LiDAR Remote Sensing: Princip, aplikace, volné zdroje a software

Vzduchové senzory LiDARmůže buď zachytit specifické body z laserového pulsu, známé jako měření diskrétního návratu, nebo zaznamenat celý signál při jeho návratu, nazývaný plný tvar vlny, v pevných intervalech, jako je 1 ns (což pokrývá asi 15 cm). LiDAR s plnou vlnou se většinou používá v lesnictví, zatímco LiDAR s diskrétním návratem má širší použití v různých oblastech. Tento článek pojednává především o diskrétním návratu LiDAR a jeho použití. V této kapitole probereme několik klíčových témat o LiDAR, včetně jeho základních součástí, jak funguje, jeho přesnosti, systémů a dostupných zdrojů.

Základní komponenty LiDAR

Pozemní systémy LiDAR obvykle používají lasery s vlnovými délkami mezi 500–600 nm, zatímco systémy LiDAR ve vzduchu používají lasery s delšími vlnovými délkami v rozmezí 1000–1600 nm. Standardní nastavení vzdušného LiDARu zahrnuje laserový skener, jednotku pro měření vzdálenosti (zaměřovací jednotku) a systémy pro ovládání, monitorování a záznam. Zahrnuje také diferenciální globální polohový systém (DGPS) a inerciální měřicí jednotku (IMU), často integrované do jediného systému známého jako polohový a orientační systém. Tento systém poskytuje přesné údaje o poloze (zeměpisná délka, zeměpisná šířka a nadmořská výška) a orientaci (náklon, sklon a kurz).

 Vzory, ve kterých laser skenuje oblast, se mohou lišit, včetně klikatých, paralelních 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 pak přiřazeny souřadnice (x, y, z) v geografickém souřadnicovém systému pomocí data Světového geodetického systému z roku 1984 (WGS84).

Jak LiDARDálkový průzkum Zeměfunguje? Vysvětlete jednoduchým způsobem

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

Laserové pulsy se odrážejí od cíle a vracejí se do senzoru LiDAR.

Senzor přesně měří dobu, kterou každý puls potřebuje k cestě k cíli a zpět.

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

V kombinaci s údaji o poloze a orientaci ze senzorů GPS a IMU jsou určeny přesné 3D souřadnice odrazů laseru.

Výsledkem je husté 3D mračno bodů představující skenovaný povrch nebo objekt.

Fyzikální princip LiDAR

Systémy LiDAR používají dva typy laserů: pulzní a spojitou vlnu. Pulzní systémy LiDAR fungují tak, že vysílají krátký světelný puls a poté měří dobu, kterou tento puls potřebuje k cestě k cíli a zpět k přijímači. Toto měření času zpáteční cesty pomáhá určit vzdálenost k cíli. Příklad je znázorněn na diagramu, kde jsou zobrazeny amplitudy jak vysílaného světelného signálu (AT), tak přijímaného světelného signálu (AR). Základní rovnice používaná 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.