Miniatuur-lidar maakt weg vrij voor goedkope 3D scannende drones
Onderzoekers verbonden aan het MIT en DARPA – niet te verwarren met DARPAS – hebben een miniatuur laserscanner ontwikkeld die het formaat heeft van een chip. De LIght Detection And Ranging of Laser Imaging Detection And Ranging (lidar)-technologie wordt onder meer gebruikt voor het maken van 3D scans. De nieuwe lidarchip maakt derhalve de weg vrij voor kleine en goedkope drones die een driedimensionaal model van de omgeving kunnen maken.
Tot op heden wordt er vaak gebruik gemaakt van fotogrammetrie om 3D modellen van gebouwen of landschappen te maken. Die technologie is echter relatief onnauwkeurig, er wordt immers gebruik gemaakt van gewone luchtfoto’s die dan achteraf door een computer worden omgezet in een 3D representatie. Bovendien vraagt het verwerken van de beelden veel computercapaciteit, wat realtime scannen onmogelijk maakt.
Scannen met lichtgolven
Lidars zijn veel nauwkeuriger. De werking van een lidar is vergelijkbaar met radar, maar dan met lichtgolven in plaats van radiogolven. Er worden continue zeer hoogfrequent laserpulsen afgeschoten waarna een sensor meet hoe lang de lichtgolf erover doet om terug te keren. Dat is dan een maat voor de afstand van een object ten opzichte van de lidar.
Conventionele mechanische lidarsystemen zijn echter vaak relatief groot en duur. Dat maakt dat dronegebaseerde lidarsystemen niet bepaald goedkoop te noemen zijn. De nieuwe lidarchip bevat geen bewegende delen en is daarom veel kleiner, en bovendien makkelijker te maken. Aangezien er geen sprake is van mechanische componenten is de chip in theorie ook veel sneller dan gewone lidarsystemen.
Mini lidar-drone
Een mini-drone uitgerust met een lidarchip zou in theorie ingezet kunnen worden om zowel buiten als binnen 3D scans te maken van gebouwen en binnenruimten. Dat biedt interessante mogelijkheden op het vlak van search&rescue. Ook zou de lidarchip een zeer geavanceerde vorm van obstakeldectie mogelijk kunnen maken, zeker als er een snelle processor wordt gekoppeld aan de chip.
Helaas is de lidar-on-a-chip nog niet commercieel op de markt. Er moet ook nog wel wat onderzoek gedaan worden, zo voorziet de chip momenteel nog niet in een eigen laser. De onderzoekers hebben echter al prototypes ontwikkeld waarbij ook de lichtbron geïntegreerd is op de chip.
Een ietwat gewaagde uitspraak om te stellen dat fotogrammetrie een relatief onnauwkeurige methode betreft, in het bijzonder in vergelijking met LiDAR systemen op RPAS.
Ook met fotogrammetrie kunnen nauwkeurigheden in de X, Y en Z worden behaald van een of enkele centimeters. Of dit (on)nauwkeurig is zal uiteraard mede afhangen van de kwaliteitseisen die je als eindgebruiker stelt aan de ingewonnen gegevens. De nauwkeurigheid wordt verder mede beinvloed door een veelvoud aan externe vlucht- en opname parameters, alsmede van de wijze waarop en de nauwkeurigheid waarmee de grondslag wordt ingemeten.
T.o.v. terrestrische LiDAR systemen ligt de nauwkeurigheid van fotogrammetrie m.i. inderdaad achterop. Echter, een vergelijking tussen een terrestrische methode enerzijds en een methodiek vanuit de lucht anderzijds loopt ietwat spaak. Het is op dit moment namelijk nog maar zeer de vraag in hoeverre LiDAR op een RPAS nauwkeuriger is dan fotogrammetrie d.m.v. een RPAS, als dat überhaupt al het geval is. LiDAR is immers een actief systeem dat lichtpulsen verstuurd en weer opvangt. Hierdoor is de nauwkeurigheid niet zonder meer afhankelijk van de stabiliteit van het platform waar vandaan de pulsen worden weggeschoten, iets wat in het geval van RPAS uiteraard te wensen overlaat.
Een groot voordeel van LiDAR is wel dat het de mogelijkheid biedt om door vegetatie heen te ‘prikken’ en zodoende hoogtemetingen van het maaiveld te verkrijgen, daar waar je met fotogrammetrie op begroeide locaties juist niet het maaiveld meet, maar de hoogte van de vegetatie. Hiervoor dient de LiDAR scanner echter wel voldoende sterke pulsen af te geven en niet al te hoog te vliegen, iets wat ik in het geval van deze micro LiDAR ten zeerste betwijfel. Zelfs grotere RPAS LiDAR systemen van enkele kilo’s en vele duizenden euro’s hebben zo vaak de beperking dat je niet hoger moet vliegen dan 60m, wil je nog enigszins kunnen garanderen dat de pulsen op de grond afdoende energie hebben.
Naast de beperkende factoren zoals gewicht (i.c.m. beperkte payload) en de kosten, speelt ook de energie voorziening nog parten wat betreft de integratie van LiDAR op RPAS. Omdat het een actief systeem betreft slurpen LiDAR systemen onevenredig veel energie op, zeker in vergelijking met een ‘normale’ fotocamera. Gezien de accuduur zelfs voor drones met gewone camera’s al een heikel puntje is zal dit voor LiDAR systemen niet anders zijn, integendeel zelfs!
Desalniettemin zijn deze ontwikkelingen fantastisch! Alhoewel de combinatie van LiDAR en RPAS nog aanzienlijke beperkingen kent, hebben dergelijke systemen m.i. wel degelijk de toekomst. Ik sluit niet uit dat veel beperkingen binnen afzienbare tijd het hoofd kan worden geboden, zoals onderzoeken als deze al een deels aantonen.