Што е тоа LiDAR и за што се користи?

оригинално објавено на 1.07.2016

LiDAR (Light Detection and Ranging) технологијата првенствено претставува еден од клучните елементи на далечинската детекција. Тоа е релативно нов начин за собирање податоци кои обезбедуваат огромна количина на информации за објектите на земјината површина како и за земјините облици преку густо распоредени тродимензионални координатни точки, со што се добива исклучително висок квалитет на снимената површина. Ова е овозможено преку употреба на ласерски зрак кој го мери растојанието од објектот до скенерот.

LiDAR системот е резултат на интеграција на четири технологии во еден систем, кој служи за собирање податоци и претставува идеална алатка која овозможува добивање на дигитални површински модели. Овие технологии се:

Ласер (Laser scanning and Ranging System)

GPS (Global Positioning System) + Инерцијална мерна единица (IMU)

Сензор (RGB, IR, NIR/MIR/FIR)

Скенер и оптика

Основни компоненти на LiDAR се GPS и Инерцијалната мерна единица (важни за 3D позиционирање).

LiDAR е корисен не само поради можноста да обезбеди точни локации на големи површини, туку и поради извонредната брзина: се собираат десетици илјади до милион локации во секунда.

Собирањето на локациски базирани податоци со олкава прецизност и деталност би траела со години доколку би се одвивала преку традиционално набљудување. LiDAR е стабилно и одлично решение за комплицираните задачи како на пример картирање на инфраструктурата.

Податоците можат да се собираат преку воздушни или земјишни возила, од стабилни локации, најчесто на трипод, и на офшор платформи. Воздушниот LiDAR се употребува веќе некое време како извор на модели за формата на земјиштето особено применливо за инжењери, менаџмент за кризни состојби и други задачи каде е потребна визуелизација. Фиксираниот LiDAR се употребува при картирањето на инфраструктурата кај спефицични локации (пр. Централи за хемиска индустрија) со години.

LiDAR има мултипрактична намена, тој не се користи само за просторно скенирање туку и за следење на физичките процеси во атмосферата. Ваквата технологија се означува како DIAL (Differential Absorption LIDAR).

Предности: огромен извор на податоци; пониска цена во споредба со конвенционалните методи; брзо собирање податоци; брза обработка; работа на непристапни терени.

Недостатоци: системот не работи добро во лоши временски услови; силниот ветар го намалува квалитетот на податоците; не идентификува податоци за граници, подземна инфраструктура и водоводна мрежа.

Краток историјат

Воведувањето на LiDAR датира од пред-ласерското време. Во 1930те првите обиди биле направени за да се измери густината на воздухот во горните делови на атмосферата преку одредување на дисперзијата на интензитетот од светлосните зраци. Во 1938 биле користени светлосни зраци за да се измери височината на облаците. Акронимот LiDAR бил воведен од Мидлтон и Спилхаус во 1953 год и покрај сугестиите да се воведе терминот LaDAR (Laser Detection And Ranging) за да се нагласи улогата на ласерот.

Брзиот развој на модерната LiDAR технологија започнала со пронаоѓањето на ласерот во 1960 год. И големиот пулсирачки или Q-switch ласер во 1962 год. Декада подоцна сите основни LiDAR техники биле предложени и демонстрирани. Првата книга за LiDAR била уредена од Е.Д. Хинкли во 1976 год. Оттогаш успехот во развојот на LiDAR бил поврзан со напредокот во оптичката и електронска технологија, поточно ласерската технологија. LiDAR експертите отсекогаш биле инволвирани во ласерскиот развој.

Како функционира?

LiDAR се базира на два сета мерки за генерирање на облак од точки (со локации) за одлики околу познатата локација на скенерот. Прво, локацијата и насоката на ласерот мора да бидат познати за секое мерење. Во зависност од физичкиот механизам на скенерот точките на целта (таргетот) можат да се дистрибуираат целосно или нецелосно, и бидејќи системите вообичаено работат со аголно отстапување меѓу последователните мерења, таргетот поблизок до направата ќе има поголема густина на точките од оној што е пооддалечен. Вториот дел од потребната информација е растојанието. Постојат два пристапа за мерење на истото: време-за-летање и фазно-базиран. Времето-на-летање испраќа ласерски пулс, чека, и го мери времето на пристигнување на повратниот пулс.

Навигација и локација

Позиционирањето се базира на Глобалниот Позиционен Систем (GPS), проширен со Инерцијалната мерна единица (IMU). Заедно ја даваат точната локација на сензорот во секој момент а постои и можност локацијата инстантно да биде геореференцирана во одреден координатен систем, на пример UTM. За потребите на LiDAR се користи диференцијален GPS кој нуди поголема точност при одредувањето на локација. За мобилни LiDAR истражувања се ангажираат барем една а вообичаено повеќе базни станици позиционирани на различни места во областа која се набљудува. Преку ваквиот метод на интегрирање на DGPS со LiDAR добиваме претежно точна позиција со точност од неколку дециметри. IMU стапува во игра во услови кога имаме пречки во небото, а ова е особено често во урбани подрачја со тоа што овој систем функционира преку физички сензори составени од жироскоп и акцелерометар.

Воздушно собирање на податоци

Во услови на воздушно собирање на податоци, LiDAR е сместен т.е прицврстен на воздушно летало (пилотно или беспилотно). (повеќе за беспилотните летала можете да прочитате овде). Низ мрежест образец леталото го прелетува теренот кој што треба да се истражи. Во зависност од мисијата, се утврдуваат висината, брзината и опсегот на собирање податоци. Податоците од воздушните скенирања се коригираат за локацијата и понатаму се процесираат за различни излезни продукти. Еден таков продукт е генерирањето на „гол“ висински модел каде софтверски се отстрануваат сите антропогени објекти и истиот модел наоѓа широка примена при изготвување на елаборати и истражувања за поплави, градежништво, и други визуелизациски потреби.

Терестријално собирање на податоци

При терестријалното собирање на податоците, LiDAR се монтира на трипод или на возило. Бидејќи опсегот за скенирање е значително помал од оној за воздушно снимање, густината на точките ќе биде значително поголема. Се користи Near-Infrared ласер (900-1064 нанометри). Како и кај воздушното така и кај терестријалното собирање се користи комбинација од GPS-INS. Најкористени скенери за терестријално собирање на податоците се TITAN од Ambercore и Lynx од Optech.

Интегрирање со ГИС

Една од најдобрите работи за LiDAR е интеграцијата со други системи како што е ГИС (Географскиот Информациски Систем). Податоците кои се добиваат од LiDAR неопходно е дополнително софтверски да се обработат со соодветни картографски и визуелизациски алатки за понатамошна работа. На пример, создавањето форми од мобилен терестријален LiDAR (MTL) скен може да се процесира преку Autodesk 3D StudioMax а понатаму да се експортира во соодветен формат. MTL податоците можат да се искористат и за да се креира голема урбана област со голема резолуција за понатаму да се експортира во Google Earth. Најголемиот проблем претставува големината на податоците. LiDAR користи огромни податоци кои „тежат“ неколку гигабајти па не е едноставно да се пренесат во Google Earth поради ограничувањата на софтверот. Се препорачува т.н ситнење на податоците т.е импортирање во Google Earth дел по дел. Очигледно е дека потребни се нови методи и пристапи за поврзување на LiDAR со Google Earth.

Примена на LiDAR

Поради огромната флексибилност LiDAR може да се употреби кај следниве категории: 3Д (DEM) моделирање, рударство, анализи на релјефот, микро-топографија, сообраќајни несреќи, земјоделство, архитектура, шумарство, снимање на згради, мониторинг на природни непогоди, туризам, животна средина, метеорологија, транспорт, археологија, воени цели, климатски промени, следење на ерозија, свлечишта, поплави и многу други намени.

Извори:
grindgis.com/data/lidar-data-50-applications
www.ngi.no/upload/48594/1%20What%20Is%20Lidar.pdf
web.pdx.edu/~jduh/courses/geog493f12/Week04.pdf
lidarmag.com/
en.wikipedia.org/wiki/Lidar
www.maine.gov/geolib/Publications/LiDAR/MoDOT_Study_Sanborn.pdf

Изработил: Петар Трајков – ГИС