Рельєф, який завжди з тобою

Супутникові карти — це перше, з чого ми зазвичай починаємо, коли переходимо до планування маршруту НРК.

Але для планування маршруту автономного НРК потрібно також і те, чого немає на супутникових картах. Йому потрібно знати не лише «де», а й «що там»: чи є там канава, наскільки крутий схил, де його трястиме надто сильно. І ось тут супутникові карти нам уже не допомагають. Бо вони плоскі. Вони не знають рельєфу. Саме тут на сцену виходить DEM.

DEM (Digital Elevation Model) — це цифрова модель висот. Простіше кажучи, це не картинка місцевості, а числовий рельєф: кожній точці поверхні присвоєна висота. Не колір пікселя, а реальна відмітка над рівнем моря (або відносна висота).

Всередині поняття DEM живуть два важливих підвиди:

DSM (Digital Surface Model) — поверхня з тим, що на ній стоїть: дерева, будівлі, паркани, техніка. Це те, що бачить сенсор зверху.

DTM (Digital Terrain Model) — поверхня без усього зайвого. Тільки гола земля. DTM — це те, що було б, якби прибрати все, що збудовано й виросло.

А вже з DTM можна отримати цілий набір похідних карт, кожна з яких відповідає за свою спеціалізацію.

Hillshade (тіньовий рельєф) — це, строго кажучи, не навігаційна карта, а візуалізація. Імітація того, як рельєф виглядає при боковому освітленні. Але саме з неї зазвичай починають: вона миттєво робить рельєф читабельним для людського ока. Якщо хочеш швидко зрозуміти, що відбувається на місцевості — hillshade покаже це краще, ніж будь-яка таблиця висот.

Slope (ухил) — наскільки крутий рельєф у кожній точці. Саме ця карта першою каже роботу: «туди не їдь». Крутий схил — це або слизько, або фізично неможливо, або втрата керованості. Slope — це карта допустимості пересування.

Roughness (шорсткість) — наскільки нерівна поверхня в локальному масштабі. Дві ділянки можуть мати однаковий середній ухил, але одна — рівна, як стіл, а інша — як пральна дошка. Roughness це розрізняє. Для НРК це безпосередньо впливає на швидкість, витрату енергії та вібронавантаження на обладнання.

Curvature (кривизна) — зміна ухилу. Це вже тонкий інструмент. Додатна кривизна (опуклий рельєф) — вершина пагорба, гребінь. Від'ємна (увігнутий) — улоговина, низина, потенційне місце накопичення води або бруду. Для автономного планування маршруту кривизна допомагає передбачити динаміку руху: де робот розганятиметься, а де — гальмуватиме за необхідністю.

Правильне поєднання всіх цих шарів дозволяє побудувати правильну модель прохідності. Саме з такого поєднання будуються costmap'и — карти «вартості» маршруту, які використовують автономні роботи при плануванні шляху.

Звідки взяти DEM, якщо немає розвідувального дрона?

Ось ми й дібралися до практичного питання. Бо все вищесказане — прекрасно, але DEM треба звідкись взяти.

У кого є розвідувальний дрон із хорошою камерою — тому пощастило. Він може будувати власні DEM з роздільною здатністю в сантиметри. У кого такого дрона немає (а це більшість тих, хто тільки починає розбиратися) — ласкаво просимо в реальність відкритих даних.
І тут є дещо цікаве.

Copernicus: європейський погляд зверху, безкоштовно

Copernicus — це європейська програма спостереження за Землею. Один із її продуктів — Copernicus DEM (він же Copernicus GLO-30 і GLO-90): глобальна цифрова модель рельєфу, що покриває практично всю поверхню планети. І вона відкрита для завантаження безкоштовно.

Назва GLO-30 натякає на ключову характеристику: роздільна здатність сітки — 30 метрів на піксель (є ще GLO-90 — 90 метрів). Це означає, що кожна точка даних описує квадрат 30×30 метрів. Не сантиметри, не метри — тридцять метрів.

Звучить грубувато? Так. Але будьмо чесні: це працюючі дані, доступні прямо зараз, без дрона, без спеціального доступу і без бюджету. І з них все одно можна побудувати slope, roughness, curvature і hillshade. Просто з відповідною роздільною здатністю.

Чим погана така роздільна здатність для автономного робота? Вона не бачить канави завширшки 2 метри. Не помічає бетонного блока. Не розрізняє стежку й поле. Об'єкти менші за 30 метрів просто згладжені.

Чим вона все одно корисна? Загальна морфологія місцевості — пагорби, долини, гребені, вододіли — читається цілком впевнено. Для первинного аналізу місцевості, для розуміння загальної логіки рельєфу, для відпрацювання пайплайну обробки — це цілком робочий матеріал.

Інженерна ремарка (вона ж — підказка)

Ось де в голові корисно ввімкнути TRIZ-рефлекс. Є класична суперечність: щоб добре навігувати — потрібні детальні карти, а детальних карт немає. Можна зависнути на цьому місці й чекати дрон. А можна переформулювати задачу: що я можу дізнатися про місцевість із того, що вже є?

Ресурс, який уже існує і не використовується в повну силу — це і є точка входу. Copernicus DEM — саме такий ресурс. Не ідеальний. Але доступний прямо зараз.