Что такое технология ЛиДАР и как она работает?

ЛиДАР, или обнаружение света и определение расстояния до точки, является популярным методом дистанционного зондирования, используемым для измерения точного расстояния до объекта на поверхности земли, используя световые волны. Аббревиатура ЛиДАР (LiDAR) расшифровывается как Свет и Радар (Light Detection and Ranging). Несмотря на то, что впервые ЛиДАР был использован в 1960-х годах, когда лазерные сканеры устанавливались на самолеты, заслуженную популярность он получил только двадцать лет спустя.

В 1980-х годах, после внедрения GPS, ЛиДАР стал популярным методом расчета точных геопространственных измерений. Таким образом, хотя радар не является старшим братом или двоюродным братом Лидара, но этимологически они буквально неотделимы.

Теперь, когда его сфера применения распространилась на множество областей, мы должны больше знать о технологии лидарного картографирования и о том, как она работает. Вот несколько идей по этому поводу, которые полезно знать.

Лидарная технология

По данным Американского института геонаук, ЛиДАР использует импульсный лазер для вычисления переменных расстояний объекта от поверхности земли. Эти световые импульсы, объединенные с информацией, собранной бортовой системой, генерируют точную 3D—информацию о поверхности земли и целевом объекте.

Лидарный прибор состоит из трех основных компонентов — сканера, лазера и GPS-приемника. Другими элементами, которые играют жизненно важную роль в сборе и анализе данных, являются фотоприемник и оптика. Большинство государственных и частных организаций используют вертолеты, беспилотные летательные аппараты и самолеты для получения лидарных данных.

Типы лидарных систем

Лидарные системы делятся на два типа в зависимости от их функциональности — бортовые лидары и наземные ЛиДАРы.

Бортовой ЛиДАР

Бортовой ЛиДАР устанавливается на вертолете или беспилотном летательном аппарате для сбора данных. Как только он активирован, бортовой ЛиДАР излучает свет в направлении поверхности земли, который возвращается к датчику сразу после попадания на объект, давая точное измерение расстояния. Бортовой ЛиДАР далее делится на два типа — топографический лидар и батиметрический лидар.

Топографический ЛиДАР: Используется в основном для мониторинга и картографирования топографии региона. Таким образом, он находит свое применение в геоморфологии, городском планировании, ландшафтной экологии, прибрежной инженерии, геодезической оценке и т.д.

Батиметрический ЛиДАР: Батиметрические ЛиДАРы используются для измерения глубины водных объектов. При батиметрической съемке ЛиДАРом инфракрасный свет отражается обратно к самолету от поверхности суши и воды, в то время как дополнительный зеленый лазер проходит через толщу воды. Батиметрическая информация имеет решающее значение вблизи береговых линий, в гаванях, а также вблизи берегов и отмелей. Батиметрическая информация также используется для определения местоположения объектов на дне океана.

Наземный ЛиДАР

В отличие от воздушных, наземные лидарные системы устанавливаются на движущихся транспортных средствах или штативах на поверхности земли для сбора точного облака точек, которое помогает в высокоточной идентификации объектов. Они довольно часто используются для наблюдения за автомагистралями, анализа инфраструктуры или даже сбора облаков точек внутри и снаружи зданий. Это также находит свое применение в геодезии и создании 3D-моделирования. Наземные лидарные системы бывают двух типов — мобильные лидары и статические лидары.

Мобильный: в основном используется для анализа инфраструктуры и наблюдения за дорогами. Мобильные лидарные системы в основном включают датчики, камеру и GPS.

Статический: более портативен и удобен в использовании. Он собирает облако точек из фиксированного местоположения и используется в горном деле и археологии.

Другие классификации

DIAL: ЛиДАР с дифференциальным поглощением. В основном он используется для измерения содержания озона в нижних слоях атмосферы.

Рамановский ЛиДАР: используется для профилирования водяного пара и аэрозоля.

Ветровой ЛиДАР: используется для измерения скорости и направления ветра с высокой точностью. Данные о ветре традиционно собирались с большими трудностями из-за множества точек измерения, приводящих к неточностям. С помощью ЛиДАРа можно измерить скорость, направление ветра, а также турбулентность

Космический ЛиДАР: Потенциал ЛиДАРа распространяется и за пределы земли. Ведущие космические агентства, включая НАСА, используют ЛиДАР для обнаружения и слежения.

Лидар HSRL: бортовой ЛиДАР НАСА с высоким спектральным разрешением (HSRL) используется для характеристики облаков и мелких частиц в атмосфере, называемых аэрозолями. С бортовой платформы команда ученых HSRL анализирует размер, состав, распределение и движение аэрозоля.

Прибор HSRL - это инновационная технология, похожая на радар; однако в случае ЛиДАРа радиоволны заменяются лазерным излучением.

Метод HSRL использует спектральное распределение обратного сигнала ЛиДАРа для различения аэрозольных и молекулярных сигналов и, таким образом, независимого измерения поглощения аэрозоля и обратного рассеяния.

Как работает ЛиДАР?

ЛиДАР работает по простому принципу — направьте лазерный луч на объект на поверхности земли и рассчитайте время, необходимое для возврата к источнику ЛиДАРа.

Учитывая скорость, с которой распространяется свет (приблизительно 186 000 миль в секунду), процесс измерения точного расстояния с помощью ЛиДАРа кажется невероятно быстрым. Формула, которую аналитики используют для определения точного расстояния до объекта, выглядит следующим образом:

Расстояние до объекта=(Скорость света х время полета)/ 2

ЛиДАР может быть использован для достижения многих целей развития. Ниже приведены некоторые из сфер применения:

Океанография

Когда власти хотят знать точную глубину поверхности океана, чтобы определить местонахождение какого-либо объекта в случае аварии на море или в исследовательских целях, они используют лидарную технологию для выполнения своей миссии.

Помимо определения местоположения объектов, ЛиДАР также используется для расчета флуоресценции фитопланктона и биомассы на поверхности океана, что в противном случае является очень сложной задачей.

Цифровая модель высот или рельефа местности

Рельеф местности играет решающую роль при строительстве дорог, крупных зданий и мостов.

Лидарная технология имеет координаты x, y и z, что невероятно упрощает создание 3D-модели высот, чтобы заинтересованным сторонам было легче делать необходимые выводы.

Сельское хозяйство и археология

Типичные области применения лидарной технологии в сельском хозяйстве включают анализ показателей урожайности, разведку посевов и распределение семян. Помимо этого, он также используется для планирования кампаний, составления карт под пологом леса и многого другого.

Помимо упомянутых выше приложений, ЛиДАР используется учеными-геологами для раскрытия секретов, связанных с геоморфологией, а также военными для проведения различных операций по обеспечению безопасности вблизи национальных границ.