Teledetekcja LiDAR: zasada, zastosowanie, bezpłatne zasoby i oprogramowanie

Powietrzne czujniki LiDARmoże albo przechwytywać określone punkty z impulsu laserowego, co jest zwane dyskretnymi pomiarami powrotu, albo rejestrować cały powracający sygnał, zwany kształtem pełnej fali, w ustalonych odstępach, takich jak 1 ns (co obejmuje około 15 cm). LiDAR pełnookresowy jest najczęściej używany w leśnictwie, natomiast LiDAR z dyskretnym powrotem ma szersze zastosowania w różnych dziedzinach. W tym artykule omówiono przede wszystkim dyskretny zwrot LiDAR 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 elementy LiDAR-u

Naziemne systemy LiDAR zazwyczaj wykorzystują lasery o długości fal w zakresie 500–600 nm, natomiast powietrzne systemy LiDAR wykorzystują lasery o dłuższych falach, w zakresie 1000–1600 nm. Standardowa pokładowa konfiguracja LiDAR obejmuje skaner laserowy, jednostkę do pomiaru odległości (jednostkę odległości) oraz systemy kontroli, monitorowania i rejestracji. Obejmuje również różnicowy globalny system pozycjonowania (DGPS) i bezwładnościową jednostkę pomiarową (IMU), często zintegrowane w jeden system znany jako system pozycji i orientacji. System ten zapewnia dokładne dane dotyczące lokalizacji (długość, szerokość i wysokość) oraz orientacji (przechylenie, nachylenie i kurs).

 Wzory, według których laser skanuje obszar, mogą się różnić, włączając ścieżki zygzakowate, równoległe lub eliptyczne. Połączenie danych DGPS i IMU wraz z danymi kalibracyjnymi i parametrami montażowymi pozwala systemowi na dokładne przetwarzanie zebranych punktów laserowych. Punktom tym przypisuje się następnie współrzędne (x, y, z) w układzie współrzędnych geograficznych przy użyciu układu odniesienia Światowego Systemu Geodezyjnego z 1984 r. (WGS84).

Jak LiDARTeledetekcjaFabryka? Wyjaśnij w prosty sposób

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

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

Czujnik precyzyjnie mierzy czas potrzebny każdemu impulsowi na podróż do celu i z powrotem.

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

W połączeniu z danymi dotyczącymi pozycji i orientacji z czujników GPS i IMU określane są dokładne współrzędne 3D odbić lasera.

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

Zasada fizyczna LiDAR

W systemach LiDAR wykorzystywane są dwa rodzaje laserów: impulsowy i ciągły. Pulsacyjne systemy LiDAR działają poprzez wysłanie krótkiego impulsu światła, a następnie pomiar czasu potrzebnego na podróż tego impulsu do celu i z powrotem do odbiornika. Ten pomiar czasu podróży w obie strony pomaga określić odległość do celu. Przykład pokazano na schemacie, na którym wyświetlane są amplitudy zarówno transmitowanego sygnału świetlnego (AT), jak i odbieranego sygnału świetlnego (AR). Podstawowe równanie stosowane w tym systemie obejmuje prędkość światła (c) i odległość do celu (R), co pozwala systemowi obliczyć odległość na podstawie czasu potrzebnego na powrót światła.