>, مقالات آموزشی, نقشه برداری>راهنمای کامل برای آشنایی با لیدار ( LiDAR )، سیستم شناسایی و ردیابی نور

راهنمای کامل برای آشنایی با لیدار ( LiDAR )، سیستم شناسایی و ردیابی نور

نویسنده : |۱۳۹۶-۸-۸ ۱۸:۰۴:۲۲ +۰۰:۰۰ ۸م آبان, ۱۳۹۶|سنجش از دور (RS), مقالات آموزشی, نقشه برداری|1 ديدگاه

تشخیص و ردیابی نور، لیدار ( Lidar ) چیست؟

   سیستم لیدار یا Lidar را می‌توان به عنوان یک تکنولوژی برای اندازه‌گیری فاصله معرفی کرد. این سیستم که می‌تواند با بکارگیری هواپیما و یا با استفاده از هلیکوپتر مورد استفاده قرار گیرد؛ به طور کلی برای اندازه‌گیری فاصله، به صورت فعال انرژی نورانی را به زمین ارسال می‌کند. این پالس ارسال شده با زمین برخورده کرده و به سمت حسگرهای موجود در دستگاه باز می‌گردد.

در واقع این سیستم برای محاسبه مسافت‌های موجود، مدت زمانی که طول می‌کشد تا نور ارسال شده به سمت زمین، به حسگرهای دستگاه بازگردد را اندازه‌گیری کرده و در انتها یک فاصله متغیر تا زمین را به ما می‌دهد. در حقیقت این روند اندازه‌گیری برای فاصله که توسط سیستم Lidar مورد استفاده قرار می‌گیرد باعث ایجاد نام این سیستم شده است: “شناسایی و اندازه‌گیری به وسیله نور”

lidar ، تشخیص و ارزیابی نور

lidar ، تشخیص و ارزیابی نور

   حال سعی می‌کنیم که این سیستم را به صورت جزئی‌تر بررسی کنیم. به عنوان مثال به بررسی این نکته بپردازیم که یک سیستم لیدار جدا از در نظر گرفتن هدفش که اندازه‌گیری فاصله است، دقیقاً چه چیز برای ما تولید می‌کند؟ و یا اینکه این سیستم چه کاربردهایی می‌تواند برای GIS داشته باشد.

در ادامه با هم به شناسایی خصوصیات این سیستم می‌پردازیم. به طور قطع شما بعد از مطالعه این بخش به تمامی ویژگی‌ها و کاربردهای Lidar پی خواهید برد.

چه نوع خروجی‌ای توسط سیستم Lidar تولید می‌شود؟

   لیدار یک سیستم سنجش از دور فعال است. این نکته بدین معنی می‌باشد که سیستم Lidar پالس‌های نور را به سمت زمین ارسال نموده و سپس منتظر می‌ماند تا این پالس‌ها از سمت زمین به دستگاه بازگردند. این نوع سنجش از راه دور کاملاً متفاوت از سنجش از راه دور به شیوه غیر فعال است. در حالت غیر فعال، انرژی‌های نورانی بازتاب شده از سطح زمین، همان انرژی نورانی آمده از سمت خورشید می‌باشد نه پالس‌های ارسال شده توسط سیستم‌های سنجش از دور. حسگرهای فعال، حسگرهایی بسیار دقیق هستند زیرا که سکوهایی برای کنترل آنها وجود دارد.

سیستم لیدار به عنوان ابزاری برای نمونه‌برداری نیز مورد استفاده قرار می‌گیرد. سیستم باید در هر ثانیه تعداد 160000 پالس به سمت زمین ارسال کند. بدین صورت در فضای ابری نقاط لیدار، میلیون‌ها نقطه ایجاد خواهد شد. به طور معمول تراکم نقاط، کمتر از یک متر با دقت تقریبی عمودی 15 سانتی متری و دقت افقی 40 سانتی متری است.

لیدار، ابزاری جهت نمونه‌برداری

لیدار، ابزاری جهت نمونه‌برداری

   یک سیستم لیدار سطح زمین را از سمتی به سمت دیگر و در حین حرکت و پرواز هواپیما اسکن می‌کند. زیرا در این حالت سطح بیشتری از زمین پوشش داده می‌شود. از آنجایی که ممکن است تعدادی از پالس‌های ارسالی دقیقاً بر روی نادیر قرار گیرند، تمامی پالس‌ها با زاویه‌ای (خارج از نادیر) به سمت زمین ارسال می‌شوند. زمانی که یک سیستم لیدار ارتفاع را محاسبه می‌کند، لازم است که میزان این زوایا برای آن مشخص باشد. این زوایا ازطریق ژیروسکوپ موجود در پرنده اندازه گیری می شود.

لیدار یک تکنولوژی بسیار هیجان انگیز است که در بسیاری از زمینه‌ها کاربرد فراوانی دارد. اکنون به این مساله می‌پردازیم که دقیقاً خروجی‌های سیستم لیدار چیست؟

1- تعداد بازگشت‌ها

   فرض کنید که در یک جنگل در حال حرکت هستید و به بالا نگاه می‌کنید، اگر شما قادرید که نور را ببینید پس پالس‌های لیدار هم می‌توانند درون این مسیر حرکت خود را انجام دهند. همچنین در این حالت لیدار می‌تواند به سطح زمین و یا پوشش‌های گیاهی کوتاه نیز برخورد کند. یک مقدار مشخص از انرژی لیدار قادر است همانند نور خورشید، در درون سایه‌بان‌های موجود در جنگل نیز نفوذ کند. اما سیستم لیدار الزاماً همیشه به سطح زمین برخورد نمی‌کند، بلکه در مناطق جنگلی این انرژی‌ها می‌توانند تا زمانی‌که به سطح زمین برخورد می‌کنند از قسمت‌های مختلف جنگل بازتاب شوند.

لیدار ، بررسی و شناخت ساختار جنگل‌ها و شکل درختان

لیدار ، بررسی و شناخت ساختار جنگل‌ها و شکل درختان

استفاده از سیستم لیدار برای برداشت نقطه‌هایی از سطح زمین مانند استفاده از اشعه ایکس برای نفوذ به پوشش‌های گیاهی نیست، بلکه شما واقعاً به فاصله میان برگ‌ها وارد می‌شوید. سیستم لیدار به طور کلی نقاط بسیار زیادی را برداشت می‌کند.

این برخوردهای متعدد با شاخه‌ها، تعداد بازگشت‌ها به لیدار می‌باشد. در یک جنگل امواج لیزر به سمت پایین می‌روند. ما بازتاب‌های مختلفی از قسمت‌های مختلف جنگل دریافت می‌کنیم. یک اشعه نورانی می‌تواند بازگشت‌های متعددی داشته باشد. سیستم‌های لیدار می‌توانند طیف وسیعی از داده‌های رسیده از نوک و ابتدای درختان تا تمامی سطح خود درختان و سپس داده‌های بدست آمده از سطح زمین را جمع آوری کنند. این نکته، سیستم‌های لیدار را به سیستم‌هایی ارزشمند برای بررسی و شناخت ساختار جنگل‌ها و شکل درختان تبدیل کرده است.

2- مدل‌های ارتفاعی رقومی

   چگونه می‌توان یک مدل ارتفاعی رقومی را از طریق لیدار تهیه کرد؟ مدل‌های ارتفاعی رقومی مدل‌هایی هستند که نشان‌دهنده توپولوژی سطح زمین می‌باشند. شما می‌توانید DEM و یا DTM را با استفاده از برخورد پرتوهای لیدار به سطح زمین به دست آورید. برخوردهای لیدار با سطح زمین آخرین بازگشت اشعه لیزر به حسگرهای لیدار می‌باشد. گاهی ممکن است که آخرین بازگشت‌ها از سطح زمین نباشد، اما در سیستم لیدار امکان رخ دادن این مساله بسیار کم است.

تهیه مدل ارتفاعی رقومی با لیدار

تهیه مدل ارتفاعی رقومی با لیدار

   برای تهیه مدل رقومی از سطح زمین باید بدانید که کدامیک از نقطه‌ها از میان تمامی نقاط، از برخورد نور به سطح زمین برداشت شده‌اند؟ به طور کلی راه‌هایی برای فیلتر نقاط جمع‌آوری شده توسط لیدار وجود دارد. به دست آوردن بازتاب‌های رسیده از سطح زمین (تنها توپولوژی) به معنای استفاده از آخرین بازگشت‌ها از لیدار است. بنابراین برای تهیه مدل رقومی از سطح زمین، ابتدا آخرین بازگشت‌ها به لیدار که بازتاب‌هایی از سطح زمین می‌باشند، فیلتر می‌شوند، سپس این نقاط به دست آمده درون‌یابی شده و مدل ارتفاعی رقومی از سطح زمین ساخته می‌شود.

پیشنهاد بعدی   معرفی جی پی اس تفاضلی ، GPS تفاضلی یا Differential GPS ( DGPS )

با استفاده از یک مدل ارتفاعی رقومی می‌توان محصولات مختلفی از جمله شیب، جهت شیب و نقشه‌های سایه روشن (سایه‌های ایجاد شده در سطح زمین با در نظر گرفتن زاویه تابش نور) تولید نمود.

3- مدل ارتفاعی از سایه‌بان‌های جنگلی

   سیستم Lidar اطلاعات بسیار دقیقی از سطح زمین به ما می‌دهد. همچنین می‌توان با استفاده از یک DSM و یا همان مدل رقومی از سطح، از تمام آنچه بر روی سطح زمین هم قرار دارد، اطلاعات دقیقی به دست آورد. یک مدل ارتفاعی سایه‌بان (یک مدل رقومی سطح نرمال شده) ارتفاع صحیح را از عوارض توپولوژیکی واقع بر روی سطح زمین به شما خواهد داد.

مدل ارتفاعی از سایه‌بان‌های جنگلی

مدل ارتفاعی از سایه‌بان‌های جنگلی

اما چگونه ارتفاع صحیح  خود عوارض موجود بر روی زمین را بدست آوریم؟ برای به دست آوردن این ارتفاع، اولین بازگشت اشعه لیزر از سطح زمین، که شامل توپولوژی (درختان و ساختمان‌ها) می‌باشد، جمع‌آوری شده و سپس از آخرین بازگشت اشعه از زمین که برابر با انعکاس‌های رسیده از خود سطح زمین می‌باشد کم می‌شود.

4- شدت نور

   شدت انعکاس‌های بازگشت داده شده‌ی سیستم Lidar از سطح زمین، با تغییر ترکیب داخلی عوارضی که این انعکاس‌ها را باز می‌گرداند، تغییر می‌کند. این میزان درصدهای انعکاس داده شده به عنوان شدت و یا قدرت لیدار شناخته می‌شود. اما به طور کلی پارامترهای زیادی بر شدت نور تاثیرگذار هستند. به عنوان مثال فاصله، زاویه برخورد و همچنین جنس و ترکیبات سطح (تاثیر این پارامتر بر شدت نور بازگشتی بسیار زیاد می‌باشد)، در میزان شدت نور بازگشتی تفاوت‌هایی ایجاد می‌کنند.

شدت انعکاس‌های بازگشت داده شده‌ی سیستم لیدار

شدت انعکاس‌های بازگشت داده شده‌ی سیستم لیدار

زمانی که اشعه ارسالی به سوی فاصله بیشتری ارسال می‌شود، از میزان انرژی بازگشتی کاسته می‌شود. بررسی میزان شدت نور بازگشتی، در روند شناسایی عوارض در مباحث بررسی و شناسایی کاربری‌ها و یا پوشش زمین، بسیار مفید خواهد بود. به طور مثال زمین‌های غیر قابل نفوذ در تصاویر شدت نور، به وضوح قابل شناسایی هستند. تقسیم‌بندی‌هایی که در طبقه‌بندی تصاویر مبتنی بر عارضه صورت می‌گیرد، می‌تواند این عوارض را با استفاده از مقادیر شدت نور از یکدیگر جدا کند.

5- طبقه‌بندی نقاط

   مجموعه داده‌های Lidar ممکن است که از پیش توسط یک فروشنده با یک طبقه‌بندی نقاط، طبقه‌بندی شده باشد. کدهای موجود نیز توسط پالس‌های لیزر بازتاب شده و با یک روش نیمه اتوماتیک تولید می‌شوند؛ البته تمام فروشنده‌ها فیلد طبقه‌بندی LAS را تولید نمی‌کنند.
در حقیقت این مساله پیش از شروع کار و در قراردادهای موجود، مورد توافق قرار می‌گیرد. جامعه فتوگرامتری و سنجش از دور آمریکا (ASPRS) لیستی از کدهای طبقه‌بندی برای این سیستم تهیه کرده است.

طبقه‌بندی نقاط در ASPRS

طبقه‌بندی نقاط در ASPRS

به طور مثال کلاس‌ها شامل زمین، پوشش گیاهی (کم، متوسط و زیاد)، ساختمان‌ها، آب، تعریف نشده و غیره می‌باشد. گاهی ممکن است که طبقه‌بندی نقاط در بیش از یک یک گروه قرار گیرد. اگر این مساله اتفاق بیفتد این نقاط به طور معمول فلگ خورده و دارای کلاس‌های ثانویه می‌باشند.

داده‌های لیدار منابعی کمیاب و بسیار دقیق برای GIS هستند

   لیدار سیستمی بسیار دقیق بوده و می‌تواند در مقیاس بسیار بزرگی مورد استفاده قرار بگیرد و سطح گسترده‌ای از سطح زمین را پوشش دهد. شما می‌توانید با استفاده از این سیستم، ارتفاعات سطح زمین، ارتفاعات سایه‌بان‌های جنگل‌ها، شدت نور و بسیاری موارد دیگر را شبیه‌سازی کنید. هرکس که به طور جدی قصد دارد تا توپولوژی مناطق مختلف را بدست آورد، به طور قطع باید از لیدار استفاده کند. اما لیدار در رابطه با مجموعه داده‌هایی که در اختیار ما قرار می‌دهد مانند یک غول عمل می‌کند! این داده‌ها در فرمت فایل‌های LAS و به صورت ابری از نقاط که توسط ASPRS نگهداری می‌شود، ذخیره می‌شوند. فرمت LAS تبادلات میان تولیدکنندگان داده و مشتریان داده را بدون اینکه چیزی از اطلاعات از دست برود، فراهم می‌کند.

 

   در صورتی‌که تا کنون مطالب سایت را دنبال کرده باشید، متوجه خواهید شد که در مباحث گذشته، 6 منبع معتبر جهانی جهت دانلود رایگان اطلاعات لیدار (LIDAR) را نیز خدمتتان معرفی کردیم که با مطالعه این مقاله میتوانید از آنها داده های موردنیاز خود را به دست آورید. در آینده نزدیک، اطلاعات بیشتری درباره انواع سیستم‌های لیدار و کاربردهای آن به شما ارائه خواهیم داد.

درباره نویسنده :

کارشناسی عمران- نقشه برداری
کارشناس ارشد سنجش از دور و سیستمهای اطلاعات جغرافیایی

يك ديدگاه

  1. Mahdi.momo ۱۳۹۷/۰۵/۰۲ در ۹:۲۵ ق.ظ - پاسخ دادن

    ممنون از مطالب خوبی که قرار دادید.

ثبت ديدگاه