Co to jest czujnik LiDAR

LiDAR w dronach – jak sensory laserowe tworzą precyzyjne mapy i modele 3D?

W dobie dynamicznego rozwoju technologii, precyzyjne pozyskiwanie dużych zbiorów danych przestrzennych zostało zrewolucjonizowane przez wprowadzenie systemów skaningu laserowego. Skaning laserowy (LiDAR) to technologia polegająca na emitowaniu impulsów laserowych w celu precyzyjnego odwzorowania terenu w postaci trójwymiarowych map. W połączeniu z dronami, LiDAR umożliwia szybkie skanowanie dużych obszarów, szczególnie tych trudno dostępnych lub niebezpiecznych dla ludzi. Dynamiczny rozwój systemów LiDAR wynika z ich wyjątkowej dokładności, a szczególną popularność zdobywają one w branżach takich jak inżynieria lądowa, budownictwo, leśnictwo oraz inspekcje techniczne, w których precyzja i szybkość mają kluczowe znaczenie.

Czym jest Lidar i jak działa?

LiDAR (ang. Light Detection and Ranging) to technologia aktywnego skanowania terenu, która wykorzystuje impulsy laserowe do precyzyjnego pomiaru odległości między sensorem a powierzchnią Ziemi lub innymi obiektami. LiDAR działa podobnie jak radar, jednak zamiast fal radiowych, używa światła lasera, dzięki czemu uzyskiwane dane są niezwykle dokładne i szczegółowe.

Zasada działania systemu LiDAR opiera się na emisji wiązki laserowej w kierunku powierzchni terenu, po czym specjalne sensory analizują czas, jaki zajmuje impulsowi powrót po odbiciu od obiektu. Dzięki temu możliwe jest precyzyjne obliczenie odległości od punktu odbicia. Natomiast optyka lasera precyzyjnie określa kierunek, w którym została wysłana wiązka lasera. Połączenie tych systemów prowadzi do stworzenia szczegółowej „chmury punktów” – trójwymiarowej reprezentacji badanego obszaru.

Kluczowe komponenty każdego systemu LiDAR

• Laser: Źródło światła laserowego, które generuje precyzyjne i krótkie impulsy, pozwalające na dokładne określenie odległości. W skanerach laserowych najczęściej wykorzystywane są lasery z pasma podczerwonego.
• Optyka skanera: Urządzenie, które dynamicznie kieruje wiązkę lasera, jednocześnie precyzyjnie monitorując kierunek wysłanej wiązki. Optyka ma na celu zapewnienie pełnego pokrycia analizowanego terenu i skutecznej akwizycji danych przestrzennych.
• Odbiornik GNSS (Global Navigational Satelite System): Precyzyjne odbiorniki GNSS RTK zapewniają dokładną lokalizację drona w przestrzeni, co jest niezbędne do georeferencji oraz wyrównania pozyskanych w terenie danych.
• IMU (Inertial Measurement Unit): System nawigacyjny rejestrujący orientację przestrzenną sensora za pomocą zestawu akcelerometrów oraz żyroskopów (przechyły, obroty, przyspieszenia), umożliwiający stabilizację danych LiDAR oraz poprawienie dokładności ich lokalizacji.

Wszystkie te komponenty działają w sposób zsynchronizowany, umożliwiając stworzenie precyzyjnych i dokładnych przestrzennych modeli terenu, które stanowią reprezentację terenu w postaci chmury punktów pomiarowych o określonych współrzędnych XYZ, idealnych do dalszych analiz przestrzennych i projektowych.

Lidar a inne technologie skanowania terenu

Wśród technologii skanowania terenu, oprócz LiDAR, najczęściej wykorzystywana jest fotogrametria – metoda oparta na wykonywaniu pomiarów przestrzennych poprzez analizę zdjęć lotniczych. Obie technologie służą do pozyskiwania danych geoprzestrzennych, ale różnią się dokładnością, kosztami, zastosowaniem oraz sposobem zbierania i interpretacji danych.

LiDAR

LiDAR polega na emisji wiązki laserowej, której odbicia pozwalają precyzyjnie zmierzyć odległości i stworzyć trójwymiarową chmurę punktów. Zaletą LiDAR jest wysoka dokładność pomiarów (nawet do kilku centymetrów) oraz możliwość penetracji gęstej roślinności, dzięki czemu można szczegółowo odwzorować powierzchnię terenu, nawet gdy jest zasłonięta przez drzewa. LiDAR w przeciwieństwie do innych technologii akwizycji danych przestrzennych, jest metodą aktywną. Oznacza to możliwość wykorzystania tego systemu w warunkach słabego oświetlenia, a nawet jego braku. Wadą tej technologii jest natomiast stosunkowo wyższy koszt sprzętu oraz konieczność korzystania z zaawansowanego oprogramowania do przetwarzania danych.

Fotogrametria

Fotogrametria to metoda zajmująca się wykonywaniem pomiarów przestrzennych ze zdjęć. Fotogrametria lotnicza opiera się na analizie dwuwymiarowych zdjęć wykonywanych z powietrza, które są następnie przetwarzane na modele 3D. Głównymi zaletami fotogrametrii są  niższe koszty początkowe oraz łatwiejsza interpretacja danych wizualnych. Wadą jest natomiast ograniczona dokładność w terenach o złożonej strukturze takich jak linie energetyczne oraz brak możliwości penetracji gęstej roślinności – na zdjęciach widoczne są jedynie najwyżej położone powierzchnie.

Przykładowe zastosowania technologii LiDAR

Przykładowe zastosowania technologii LiDAR to m.in.: szczegółowe pomiary terenów zalesionych, inspekcje infrastruktury technicznej (linie energetyczne, mosty), precyzyjna kartografia i geodezja oraz analiza terenów pod inwestycje budowlane.

Przykładowe zastosowania fotogrametrii

Przykładowe zastosowania fotogrametrii obejmują m.in.: ogólne mapowanie terenu, dokumentację budowlaną, analizę przestrzenną obszarów otwartych i niezalesionych oraz proste inspekcje wizualne, które nie wymagają szczególnej precyzji.

Technologia LiDAR szczególnie sprawdza się tam, gdzie wymagana jest najwyższa dokładność danych przestrzennych, na przykład w geodezji oraz przy szczegółowych inspekcjach infrastruktury technicznej. Fotogrametria natomiast doskonale nadaje się do ogólnego modelowania i analizy terenów niezalesionych. Wybór odpowiedniej technologii zależy od specyfiki projektu, dostępnego budżetu oraz oczekiwanego poziomu szczegółowości uzyskanych danych.

Zastosowania LiDAR w dronach

Technologia LiDAR w połączeniu z dronami znajduje zastosowanie w licznych branżach dzięki swojej wszechstronności, precyzji oraz szybkości działania. Do najważniejszych zastosowań należą:

Tworzenie map 3D i modelowanie terenu

Dzięki technologii LiDAR można uzyskać bardzo szczegółowe modele terenu w formie trójwymiarowych chmur punktów oraz precyzyjne mapy wysokościowe. Drony wyposażone w LiDAR są w stanie szybko i dokładnie skanować duże obszary, także te trudno dostępne. Modele te wykorzystuje się między innymi do planowania przestrzennego miast, projektowania dróg, analizy terenów zagrożonych osuwiskami lub powodziami oraz przy planowaniu dużych inwestycji infrastrukturalnych.

Geodezja i kartografia

W geodezji LiDAR pozwala na uzyskiwanie bardzo dokładnych danych wysokościowych, które są podstawą do tworzenia precyzyjnych map. Dzięki tej technologii możliwe jest wykonywanie szybkich i szczegółowych pomiarów terenowych, które tradycyjnie wymagały wielu dni pracy zespołów geodezyjnych. Rezultatem są dane wykorzystywane do tworzenia map ewidencyjnych, map do celów projektowych oraz map inwentaryzacyjnych.

Budownictwo i inżynieria

Technologia LiDAR znacząco wspiera branżę budowlaną i inżynierską, pozwalając na szybkie przeprowadzanie inspekcji terenów pod budowę oraz dokładne analizowanie ukształtowania powierzchni. Dzięki precyzyjnym danym z LiDAR możliwe jest dokładniejsze projektowanie infrastruktury, optymalizacja prac ziemnych, obliczanie kubatury wykopów lub nasypów a także skuteczna kontrola postępów prac budowlanych. Ponadto LiDAR sprawdza się doskonale przy monitorowaniu stabilności obiektów takich jak mosty czy wały przeciwpowodziowe.

Leśnictwo

W leśnictwie LiDAR odgrywa kluczową rolę, umożliwiając szczegółowy pomiar gęstości drzewostanu, ocenę zdrowotności drzew, jak również wykrywanie miejsc uszkodzonych przez choroby, owady lub anomalie pogodowe. Dzięki możliwości penetracji gęstej roślinności, drony wyposażone w LiDAR mogą szczegółowo odwzorować strukturę lasu, umożliwiając leśnikom skuteczniejsze zarządzanie zasobami oraz planowanie działań ochronnych i gospodarczych.

Inspekcje techniczne – mosty, linie energetyczne, rurociągi

Technologia LiDAR sprawdza się szczególnie dobrze przy przeprowadzaniu inspekcji infrastruktury technicznej. Drony z LiDAR umożliwiają bezpieczne i szybkie skanowanie obiektów takich jak linie energetyczne, mosty czy rurociągi, identyfikując potencjalne problemy takie jak uszkodzenia strukturalne, nieprawidłowe rozmieszczenie elementów lub niebezpiecznie blisko rosnące drzewa. Regularne inspekcje LiDAR przyczyniają się do zwiększenia bezpieczeństwa i obniżenia kosztów utrzymania infrastruktury.

Rodzaje czujników LiDAR stosowanych w dronach

Na rynku dostępnych jest wiele różnych rodzajów sensorów LiDAR, które różnią się między sobą parametrami technicznymi, przeznaczeniem, ceną oraz możliwościami zastosowań. Wybór odpowiedniego sensora LiDAR powinien opierać się na indywidualnych wymaganiach projektu, oczekiwanej jakości danych oraz budżecie przeznaczonym na zakup urządzenia.

Systemy niskokosztowe oraz średnia półka cenowa

Sensory z tej grupy to rozwiązania przeznaczone dla użytkowników, którzy potrzebują solidnych danych w rozsądnej cenie. Są najczęściej wybierane do standardowych zastosowań w geodezji, budownictwie oraz przy ogólnych analizach terenowych. Najpopularniejsze modele to:

• DJI Zenmuse L2: kompaktowy sensor LiDAR, oferujący zasięg pomiarowy około 190 metrów. Sensor ten jest wyjątkowo łatwy w montażu i integracji z popularnymi dronami marki DJI Matrice. Dzięki swojej przystępnej cenie oraz wysokiej jakości danych jest chętnie wybierany przez firmy geodezyjne do wykonywania standardowych map wysokościowych, inspekcji terenu, oraz ogólnego modelowania terenu.

Your Dynamic Snippet will be displayed here... This message is displayed because you did not provided both a filter and a template to use.

• CHC AlphaAir AA10: zaawansowany czujnik klasy średniej, który zapewnia wyższą dokładność oraz większy zasięg skanowania. Oferuje bardziej szczegółowe i dokładne chmury punktów, przez co świetnie nadaje się do bardziej wymagających zastosowań, takich jak szczegółowe analizy geodezyjne, inwentaryzacje linii energetycznych, czy szczegółowe modelowanie infrastruktury. Architektura skanera zezwala na bezproblemową integrację zarówno z dronami serii DJI Matrice, jak również z niestandardowymi dronami.
• Rock Robotics R3 Pro: Sensor oferujący dobrą jakość danych przy umiarkowanych kosztach. Jego zasięg oraz dokładność danych pozwalają na wykonywanie kompleksowych inspekcji technicznych, modelowania 3D infrastruktury oraz zaawansowanych analiz przestrzennych w projektach inżynierskich i budowlanych.

Profesjonalne systemy LiDAR

Sensory tej klasy dedykowane są profesjonalnym użytkownikom, którzy oczekują najwyższej precyzji oraz szczegółowości danych. Z powodzeniem wykorzystywane są w projektach wymagających wyjątkowej dokładności oraz podczas skomplikowanych analiz terenowych i infrastrukturalnych. Najpopularniejsze profesjonalne sensory to:

• RIEGL miniVUX: Najwyższej klasy sensor LiDAR, charakteryzujący się wyjątkową precyzją pomiarów, wysoką gęstością chmury punktów oraz bardzo dobrym zasięgiem. Posiada doskonałe możliwości penetracji roślinności, dzięki czemu jest często wybierany do projektów z zakresu leśnictwa, szczegółowej inwentaryzacji infrastruktury oraz kompleksowych analiz geodezyjnych. Dodatkowo wykorzystywana długość fali, sprawia, że skaner doskonale sprawdza się w pomiarach lodu i śniegu
• YellowScan Navigator: Zaawansowany, profesjonalny sensor LiDAR, który wyróżnia się doskonałą precyzją oraz efektywną penetracją gęstej roślinności. Dzięki możliwości batymetrycznej potrafi również skanować płytkie zbiorniki wodne, dna rzek czy strefy przybrzeżne. Idealnie sprawdza się w wymagających projektach leśnych, środowiskowych oraz hydrologicznych. Kompaktowa budowa ułatwia integrację z popularnymi dronami profesjonalnymi, np. DJI Matrice 350 RTK

Jak wybrać system LiDAR do drona?

Wybór odpowiedniego systemu LiDAR do drona powinien być poprzedzony dokładną analizą kilku kluczowych parametrów technicznych. Dzięki temu będziemy mieli pewność, że sensor spełni nasze oczekiwania i wygeneruje dane odpowiednie do specyfiki realizowanego projektu.

Kluczowe parametry techniczne systemów LiDAR

• Zasięg skanowania: określa maksymalną odległość, na jaką sensor jest w stanie precyzyjnie zbierać dane. Większy zasięg pozwala na efektywniejsze skanowanie dużych obszarów zezwalając na lot na wyższych wysokościach.
• Dokładność pomiarów: kluczowy parametr, który wpływa na jakość pozyskanych danych. Profesjonalne systemy LiDAR osiągają dokładność na poziomie od kilku do kilkunastu centymetrów, co jest niezbędne w projektach geodezyjnych i inżynieryjnych.
• Częstotliwość impulsów (częstotliwość skanowania): wpływa na gęstość punktów pozyskanych podczas skanowania. Wyższa częstotliwość zapewnia bardziej szczegółowe modele przestrzenne oraz zwiększa szansę na penetrację wegetacji, co jest istotne szczególnie w analizach przestrzennych wymagających dużej szczegółowości.
• Liczba odbić (ech): określa zdolność sensora do rejestracji wielu odbić pojedynczego impulsu lasera (np. pierwsze, ostatnie odbicie). Większa liczba odbić jest bardzo ważna zwłaszcza w leśnictwie, umożliwiając lepszą penetrację gęstej roślinności oraz bardziej szczegółowe odwzorowanie struktury terenu.
• Pole widzenia (FOV - Field of View): kąt widzenia sensora, wpływa na obszar, jaki sensor może objąć w jednym przelocie. Szersze pole widzenia bezpośrednio skraca czas potrzebny na skanowanie dużych obszarów.

Waga i kompatybilność z dronami

Sensor LiDAR musi być dobrany również pod kątem swojej wagi i kompatybilności z dronem, na którym będzie zamontowany. Każdy dron ma określony maksymalny udźwig, a jego przekroczenie może znacząco wpłynąć na bezpieczeństwo, stabilność lotu oraz czas pracy w powietrzu. Cięższe, profesjonalne sensory wymagają odpowiednio większych i bardziej zaawansowanych platform bezzałogowych, takich jak DJI Matrice 350 RTK.

Bardzo wygodnym rozwiązaniem zwiększającym kompatybilność oraz upraszczającym montaż jest wykorzystanie portów typu Skyport, które umożliwiają szybkie mocowanie oraz bezproblemową integrację sensora z dronem. Port Skyport, stosowany między innymi w profesjonalnych dronach DJI, zapewnia nie tylko łatwy montaż, ale również automatyczną komunikację między dronem a sensorem, co ułatwia konfigurację i obsługę systemu w terenie.

Innym istotnym aspektem kompatybilności jest kwestia zasilania sensorów LiDAR. Na rynku dostępne są zarówno sensory zasilane bezpośrednio z drona, jak również te wyposażone we własne, wbudowane źródła zasilania (np. dedykowane baterie). Sensory z własnym zasilaniem są bardziej uniwersalne, gdyż można je łatwo integrować z różnymi platformami dronowymi, niezależnie od ich możliwości dostarczania odpowiedniego napięcia czy mocy. Takie rozwiązanie zwiększa elastyczność operacyjną oraz pozwala na użycie sensorów LiDAR z większą liczbą modeli dronów.

Wybierając sensor LiDAR, należy więc dokładnie przeanalizować zarówno jego wagę, rodzaj mocowania (np. Skyport), jak i sposób zasilania – w zależności od dostępnych platform dronowych oraz specyfiki realizowanych projektów.

Integracja z RTK i GNSS

Bardzo istotną cechą systemu LiDAR jest obowiązek integracji z technologią GNSS (Global Navigation Satellite System). Dodatkowym wymogiem jest stosowanie technologii RTK (Real-Time Kinematic). Takie rozwiązanie znacząco poprawia dokładność danych przestrzennych oraz ich georeferencję, umożliwiając uzyskanie danych pomiarowych o dokładności do pojedynczych centymetrów.

Przykłady modeli dronów obsługujących LiDAR

Wybór odpowiedniego drona jest kluczowy dla efektywnego wykorzystania sensorów LiDAR. Nie każdy dron będzie odpowiedni do integracji z tymi sensorami – istotny jest duży udźwig, kompatybilność montażu, stabilność lotu oraz możliwość integracji z zaawansowanymi systemami pozycjonowania. Poniżej przedstawiamy przykładowe modele, które świetnie współpracują z sensorami LiDAR:

• DJI Matrice 350 RTK

DJI Matrice 350 RTK to profesjonalna platforma dronowa o dużym udźwigu i wysokiej precyzji lotu. Dzięki technologii RTK zapewnia dokładne pozycjonowanie, co znacznie zwiększa precyzję danych pozyskanych za pomocą sensorów LiDAR. Matrice 350 RTK jest kompatybilny ze standardem Skyport, dzięki czemu integracja z sensorami, takimi jak DJI Zenmuse L2, jest wyjątkowo łatwa i szybka.

Your Dynamic Snippet will be displayed here... This message is displayed because you did not provided both a filter and a template to use.

• CHC X500

CHC X500 to profesjonalny dron przemysłowy, który świetnie sprawdza się w zastosowaniach wymagających dużego udźwigu oraz stabilnego lotu. Konstrukcja tego drona pozwala na wygodne i pewne mocowanie nawet cięższych sensorów LiDAR. CHC X500 jest szczególnie polecany do zastosowań geodezyjnych i inżynieryjnych, gdzie istotna jest wysoka dokładność oraz niezawodność działania w różnych warunkach terenowych i atmosferycznych.

• BX8 (BZB UAS)

UAV BX8 to profesjonalny dron wielowirnikowy stworzony do zadań wymagających dużego udźwigu i stabilności lotu. Idealnie nadaje się do integracji z sensorami LiDAR, również w trudnych warunkach terenowych. Otwarta architektura oraz możliwość dostosowania konfiguracji sprawiają, że BX8 to wszechstronna platforma do zastosowań geodezyjnych, inżynieryjnych i środowiskowych.  

Your Dynamic Snippet will be displayed here... This message is displayed because you did not provided both a filter and a template to use.

• EkoSky VTOL (BZB UAS)

EkoSky od BZB UAS to dron typu VTOL (Vertical Take-off and Landing), który łączy zalety wielowirnikowców i samolotów bezzałogowych. Dzięki pionowemu startowi i lądowaniu może operować nawet w trudnych warunkach terenowych, natomiast lot poziomy pozwala na bardzo długi czas lotu i duży zasięg operacyjny. EkoSky umożliwia montaż różnego typu sensorów LiDAR, będąc doskonałym rozwiązaniem do dużych projektów mapowania terenowego, leśnictwa, rolnictwa precyzyjnego oraz analiz środowiskowych.

Your Dynamic Snippet will be displayed here... This message is displayed because you did not provided both a filter and a template to use.

Lidar mapa Polski – dostępne zasoby

Mapa LiDAR Polski to zasób danych przestrzennych pozyskanych przez Główny Urząd Geodezji i Kartografii (GUGiK), udostępnianych publicznie za pomocą serwisu Geoportal.gov.pl. Dane te stanowią bogate źródło informacji przestrzennych i wykorzystywane są przez wielu specjalistów z różnych dziedzin.

Gdzie znaleźć darmowe dane LiDAR?

Największym i najłatwiej dostępnym źródłem darmowych danych LiDAR jest serwis Geoportal, prowadzony przez Główny Urząd Geodezji i Kartografii. Serwis ten oferuje użytkownikom publiczny dostęp do danych LiDAR obejmujących całą powierzchnię Polski. Dane dostępne są bezpłatnie i mogą być wykorzystywane w projektach geodezyjnych, budowlanych, leśnych czy środowiskowych. Geoportal pozwala na dostęp do surowych chmur punktów, jak i już przetworzonych modeli wysokościowych.

Jak wykorzystać dane LiDAR w analizach i projektach?

Dane LiDAR udostępnione przez Geoportal mogą być wykorzystane m.in. do:

• Tworzenia precyzyjnych modeli wysokościowych (NMT, NMPT).
• Analiz przestrzennych związanych z planowaniem infrastruktury.
• Inwentaryzacji oraz oceny zasobów leśnych.
• Analizy ryzyka powodziowego oraz projektowania infrastruktury ochrony przeciwpowodziowej.
• Projektów związanych z ochroną środowiska i monitoringu zmian terenowych.

Jak włączyć lidar w geoportalu?

Aby uruchomić podgląd danych LiDAR na stronie Geoportalu, wykonaj następujące kroki:

1. Przejdź na stronę www.geoportal.gov.pl.
2. Na mapie głównej po lewej stronie kliknij ikonę „Zawartość mapy”.
3. Wybierz kategorię „Dane do pobrania” lub „Dane wysokościowe”.
4. Zaznacz odpowiednie warstwy danych LiDAR, takie jak „Numeryczny Model Terenu (NMT)” lub „Chmury punktów LiDAR”.
5. Dane te zostaną nałożone na mapę bazową, co umożliwi wizualną analizę oraz ocenę dostępnych danych.

Jak przeglądać mapy LiDAR?

Geoportal pozwala na wygodne przeglądanie danych LiDAR w formie wizualnej:

• Na stronie geoportalu wybierz interesujący ciebie obszar
• Prawym przyciskiem myszy kliknij na mapę i wybierz „Widok chmury punktów”
• Wybierając warstwę „Rzeźba terenu” w serwisie Geoportal, użytkownik może przeglądać mapy wysokościowe w formacie numerycznego modelu terenu (NMT) lub numerycznego modelu pokrycia terenu (NMPT).
• Dane można wizualizować w różnych formatach – kolorowych mapach wysokościowych, cieniowanych reliefach lub bezpośrednio w formie trójwymiarowych wizualizacji chmur punktów.
• Dane LiDAR można także pobrać w różnych formatach, takich jak LAS, do dalszego wykorzystania w profesjonalnym oprogramowaniu GIS lub CAD.

Dostępne w Geoportalu dane LiDAR stanowią niezwykle wartościowy zasób zarówno dla specjalistów, jak i osób prywatnych realizujących projekty przestrzenne.

Dlaczego warto wykorzystać technologię LiDAR w dronach?

Technologia LiDAR znacząco zmienia sposób, w jaki realizowane są projekty wymagające precyzyjnych danych przestrzennych. Drony wyposażone w zaawansowane sensory LiDAR oferują niespotykaną dotąd szybkość, dokładność oraz bezpieczeństwo podczas zbierania danych o terenie i infrastrukturze. Możliwość penetracji roślinności, wysoka dokładność pomiarów, a także szerokie zastosowanie w geodezji, inżynierii lądowej, leśnictwie oraz inspekcjach technicznych sprawiają, że LiDAR staje się niezbędnym narzędziem dla profesjonalistów z wielu branż.

Najważniejsze korzyści wykorzystania LiDAR

• Precyzyjne i szczegółowe modele terenu.
• Znaczna oszczędność czasu w porównaniu z metodami tradycyjnymi.
• Możliwość pracy w miejscach trudno dostępnych lub niebezpiecznych.
• Lepsze decyzje projektowe dzięki wysokiej jakości danych.

Zachęcamy do skorzystania z naszej wiedzy i doświadczenia – specjaliści BZB UAS chętnie doradzą, jaki dron i system LiDAR najlepiej spełni Twoje potrzeby projektowe.

Skontaktuj się z nami, aby dowiedzieć się więcej o dronach oraz sensorach LiDAR dostępnych w ofercie BZB UAS.