Skip Navigation LinksForest Portál > Monitoring a výskum > LIDAR technológia

LIDAR technológia

LIDAR (Light Detection And Ranging, tiež aj LADAR) je skratka na označenie optickej technológie diaľkového prieskumu Zeme, ktorá využíva pulzné radarové lúče na meranie vzdialenosti medzi objektom a LIDARom umiestneným na palube lietadla. Jednoducho povedané LIDAR je letecký laserový skener.

 

Táto moderná, progresívna technológia je využívaná najmä na meranie a zaznamenávanie výškových údajov pre potreby topografického mapovania a 3D modelovania terénu resp. zemského povrchu. LIDAR postupne nachádza široké praktické využitie v mnohých vedných disciplínach, výskume a priemyselných odvetviach ako napr. diaľkový prieskum Zeme, geopriestorové technológie, seizmológia, výskum atmosféry, meteorológia, lesníctvo, archeológia, geológia, geografia, geomorfológia, banícky priemysel, budovanie infraštruktúry a pod.

 

 

 

Údaje získané z LIDARu je možné využiť v celej rade geopriestorových aplikácií:


  • návrh a výstavba infraštruktúry (cesty, železnice, letiská, a p.)
  • manažment líniových stavieb (produktovody, elektrické vedenia)
  • plánovanie na úrovni krajiny (3D modelovanie, mapovanie území náchylných na záplavy, vhodnosť pozemkov na výstavbu, a pod.)
  • analýzy povrchovej ťažby nerastných surovín
  • mapovanie prírodných rizík (povodne, zosuvy pôd, lavíny)
  • mapovanie a monitoring erózie
  • monitoring zmien v prírodnom prostredí

 

LIDAR využíva ultrafialové, viditeľné a blízko infračervené spektrum vlnových dĺžok svetla na vytváranie obrazu objektov. LIDAR je možné využiť pre celú škálu rôznych zisťovaní vrátane identifikácie predmetov rôznej povahy, hornín, zrážok (dážď a pod.), rôznych chemických zlúčenín, aerosolov a oblakov. Tento prístroj je schopný detekcie objektov/vecí až na úrovni jednotlivých molekúl. Laserový lúč umožňuje mapovanie fyzikálnych čŕt krajiny s vysokou rozlišovacou schopnosťou.

 


LiDARom vytvorený model Miller Hall, Queen’s University v Kanade

 

LIDAR systém pozostáva z niekoľkých významných komponentov:


  1. Laser s rozpätím vlnových dĺžok 600-1000nm
  2. Skener a prídavná optika
  3. Fotodetektor a elektronika prijímača
  4. Navigačné a polohové systémy - tieto slúžia na stanovenie absolútnej polohy a orientácie senzora v prípade LIDAR senzorov namontovaných na mobilných platformách (napr. v lietadlách a satelitoch). Na tento účel sa používajú GPS systémy a IMU jednotky.

 

LIDAR umožňuje priame meranie priestorových štruktúr (objektov) a terénu pod nimi. Podľa použitej metodiky zberu údajov môže byť výsledný súbor údajov veľmi rozsiahly a podrobný, napr. 5 bodov na meter. Takýto vysoký stupeň rozlíšenia umožňuje vysokú presnosť nameraných výškových údajov objektov a prvkov na a nad povrchom terénu. Schopnosť zachytiť výšky v takej vysokej rozlišovacej schopnosti ako to umožňuje LIDAR je hlavnou výhodou tejto technológie v porovnaní s tradičnými digitálnymi kamerami pri tvorbe presného výškového modelu terénu.

 


Extrakcia budovy s využitím leteckej snímky a LiDARových dát
a/ letecká snímka
b/ surová bodová LiDAR triangulácia
c/ konečný model budovy

 

LIDAR dáta je možné získať z prístrojov umiestnených na satelitoch, lietadlách, pozemných vozidlách, na statívoch resp. plošinách umiestnených mimo pobrežia. Letecké LIDARy sa využívajú na modelovanie reliéfu pre inžinierske stavby, krízový manažment prírodných katastrôf a iné vizualizácie. Stacionárne LIDARy sa využívajú na detailné mapovanie infraštruktúry v konkrétnych lokalitách (napr. chemické prevádzky a pod.).

 

Princíp

 

LIDAR je založený na veľmi jednoduchom princípe merania času, ktorý prejde medzi vyslaním svetelného lúča zo zdroja k určitému objektu a jeho návratom naspäť do zdroja. Keď zasvietite baterkou na nejaký povrch vidíte vlastne svetlo odrazené od povrchu vracajúce sa do sietnice Vášho oka. Svetlo cestuje rýchlosťou približne 300 000 km za sekundu takže zapálenie svetla sa nám javí ako okamžitý jav.

 

Výpočet rýchlosti návratu svetelného fotónu po odraze od objektu do zdroja je veľmi jednoduchý: Vzdialenosť = (Rýchlosť svetla x čas letu) / 2

 

LIDAR vysiela rýchle impulzy laserového svetla k povrchu objektov, niektoré až s frekvenciou 150 000 impulzov za sekundu. Senzor zariadenia zaznamenáva čas návratu každého impulzu. Svetlo sa pohybuje konštantnou známou rýchlosťou čo umožňuje LIDARu kalkulovať vzdialenosť medzi prístrojom samým a cieľovým objektom s vysokou mierou presnosti. Opakovanou kalkuláciou v rýchlom časovom slede prístroj postupne vytvára komplexnú mapu meraného povrchu. Za účelom dosiahnutia požadovanej presnosti je potrebné údaje z LIDARu doplniť údajmi z iných zdrojov. So zmenou výšky letu sa mení aj výška senzora a údaje o jeho polohe a orientácii sú preto nevyhnutným predpokladom na stanovenie okamžitej pozície pulzujúceho laserového lúča v okamihu jeho vyslania a návratu do zdroja. Údaje o pozícii senzora sú veľmi dôležité pre celkovú integritu zisťovaných dát.

 


Získavanie dát leteckým LiDARom - Červené body reprezentujú LiDARové body na povrchu terénu tvorené v určitom časovom intervale v tzv. vlnovom skenovacom cykle

 

Väčšina súčasných LIDAR systémov využíva 4 hlavné komponenty:


  1. Laser

    Lasery sa delia do kategórií podľa ich vlnovej dĺžky. Lasery s vlnovou dĺžkou 600-1000nm resp. 1550nm sú určené najmä na nevedecké účely s nižšou požadovanou mierou presnosti údajov.

    Letecké LIDAR systémy používajú 1064nm diódou poháňané YAG lasery. Batysférické systémy využívajú 532nm dvoj diódové YAG lasery, ktoré majú schopnosť preniknúť vodou s menším zoslabením svetelného lúča ako letecké 1064nm LIDARy. Vyššie rozlíšenie je možné dosiahnuť s kratšími impulzmi ak detektor prijímača a elektronický systém majú dostatočnú šírku pásma schopnú spracovať zvýšený tok údajov.

  2. Skenery a optika

    Rýchlosť získania obrazu závisí od rýchlosti naskenovania snímky do systému. Druh optiky určuje rozlíšenie a rozpätie detekované systémom.

  3. Fotodetektor a elektronika prijímača

    Fotodetektor je zariadenie na čítanie a zaznamenávanie signálu navracajúceho sa do systému. V súčasnosti sa používajú 2 hlavné typy fotodetektorov a síce polovodičové detektory ako napr. kremíkové lavínové fotodiódy a fotónky.

  4. Navigačné a polohovacie systémy

    Ak je LIDAR senzor umiestnený na mobilnej platforme ako sú satelity, lietadlá resp. automobily pre použiteľnosť získaných údajov je nevyhnutné určiť absolútnu polohu a orientáciu senzora v každom časovom úseku zberu údajov. Na tento účel slúžia GPS systémy, ktoré poskytujú presné geografické údaje o polohe senzora a inerciálne meracie jednotky (IMU), ktoré zaznamenávajú presnú orientáciu senzora v danom mieste. Tieto 2 zariadenia umožňujú transformáciu údajov zo senzora do statických bodov využiteľných v celej rade rôznych systémov.


3D pohľad farebného digitálneho modelu reliéfu z plného mračna bodov LiDARu - univerzitný areál v Boulderi, Colorado, USA

 

www.LIDARbasemaps.org
LiDAR a možnosti jeho využitia 

​​​