Diaľkové snímanie LiDAR: princíp, aplikácia, bezplatné zdroje a softvér

Vzduchové senzory LiDARmôže buď zachytiť špecifické body z laserového impulzu, známe ako diskrétne merania návratu, alebo zaznamenať celý signál pri jeho návrate, nazývaný plný tvar vlny, v pevných intervaloch, ako je 1 ns (čo pokrýva asi 15 cm). LiDAR s plnou vlnou sa väčšinou používa v lesníctve, zatiaľ čo LiDAR s diskrétnym návratom má širšie uplatnenie v rôznych oblastiach. Tento článok pojednáva predovšetkým o diskrétnom návrate LiDAR a jeho použití. V tejto kapitole sa budeme venovať niekoľkým kľúčovým témam o LiDAR, vrátane jeho základných komponentov, ako funguje, jeho presnosti, systémov a dostupných zdrojov.

Základné komponenty LiDAR

Pozemné systémy LiDAR zvyčajne používajú lasery s vlnovými dĺžkami medzi 500 – 600 nm, zatiaľ čo vzdušné systémy LiDAR používajú lasery s dlhšími vlnovými dĺžkami v rozsahu od 1 000 do 1 600 nm. Štandardná letecká zostava LiDAR obsahuje laserový skener, jednotku na meranie vzdialenosti (jednotka rozsahu) a systémy na ovládanie, monitorovanie a záznam. Zahŕňa tiež diferenciálny globálny polohový systém (DGPS) a inerciálnu meraciu jednotku (IMU), často integrované do jedného systému známeho ako systém polohy a orientácie. Tento systém poskytuje presné údaje o polohe (zemepisná dĺžka, šírka a nadmorská výška) a orientácii (náklon, sklon a smer).

 Vzory, v ktorých laser skenuje oblasť, sa môžu líšiť, vrátane cikcakovitých, paralelných alebo eliptických dráh. Kombinácia údajov DGPS a IMU spolu s kalibračnými údajmi a montážnymi parametrami umožňuje systému presne spracovať zozbierané laserové body. Týmto bodom sa potom priradia súradnice (x, y, z) v geografickom súradnicovom systéme s použitím údajov Svetového geodetického systému z roku 1984 (WGS84).

Ako LiDARDiaľkové snímaniefunguje? Vysvetlite jednoduchým spôsobom

Systém LiDAR vysiela rýchle laserové impulzy smerom k cieľovému objektu alebo povrchu.

Laserové impulzy sa odrážajú od cieľa a vracajú sa do senzora LiDAR.

Senzor presne meria čas, za ktorý každý impulz prejde k cieľu a späť.

Pomocou rýchlosti svetla a času cesty sa vypočíta vzdialenosť k cieľu.

V kombinácii s údajmi o polohe a orientácii zo senzorov GPS a IMU sa určia presné 3D súradnice laserových odrazov.

Výsledkom je hustý 3D mrak bodov predstavujúci skenovaný povrch alebo objekt.

Fyzikálny princíp LiDAR

Systémy LiDAR využívajú dva typy laserov: pulzné a kontinuálne vlnové. Pulzné systémy LiDAR fungujú tak, že vysielajú krátky svetelný impulz a potom merajú čas, ktorý tento impulz potrebuje na cestu k cieľu a späť k prijímaču. Toto meranie spiatočného času pomáha určiť vzdialenosť k cieľu. Príklad je znázornený na diagrame, kde sú zobrazené amplitúdy prenášaného svetelného signálu (AT) aj prijatého svetelného signálu (AR). Základná rovnica použitá v tomto systéme zahŕňa rýchlosť svetla (c) a vzdialenosť k cieľu (R), čo umožňuje systému vypočítať vzdialenosť na základe toho, ako dlho trvá, kým sa svetlo vráti.