Dálkový průzkum Země LiDAR: Princip, aplikace, bezplatné zdroje a software

Vzdušné LiDAR senzoryMůže buď zachytit specifické body z laserového pulzu, což je známé jako měření diskrétního návratu, nebo zaznamenat kompletní signál při jeho návratu, což se nazývá měření s plným průběhem vlny, v pevných intervalech, například 1 ns (což pokrývá přibližně 15 cm). LiDAR s plným průběhem vlny se používá především v lesnictví, zatímco LiDAR s diskrétním návratem má širší uplatnění v různých oblastech. Tento článek se primárně zabývá LiDARem s diskrétním návratem a jeho použitím. V této kapitole se budeme zabývat několika klíčovými tématy o LiDARu, včetně jeho základních komponent, fungování, přesnosti, systémů a dostupných zdrojů.

Základní komponenty LiDARu

Pozemní systémy LiDAR obvykle používají lasery s vlnovými délkami mezi 500–600 nm, zatímco palubní systémy LiDAR používají lasery s delšími vlnovými délkami, v rozmezí 1000–1600 nm. Standardní palubní sestava LiDAR zahrnuje laserový skener, jednotku pro měření vzdálenosti (měřicí jednotku) a systémy pro řízení, monitorování a záznam. Zahrnuje také diferenciální globální poziční systém (DGPS) a inerciální měřicí jednotku (IMU), často integrované do jednoho systému známého jako systém pro určování polohy a orientace. Tento systém poskytuje přesná data o poloze (zeměpisná délka, šířka a nadmořská výška) a orientaci (náklon, stoupání a směr).

 Vzory, kterými laser skenuje oblast, se mohou lišit, včetně klikatých, rovnoběžných nebo eliptických drah. Kombinace dat DGPS a IMU spolu s kalibračními daty a montážními parametry umožňuje systému přesně zpracovat shromážděné laserové body. Těmto bodům jsou poté přiřazeny souřadnice (x, y, z) v geografickém souřadnicovém systému s využitím vztažné soustavy WGS84 (World Geodetic System of 1984).

Jak LiDARDálkový průzkum ZeměDílaVysvětlete to jednoduchým způsobem

Systém LiDAR vysílá rychlé laserové pulzy směrem k cílovému objektu nebo povrchu.

Laserové pulzy se odrážejí od cíle a vracejí se k LiDAR senzoru.

Senzor přesně měří čas, který každý impuls potřebuje k dosažení cíle a zpět.

Pomocí rychlosti světla a doby letu se vypočítá vzdálenost k cíli.

V kombinaci s daty o poloze a orientaci ze senzorů GPS a IMU se určí přesné 3D souřadnice laserových odrazů.

Výsledkem je hustý 3D mračno bodů reprezentující skenovaný povrch nebo objekt.

Fyzikální princip LiDARu

Systémy LiDAR používají dva typy laserů: pulzní a kontinuální. Pulzní systémy LiDAR fungují tak, že vyšlou krátký světelný puls a poté změří čas, který tento puls potřebuje k cestě k cíli a zpět k přijímači. Toto měření doby cesty pomáhá určit vzdálenost k cíli. Příklad je znázorněn na diagramu, kde jsou zobrazeny amplitudy jak vyslaného světelného signálu (AT), tak přijatého světelného signálu (AR). Základní rovnice použitá v tomto systému zahrnuje rychlost světla (c) a vzdálenost k cíli (R), což umožňuje systému vypočítat vzdálenost na základě toho, jak dlouho trvá, než se světlo vrátí zpět.