сканеры для дронов регистрируют до пяти отражений на импульс. Пример характеристик серийной модели (DJI Zenmuse L2, по данным производителя): до 240 тыс. точек в секунду в режиме одного отражения, точность 5 см в плане и 4 см по высоте с высоты 150 м.

Где фотограмметрия не справится

Есть ситуации, в которых камера не даёт нужного результата при любой настройке:

• Лес и кустарник. Камера видит кроны, а земли под сомкнутым пологом нет ни на одном снимке. Модель рельефа под лесом не построить — получится поверхность крон.
• Провода и тонкие конструкции. Провод толщиной в пару сантиметров занимает на снимке пиксель-два и не находится на соседних кадрах как одна и та же деталь. В облаке точек проводов нет, а значит, не посчитать провис и расстояния до деревьев.
• Однородные поверхности. Снег, песок, вода, свежий асфальт, ровный бетон: программе не за что «зацепиться», появляются дыры и шум.
• Тени и плохой свет. В глубоких тенях карьеров, оврагов и застройки детали теряются, в сумерках съёмка невозможна.
• Движение. Колышущиеся кроны, волны, техника на объекте дают артефакты.

Лидару важен не свет, а отражённый импульс. Он работает в сумерках, видит провод как цепочку точек и находит землю в просветах между кронами. Слабые места есть и у него: вода поглощает излучение распространённых длин волн (905 и 1550 нм) и почти не даёт отражений, тёмные поверхности отражают слабее, а у самого облака нет фотографической картинки — для неё нужна камера.

Точность и плотность: что реально получить

Сравнивать методы корректно только при одинаковой высоте, привязке и обработке. Общие ориентиры:

• Фотограмметрия на открытой местности при хороших перекрытиях и наземной привязке даёт 1–2 GSD в плане и 1–3 GSD по высоте. При GSD 2–3 см это несколько сантиметров — на голой земле, складах и в карьерах она не уступает лидару.
• Лидар даёт точность порядка нескольких сантиметров, которая мало зависит от текстуры и освещения, но сильно — от траектории GNSS/INS, калибровки сканера и уравнивания полос.
• Плотность. Плотное облако фотограмметрии на открытых участках — сотни и тысячи точек на квадратный метр, вплоть до точки на пиксель. У лидара с дрона типично от десятков до сотен точек на метр, но они распределены по всей высоте леса.
• Земля под лесом. У фотограмметрии точек на земле под сомкнутым пологом нет. У лидара их доля зависит от густоты крон и сезона: в лиственном лесу до распускания листвы до земли доходит заметно больше импульсов, чем летом.

Плотность лидарной съёмки легко оценить самому: частота импульсов, делённая на скорость и ширину полосы. При 240 тыс. импульсов в секунду, скорости 10 м/с и полосе около 140 м (высота 100 м, угол обзора 70°) получается 240 000 / (10 × 140) ≈ 170 точек на м² за один проход, при перекрытии полос 50 % — примерно вдвое больше.

Что получает заказчик

Результаты частично совпадают, но смысл у них разный:

• Облако точек в LAS или LAZ. У фотограмметрии — раскрашенная поверхность всего видимого. У лидара — точки всех отражений, которые классифицируют: земля, растительность, здания, провода, опоры.
• ЦМР — модель рельефа без растительности и построек. Фотограмметрия строит её уверенно только на открытой местности, лидар — и под лесом.
• ЦМП — модель поверхности с крышами и кронами. Её дают оба метода; разность ЦМП и ЦМР — это высота растительности и построек.
• Ортофотоплан — продукт камеры. Многие лидарные комплексы несут встроенную камеру, но для качественного ортофото обычно делают отдельный фотограмметрический полёт с нужными перекрытиями.
• Производные материалы: горизонтали, профили и сечения, объёмы, а для ЛЭП — модели проводов, провис, расстояния от проводов до деревьев и строений, опасные деревья.

Стоимость и сроки: из чего складываются затраты

Цена зависит от объекта, поэтому сравним методы по составляющим.

Фотограмметрия:

• оборудование дешевле в разы, камеру несёт даже лёгкий дрон;
• полевых работ больше: высокие перекрытия требуют частых маршрутов, а для точности нужны опознаки;
• обработка ресурсоёмкая: сотни и тысячи снимков считаются часами и сутками;
• результат зависит от погоды и света: переменная облачность и низкое солнце портят кадры.

Лидар:

• сканер намного дороже камеры и требует более грузоподъёмного носителя;
• перекрытие полос нужно меньше, поэтому при той же высоте за вылет покрывается больше площади, а съёмку можно продолжать в сумерках;
• облако появляется быстро, но обработка траектории, уравнивание полос, классификация и проверка требуют квалификации и специализированного ПО;
• для задач «рельеф под лесом» и «ЛЭП» альтернативы нет: фотограмметрия дешевле только на бумаге, потому что нужного результата не даёт.

Лидар или фотограмметрия: как выбрать метод под задачу

Ориентируйтесь на объект и результат:

1. Открытая местность, стройплощадка, карьер, склад сыпучих материалов, кадастр, сельхозугодья — фотограмметрия, плюс ортофото с фотографической детальностью. Требования к точности и приёмке — в статье «Ортофотоплан с дрона: точность, опознаки, RTK/PPK».
2. Рельеф под лесом и кустарником, трассы дорог и трубопроводов через лесные массивы — лидар.
3. ЛЭП: провода, габариты до растительности, состояние просек — лидар, часто вместе с камерой для визуального осмотра.
4. Плотная застройка с глубокими тенями — лидар или комбинация методов; для фасадов и крыш часто хватает наклонной фотограмметрии.
5. Небольшой объект и ограниченный бюджет — фотограмметрия с RTK и опознаками; параметры полёта помогут рассчитать формулы из статьи «Как рассчитать аэрофотосъёмку».

Требования к техническому заданию на топографическую аэросъёмку, в том числе лазерную, собраны в ГОСТ Р 59328-2021 — см. разбор «Аэрофотосъёмка по ГОСТ Р 59328-2021».

«Дронология» выполняет аэрофотосъёмку и ортофотопланы с самолётных и мультироторных БПЛА. Опишите объект на странице контактов — подскажем, хватит ли для вашей задачи фотограмметрии.

Частые вопросы

Можно ли получить рельеф под лесом фотограмметрией?

Только там, где земля видна в просветах: на редколесье, вырубках, просеках. Под сомкнутым пологом камера видит кроны, и модель рельефа получится неверной.

Нужны ли опознаки при лидарной съёмке?

Да, хотя бы как контрольные точки: по ним проверяют и при необходимости устраняют систематический сдвиг облака, особенно по высоте. Точность лидара определяется траекторией GNSS/INS, и её нужно подтверждать на земле.

Можно ли сделать ортофотоплан лидаром?

Сам лазерный сканер изображения не даёт. Встроенная камера лидарного комплекса позволяет раскрасить облако и получить ортофото, но для качественного ортофотоплана обычно выполняют отдельную фотосъёмку.

Что выгоднее для карьера или склада?

Как правило, фотограмметрия: поверхность открыта, текстура хорошая, а точности в несколько сантиметров хватает для подсчёта объёмов.