LIDAR

Imagine Lidar a Grupului de Movile Urșilor Marching, Monumentul Național Movile Efigie.

Stație Lidar Leica utilizată pentru scanarea clădirilor, formațiunilor roci etc. pentru a genera modele 3D.

Un lidar sau lidar (acronim pentru LiDAR , Light Detection and Ranging sau Laser Imaging Detection and Ranging ) este un dispozitiv care permite ca distanța de la un emițător laser la un obiect sau suprafață să fie determinată folosind un fascicul laser pulsat . Distanța până la obiect este determinată prin măsurarea întârzierii între emisia pulsului și detectarea acestuia prin semnalul reflectat. În general, tehnologia lidar are aplicații în geologie , seismologie și fizica atmosferică . Se investighează și utilizarea sa în vehicule, în special în cele autonome.

Introducere

Lidar este un sistem care permite obținerea unui nor de puncte de teren prin luarea acestora cu ajutorul unui scaner laser aeropurtat ( airborne light scanner , ALS). Pentru a efectua această scanare, două mișcări sunt combinate. Una longitudinală dată de traiectoria planului și alta transversală prin intermediul unei oglinzi mobile care deviază fasciculul de lumină laser emis de scaner.

Pentru a cunoaște coordonatele norului de puncte, este nevoie de poziția senzorului și unghiul oglinzii în fiecare moment. Pentru aceasta, sistemul este susținut de un sistem GPS diferențial și un sistem de navigație inerțial (INS). Cunoscând aceste date și distanța senzor-sol obținută cu distanțametrul , obținem coordonatele căutate. Rezultatul este de zeci de mii de puncte pe secundă.

Componentele lidarului sunt:

• Scaner cu laser aeropurtat (ALS). Emite impulsuri de lumină infraroșie care sunt folosite pentru a determina distanța dintre senzor și sol.
• GPS diferențial . Prin utilizarea unui receptor în avion și a unuia sau mai multor stații de control la sol (în puncte cu coordonate cunoscute), se obține poziția și înălțimea avionului.
• Sistem de navigație inerțial (INS). Ne informează despre virajele și traiectoria avionului.
• Cameră video digitală (opțională), care permite obținerea unei imagini a zonei de studiu, care va servi pentru cea mai bună interpretare a rezultatelor. Acesta poate fi montat pe unele sisteme lângă ALS.
• Aer mediu. Poate fi un avion sau un elicopter . Când vrei să prioritizezi productivitatea și aria este mare, se folosește avionul, iar când se dorește o densitate mai mare de puncte se folosește elicopterul, pentru că poate zbura mai încet și mai jos.

Măsurătorile obținute de către cele trei componente principale, ALS, GPS și IMU, sunt luate cu același marcaj temporal conform GPS-ului. În acest fel, ele pot fi legate cu ușurință mai târziu în calculul ulterior.

Sistemul lidar obține, de asemenea, următoarele informații.

• Pentru fiecare impuls emis poate capta 2 sau mai multe ecouri. Acest lucru ne permite să colectăm informații la diferite înălțimi. De exemplu, dacă zburăm deasupra unei zone împădurite, primul ecou poate răspunde la vârfurile copacilor, iar ultimul la suprafața solului.
• Intensitatea reflectată. Poate fi foarte util pentru clasificarea ulterioară.

Clasificare

După tipul de laser:

• puls lidar. Procesul de măsurare a distanței dintre senzor și sol se realizează prin măsurarea timpului pe care îl ia un impuls de la emitere până la recepție. Emițătorul funcționează prin emiterea de impulsuri de lumină.

• Lidar de măsurare a fazelor. În acest caz, emițătorul emite un fascicul laser continuu. Când primește semnalul reflectat, măsoară diferența de fază dintre semnalul emis și cel reflectat. Odată ce acest lucru este cunoscut, este necesar doar să rezolvăm numărul de lungimi de undă întregi pe care le-a parcurs (ambiguități).

Tipuri de lidar.

După tipul de scanare:

• Linii. Are o oglindă rotativă care deviază raza laser. Produce linii paralele pe sol ca model de scanare. Principalul dezavantaj al acestui sistem este că prin rotirea oglinzii într-o direcție nu avem întotdeauna măsurători.

• Zig Zag. În acest caz, oglinda se rotește în două direcții (înainte și înapoi). Produce linii în zig-zag ca model de scanare. Are avantajul ca masoara intotdeauna dar fiind nevoita sa schimbe directia de rotatie, acceleratia oglinzii variaza in functie de pozitia acesteia. Aceasta înseamnă că în zonele apropiate de limita de scanare laterală (unde variază direcția de rotație a oglinzii), densitatea punctelor scanate este mai mare decât la nadir.

• fibra optica Din fibra centrală a unui cablu de fibră optică și cu ajutorul unor mici oglinzi, fasciculul laser este deviat către fibrele laterale montate în jurul axei. Acest sistem produce o amprentă sub forma unui fel de cercuri suprapuse. Deoarece oglinzile sunt mici, viteza de colectare a datelor crește în comparație cu alte sisteme, dar unghiul de scanare (FOV) este mai mic.

• Eliptice (Palmer). În acest caz, fasciculul laser este deviat de două oglinzi care produc un model de scanare eliptică. Ca avantaje ale metodei, putem comenta că terenul este uneori scanat din perspective diferite, deși a avea două oglinzi crește dificultatea prin a avea doi metri unghiulari.

Aplicații

Știință

La ferma Skinwalker , LiDAR este folosit pentru a detecta energii necunoscute de la fermă, de la OZN-uri până la radiația de fundal cu microunde ȘI, desigur, radiația nu afectează deloc panourile de protecție ale aceleiași unități de distanță.

Topografie

În topografie , măsurarea distanței cu laser pentru aplicațiile de cartografiere la scară largă revoluționează colectarea datelor digitale de altitudine a terenului. Această tehnică este o alternativă la alte surse de colectare a datelor, cum ar fi Digital Terrain Model (DTM). Poate fi folosit ca sursă de date pentru procesele de conturare și generare de contur pentru ortofotografiile digitale .

Un sistem lidar emite impulsuri de lumină care se reflectă de pe pământ și de alte obiecte de o anumită înălțime. Fotonii impulsurilor reflectate sunt transformați în impulsuri electrice și interpretați de un înregistrator de date de mare viteză. Deoarece formula pentru viteza luminii este bine cunoscută, intervalele de timp dintre emisie și recepție pot fi calculate cu ușurință. Aceste intervale sunt transformate în distanță ajutată de informațiile de poziție obținute de la receptoarele GPS ale aeronavei /sol și de la unitatea de măsură inerțială (IMU) de la bord, care înregistrează constant altitudinea aeronavei.

Sistemele Lidar înregistrează datele de poziție (x,y) și altitudine (z) la intervale predefinite. Datele rezultate au ca rezultat o rețea foarte densă de puncte, de obicei la intervale de 1 până la 3 metri. Cele mai sofisticate sisteme furnizează date nu doar de la prima întoarcere, ci și de la următoarele, care oferă înălțimi atât ale terenului, cât și ale vegetației acestuia. Înălțimile vegetației pot oferi baza pentru analiza aplicațiilor diferitelor tipuri de vegetație sau separarea înălțimii.

Un avantaj semnificativ al acestei tehnologii față de altele este că datele pot fi achiziționate în condiții atmosferice pe care fotografia aeriană convențională nu poate. De exemplu, colectarea datelor se poate face dintr-un avion care zboară noaptea sau în condiții de vizibilitate redusă, precum cele care apar pe vreme cețoasă sau înnorată.

Produsele fotogrametrice standard derivate din datele lidar includ modele de contur și elevație pentru ortofotografii . Pentru a obține contururi precise, este necesară o postprocesare a datelor inițiale. Deoarece datele lidar sunt obținute pe obiecte înălțate (de exemplu, clădiri), algoritmi sofisticați sunt utilizați pentru a elimina puncte legate de aceste obiecte. Datorită densității mari a punctelor, foarte puține , dacă există, linii de rupere sunt necesare pentru a reprezenta cu precizie terenul. În ciuda prezenței sistemului lidar și a utilizării software -ului de post-procesare , procedurile de validare vor trebui incluse în proces pentru a se asigura că contururile finale sunt reprezentative pentru teren. Utilizatorul final ar trebui să ia în considerare, de asemenea, că contururile derivate din lidar vor avea un aspect diferit de cele compilate folosind tehnici fotogrammetrice convenționale. Datorită densității punctelor obținute, contururile derivate din lidar, deși extrem de precise, vor avea tendința de a avea un aspect mai zimțat.

Post-procesarea și verificarea 3D sunt, de asemenea, recomandate atunci când se utilizează date lidar pentru generarea de ortofotografii digitale . Deși cerințele de acuratețe verticală pentru generarea ortofotografiei sunt mai puțin stricte decât pentru generarea conturului, datele ar trebui verificate pentru erori în masă. Punctele de pe clădiri nu trebuie neapărat să fie eliminate. De fapt, clădirile modelate cu date lidar vor fi rectificate în poziția lor adevărată (ortofoto adevărată) și vor fi eliminate distorsiunile radiale cauzate de înclinarea clădirilor. Această îmbunătățire este oarecum afectată de faptul că marginile clădirilor pot avea tendința de a arăta rotunjite; aceasta in functie de amplasarea punctelor fata de marginea cladirii.

Prin post-procesare pot fi obținute următoarele date:

• Extracție la nivelul solului
• îndepărtarea clădirii
• Extragerea arborilor și arboretelor forestiere
• Instrumente de curățare a terenului
• Crearea de vectori tridimensionali
• Instrument de pătrare a clădirii
• instrument de editare
• decuparea imaginilor

Acuratețea datelor obținute prin tehnica lidar depinde de:

• Frecvența pulsului.
• Înălțimea zborului.
• Diametrul fasciculului laser (în funcție de sistem)
• Calitatea datelor GPS/IMU și procedurile de post-procesare.

Se pot atinge precizii de 1 metru in coordonatele de pozitie si aproximativ 15 cm in coordonata de inaltime, daca conditiile in care se fac masuratorile sunt optime. Cu toate acestea, pentru orice aplicație la scară largă care necesită precizie ridicată, datele obținute vor trebui comparate cu alte tehnici. Punctele obținute (cu coordonatele lor tridimensionale) sunt de obicei suprapuse imaginilor digitale. Pentru a realiza acest lucru, se folosesc statii fotogrametrice digitale .

Formate de fișiere

Majoritatea sistemelor și aplicațiilor lidar funcționează cu același format, formatul LAS , a cărui specificație a fost dezvoltată de Societatea Americană pentru Fotogrammetrie și Teledetecție (ASPRS) și care a devenit un standard de facto pentru lucrul cu date.

LAS este un format de fișier public care permite schimbul de fișiere care conțin informații tridimensionale din norul de puncte. Formatul LAS este un fișier binar care menține toate informațiile din sistemul lidar și le păstrează în funcție de natura datelor și a sistemului de captare. ]

Detectarea vitezei

Este tehnologia folosită de pistoalele laser ale poliției pentru a determina viteza vehiculelor care circulă în traficul rutier. Diferă de radar prin faptul că, în loc de a utiliza unde radio, se folosește un fascicul de lumină laser pulsat în banda infraroșie cu o frecvență a impulsului de 33 MHz și o lungime de undă de 904 nm.

Avantajele lidarului față de radar sunt mai multe:

• Este mult mai rapid. În condiții normale, puteți obține viteza vehiculului în doar 3 zecimi de secundă.
• Deoarece emite un fascicul de lumină laser, fasciculul nu diverge la fel de mult și este mult mai îngust decât fasciculul radar, care se extinde și sare în mediul înconjurător. Raza laser formează un con foarte îngust. La aproximativ 500 de metri are o lățime de aproximativ 2,5 metri în diametru, cu care pistolul poate fi îndreptat către un anumit vehicul și poate determina viteza acestuia chiar dacă în jurul lui circulă mai multe mașini. Prin urmare, poate fi utilizat în trafic intens prin țintirea vehiculelor preferate. În plus, datorită acestui mod de lucru și a vitezei sale, detectarea cu ajutorul detectoarelor instalate în vehiculele iluminate de fascicul este destul de ineficientă, deoarece în momentul în care detectorul avertizează despre prezența laserului este prea târziu, deoarece pistolul este deja v-a înregistrat viteza.
• Este mai ușor de manipulat, transportat și întreținut.
• Este mai ieftin decât un radar.
• Poate funcționa, ca și radarul, noaptea, pe ploaie, de pe poduri, în vehicule parcate, în regim automat sau manual etc.
• Singura limitare a laserului lidar este că trebuie să fie întotdeauna staționar. Radarul poate fi folosit în mișcare, dar laserul lidar nu poate fi mutat în timpul măsurării.

Optică adaptivă

Un PHASOR folosit la Starfire Optical Range pentru experimente cu lidar și laser ghidaj cu stele (crearea unei stele virtuale) și reglat pe linia D2 de sodiu . Folosit pentru a excita atomii de sodiu din straturile superioare ale atmosferei . PHASOR este acronimul pentru Frequency Addition Source of Optical Radiation . În acest sistem există două lasere cu stare solidă în regiunea infraroșu de mod unic și frecvență și lungimi de undă de 1064 și, respectiv, 1319 microni . Aceste frecvențe sunt însumate într-un cristal LBO în interiorul unei cavități de rezonanță dublă.

Optica adaptivă este o tehnică care face posibilă corectarea celor mai importante perturbări suferite de imaginile astronomice din cauza atmosferei Pământului . Cu acest sistem este posibil să se obțină imagini mai clare, sau după cum explică astronomii, cu o rezoluție spațială mai bună. Diferența pe care o introduce această tehnică este comparabilă cu cea dintre a privi un obiect situat pe fundul unui bazin cu apă sau fără apă.

Importanța pentru cercetarea astronomică vorbește despre faptul că toate telescoapele sau observatoarele cu telescoape mai mari de 4 metri au dezvoltat sau dezvoltă sisteme optice adaptive potrivite nevoilor lor.

Posibilitățile pe care optica adaptivă le oferă astronomiei sunt spectaculoase. Înlăturarea perturbărilor atmosferice este în esență echivalentă cu observarea din spațiu.

Perturbațiile atmosferice provoacă o pierdere a clarității sau rezoluției spațiale. Această pierdere se traduce, pe de o parte, printr-o scădere a capacității de a rezolva obiectele, adică de a efectua studii detaliate ale morfologiei acestora. Pe de altă parte, influențează și capacitatea de a detecta obiecte slabe, deoarece imaginea este împrăștiată în puncte mai mari de lumină.

Îmbunătățirea introdusă de optica adaptivă poate fi cuantificată folosind raportul dintre dimensiunea telescopului și dimensiunea celei mai bune imagini pe care o poate obține. Puterea de detectare a unui telescop crește odată cu diametrul oglinzii sale primare și scade odată cu dimensiunea imaginii pe care o formează a unui obiect punctual (de aici și importanța calității imaginii într-un telescop). Prin urmare, diferența cu aceeași oglindă de 10 metri, între a putea focaliza imagini de 0,4 secunde de arc (ceea ce este posibil într-o noapte cu vizibilitate excelentă) și o imagine de 0,04 secunde de arc, ceea ce ar trebui să fie posibil cu o optică adaptivă sistem ar fi echivalent cu a avea o oglindă primară de 100 de metri. Prin urmare, așa cum am spus la început, majoritatea observatoarelor și telescoapelor importante fie au deja propriul sistem de optică adaptivă, fie lucrează la el.

Optica adaptivă este o tehnologie care ne permite să determinăm și să corectăm o mare parte a aberațiilor cu care ajunge frontul de undă al obiectelor observate. Frontul de undă este învelișul geometric al tuturor razelor de lumină care au ieșit dintr-un obiect luminos în același timp. Când originea luminii este un punct, frontul de undă este sferic; dar dacă este suficient de departe, ca în cazul stelelor, acel front este practic plat.

Într-un sistem de optică adaptivă, frontul de undă, perturbat de atmosferă, este mai întâi analizat de un senzor de front de undă , care îi determină aberațiile . Aceste informații sunt transmise reconstructorului de fază , care calculează corecțiile care trebuie făcute și deformațiile care trebuie adoptate de oglinda deformabilă pentru a compensa aberațiile originale ale frontului de undă.

Prin „detecția” frontului de undă se urmărește măsurarea aberațiilor introduse de coloana de atmosferă prin care trece lumina provenită de la obiectul astronomic. În mod normal, obiectele de studiat sunt foarte slabe, astfel încât măsurarea perturbațiilor frontului de undă trebuie făcută cu o stea strălucitoare apropiată de obiectul de interes, astfel încât lumina de la această stea de referință să treacă prin aproximativ aceeași coloană de atmosferă ca obiectul. Cu toate acestea, nu este întotdeauna posibil să găsiți stele suficient de apropiate de obiectul astronomic de interes și suficient de strălucitoare pentru a fi folosite pentru a măsura frontul de undă.

Soluția care s-a găsit la această problemă constă în producerea de stele artificiale prin excitarea cu un fascicul laser a stratului de sodiu existent în straturile superioare ale atmosferei. Acest lucru necesită utilizarea laserelor de mare putere și este o tehnică care este încă în plină dezvoltare.

Gestionarea pădurilor

În stingerea incendiilor , disponibilitatea unui model precis al tipului de combustibil prezent în fiecare punct de pe sol este esenţială pentru a putea prezice cu exactitate comportamentul incendiului şi astfel a putea lua decizii cu privire la tehnicile de atac care vor fi folosite sau despre resursele necesare pentru combaterea incendiului. ]

Datorită lidar, este posibilă generarea unei hărți precise a modelelor de combustibil pe baza informațiilor verticale capturate de măsurătorile lidar. În plus, este posibilă îmbunătățirea în continuare a preciziei prin combinarea datelor capturate de lidar cu datele obținute prin alte mijloace, cum ar fi imagini multispectrale. ]

Luând în considerare valorile înălțimii furnizate de lidar și distribuția verticală a combustibililor, surprinse de poziția relativă în diferite intervale de înălțime a grupurilor de măsurători în cadrul norului de puncte, este posibil să se determine atât cantitatea de biomasă prezentă, cât și tipul acesta. ]

Geologie și știința solului

Apariția tehnologiei lidar a însemnat un mare avans în studiul pământului. Datorită modelelor digitale de elevație de înaltă rezoluție obținute prin această tehnică, aceasta poate fi aplicată în diverse domenii ale geologiei .

Posibilitatea de a obține modele ale structurilor topografice în detaliu: canale fluviale, terase, printre altele, a promovat și facilitat studiul proceselor fizice și chimice ale suprafeței terestre; interferența agenților atmosferici, caracterizarea și geneza formelor de relief, procesele de eroziune și intemperii...

Această tehnică a reușit să preia conducerea ca instrument fundamental pentru detectarea, monitorizarea și studiul defecțiunilor. Cu modele digitale 3D, permite obținerea înainte și după mișcarea unei plăci, putând efectua măsurători precise, cheie pentru înțelegerea modului în care apar aceste fenomene naturale.

Printre alte aplicații geologice, este de menționat monitorizarea ghețarilor (pentru evaluarea retragerii ghețarilor și a relației acesteia cu modificările ciclului hidrologic), analiza schimbărilor de coastă, mișcarea plăcilor tectonice, erupții vulcanice, alunecări de teren...

Mecanica stâncilor

Lidar este utilizat pe scară largă în mecanica rocilor pentru caracterizarea masei de rocă și detectarea schimbării pantei. Unele dintre proprietățile masei de rocă care pot fi extrase din norii de puncte 3-D dobândite de LiDAR sunt:

1. Orientarea discontinuităților ]
2. Distanța între discontinuități și RQD ]
3. Deschiderea discontinuitatilor
4. Persistența discontinuităților ]
5. Rugozitatea discontinuităților ]
6. Infiltrații de apă

Unele dintre aceste proprietăți au fost utilizate în caracterizarea maselor de rocă prin RMR . În plus, deoarece orientarea discontinuităților poate fi determinată din datele LiDAR, este, de asemenea, posibilă obținerea calității geomecanice a versanților de rocă folosind SMR . În cele din urmă, compararea diferiților nori de puncte 3D ai unei pante dobândite în momente diferite permite cercetătorilor să studieze schimbările produse în scenă în intervalul de timp studiat datorită dezvoltării căderilor de roci sau a altor procese gravitaționale.

Alte aplicații

În fizica atmosferei , prin utilizarea instrumentelor lidar este posibilă măsurarea densităților anumitor constituenți ai atmosferei ( aerosoli , nori , potasiu , sodiu , oxigen molecular și azot etc.). Cu cea mai avansată tehnologie este posibilă calcularea profilurilor de temperatură sau măsurarea structurii vântului.

Pe măsură ce producătorii auto și jucătorii de tehnologie se luptă pentru a dezvolta vehicule autonome, lidar a devenit o tehnologie foarte râvnită. Dezavantajul acestor senzori este prețul lor (pot costa zeci de mii de dolari ). Noile dezvoltări urmăresc să aibă un senzor lidar pe un cip mai mic decât un bob de orez. Această dezvoltare nu urmărește să înlocuiască senzorii actuali, ci să coexiste cu aceștia, deoarece în timp ce un senzor lidar oferă precizie la distanță lungă, lidar-ul cu stare solidă ar fi pentru detectarea la distanțe scurte, concentrându-se pe detalii care uneori trec neobservate. Studii recente au arătat că utilizarea lidar împreună cu tehnicile de inteligență artificială pot oferi soluții la provocările conducerii autonome. ]

Bibliografie suplimentară

• Gil, Emilio; Llorens, Jordi; Llop, Jordi; Fabregas, Xavier; Gallart, Montserrat (2013). „ Utilizarea unui senzor LIDAR terestru pentru detectarea derivei în pulverizarea podgoriilor ”. Senzori . 13 (1): 516–534. doi :10.3390/s130100516. ISSN  1424-8220. PMC  3574688. PMID  23282583.
• Heritage, E. (2011). Scanare laser 3D pentru moștenire. Sfaturi și îndrumări pentru utilizatori cu privire la scanarea laser în arheologie și arhitectură. Disponibil la www.english-heritage.org.uk. Scanare laser 3D pentru patrimoniu | Anglia istorică
• Heritage, G. și Large, A. (Eds.). (2009). Scanare cu laser pentru științele mediului. John Wiley & Sons. ISBN  1-4051-5717-8
• Maltamo, M., Næsset, E. și Vauhkonen, J. (2014). Aplicații forestiere ale scanării cu laser aeropurtate: concepte și studii de caz (vol. 27). Springer Science & Business Media. ISBN  94-017-8662-3
• Shan, J. și Toth, C.K. (Eds.). (2008). Gama și scanare cu laser topografice: principii și procesare. CRCpress. ISBN  1-4200-5142-3
• Vosselman, G. și Maas, H.G. (Eds.). (2010). Scanare laser aeriană și terestră. Editura Whittles. ISBN  1-4398-2798-2