ЛИДАР

Лидарное изображение группы курганов марширующего медведя, национального памятника Effigy Mounds.

Лидарная станция Leica , используемая для сканирования зданий, скальных образований и т. д. для создания 3D-моделей.

Лидар или лидар [ (аббревиатура от LiDAR , Light Detection and Ranging или Laser Imaging Detection and Ranging — это устройство, которое позволяет определять расстояние от лазерного излучателя до объекта или поверхности с помощью импульсного лазерного луча. Расстояние до объекта определяется путем измерения временной задержки между испусканием импульса и его обнаружением по отраженному сигналу. В целом лидарная технология находит применение в геологии , сейсмологии и физике атмосферы . Его использование в транспортных средствах, особенно автономных, также изучается.

Введение

Лидар — это система, позволяющая получить облако точек местности путем их снятия с помощью бортового лазерного сканера ( airborne light Scanner , ALS). Для выполнения этого сканирования объединяются два движения. Одна продольная задается траекторией самолета, а другая поперечная с помощью подвижного зеркала, которое отклоняет луч лазерного излучения, излучаемого сканером.

Чтобы знать координаты облака точек, нужно положение датчика и угол зеркала в каждый момент времени. Для этого система поддерживается дифференциальной системой GPS и инерциальной навигационной системой (ИНС). Зная эти данные и полученное с помощью дальномера расстояние от датчика до земли, получаем искомые координаты. Результат — десятки тысяч точек в секунду.

Компоненты лидара:

• Бортовой лазерный сканер (БАС). Он излучает импульсы инфракрасного света, которые используются для определения расстояния между датчиком и землей.
• Дифференциальный GPS . За счет использования приемника на самолете и одного или нескольких наземных пунктов управления (в точках с известными координатами) получают положение и высоту самолета.
• Инерциальная навигационная система (ИНС). Он информирует нас о поворотах и ​​траектории полета самолета.
• Цифровая видеокамера (опционально), позволяющая получить изображение исследуемой области, что послужит для наилучшей интерпретации результатов. Это может быть установлено на некоторых системах рядом с ALS.
• Воздушная среда. Это может быть самолет или вертолет . Когда вы хотите сделать приоритет производительности и площадь большая, используется самолет, а когда вы хотите более высокую плотность точек, используется вертолет, потому что он может летать медленнее и ниже.

Измерения, полученные тремя основными компонентами, ALS, GPS и IMU, выполняются с одной и той же отметкой времени в соответствии с GPS. Таким образом, их можно легко связать позже в последующих вычислениях.

Лидарная система также получает следующую информацию.

• Для каждого излучаемого импульса он может захватывать 2 или более эхо-сигналов. Это позволяет нам собирать информацию на разных высотах. Например, если мы летим над лесистой местностью, первое эхо может реагировать на верхушки деревьев, а последнее — на поверхность земли.
• Отраженная интенсивность. Это может быть очень полезно для последующей классификации.

Классификация

По типу лазера:

• импульсный лидар. Процесс измерения расстояния между датчиком и землей осуществляется путем измерения времени, которое проходит импульс с момента его излучения до момента его получения. Излучатель работает, испуская импульсы света.

• Лидар измерения фазы. В этом случае излучатель излучает непрерывный лазерный луч. Когда он принимает отраженный сигнал, он измеряет разность фаз между излучаемым и отраженным сигналом. Как только это известно, необходимо только разрешить количество полных длин волн, которые он прошел (неоднозначности).

Виды лидара.

По типу сканирования:

• Линии. Он имеет вращающееся зеркало, которое отклоняет лазерный луч. Создает параллельные линии на земле в качестве шаблона сканирования. Главный недостаток этой системы в том, что, поворачивая зеркало в одну сторону, мы не всегда получаем измерения.

• Зигзаг. При этом зеркало вращается в двух направлениях (туда-сюда). Создает зигзагообразные линии в качестве шаблона сканирования. Его преимущество заключается в том, что он всегда измеряет, но при изменении направления вращения ускорение зеркала изменяется в зависимости от его положения. Это означает, что в областях, близких к границе бокового сканирования (где меняется направление вращения зеркала), плотность точек сканирования больше, чем в надире.

• оптоволокно От центрального волокна оптоволоконного кабеля и с помощью небольших зеркал луч лазера отклоняется к боковым волокнам, закрепленным вокруг оси. Эта система производит след в виде своеобразных перекрывающихся кругов. Поскольку зеркала маленькие, скорость сбора данных увеличивается по сравнению с другими системами, но угол сканирования (FOV) ниже.

• Эллиптический (Палмер). В этом случае лазерный луч отклоняется двумя зеркалами, создающими эллиптическую картину сканирования. В качестве достоинств метода можно отметить, что местность иногда сканируют с разных ракурсов, хотя наличие двух зеркал увеличивает сложность за счет наличия двух угловых метров.

Приложения

наука

На ранчо Скинуокеров LiDAR используется для обнаружения неизвестных энергий на ранчо, от НЛО до микроволнового фонового излучения И, конечно же, излучение вообще не влияет на защитные панели той же единицы расстояния.

Топография

В геодезии лазерное измерение расстояния для крупномасштабных картографических приложений произвело революцию в цифровом сборе данных о высоте местности. Этот метод является альтернативой другим источникам сбора данных, таким как цифровая модель местности (DTM). Его можно использовать в качестве источника данных для создания контуров и процессов генерации контуров для цифровых ортофотоснимков .

Лидарная система излучает импульсы света, которые отражаются от земли и других объектов определенной высоты. Фотоны отраженных импульсов преобразуются в электрические импульсы и интерпретируются высокоскоростным регистратором данных. Поскольку формула скорости света хорошо известна, можно легко рассчитать временные интервалы между излучением и приемом. Эти интервалы преобразуются в расстояние с помощью информации о местоположении, полученной от приемников GPS самолета /земли и от бортового инерциального измерительного блока (IMU), который постоянно регистрирует высоту полета самолета.

Лидарные системы записывают данные о положении (x, y) и высоте (z) через заданные интервалы времени. Полученные данные представляют собой очень плотную сеть точек, обычно с интервалом от 1 до 3 метров. Наиболее совершенные системы предоставляют данные не только по первому возвращению, но и по следующим, которые обеспечивают высоты как местности, так и ее растительности. Высота растительности может служить основой для анализа применения различных типов растительности или разделения по высоте.

Существенным преимуществом этой технологии перед другими является то, что данные можно получать в атмосферных условиях, недоступных для обычной аэрофотосъемки . Например, сбор данных может производиться с самолета, летящего ночью или в условиях ограниченной видимости, например, в туманную или облачную погоду.

Стандартные фотограмметрические продукты, полученные из лидарных данных, включают модели контуров и высот для ортофотопланов . Для получения точных контуров требуется постобработка исходных данных. Поскольку лидарные данные получаются на возвышенных объектах (например, зданиях), используются сложные алгоритмы для удаления точек относительно этих объектов. Из-за высокой плотности точек требуется очень мало линий разрыва , если они вообще есть, для точного представления местности. Несмотря на наличие лидарной системы и использование программного обеспечения для постобработки , процедуры проверки должны быть встроены в процесс, чтобы гарантировать, что окончательные контуры репрезентативны для местности. Конечный пользователь также должен учитывать, что контуры, полученные с помощью лидара, будут отличаться от контуров, составленных с использованием обычных фотограмметрических методов. Из-за плотности полученных точек контуры, полученные с помощью лидара, хотя и являются очень точными, имеют тенденцию иметь более неровный вид.

Постобработка и трехмерная проверка также рекомендуются при использовании лидарных данных для создания цифровых ортофотопланов . Хотя требования к вертикальной точности для создания ортофотопланов менее строгие, чем для построения контуров, данные следует проверять на наличие массовых ошибок. Точки на зданиях удалять не обязательно. Фактически, здания, смоделированные с помощью лидарных данных, будут скорректированы в их истинном положении (истинный ортофото), а радиальные искажения, вызванные наклоном зданий, будут устранены. На это улучшение в некоторой степени влияет тот факт, что края зданий могут выглядеть закругленными; это зависит от расположения точек относительно края здания.

При постобработке можно получить следующие данные:

• Извлечение на уровне земли
• удаление здания
• Вырубка деревьев и лесонасаждений
• Инструменты для очистки местности
• Создание трехмерных векторов
• Инструмент для квадратуры зданий
• инструмент редактирования
• обрезка изображений

Точность данных, полученных с помощью лидарной методики, зависит от:

• Частота пульса.
• Высота полета.
• Диаметр лазерного луча (зависит от системы)
• Качество данных GPS/IMU и процедуры постобработки.

Точность 1 метр в координатах положения и около 15 см в координате высоты может быть достигнута, если условия, в которых производятся измерения, оптимальны. Однако для любого крупномасштабного приложения, требующего высокой точности, полученные данные придется сравнивать с другими методами. Полученные точки (с их трехмерными координатами) обычно накладываются на цифровые изображения. Для этого используются цифровые фотограмметрические станции .

Форматы файлов

Большинство лидарных систем и приложений работают с одним и тем же форматом, форматом LAS , спецификация которого была разработана Американским обществом фотограмметрии и дистанционного зондирования (ASPRS) и которая стала стандартом де-факто для работы с данными.

LAS — общедоступный формат файлов, который позволяет обмениваться файлами, содержащими информацию о трехмерном облаке точек. Формат LAS представляет собой двоичный файл, который содержит всю информацию лидарной системы и сохраняет ее в соответствии с характером данных и системой захвата. ]

Определение скорости

Это технология, используемая полицейскими лазерными пушками для определения скорости транспортных средств, движущихся по дорогам. Отличается от радара тем, что вместо радиоволн используется импульсный лазерный световой луч в инфракрасном диапазоне с частотой импульсов 33 МГц и длиной волны 904 нм.

Преимущества лидара перед радаром несколько:

• Это намного быстрее. В нормальных условиях вы можете получить скорость автомобиля всего за 3 десятых секунды.
• Поскольку он излучает лазерный луч, луч не расходится так сильно и намного уже, чем луч радара, который распространяется и отражается от окружающей среды. Лазерный луч образует очень узкий конус. На расстоянии около 500 метров он имеет ширину примерно 2,5 метра в диаметре, с помощью которой орудие может быть наведено на конкретное транспортное средство и определить его скорость, даже если вокруг него циркулирует больше машин. Поэтому его можно использовать в условиях интенсивного движения, ориентируясь на выбранные транспортные средства. Кроме того, из-за такого способа работы и его быстродействия обнаружение с помощью детекторов, установленных в транспортных средствах, освещенных лучом, малоэффективно, так как к моменту, когда детектор предупредит о наличии лазера, будет слишком поздно, т.к. записал вашу скорость.
• Его легче обрабатывать, транспортировать и обслуживать.
• Это дешевле радара.
• Может работать, как и радар, ночью, в дождь, с мостов, на припаркованных автомобилях, в автоматическом или ручном режиме и т.д.
• Единственным ограничением лидарного лазера является то, что он всегда должен быть неподвижен. Радар можно использовать в движении, но лазерный лидар нельзя перемещать во время измерения.

Адаптивная оптика

PHASOR , используемый на оптическом полигоне Starfire для лидарных и лазерных экспериментов со звездами (создание виртуальной звезды) и настроенный на линию натрия D2 . Используется для возбуждения атомов натрия в верхних слоях атмосферы . PHASOR — это аббревиатура от «Источник оптического излучения с добавлением частоты» . В этой системе имеется два твердотельных лазера инфракрасной области одномодового и с частотой и длиной волны 1064 и 1319 мкм соответственно. Эти частоты суммируются в кристалле LBO внутри двойного резонатора.

Адаптивная оптика — это метод, который позволяет скорректировать наиболее важные искажения , которым подвергаются астрономические изображения из- за атмосферы Земли . С помощью этой системы можно получать более четкие изображения или, как объясняют астрономы, с лучшим пространственным разрешением. Разница, которую вводит эта техника, сравнима с разницей между взглядом на объект, расположенный на дне бассейна с водой или без воды.

О важности для астрономических исследований говорит тот факт, что все телескопы или обсерватории с телескопами больше 4 метров разработали или разрабатывают системы адаптивной оптики, подходящие для их нужд.

Возможности, которые адаптивная оптика предлагает астрономии, впечатляют. Удаление атмосферных возмущений по существу эквивалентно наблюдению из космоса.

Атмосферные возмущения вызывают потерю резкости или пространственного разрешения. Эта утрата выражается, с одной стороны, в снижении способности разрешать объекты, т. е. проводить детальное изучение их морфологии. С другой стороны, это также влияет на способность обнаруживать слабые объекты, поскольку изображение рассеивается в более крупных световых точках.

Улучшение, вносимое адаптивной оптикой, можно количественно оценить, используя отношение размера телескопа к размеру наилучшего изображения, которое он может получить. Обнаруживающая способность телескопа увеличивается с увеличением диаметра его главного зеркала и уменьшается с увеличением размера изображения точечного объекта, которое он формирует (отсюда важность качества изображения в телескопе). Таким образом, разница с одним и тем же 10-метровым зеркалом между возможностью сфокусировать изображение с угловым расстоянием 0,4 секунды (что возможно в ночь с отличной видимостью) и изображением с угловым расстоянием 0,04 секунды, которое должно быть возможно с адаптивной оптикой. система будет эквивалентна наличию главного зеркала на 100 метров. Следовательно, как мы сказали в начале, большинство важных обсерваторий и телескопов либо уже имеют собственную систему адаптивной оптики, либо работают над ней.

Адаптивная оптика — технология, позволяющая определить и исправить большую часть аберраций, с которыми приходит волновой фронт наблюдаемых объектов. Волновой фронт — это геометрическая огибающая всех световых лучей, вышедших из светящегося объекта одновременно. Когда источником света является точка, волновой фронт имеет сферическую форму; но если он достаточно далеко, как в случае со звездами, этот фронт практически плоский.

В системе адаптивной оптики волновой фронт, возмущенный атмосферой, сначала анализируется датчиком волнового фронта , определяющим его аберрации . Эта информация передается реконструктору фазы , который вычисляет поправки, которые необходимо внести, и деформации, которые должны быть приняты деформируемым зеркалом, чтобы компенсировать первоначальные аберрации волнового фронта.

При «ощущении» фронта волны цель состоит в том, чтобы измерить аберрации, вносимые столбом атмосферы, через который проходит свет, исходящий от астрономического объекта. Обычно исследуемые объекты очень слабы, поэтому измерение возмущений волнового фронта необходимо производить с близкой к интересующему объекту яркой звездой, чтобы свет от этой опорной звезды проходил примерно через тот же столб атмосферы, что и объект. Однако не всегда возможно найти звезды достаточно близко к интересующему астрономическому объекту и достаточно яркие, чтобы их можно было использовать для измерения волнового фронта.

Найденное решение этой проблемы состоит в создании искусственных звезд путем возбуждения лазерным лучом слоя натрия, существующего в верхних слоях атмосферы. Это требует использования мощных лазеров и является методом, который все еще находится в стадии разработки.

Управление лесами

При тушении пожаров наличие точной модели типа топлива, присутствующего в каждой точке на земле, имеет важное значение для возможности точного прогнозирования поведения пожара и, таким образом, для принятия решений о методах тушения, которые следует использовать, или об их использовании. необходимые ресурсы для тушения пожара. ]

Благодаря лидару можно создать точную карту моделей топлива на основе вертикальной информации, полученной в результате лидарных измерений. Кроме того, можно дополнительно повысить точность путем объединения данных, захваченных лидаром, с данными, полученными другими способами, такими как мультиспектральные изображения. ]

Принимая во внимание высотные значения, предоставляемые лидаром, и вертикальное распределение топлив, зафиксированное по относительному положению в разных интервалах высот групп измерений в пределах облака точек, можно определить как количество присутствующей биомассы, так и тип этого. ]

Геология и почвоведение

Появление лидарной технологии означало большой прогресс в изучении Земли. Благодаря полученным с помощью этой методики цифровым моделям рельефа высокого разрешения ее можно применять в различных областях геологии .

Возможность получения моделей топографических структур в деталях: русел рек, террас и др. способствовала и облегчила изучение физико-химических процессов земной поверхности; вмешательство атмосферных агентов, характеристика и генезис форм рельефа, процессы эрозии и выветривания...

Этот метод сумел завоевать лидирующие позиции в качестве основного инструмента для обнаружения, мониторинга и изучения неисправностей. Благодаря цифровым 3D-моделям он позволяет получить до и после движения плиты, имея возможность проводить точные измерения, что является ключом к пониманию того, как происходят эти природные явления.

Среди других геологических приложений стоит упомянуть мониторинг ледников (для оценки отступления ледников и его связи с изменениями в гидрологическом цикле), анализ изменения берегов, движения тектонических плит, извержений вулканов, оползней...

Механика горных пород

Лидар широко используется в механике горных пород для определения характеристик массива горных пород и обнаружения изменений уклонов. Вот некоторые из свойств массива горных пород, которые можно извлечь из трехмерных облаков точек, полученных с помощью LiDAR:

1. Ориентация разрывов ]
2. Расстояние между разрывами и RQD ]
3. Открытие разрывов
4. Сохранение разрывов ]
5. Шероховатость несплошностей ]
6. просачивание воды

Некоторые из этих свойств использовались при характеристике массивов горных пород с помощью RMR . Кроме того, поскольку ориентация разрывов может быть определена по данным LiDAR, с помощью SMR также можно получить геомеханическое качество склонов горных пород . Наконец, сравнение различных трехмерных облаков точек склона, полученных в разное время, позволяет исследователям изучать изменения, происходящие в сцене в течение исследуемого интервала времени из-за развития камнепадов или других гравитационных процессов.

Другие приложения

В физике атмосферы с помощью лидарных приборов можно измерять плотности некоторых составляющих атмосферы ( аэрозоли , облака , калий , натрий , молекулярный кислород и азот и т. д .). С помощью самых передовых технологий можно рассчитать профили температуры или измерить структуру ветра.

Поскольку автопроизводители и технологические игроки изо всех сил пытаются разработать автономные транспортные средства, лидар стал очень желанной технологией. Недостатком этих датчиков является их цена (они могут стоить десятки тысяч долларов ). Новые разработки направлены на то, чтобы датчик лидара располагался на чипе размером меньше рисового зерна. Эта разработка направлена ​​не на замену существующих датчиков, а на сосуществование с ними, поскольку в то время как лидарный датчик обеспечивает точность на больших расстояниях, твердотельный лидар предназначен для обнаружения на коротких расстояниях, фокусируясь на деталях, которые иногда остаются незамеченными. Недавние исследования показали, что использование лидара вместе с методами искусственного интеллекта может предложить решения проблем автономного вождения. ]

Дополнительная библиография

• Гил, Эмилио; Льоренс, Хорди; Ллоп, Хорди; Фабрегас, Ксавьер; Галларт, Монтсеррат (2013). « Использование наземного датчика LIDAR для обнаружения дрейфа при опрыскивании виноградников ». Датчики . 13 (1): 516–534. дои : 10.3390/s130100516. ISSN  1424-8220. PMC  3574688. PMID  23282583.
• Наследие, Э. (2011). 3D лазерное сканирование наследия. Советы и рекомендации пользователям по лазерному сканированию в археологии и архитектуре. Доступно на сайте www.english-heritage.org.uk. 3D лазерное сканирование для наследия | Историческая Англия
• Наследие, Г., и Лардж, А. (ред.). (2009). Лазерное сканирование для наук об окружающей среде. Джон Уайли и сыновья. ISBN  1-4051-5717-8
• Мальтамо, М., Нэссет, Э., и Ваухконен, Дж. (2014). Применение бортового лазерного сканирования в лесном хозяйстве: концепции и тематические исследования (том 27). Springer Science & Business Media. ISBN  94-017-8662-3
• Шан, Дж., и Тот, С. К. (ред.). (2008). Топографическая лазерная локация и сканирование: принципы и обработка. CRCpress. ISBN  1-4200-5142-3
• Воссельман Г. и Маас Х. Г. (ред.). (2010). Воздушное и наземное лазерное сканирование. Издательство Уиттлз. ISBN  1-4398-2798-2