Τηλεπισκόπηση LiDAR: Αρχή, Εφαρμογή, Δωρεάν Πόροι και Λογισμικό

Αερομεταφερόμενοι αισθητήρες LiDARμπορεί είτε να καταγράψει συγκεκριμένα σημεία από έναν παλμό λέιζερ, γνωστά ως μετρήσεις διακριτής 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 διάφορα βασικά θέματα σχετικά με το LiDAR, συμπεριλαμβανομένων των βασικών συστατικών του, του τρόπου λειτουργίας του, της ακρίβειάς του, των συστημάτων και των διαθέσιμων πόρων.

Βασικά Στοιχεία του LiDAR

Τα επίγεια συστήματα LiDAR χρησιμοποιούν συνήθως λέιζερ με μήκη κύματος μεταξύ 500-600 nm, ενώ τα εναέρια συστήματα LiDAR χρησιμοποιούν λέιζερ με μεγαλύτερα μήκη κύματος, που κυμαίνονται από 1000-1600 nm. Μια τυπική εγκατάσταση εναέριας LiDAR περιλαμβάνει έναν σαρωτή λέιζερ, μια μονάδα μέτρησης απόστασης (μονάδα εύρους) και συστήματα ελέγχου, παρακολούθησης και καταγραφής. Περιλαμβάνει επίσης ένα Διαφορικό Σύστημα Παγκόσμιας Θέσης (DGPS) και μια Αδρανειακή Μονάδα Μέτρησης (IMU), συχνά ενσωματωμένα σε ένα ενιαίο σύστημα γνωστό ως σύστημα θέσης και προσανατολισμού. Αυτό το σύστημα παρέχει ακριβή δεδομένα τοποθεσίας (γεωγραφικό μήκος, γεωγραφικό πλάτος και υψόμετρο) και προσανατολισμού (κύλιση, κλίση και κατεύθυνση).

 Τα μοτίβα με τα 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 σημεία λέιζερ που συλλέγονται. Σε αυτά τα σημεία αντιστοιχίζονται στη συνέχεια συντεταγμένες (x, y, z) σε ένα γεωγραφικό σύστημα συντεταγμένων χρησιμοποιώντας το σημείο αναφοράς του Παγκόσμιου Γεωδαιτικού Συστήματος του 1984 (WGS84).

Πώς λειτουργεί το LiDARΤηλεπισκόπησηΕργοστάσιοΕξηγήστε με απλό τρόπο

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

Οι παλμοί λέιζερ ανακλώνται από τον στόχο και επιστρέφουν στον αισθητήρα LiDAR.

Ο αισθητήρας μετρά με ακρίβεια τον χρόνο που χρειάζεται κάθε παλμός για να φτάσει στον στόχο και να επιστρέψει.

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

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

Αυτό έχει ως αποτέλεσμα ένα πυκνό τρισδιάστατο νέφος σημείων που αντιπροσωπεύει την σαρωμένη επιφάνεια ή το 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 τον χρόνο που χρειάζεται αυτός ο παλμός για να ταξιδέψει 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 τον χρόνο που χρειάζεται για να επιστρέψει το φως.