Лидар и брат его радар
Лидар, или LiDAR (Light Detection and Ranging), — это технология лазерной локации, позволяющая определять расстояние до объектов и строить двухмерную или трёхмерную модель окружающего пространства. Больше всего она похожа на работу радара. И в том, и в другом случае для сканирования среды используются волны: устройства отправляют сигналы и анализируют их отражение. Такой процесс называется «дистанционным зондированием». И LiDAR, и RADAR засекают время, за которое возвращается волна, на основе этой информации рассчитывают расстояния до объектов и строят карту пространства вокруг. Отличие в том, что RADAR использует радиоволны, а LiDAR — световые волны от лазера или светодиода.
Как лидар видит кхмерские города. Источник: Smithsonian Magazine [1]
Испытания технологии LiDAR начались в 1960-х годах, в разгар «космической гонки» СССР и США. Первые лазерные излучатели помогали изучать атмосферу, определять расстояние от Земли до Луны, наблюдать за орбитой спутника нашей планеты. По сравнению с RADAR, LiDAR обеспечивает более высокое разрешение изображений. Однако в плохих погодных условиях световая локация работает хуже. Так происходит потому, что волны лазерного радара короче, и им сложнее проходить сквозь капли воды или частицы пыли в воздухе.
Как работает LiDAR
Конструкции у лидаров бывают разные — в зависимости от назначения. Но всегда есть световой излучатель и датчик, принимающий обратный сигнал. Излучатель испускает световой луч, который движется со скоростью света. Датчик рассчитывает, за какое время свет достигает объект и отражается обратно. Учитывая время полёта и скорость света, учёные определяют расстояние от лидара до сканируемых объектов. Зная координаты лидара и угол сканирования, данные о расстоянии можно преобразовать в трёхмерную визуализацию — облако точек на карте.
Принцип действия лидара. Источник: Wikipedia
Существуют как лидары ближнего действия, например, для работы в помещениях, так и дальние, «видящие» на расстоянии сотен километров. При этом погрешность не превышает пары сантиметров.
Сферы применения LiDAR
- Исследование атмосферы: наблюдение за облаками, измерение дальности видимости, изучение газового состава атмосферы. Благодаря тому, что газы по-разному поглощают световые волны, с помощью лидаров можно определять утечки газопроводов, лесные пожары, загрязнения воздуха.
- Исследование земли. Лидары создают пространственные модели планеты, которые используют экологи, строители и топографы. Например, определяя высоту растительности, можно следить за состоянием лесов, а наблюдая за динамикой береговой линии, отслеживать её эрозию.
- Исследование моря: измерение глубины, подводное зрение, поиск находящихся под водой объектов.
- Строительство и горное дело. Здесь лидары используют как огромный измерительный прибор. С их помощью определяют объёмы горных выработок или оценивают кривизну стен.
- Машинное зрение для беспилотных автомобилей и промышленных роботов. Лидары определяют, где находятся другие машины, люди, стены, предметы. Это нужно для того чтобы беспилотный автомобиль не наехал на прохожих, а робот на конвейере обрабатывал только нужные детали.
Как археологи используют LiDAR
Любые археологические исследования начинаются с вопроса «Где копать?». С помощью лидаров ответить на него гораздо проще. Со временем заброшенные поселения скрываются под слоем почвы и растительности. Найти их может быть сложно — особенно если не знать, где и что искать. Лидар решает эту проблему. Лазер может проникать сквозь листья так же, как и солнечный свет, поэтому он способен «видеть» рельеф, скрытый за деревьями и травой. Так лидар создаёт карту поверхности, на которой заметны фундаменты домов, остатки стен, контуры улиц и прочие сооружения. Разберём самые интересные случаи, когда эта технология помогала археологам.
Затерянные города Упано в долине Амазонки
В январе 2024 года в журнале Science были опубликованы результаты исследований, которые группа археологов с 2015 года проводила в бассейне реки Амазонки [2]. С помощью лидара учёные обнаружили остатки крупнейшего комплекса доколумбовых поселений. Его площадь составила около 300 квадратных километров. Раньше здесь уже проводили раскопки, но исследователи находили только мелкие предметы быта, не подозревая, что под джунглями скрывается обширная система городов.
Трёхмерная модель стоянки Копуэно в долине Упано в Эквадоре. На изображении видно остатки зданий и дорог. Источник: Antoine Dorison, Stéphen Rostain / AP / Scanpix / LETA
Как оказалось, 2 500 лет назад здесь строили города с сетями улиц и системами каналов для отвода воды. Их окружила сельскохозяйственные угодья, между поселениями были проложены дороги. По оценкам учёных, в каждом городе проживало от 10 до 100 тысяч человек. Судя по найденному слою пепла, люди могли покинуть эти места из-за извержений вулкана. Археологи не нашли письменность этой цивилизации, поэтому мы не знаем, как они называли себя. Сейчас их обозначают как «культуру упано» — в честь долины Упано, где были сделаны находки.
Камни латте на острове Гуам в Тихом океане
Эти камни не имеют ничего общего с кофе. Их часто сравнивают с моаи — каменными монолитами с острова Пасхи: они такие же древние, загадочные и океанические.
Камень латте. Источник: Wikipedia
Чаморро, коренные жители острова Гуам, возводили камни латте с IX по XVIII век. Точное назначение этих столбов, напоминающих грибы, неизвестно. Возможно, это были фундаменты для домов.
Историческое изображение камней латте на острове Гуам, 1825 год. Источник: [3]
В исследовании монолитов и более поздних памятников острова Гуам учёным помогают лидары: территорию сканируют с самолёта, определяя местоположение артефактов и строений [3].
Крупнейший доиндустриальный городской центр XII века в джунглях Камбоджи
Ангкор-Ват в Камбодже — лишь один из многочисленных сохранившихся памятников могучей Кхмерской империи. Древнее царство существовало в IX—XV веках на территории современных Камбоджи, Вьетнама, Таиланда и Лаоса. Как показали результаты аэросъёмки с использованием лидара, в окрестностях Ангкора располагался огромный комплекс городов, храмов и каналов, который по размеру мог превышать современный Пномпень. Учёные утверждают, что это был самый обширный городской комплекс доиндустриального мира [5].
Кхмерские города, найденные в 2012–2015 годах с помощью лидара. Источник: The Cambodian Archaeological Lidar Initiative
Строительство кхмеров было масштабным: они вырубали тысячи гектаров леса, изменяли русла рек, создавали сложные системы водоснабжения. Один из древних городов, чьи следы найдены в джунглях, по площади превышал современную столицу Камбоджи, Пномпень. Обнаружить всё это было не так-то просто: ведь многие здания кхмеры строили из дерева и других биоразлагаемых материалов, которые просто исчезли. Но лидар способен определять земляные насыпи, фундаменты, дороги и другие следы строительства, по которым можно воссоздать строение и облик древнего города.
Первое изображение — аэрофотосъёмка, второе — вид с лидара. Заметна разница в детализации. Источник: The Cambodian Archaeological Lidar Initiative
Средневековое земледелие в Германии
О прошлом многое могут рассказать не только здания и археологические артефакты, но и ландшафт. Еще в 2007 году лидары помогали находить средневековые земледельческие поля в Германии [4]. Много лет люди вспахивали и обрабатывали землю, и это отразилось на микрорельефе. Теперь учёные могут судить о масштабах и развитии земледелия в Средневековье. Съёмку ведут с вертолёта на высоте 1 400 метров. Таким же методом археологи находят курганы, оборонительные валы и воронки от бомб.
Пример изучаемого участка (1 х 1 км), представленного в виде: a) цифровой модели местности (ЦММ); b) цифровой модели рельефа (ЦМР). Источник: [4]
Как попробовать LiDAR в действии
Лидар может показаться сложной и дорогой технологией. Однако сегодня лазерные датчики есть даже в обычных смартфонах. Если вы гордый обладатель техники Apple, вы можете самостоятельно протестировать лидар. Он установлен во всех моделях, начиная с iPhone 12 Pro и iPad Pro 2020.
В мобильных устройствах лидар улучшает качество фотографий и видео: помогает с более точной фокусировкой и оптимизирует ночную съёмку. Он обеспечивает работу приложений с дополненной реальностью и позволяет создавать 3D-сканы и модели предметов с помощью телефона. Также с опорой на LiDAR работает электронная рулетка.
Мобильные приложения для работы с LiDAR
- Рулетка — измеряет размеры предметов. Может даже определять рост людей!
- Hyper Capture: 3D Object Scan — сканирует предметы и делает из них 3D-модели.
- RoomScan LiDAR — создаёт планы помещений.
- Heges 3D Scanner — делает 3D-модели лиц на основе Face ID.
- SiteScape — создаёт 3D-сканы домов.
- Hello How Low — создаёт видео с дополненной реальностью, добавляя сюрреалистичные эффекты.
Источники
- Daley J. Laser Scans Reveal Massive Khmer Cities Hidden in the Cambodian Jungle [Электронный ресурс] // Smithsonian Magazine. 14.06.2016. URL: https://www.smithsonianmag.com/smart-news/laser-scans-reveal-massive-khmer-cities-hidden-cambodian-jungle-180959395/ (дата обращения 20.06.2024).
- Wade L. Laser mapping reveals oldest Amazonian cities, built 2500 years ago [Электронный ресурс] // Science. 11/01/2024. URL: https://www.science.org/content/article/laser-mapping-reveals-oldest-amazonian-cities-built-2500-years-ago (дата обращения 20.06.2024).
- Jalandoni A., Kottermair M., Dixon B. and Torres V.H. Effectiveness of 2020 Airborne Lidar for Identifying Archaeological Sites and Features on Guåhan (Guam) [Электронный ресурс] // Journal of Computer Applications in Archaeology. 2022. № 5(1). Pp. 255–270. URL: https://doi.org/10.5334/jcaa.101 (дата обращения 20.06.2024).
- Зитлер Б., Купальянц Л., Басож Ф. LIDAR как новый инструмент в изучении объектов культурного наследия. Потенциал и ограничения в распознавании микрорельефных структур при археологическом и ландшафтном обследовании [Электронный ресурс] // Археология и геоинформатика. 2008. Выпуск №5. URL: https://www.archaeolog.ru/media/periodicals/agis/AGIS-5/Sitler/page1.html (дата обращения 20.06.2024).
- Damian Evans, Christophe Pottier, Roland Fletcher. A comprehensive archaeological map of the world’s largest preindustrial settlement complex at Angkor, Cambodia. [Электронный ресурс] // PNAS. Edited by Michael D. Coe, Yale University, New Haven, CT, and approved June 29, 2007. URL: https://www.pnas.org/doi/full/10.1073/pnas.0702525104 (дата обращения 20.06.2024).
