LiDAR 101: Pytania i odpowiedzi z ekspertem Eagleview

Być może słyszałeś o LiDAR, ale ile tak naprawdę o nim wiesz? Poprosiliśmy naszego kierownika ds. LiDAR i geodezji, Roberta Stevensona, o krótki kurs tej wszechstronnej technologii.

Po pierwsze: czym jest LiDAR?

LiDAR, co jest skrótem od Liświatło Dwykrywanie ai Rjest rodzaj technologii która wykorzystuje światło laserowe w zakresie bliskiej podczerwieni do pomiaru odległości między czujnikiem a innym obiektem. Technologia ta umożliwia tworzenie map i trójwymiarowych modeli przy użyciu bardzo dokładnych i gęstych zestawów danych. LiDAR mierzy różnicę czasu między emisją a odbiciem impulsu laserowego w celu określenia odległości obiektu od czujnika LiDAR. Impulsy laserowe mają skończoną średnicę wynoszącą około 10 centymetrów lub więcej. Część impulsu laserowego może napotkać obiekt i odbić się od niego. Pozostała część impulsu będzie podróżować, dopóki nie znajdzie innego obiektu. Innymi słowy, jeden impuls laserowy może mieć wiele powrotów do czujnika. Na przykład, pierwszy powrót może pochodzić z wierzchołka drzewa, dwa kolejne mogą pochodzić z niższych punktów na drzewie, a czwarty i ostatni powrót zmierzy odległość między ziemią a czujnikiem. Próbkowanie impulsów laserowych może wykorzystywać tylko najbardziej znaczący zwrot, pierwszy i ostatni znaczący zwrot lub dowolną inną liczbę zwrotów w zależności od różnych specyfikacji. Punkty zmierzone za pomocą tych impulsów generują chmurę punktów, która wyświetla nieprzetworzone dane. Chmura punktów jest przetwarzana i przekształcana w użyteczne dane poprzez analizę czynników takich jak pozycja GPS oraz zakres czasowy i kąt skanowania lasera. Należy zauważyć, że LiDAR nie jest samą chmurą punktów, ale technologią, która ją tworzy. Chmury punktów i dane LAS reprezentują bezpośrednie dane wyjściowe z LiDAR. Produkty takie jak Hillshade, Breaklines i Contours, a także cyfrowe modele wysokościowe, są generowane później. W przypadku map konturowych utworzonych przy użyciu LiDAR, odstępy między punktami w surowych danych pomagają określić odstępy między konturami, które są mierzone w stopach. Kontury oddalone od siebie o jedną stopę, na przykład, dadzą mapę bardziej szczegółową niż te oddalone od siebie o dwie lub więcej stóp. Dwa podstawowe typy zastosowań LiDAR obejmują LiDAR lotniczy, w którym skaner laserowy jest przymocowany do samolotu lub drona, oraz LiDAR naziemny, który zbiera dane na ziemi. Lotniczy LiDAR może tworzyć szczegółowe mapy terenu, które zawierają dane o wysokości i cechach geograficznych obszaru. LiDAR naziemny jest powszechnie stosowany w pojazdach bezzałogowych i jest integralną częścią obrazów map ulicznych i trójwymiarowe mapy wnętrz.

Jakie są powszechne błędne przekonania na temat LiDAR?

Jednym z powszechnych nieporozumień jest to, że LiDAR wykorzystuje radar, ale w rzeczywistości wykorzystuje światło. Ponieważ LiDAR wykorzystuje światło, cel musi być widoczny, więc nie jest to rozwiązanie na każdą pogodę. Nie będzie działać dobrze we mgle lub innych warunkach pogodowych, które wpływają na widoczność, ale jeśli warunki są jasne, może działać zarówno w dzień, jak iw nocy. LiDAR może wykrywać ziemię wokół drzew i innej roślinności, a także przenikać przez liście i roślinność o niższej gęstości. LiDAR nie może jednak przenikać przez twarde powierzchnie, takie jak budynki, drogi i konary drzew. LiDAR to nie to samo co fotografia, ale użytkownicy mogą integrować zbiory danych LiDAR z platformami GIS. Tworzenie map topograficznych z danymi LiDAR pomaga użytkownikom klasyfikować takie elementy jak drogi, drogi wodne, roślinność, linie energetyczne i inne. Ponieważ LiDAR nie jest formą fotografii, surowe dane nie są mierzone w pikselach. Zamiast tego odstępy między punktami lub gęstość punktów mierzy odległość między pomiarami. Im większa gęstość punktów, tym więcej informacji jest dostępnych na danym terenie lub innej powierzchni.

Jak korzystać z LiDAR?

Lotnicze systemy LiDAR - których używamy w naszych samolotach - dostarczają informacji o terenie do wielu zastosowań, w tym:

• Mapowanie terenu
• Modelowanie powodzi
• Planowanie transportu
• Ocena wybrzeża
• Analiza roślinności/pokrycia terenu
• Gospodarka leśna
• Reakcja na sytuacje awaryjne
• Kartografia

Mapy terenu dostarczają użytkownikom informacji na temat powierzchni i wysokości; pomaga to przekształcić dwuwymiarowy obraz w coś w rodzaju trójwymiarowego modelu. Dane LiDAR pomagają agencjom określać strefy zalewowe i oceniać linie brzegowe oraz inne obszary pod kątem erozji. Ponieważ LiDAR może mierzyć wokół drzew i roślinności, może wykonywać analizy przestrzenne w celu określenia wysokości drzew i pokrycia koron drzew. Dane LiDAR mogą również dostarczać podobnych informacji o budynkach, nawet w zatłoczonych przestrzeniach miejskich. Dane LiDAR przyczyniają się do powstania trzech różnych typów modeli: cyfrowych modeli wysokości (DEM), cyfrowych modeli terenu (DTM) i cyfrowych modeli powierzchni (DSM):

• DEM wyświetlają wartości wysokości gołej ziemi w równomiernie rozmieszczonych odstępach; mają tendencję do pokazywania tylko informacji o lądzie i zbiornikach wodnych - a nie o liściach, strukturach lub innych cechach innych niż ziemia.
• W niektórych krajach DTM są synonimem DEM. Jednak w Stanach Zjednoczonych i niektórych innych krajach DTM obejmuje dodanie linii przerwania w celu skorygowania artefaktów spowodowanych przez mosty, wodę i inne elementy. Punkty DTM są równomiernie rozmieszczone i reprezentują liniowe cechy terenu gołej ziemi.
• Wreszcie, DSM dostarczają informacji o terenie, a także innych cechach, w tym drzewach, budynkach i innych obiektach. Pokazują one pierwsze dane zwrotne, więc reprezentują wierzchołki struktur, drzew i innych obiektów wykrytych przez czujnik. Podłoże może być reprezentowane w DSM tylko wtedy, gdy nie pokrywa go żaden inny obiekt.

LiDAR ma więcej niż tylko zastosowania środowiskowe. Firmy użyteczności publicznej mogą potrzebować danych LiDAR, aby zrozumieć pokrycie drzewami w pobliżu linii energetycznych, więc mogą spojrzeć na DSM, aby zobaczyć, gdzie wkracza roślinność. Jednostki reagowania kryzysowego mogą go używać do dokładnego pomiaru odległości do sytuacji awaryjnych, zwłaszcza w odległych obszarach. LiDAR jest również integralną częścią kartografii, ponieważ pomaga poprawić dokładność mapowania, a urbaniści mogą go wykorzystać do określenia, w jaki sposób nowe inwestycje mogą wpływać na widok w krajobrazie miasta. Ponieważ dane LiDAR mogą przyczynić się do trójwymiarowej reprezentacji obiektów, mogą również pomóc w tworzeniu precyzyjnych modeli wnętrz budynków. Menedżerowie obiektów i właściciele szkół, obiektów rządowych, budynków biurowych i innych dużych struktur mogą skorzystać z mapowania wnętrz, ponieważ oferuje ono więcej szczegółów niż plany.

Które inne branże i agencje korzystają z danych LiDAR?

Agencje rządowe, które wykorzystują LiDAR do mapowania to m.in. Służba Geologiczna Stanów Zjednoczonych (USGS) oraz Federalna Agencja Zarządzania Kryzysowego (FEMA). Obie te organizacje mają własne standardy gromadzenia danych LiDAR. W szczególności FEMA wykorzystuje LiDAR i inne technologie do mapowania terenu. strefy zalewowe w całym kraju. Wiele dyscyplin naukowych i badawczych polega na LiDAR, który dostarcza im danych o terenie i innych obiektach. Geolodzy, meteorolodzy, astronomowie, archeolodzy i badacze rolnictwa wykorzystują LiDAR w takiej czy innej formie. Nawet alternatywne branże energetyczne, takie jak energetyka wiatrowa i słoneczna, wykorzystują LiDAR. W przypadku energii wiatrowej LiDAR może mierzyć prędkość wiatru i turbulencje, a w przypadku energii słonecznej może określać odpowiednie dachy dla systemów fotowoltaicznych i mierzyć utratę cienia. Innym zastosowaniem LiDAR jest robotyka. Większość konsumentów zna zastosowanie LiDAR (nawet jeśli nie znają go z nazwy), jeśli widzieli autonomiczne lub "samojezdne" pojazdy. W rzeczywistości mogą oni nawet posiadać samochód z funkcjami takimi jak asystent parkowania równoległego lub adaptacyjny tempomat - oba z nich opierają się na LiDAR, a także innych formach technologii wykrywania. Technologia LiDAR pomogła nawet w stworzeniu wizualizacji do teledysku! Teledysk Radiohead "House of Cards" z 2008 roku przeplatał ujęcia wokalisty Thoma Yorke'a z ujęciami obszarów podmiejskich i miejskich dzięki połączeniu LiDAR-u i skanowania światłem strukturalnym. Zbiory danych LiDAR firmy Eagleview są odpowiednie dla wszystkich projektów, które wymagają bardzo dokładnego mapowania terenu o dużej gęstości. Działy systemów informacji geograficznej (GIS), branże infrastrukturalne i agencje rządowe mogą otrzymywać te dane w wielu formatach i integrować je z Esri i innymi platformami GIS.