تکنولوژی لیدار یا لایدار LIDAR چیست و چه کاربردی در نقشه برداری دارد؟

با پیشرفت های گسترده اخیر در زمینه سنجش از دور هوایی، استفاده از پهپاد در زمینه های مختلف نقشه برداری و همچنین تراکم و سرعت بالای این سیستم نسبت به روش های برداشت زمینی نیاز است که همواره اطلاعات خود را در این زمینه افزایش داده و با استفاده از این تکنولوژی ها پروژه های مختلف را با بهره گیری از پهپاد با دقت، سرعت و تراکم بیشتری انجام دهیم.

نقشه برداری به وسیله پهپاد را اکثرا با اخذ تصاویر به وسیله دوربین فتوگرامتری نصب شده بر روی پهپاد میشناسیم، این در حالی است که اخیرا با ادغام تکنولوژی لیدار یا لایدار (LIDAR) و پهپاد نیز می توان در زمینه های مختلف نقشه برداری خروجی های ارزشمند برای مقاصد مختلف بدست آورد.

از آنجا که از هر دو کلمه لایدار و لیدار برای LIDAR استفاده می شود، در این مقاله از هر دو کلمه استفاده کرده ایم.

با روی کار آمدن این تکنولوژی تصورات اشتباهی در مورد برداشت به وسیله دوربین فتوگرامتری و لایدار به وجود آمده است. در حالی که این دو تکنولوژی با داشتن شباهت زیاد به یکدیگر ولی ساز و کار مختلف داشته و همچنین خروجی های متفاوت تولید می کنند و هر کدام با در نظر گرفتن شرایط محیطی، نوع استفاده و میزان بودجه در پروژه های مختلف مورد استفاده قرار می گیرند.

با آگاهی از موارد گفته شده و شناخت هر دو سیستم می توان برای انجام پروژه های مختلف بهترین روش را برگزید.

لایدار چیست؟

LIDAR  یا همان Light Detection and Ranging به معنی شناسایی و تعیین مسافت با استفاده از نور است که یکی از روش های سنجش از دور اپتیکی یا نوری بوده که یک تکنولوژی نسبتا جدید به حساب می آید. این تکنولوژی برای به کارگیری در انواع زمینه ها به خصوص در زمینه های مختلف نقشه برداری به سرعت در حال پیشرفت و گسترش است.

در این روش با استفاده از اشعه نوری منتشر شده برای اندازه گیری و تعیین ویژگی های خاص عوارض دور و در سطح زمین استفاده می شود و همچنین پارامتر های موقعیت عوارض نیز با دقت بسیار بالایی تعیین می گردند و توانایی ارسال و دریافت 20000 تا 150000 پالس در ثانیه را دارد.

برخی از کاربرد های سیستم لیزر اسکن سه بعدی :

1. فاصله یابی فضایی
2. مدلسازی سه بعدی محیط های شهری و غیر شهری
3. کاربرد های اتمسفری
4. مدیریت و جنگلداری
5. مدلسازی سیل
6. نقشه برداری و کارتوگرافی
7. مدیریت خط ساحلی
8. اکتشاف منابع انرژی مانند نفت و گاز
9. اکتشاف و بررسی معادن و مواد معدنی
10. باستان شناسی
11. معماری
12. راه آهن و جاده
13. مشخص کردن نقاط کناری برج ها
14. تعیین انحنای کابل های انتقال نیرو
15. تعیین فاصله بین گیاهان و خطوط انتقال نیرو
16. ……

لایدار چگونه کار می کند؟

تکنولوژی سیستم LIDAR تقریبا همانند لیزر کار می کند و داده های آن به سه طریق زمینی، هوایی و فضایی قابل برداشت و جمع آوری می باشد.

این سیستم همانطور که گفته شد یک سیستم نوری بوده به این منظور که برای برداشت یک دسته اشعه نوری را به بیرون می فرستند و با دریافت آنها و پردازش و تحلیل های مربوطه که در ادامه به آن می پردازیم فاصله اندازه گیری می شود.

این سیستم از چهار قسمت زیر تشکیل شده است:

• اشعه
• GPS
• IMU
• سیستم کامپیوتری

قسمت اول اشعه می باشد که در این سیستم از اشعه نورمرئی سیز (532 نانو متر) و اشعه مادون قرمز نزدیک (1064 نانو متر) که در طیف امواج الکترو مغناطیس هستند استفاده می شود.

این طیف از امواج به دلیل بازتاب بسیار خوب آنها از سطح پوشش های گیاهی مورد استفاده قرار می گیرد.

قسمت دوم سامانه تعیین موقعیت یا GPS می باشد که بهتر است از یک GPS بسیار دقیق برای انجام برداشت در پرنده استفاده شود.

با استفاده از این سامانه می توان موقعیت دقیق پرنده را در لحظه ارسال پالس با دقت بسیار بالا به دست آورد و به همین ترتیب موقعیت دقیق پالس در زمان ارسال از سطح عارضه نیز بدست می آید. عملیات و روند موقعیت یابی می تواند به دو روش RTK یا PPK انجام گیرد.

قسمت سوم، سنسور دقیقی است که پارامتر های دورانی پرنده یا IMU (Inertial Measurment Unit) را در سه جهت اصلی (yaw, pitch, roll) در لحظه برداشت با دقت اندازه گیری می کند. این مقادیر در دقت ارتفاع محاسبه شده بسیار موثر می باشند.

اخرین قسمت سامانه برداشت با LIDAR قسمت ذخیره سازی می باشد.

داده های برداشت شده به صورت آنی در یک سیستم کامپیوتری یا یک فضای ذخیره سازی باید جمع آوری و ذخیره شوند تا در مراحل بعدی به منظور مقاصد مختلف مورد تحلیل و بررسی قرار گیرند.

اساس کار اندازه گیری در این سیستم پالس ها هستند که به سمت زمین فرستاده شده و پس از بازتاب توسط سنسور دریافت می شوند و یک ساعت دقیق نیز دائما این زمان رفت و برگشت را اندازه گیری می کند.

با داشتن سرعت اشعه می توان فاصله پرنده را تا سطح عارضه مورد نظر (که پالس از آن بازتاب شده) به صورت زیر محاسبه نمود:

فاصله پرنده تا عارضه = 2/ (سرعت نور * زمان رفت و برگشت)

سپس با داشتن مقدار ارتفاع بدست آمده از داده های GPS و فاصله محاسبه شده از رابطه بالا و کم کردن این دو مقدار از یکدیگر، ارتفاع سطح زمین بدست می آیند.

باید دقت داشت که اشعه های ارسالی با یک زاویه ای از پرنده به سطح زمین فرستاده می شوند (که توسط ژیروسکوپ داخل پرنده با دقت بسیار بالا اندازه گیری می شوند) که این زوایا همراه با مقادیر IMU بدست آمده حتما می بایست برای انجام محاسبات مربوطه در نظر گرفته شود تا بتوانیم یک فاصله یابی دقیق داشته باشیم.

با توجه به کارکرد دستگاه پالس فرستاده شده با اولین جسمی که برخورد می کند بازتاب می شود. برهمین اساس می توان نتیجه گرفت اخرین پالسی که به دستگاه می رسد از سطح زمین ارسال شده است.

بر این اساس برای بدست آوردن مدل رقومی ارتفاعی زمین پالس هایی که در اخرین مرحله توسط دستگاه دریافت می شوند فیلتر شده و با انجام درونیابی مدل رقومی سطح زمین برای کل منطقه مورد نظر به دست می آید.

برای بدست آوردن عوارض روی سطح زمین مانند درختان و ساختمان ها، کل مقادیر دریافتی را از اخرین اشعه های دریافتی کسر کرده تا عوارض سطح زمین به دست آیند به عبارت دیگر با این کار سطح زمین را از کل داده های برداشتی کسر می کنیم تا هر آنچه روی سطح زمین می باشد را مشاهده کنیم.

خروجی­ های تکنولوژی لیدار

محصول اصلی تکنولوژی لیدار ابرنقطه سه بعدی متراکم است که تراکم نقاط به ویژگی ها سنجنده مانند نرخ تکرار، فرکانس اشعه اسکنر، پارامتر های پرنده و IMU بستگی دارد و بیشترین وابستگی را به ارتفاع پرواز و سرعت هواپیما دارد.

خروجی این تکنولوژی یک ابر نقاط تک رنگ است که می توان با استفاده از DOM (Digital Ortho Model) یا تصاویر ارتو اخذ شده توسط یک دوربین فتوگرامتری به هر یک از نقاط یک کد رنگی اختصاص داد که این باعث تولید یک مدل سه بعدی رنگی در انتها می شود و در نرم افزارهای مربوطه می توان با مش بندی بین نقاط، برای هر منطقه بافت مخصوص به آن را تولید کرد.

در سنجش از دور هوایی به این تکنولوژی اصطلاحا فعال می گویند بدین معنا که LIDAR می تواند از بین شاخ و برگ درختان عبور کرده و به سطح زمین برخورد کند و مدل رقومی سطح زمین را بدست آورد.

این تکنولوژی برای برداشت خطوط بسیار باریک نظیر خطوط انتقال نیرو (برق و …) بسیار کارآمد می باشد و همچنین قابلیت برداشت در شب را نیز دارد.

به طور معمول تراکم نقاط کمتر از 1 متر با دقت تقریبی 15 سانتی متر در راستای عمودی و 40 سانتی متر در راستای افقی میباشد.

بررسی دوربین های لیدار و فتوگرامتری

با توجه به توضیحات و مزیت های گفته شده در مورد لیدار اکنون به بررسی این تکنولوژی و بیان شباهت و تفاوت های آن با فتوگرامتری هوایی می پردازیم.

لایدار همیشه راه حل ارجح نیست، زیرا فتوگرامتری قطعاً جایگاه خود را دارد و معمولاً راه اندازی آن بسیار ارزان تر از یک سیستم لیدار است.

با این حال، وقتی به دنبال نقشه برداری هوایی سریع و کارآمد هستید، LIDAR واقعاً خودش را نشان می دهد، به ویژه در مناطقی که زاویه دید به دلایل مختلفی (از جمله دلیل نور کم، پوشش گیاهی زیاد، ابری بودن هوا و یا هر عامل دیگری که مانع تصویربرداری با دوربین فتوگرامتری شود.) محدود است.

علاوه بر این، در فتوگرامتری با پردازش تصاویری که همپوشانی دارند یک ابر نقطه سه بعدی به دست می آوریم، اما در لیدار داده ها به صورت ابر نقطه متراکم برداشت می شوند، که سپس می‌تواند برای ایجاد مدل‌های دیجیتال دقیق ارتفاع و یا زمین (DEMs/DTMs) استفاده شود.

در بسیاری از موارد، لیدار همچنین می‌تواند راه‌حل دقیق‌تری را برای اندازه گیری جزئیات عوارض و اشیاء با ابعاد کوچک یا باریک، مانند خطوط برق یا خطوط لوله ارائه دهد.

در مورد دقت نسبی و مطلق، فتوگرامتری میتواند در محاسبه دقت مزیت داشته باشد، اما در بسیاری از شرایط، راه حل مجهز به لیدار می تواند منبع ارزشمندی باشد.

فتوگرامتری استاندارد از تصاویر RGB بصری برای بررسی یک مکان استفاده می کند، در حالی که LIDAR یک تصویر را با استفاده از هزاران نقطه یا اصطلاحا ابر نقاط متراکم و در اصل به صورت تک رنگ ایجاد می کند.

در جدول زیر نیز برخی دیگر از موارد موجود برای انجام یک پروژه در دو تکنولوژی لایدار و فتوگرامتری بررسی و مقایسه شده اند:

لیدار برای نقشه برداری

برای عملیات نقشه برداری هوایی با تکنولوژی لیدار ، دوربین لیدار (با توجه به مشخصات آن مثل وزن و غیره) بر روی پهپاد نصب می شود و حتما باید مجهز به یک سیستم تعیین موقعیت دقیق و یک سنسور IMU باشد. مانند دوربین Zenmuse L1 از کمپانی Dji.

همچنین بسته به نوع کار و پروژه ای که انجام می دهید نیاز به یک سیستم رایانه ای بسیار قوی دارید که حجم زیادی از ابر نقاط را پردازش کند.

با این حال، یک نکته مثبت تکنولوژی LIDAR این است که نیازی به نقاط کنترل زمینی ندارد (فقط برای اعتبار سنجی جهت اطمینان از صحت روند برداشتی نیاز به یک یا دو نقطه کنترل به صورت دلخواه می باشد) . همچنین در سیستم لایدار داده ها به همپوشانی کمتری (20الی 30 درصد) نسبت به فتوگرامتری نیاز دارند.

بنابراین برای انجام یک پروژه و قبل از عملیات برداشت باید با توجه به ویژگی ها و مزیت های هرکدام از دوسیستم یکی از دو روش لایدار یا تصویربرداری را انتخاب کرد تا بهترین صرفه جویی را در وقت و هزینه های موجود داشته و به بهترین دقت مورد نظر برسیم.

در این مقاله با تکنولوژی لیدار که یک تکنولوژی جدید محسوب می شود و نحوه کارکرد آن به طور کامل آشنا شدید. همچنین شباهت ها و تفاوت های این تکنولوژی با فتوگرامتری هوایی مورد بررسی قرار گرفت.

تیم آکادمی مان با برخورداری از تکنولوژی جدید لیزر اسکنر زمینی FARO توانایی برداشت و مدلسازی سه بعدی از بناهای تاریخی، کارخانجات و فضاهای صنعتی، دکل های نفت و گاز، محوطه های شهری و غیر شهری را دارار می باشد. برای کسب اطلاعات بیشتر با ما در ارتباط باشید.