Teledetekcja LiDAR: zasada, zastosowanie, bezpłatne zasoby i oprogramowanie

Czujniki LiDAR w powietrzuMoże rejestrować określone punkty impulsu laserowego, znane jako pomiary dyskretnego powrotu, lub rejestrować cały sygnał w momencie jego powrotu, zwany pełnym przebiegiem fali, w stałych odstępach czasu, np. co 1 ns (co obejmuje obszar około 15 cm). LiDAR pełnego przebiegu fali jest wykorzystywany głównie w leśnictwie, natomiast LiDAR dyskretnego powrotu ma szersze zastosowanie w różnych dziedzinach. Niniejszy artykuł omawia przede wszystkim LiDAR dyskretnego powrotu i jego zastosowania. W tym rozdziale omówimy kilka kluczowych tematów dotyczących LiDAR, w tym jego podstawowe komponenty, sposób działania, dokładność, systemy i dostępne zasoby.

Podstawowe komponenty LiDAR-u

Naziemne systemy LiDAR zazwyczaj wykorzystują lasery o długości fali 500–600 nm, natomiast lotnicze systemy LiDAR wykorzystują lasery o dłuższych długościach fali, w zakresie 1000–1600 nm. Standardowy lotniczy system LiDAR obejmuje skaner laserowy, jednostkę pomiaru odległości (jednostkę pomiaru odległości) oraz systemy sterowania, monitorowania i rejestrowania. Obejmuje on również Różnicowy Globalny System Pozycjonowania (DGPS) i Bezwładnościową Jednostkę Pomiarową (IMU), często zintegrowane w jeden system, znany jako system pozycji i orientacji. System ten dostarcza precyzyjnych danych o lokalizacji (długość, szerokość i wysokość geograficzna) oraz orientacji (przechylenie, nachylenie i kurs).

 Wzory, według których laser skanuje obszar, mogą być różne, w tym zygzakowate, równoległe lub eliptyczne. Połączenie danych DGPS i IMU, wraz z danymi kalibracyjnymi i parametrami montażu, pozwala systemowi na dokładne przetwarzanie zebranych punktów laserowych. Punktom tym przypisuje się następnie współrzędne (x, y, z) w układzie współrzędnych geograficznych, wykorzystującym układ odniesienia WGS84 (World Geodetic System of 1984).

Jak LiDARTeledetekcjaFabryka? Wyjaśnij w prosty sposób

System LiDAR emituje szybkie impulsy laserowe w kierunku obiektu lub powierzchni docelowej.

Impulsy laserowe odbijają się od celu i wracają do czujnika LiDAR.

Czujnik dokładnie mierzy czas potrzebny każdemu impulsowi na dotarcie do celu i powrót.

Na podstawie prędkości światła i czasu podróży obliczana jest odległość do celu.

W połączeniu z danymi o położeniu i orientacji pochodzącymi z czujników GPS i IMU, określane są dokładne współrzędne 3D odbić laserowych.

W rezultacie powstaje gęsta chmura punktów 3D, reprezentująca zeskanowaną powierzchnię lub obiekt.

Zasada fizyczna LiDAR-u

Systemy LiDAR wykorzystują dwa rodzaje laserów: impulsowy i ciągły. Impulsowe systemy LiDAR działają poprzez wysyłanie krótkiego impulsu światła, a następnie pomiar czasu potrzebnego na dotarcie impulsu do celu i powrót do odbiornika. Ten pomiar czasu podróży w obie strony pomaga określić odległość do celu. Przykład pokazano na diagramie, na którym wyświetlane są amplitudy zarówno sygnału świetlnego transmitowanego (AT), jak i odebranego (AR). Podstawowe równanie stosowane w tym systemie uwzględnia prędkość światła (c) i odległość do celu (R), co pozwala systemowi obliczyć odległość na podstawie czasu potrzebnego na powrót światła.