Radar Або Lidar: Як Обрати Технологію Для Збору Даних

Як Працює Lidar?

Термін Lidar є скороченням від light detection and ranging. Лидар – це геопросторова технологія, заснована на випромінюванні та передачі сфокусованої світлової хвилі та виміру часу, який потрібен для її відображення від перешкоди. Коли лазерний промінь натикається на об’єкт, наприклад, дерево чи будівлю, частина світла відбивається від нього в напрямку датчика. Засікаючи точний час повернення кожного лазерного імпульсу, система може розрахувати відстань до кожної відбитої точки. В основі цих розрахунків лежить метод визначення часу прольоту (ToF), за яким швидкість світла є величиною сталою.

Трьома основними компонентами системи виявлення та визначення дальності світла є лазер, сканер та детектор. Лазерне джерело генерує світло у вигляді переривчастих імпульсів, що дає змогу швидко просканувати область зондування в кількох напрямках. Після того як світло проходить шлях від системи до об’єкта і назад, воно реєструється сканером (зазвичай це дзеркало, що обертається або MEMS – мікроелектромеханічна система) і направляється на детектор для подальших розрахунків.

Як Працює Радар?

Radio detection and ranging (радар) – це метод виявлення, який використовує радіохвилі для визначення дальності, кута або швидкості руху об’єктів. В основі зондування Radar лежить принцип активної передачі електромагнітних хвиль у радіочастотному спектрі, виявлення хвиль, що відбиваються від цілей (відлуння), та визначення часу проходження радіосигналів та їхнього відбиття у зворотному напрямку.

Три основні елементи системи радіовиявлення та визначення координат – це передавач, антена та приймач. Антена приймає радіохвилі від передавача і транслює їх у навколишній простір. Коли ці хвилі наштовхуються на об’єкт, вони відбиваються від нього і повертаються в систему, де антена вловлює їх та передає на приймач. Приймач може визначити дальність, швидкість і розмір об’єкта, декодуючи прийняті радіохвилі.

Radar & Lidar: Відмінності Та Подібності

Основною перевагою зондування Lidar відносно Radar є висока роздільна здатність і точність даних. Як порівняти з Lidar, Radar має всепогодний режим роботи та його простіше використовувати для моніторингу великих площ. Крім того, Radar виграє в ціні, і тому технологія Lidar використовується рідше. Вибір лідарної або радарної технології для подальшого просторового аналізу ГІС-даних залежить від конкретних завдань зондування, обмежень застосування та наявних ресурсів.

Точність Та Роздільна Здатність

Ефективність приладів Radar та Lidar залежить від їхньої точності й роздільної здатності. Оскільки світло, що використовується, має меншу довжину хвилі, Lidar дає змогу виявляти й картувати дрібніші об’єкти. Радіолокаційні системи Radar, відповідно, збирають дані на набагато довших хвилях, що пояснює дещо меншу роздільну здатність.

Точність вимірювання відстані Lidar та Radar також значно відрізняється.

Чи є Lidar точнішим за радарний пристрій? Враховуючи швидкість світла та точність обчислень ToF, лідарні датчики можуть правильно визначати відстані з точністю до декількох сантиметрів. Системи Radar можуть забезпечувати точні зчитування відстані, але під час роботи з надто малими об’єктами або в перевантаженому середовищі ці дані іноді бувають некоректними. За таких умов використання лідарних систем приносить найбільш успішні результати.

Утім, технології Radar & Lidar постійно конкурують між собою щодо точності вимірювань. Точність зондування сучасними радіохвильовими системами суттєво підвищилася, завдяки розвитку технологій, які дають змогу працювати в ширшому діапазоні частот і використовувати складні методи обробки сигналів. Ба більше, у міру зростання пропускної здатності сучасних приймачів Radar, отримані радіолокаційні зображення стають дедалі точнішими ^{Samczynski, P., Giusti, E. (Eds.). (2021, July). Recent Advancements in Radar Imaging and Sensing Technology, 394. https://doi.org/10.3390/books978-3-0365-0919-8.}.

Дальність Та Зона Покриття

Порівнюючи переваги та недоліки систем Lidar та Radar, необхідно враховувати їхню дальність та зону дії. Насамперед дальність дії системи визначається енергією світлового імпульсу, чутливістю детектора та умовами навколишнього середовища. Дальність дії пристроїв Lidar, встановлених на дронах або супутниках, в ідеальних умовах становить кілька кілометрів. Проте, під час погіршення погодних умов дальність дії та зона охоплення систем світлового виявлення та далекометрії може суттєво знизитися.

Дальність дії систем Radar – це найдальша відстань, на якій певна система може виявити об’єкт. На відміну від лідара, радарне обладнання має широкий радіус дії та зону охоплення у будь-яку пору року. Великі радіохвильові системи зазвичай мають радіус дії в кілька сотень кілометрів, що дає змогу здійснювати ефективний контроль за великими територіями.

На те, наскільки далеко й широко може «бачити» радар, впливає безліч факторів. До них відносять потужність передавача, використовувані електромагнітні хвилі, розмір та поле зору антени, висоту розташування системи та погодні умови. Аби вибрати оптимальну систему радіолокації, необхідно знайти золоту середину між цими чинниками.

Чутливість До Умов Середовища Використання

Недоліком лідарних приладів, на відміну від радарів, є висока чутливість до атмосферних перешкод. Дощ, сніг та туман можуть знижувати ефективність лазерної системи, розсіюючи, поглинаючи або відбиваючи її промені. Наприклад, густий туман може послабити лазерне випромінювання на 200 дБ/км, що значно знижує ефективну дальність та точність роботи лідара.

У зв’язку з цим, вчені розробили спеціальні стратегії підвищення ефективності роботи систем на основі світлових хвиль в умовах туману. Одним з варіантів є використання лазерного випромінювання з більшою довжиною хвилі, оскільки воно менш схильне до розсіювання або поглинання частинками в повітрі. Оснащення світлових систем сучасними технологіями обробки та фільтрації сигналу також дає змогу мінімізувати вплив атмосферних шумів та перешкод.

У погану погоду за замовчуванням надійніше використовувати Radar, а не Lidar. Завдяки більшій довжині радіохвиль, дощ, сніг та туман мають менший вплив на радіохвилі, ніж на світло. Це означає, що системи Radar можуть нормально працювати навіть у сувору погоду, що забезпечує більш надійний та точний збір даних. Ця властивість особливо актуальна, якщо радарні дані забезпечують роботу програм з безперервним режимом функціонування, наприклад, з управління повітряним рухом та моніторингу погоди.

Економічна Ефективність

Порівняння систем Radar та Lidar демонструє, що лазерні системи, як правило, є складнішими та більш вартісними. Необхідність використання високоточних лазерів та датчиків, а також передових обчислювальних потужностей виправдовує вищу вартість приладів Lidar. При цьому слід враховувати й витрати, пов’язані з управлінням та інтерпретацією величезних масивів даних високої роздільної здатності, які збираються системами на основі світлових хвиль.

І навпаки, компоненти, що входять до складу радіолокаційної системи, коштують дешевше, ніж високоточні компоненти лідара. Радіохвильові системи часто мають нижчу вартість експлуатації та обслуговування порівняно з лазерними аналогами. Крім того, радіолокаційні системи здобувають дані з меншою роздільною здатністю, що призводить до зниження витрат на адміністрування та обробку даних. Саме менша вартість та простота в експлуатації стали основними причинами значної популярності радіохвильових систем.

Практичне Застосування Систем Lidar Та Radar

Для виявлення об’єктів та картографування технології Radar та Lidar є основними видами дистанційного зондування. Технологія Lidar застосовується для точного картографування. До переваг технології Radar відносять точність виявлення об’єктів, що рухаються. Світлові технології Lidar використовують в картографії, геодезії, відновлюваній енергетиці, робототехніці. Радіолокаційні системи Radar застосовують в авіа навігації, управлінні рухом транспорту, спостереженні за метеорологічними явищами та прогнозуванні погоди, екологічному моніторингу тощо.

Застосування В Сільському Господарстві

Системи Lidar та Radar регулярно використовуються в сучасних фермерських господарствах як сільськогосподарські технології. Моніторинг розвитку посівів, виявлення хвороб рослин та шкідників на полях, картування вологості ґрунту – все це сфери ефективного використання радіолокаційних систем. Зондування приладами Radar також знаходить застосування в процесі моніторингу зрошення та оцінці врожайності сільськогосподарських культур. Точні топографічні дані лазерних систем є важливими для більш ефективного управління водозбірними басейнами та полями. Крім того, системи Lidar здатні вимірювати висоту, густину та структуру рослинного покриву полів, забезпечуючи комплексну оцінку сільськогосподарських ландшафтів.

У дронах та супутниках сільськогосподарського призначення також використовуються технології Lidar та Radar для моніторингу посівів. Фермери, які застосовують систему EOSDA Crop Monitoring, отримують доступ до супутникових даних, у тому числі до радарних зображень, що уможливлює постійний контроль за станом полів. Інформація, отримана за допомогою систем Radar та Lidar, допомагає фермерам приймати обґрунтовані рішення щодо підвищення врожайності культур та ефективності сільськогосподарського виробництва.

Застосування В Галузі Екології

Системи Lidar та Radar також використовують з метою захисту довкілля та вивчення екологічних питань. Радіолокаційні системи застосовують для моніторингу погоди, відстеження переміщення диких тварин та вивчення характеристик поверхні Землі, таких як вміст вологи. Своєю чергою, системи світлового виявлення та далекометрії дають змогу кількісно визначати вміст шкідливих речовин у повітрі, складати карти рослинного покриву та знаходити вогнища загоряння з метою запобігання лісовим пожежам. Дані, отримані за допомогою приладів Radar та Lidar, є важливими для вивчення зміни клімату, охорони навколишнього середовища та реагування на надзвичайні ситуації.

Застосування В Містобудівництві

Дані датчиків Lidar та Radar є потрібними для картографування та планування міст. Радіохвильові системи допомагають вимірювати висоту та ширину конструкцій, визначати щільність забудови, збирати статистику руху транспорту та оцінювати стан інфраструктури. Ці дані є надзвичайно важливими для оптимізації щільності та висоти забудови, щоб забезпечити достатнє сонячне освітлення, створити ефективні транспортні мережі та виявити регіони, які можуть опинитися під потенційною загрозою стихійного лиха.

Лідар, на відміну від радіолокаційних систем, забезпечує високоточне тривимірне відтворення міських ландшафтів, що дає можливість містобудівникам побачити та вивчити такі характеристики, як розташування будівель, системи доріг та рослинний покрив. За своєю природою технологія виявлення світла та дальності оптимально підходить для збору інформації про геометрію будівлі. Використовуючи цю інформацію як відправну точку, дослідники можуть включити до неї дані про енергоспоживання та вивчати інші важливі питання міського планування та сталого розвитку ^{Dawood, N. et al. (2014). VISUALISING URBAN ENERGY USE: The potential value of remote sensing & LiDAR data in urban design and energy planning. Proceedings of the 14th International Conference on Construction Applications of Virtual Reality.}. Зазначені можливості допомагають краще зрозуміти тенденції урбанізації, планувати подальший розвиток та вдосконалювати побудовані міста у різний спосіб.

Lidar Або Radar – Коли Та Яку Технологію Обрати?

Вибір радарної чи лідарної технології залежить від конкретної ситуації та цілей дослідження. Автономні автомобілі та точне картографування – це лише два приклади застосування, які можуть значно виграти від 3D-зображень високої роздільної здатності, зібраних за допомогою датчиків лідара. Технологія радіовиявлення та далекометрії (Radar), своєю чергою, приносить особливу користь у тих випадках, коли необхідно забезпечити дальнє зондування та надійність у будь-яку погоду, наприклад, під час керування дорожнім рухом або в метеорології. Обираючи технології Radar або Lidar для дистанційного зондування необхідно враховувати їхню вартість, зону охоплення, точність та обмеження щодо застосування.

Платформою EOSDA Landviewer слушно скористатися в ситуації, коли необхідно знайти та обробити певні дані дистанційного зондування. Користувачі цієї платформи отримують доступ до актуальних та історичних супутникових знімків із різних типів супутників та спектральних діапазонів, що забезпечує всебічне освітлення та вивчення проблеми. Велика база знімків формується численними супутниками, зокрема радарним супутником Sentinel-1.

На платформі також представлені оптичні знімки високої роздільної здатності з EOS SAT-1 – першого супутника у власному сузір’ї компанії EOSDA, створеного спеціально для розв’язання задач сільського та лісового господарства за допомогою нових даних спостереження Землі. Великі можливості візуалізації різних наборів даних Radar та Lidar у часі дають змогу отримати цінні відомості, побачити загальну картину в області досліджень та прийняти обґрунтовані рішення для управління бізнесом, засновані на надійних даних.