Τηλεπισκόπηση LiDAR: Αρχή, Εφαρμογή, Δωρεάν Πόροι και Λογισμικό

Αερομεταφερόμενοι αισθητήρες LiDARμπορεί είτε να συλλάβει συγκεκριμένα σημεία από έναν παλμό λέιζερ, γνωστές ως διακριτές μετρήσεις επιστροφής, είτε να καταγράψει το πλήρες σήμα καθώς επιστρέφει, που ονομάζεται πλήρης κυματομορφή, σε σταθερά διαστήματα όπως 1 ns (που καλύπτει περίπου 15 cm). Το LiDAR πλήρους κυματομορφής χρησιμοποιείται κυρίως στη δασοκομία, ενώ το LiDAR διακριτής επιστροφής έχει ευρύτερες εφαρμογές σε διάφορους τομείς. Αυτό το άρθρο ασχολείται κυρίως με το LiDAR διακριτής επιστροφής και τις χρήσεις του. Σε αυτό το κεφάλαιο, θα καλύψουμε πολλά βασικά θέματα σχετικά με το LiDAR, συμπεριλαμβανομένων των βασικών στοιχείων του, του τρόπου λειτουργίας του, της ακρίβειάς του, των συστημάτων και των διαθέσιμων πόρων.

Βασικά εξαρτήματα του LiDAR

Τα επίγεια συστήματα LiDAR χρησιμοποιούν συνήθως λέιζερ με μήκη κύματος μεταξύ 500–600 nm, ενώ τα αερομεταφερόμενα συστήματα LiDAR χρησιμοποιούν λέιζερ με μεγαλύτερα μήκη κύματος, που κυμαίνονται από 1000–1600 nm. Μια τυπική αερομεταφερόμενη εγκατάσταση LiDAR περιλαμβάνει έναν σαρωτή λέιζερ, μια μονάδα μέτρησης απόστασης (μονάδα εμβέλειας) και συστήματα ελέγχου, παρακολούθησης και εγγραφής. Περιλαμβάνει επίσης ένα Διαφορικό Παγκόσμιο Σύστημα Εντοπισμού Θέσης (DGPS) και μια Μονάδα Αδρανειακής Μέτρησης (IMU), συχνά ενσωματωμένα σε ένα ενιαίο σύστημα γνωστό ως σύστημα θέσης και προσανατολισμού. Αυτό το σύστημα παρέχει δεδομένα ακριβούς τοποθεσίας (γεωγραφικό μήκος, γεωγραφικό πλάτος και υψόμετρο) και προσανατολισμό (ρολό, βήμα και κατεύθυνση).

 Τα μοτίβα στα οποία το λέιζερ σαρώνει την περιοχή μπορεί να ποικίλλουν, συμπεριλαμβανομένων ζιγκ-ζαγκ, παράλληλων ή ελλειπτικών διαδρομών. Ο συνδυασμός δεδομένων DGPS και IMU, μαζί με δεδομένα βαθμονόμησης και παραμέτρους τοποθέτησης, επιτρέπει στο σύστημα να επεξεργάζεται με ακρίβεια τα συλλεγμένα σημεία λέιζερ. Στη συνέχεια, σε αυτά τα σημεία εκχωρούνται συντεταγμένες (x, y, z) σε ένα γεωγραφικό σύστημα συντεταγμένων χρησιμοποιώντας το δεδομένο Παγκόσμιο Γεωδαιτικό Σύστημα του 1984 (WGS84).

Πώς LiDARΤηλεπισκόπησηΕργοστάσιο? Εξηγήστε με απλό τρόπο

Ένα σύστημα LiDAR εκπέμπει γρήγορους παλμούς λέιζερ προς ένα αντικείμενο ή επιφάνεια στόχο.

Οι παλμοί λέιζερ αντανακλούν τον στόχο και επιστρέφουν στον αισθητήρα LiDAR.

Ο αισθητήρας μετρά με ακρίβεια το χρόνο που χρειάζεται για να ταξιδέψει κάθε παλμός στον στόχο και πίσω.

Χρησιμοποιώντας την ταχύτητα του φωτός και το χρόνο ταξιδιού, υπολογίζεται η απόσταση από τον στόχο.

Σε συνδυασμό με τα δεδομένα θέσης και προσανατολισμού από τους αισθητήρες GPS και IMU, προσδιορίζονται οι ακριβείς τρισδιάστατες συντεταγμένες των ανακλάσεων λέιζερ.

Αυτό έχει ως αποτέλεσμα ένα πυκνό τρισδιάστατο νέφος σημείων που αντιπροσωπεύει τη σαρωμένη επιφάνεια ή αντικείμενο.

Φυσική Αρχή του LiDAR

Τα συστήματα LiDAR χρησιμοποιούν δύο τύπους λέιζερ: παλμικό και συνεχές κύμα. Τα παλμικά συστήματα LiDAR λειτουργούν στέλνοντας έναν σύντομο παλμό φωτός και στη συνέχεια μετρώντας το χρόνο που χρειάζεται για να ταξιδέψει αυτός ο παλμός στον στόχο και πίσω στον δέκτη. Αυτή η μέτρηση του χρόνου μετ' επιστροφής βοηθά στον προσδιορισμό της απόστασης από τον στόχο. Ένα παράδειγμα φαίνεται σε ένα διάγραμμα όπου εμφανίζονται τα πλάτη τόσο του μεταδιδόμενου φωτεινού σήματος (AT) όσο και του λαμβανόμενου φωτεινού σήματος (AR). Η βασική εξίσωση που χρησιμοποιείται σε αυτό το σύστημα περιλαμβάνει την ταχύτητα του φωτός (c) και την απόσταση από τον στόχο (R), επιτρέποντας στο σύστημα να υπολογίσει την απόσταση με βάση το χρόνο που χρειάζεται για να επιστρέψει το φως.