0

وبلاگ

سامانه آموزش سیستم اطلاعات جغرافیایی و سنجش از دور مقالات دانش محور راهنمای جامع لیدار (Light Detection and Ranging – LiDAR)

راهنمای جامع لیدار (Light Detection and Ranging – LiDAR)

ما را در شبکه های اجتماعی دنبال کنید

Follow us on Social Networks

Instagram: giscoders

تشخیص نور و فاصله (لیدار) چیست ؟

آیا دوست دارید عصای جادویی خود را تکان دهید و ناگهان متوجه شوید که همه چیز چقدر با شما فاصله دارند؟ عصای جادویی برای این کار نیاز نیست. این روشی است که تکنولوژی لیدار (Light Detection and Ranging) بر این اساس کار می کند و البته بدون استفاده از عصای جادویی … !. اجازه دهید لیدار را کمی روشن تر مورد بحث قرار دهیم.

لیدار

تکنولوزی لیدار در اصل تکنولوژی مربوط به اندازه گیری فاصله است. از هواپیما یا هلیکوپتر و یا پهپاد، سیستم لیدار، امواج را به سمت زمین ارسال می کند. این پالس ها، به زمین برخورد و مجددا به سمت سنسور لیدار منعکس می شود. در نتیجه مدت زمانی که امواج طی کرده تا به زمین برسند تا زمانی که مجدداً منعکس شده و به سنسور لیدار برگردند، اندازه گیری می شود. با اندازه گیری این زمان برگشت، لیدار می تواند فاصله بین سنسور تا اجسام بر روی سطح زمین را به دست آورد. در حقیقت به همین دلیل است که در نام لیدار از تشخیص نور و فاصله سنجی استفاده می شود.

لیدار چطور کار می کند ؟

لیدار یک ابزار نمونه برداری است. بدین معنا که سنسور لیدار بیش از 160000 پالس در ثانیه ارسال می کند. در هر ثانیه هر پیکسل 1 متری در حدود 15 پالس دریافت می کند. به همین دلیل است که ابر نقطه ای لیداری نقاطی بیش از میلیونها نقطه ایجاد می کند.

سیستم های لیداری بسیار دقیق هستند زیرا تحت کنترل سکوها قرار دارند. برای مثال، دقت عمدی 15 سانتیمتری و دقت افقی 40 سانتیمتری دارند.

به طوری که هواپیما در حال پرواز است، واحدهای لیداری، زمین را به صورت نواری اسکن می کنند. در حالیکه برخی از پالس ها دقیقاً به صورت مستقیم در امتداد نادیر خواهند بود، عمده پالس ها با زاویه به نسبت نادیر حرکت می کنند. در نتیجه هنگامی که سیستم لیداری ارتفاع را محاسبه می کند، محاسبات مربوط به زوایا را نیز انجام می دهد.

سیستم لیدار هوابرد

معمولاً، لاین لیداری داری عرض برداشتی در حدود 3300 فوت است. اما تکنولوزی های جدیدتر همچون گیگر لیدار، می تواند عرض 16000 فوت را نیز برداشت کند. این نوع سیستم لیداری می تواند در مقایسه با سیستم های لیداری قدیمی تر، پهنه گسترده تری را پوشش دهد.

سیستم لیداری چه چیزی تولید می کند ؟

1- تعداد بازگشت

فرض کنید در جنگل در حال قدم زدن هستید، سپس به آسمان نگاه می کنید. در صورتی که بتوانید نور را ببینید، این بدین معنا است که پالس های لیداری می توانند به درون جنگل نیز رخنه کنند. در نتیجه این بدین معنا خواهد بود که امواج لیداری می توانند به سطح لخت و عریان زمین و یا اراضی با پوشش گیاهی کوتاه به سادگی نفوذ کنند.

حجم قابل توجهی از امواج لیداری همچون امواج نور خورشید در روز می توانند به درون جنگل ها نیز نفود کنند اما امواج لیداری لزوماً تنها به اراضی عریان برخورد نمی کند. در یک منطقه جنگلی، این امکان وجود دارد که امواج لیداری به بخش های مختلف جنگلی برخورد کرده و منعکس شود تا آنکه پالس های لیداری نهایتاً به زمین برخورد کنند.

اگر بتوانید نور را از بین تاج جنگلی ببینید امواج لیداری نیز می توانند به همین ترتیب نفوذ کنند

با استفاده از سیستم لیداری برای اخذ نقاط بر روی سطح زمین، از امواج و تابش ایکس در مورد پوشش گیاهی استفاده نمی شود. در عوض، شما در حقیقت امواج لیداری را از میان برگ ها عبور می دهید. هنگامی که این امواج به شاخ و برگ ها برخورد می کنند، برخوردهای متوالی و تکرار شونده ای ایجاد شده و تعداد زیادی بازگشت به سمت سنسور ایجاد می کند.

2- شماره برگشت

در یک جنگل، پالس های لیزری به سمت پائین حرکت می کنند. هنگامی که امواج به بخش های مختلف جنگل برخورد می کنند، باعث ایجاد شماره برگشت یا Return number می شود. برای مثال، بازگشت اول، دوم، سوم اتفاق افتاده تا نهایتاً این امواج به سطح زمین برخورد کنند. در صورتی که هیچ مانعی همچون تاج جنگلی در بین مسیر وجود نداشته باشد، امواج تنها به سطح زمین برخورد می کنند.

برخی اوقات، پالس های لیداری تنها از یک شئی منعکس نمی شوند. مانند مثال درختی که در شکل فوق نشان داده شده است، یک پالس نوری می تواند چندین برگشت داشته باشد. سیستم های لیداری می توانند اطلاعات مربوط به تاج درختان تا سطح زمین را از این طریق ذخیره سازی کنند. این حالت سیستم لیدار را برای تفسیر و تحلیل ساختار عمودی جنگل ها و شکل درختان، بسیار ارزشمند می سازد.

3- مدل رقومی ارتفاعی (DEM)

مدل رقومی ارتفاعی یا DEM یک مدل از سطح عریان زمین است. با استفاده از تنها بازگشت های زمینی، می توان مدل رقومی ارتفاعی ایجاد کرد. اما مدل رقومی ارتفاعی از مدل رقومی زمین یا DTM متمایز است زیرا DEM تنها شامل اطلاعات مربوط به ارتفاع سطح زمین است.

با استفاده از مدل رقومی ارتفاعی (DEM) محصولات دیگری را می توان ایجاد نمود. برای مثال می تواند به برخی از مشتقات آن اشاره کرد :

  • شیب (میزان برآمدگی و یا افتادگی به درصد و یا درجه)
  • جهت شیب یا Aspect
  • مدل سایه-روشن یا Shaded Relief که یک زاویه تابش بر سطح مدل را در نظر می گیرد.

4- مدل رقومی سطحی (DSM)

همانطور که مطرح شد، امواج لیداری از جنگل عبور می کند. سرانجام، نور به سطح زمین می رسد. سپس بازگشت از سطح لخت زمین به سنسور لیدار می رسد. اما در مورد اولین بازگشتی که ناشی از برخورد با تاج درختان و عوارض سطح زمین ایجاد می گردد چه چیزی می توان از داده های لیداری استخراج کرد؟

مدل رقومی سطحی (DSM)، ارتفاع تمامی اجسام و عوارضی که بر روی سطح زمین ایجاد شده اند همچون ساختمان ها، تاج درختان، خطوط انتقال نیرو و بسیاری عوارض دیگر بر روی سطح زمین را نیز در بر می گیرد.

5- مدل رقومی ارتفاع تاج درختان (CHM)

مدل رقومی ارتفاع تاج درختان (Canopy Height Model) و یا به طور مختصر CHM ارتفاع واقعی عوارض بر روی سطح زمین را نشان می دهد. به این مدل همچنین مدل رقومی سطحی نرمال شده نیز می گویند.

ابتدا مدل رقومی سطحی که شامل عوارض طبیعی و ساختمان ها و درختان است ایجاد می شود، سپس این مدل را از مدل رقومی ارتفاعی مربوط به زمین عریان یا همان DEM کسر می کنند. زمانی که این دو لایه یا مدل از یکدیگر تفریق شدند، سطحی از عوارض ایجاد می شود که نماینده ارتفاع واقعی از سطح زمین یا همان CHM است.

6- شدت نور

شدت امواج برگشتی لیداری با اختلاف در ترکیبات اشیای سطح زمین که آنها را انعکاس می دهند، نوسان دارد. درصد انعکاس به عنوان شدت نور یا تابش لیداری نامیده می شود.

اما چندین فاکتور می تواند بر شدت نور لیدار اثر بگذارد. برای مثال، فاصله، زاویه برخورد، پرتوهای نوری، نوع دریافت کننده و ترکیبات سطح زمین می تواند بر شدت نور اثر بگذارد. یک مثال مربوط به زمانی است که پالس لیداری منحرف می شود و در نتیجه انرژی برگشتی کاهش می یابد.

شدت نور برگشتی به سنسورهای لیداری به خصوص در تشخیص عوارض مختلف در پوشش زمین و ایجاد لایه های کاربری زمین یا پوشش اراضی مفید است. برای مثال اراضی نفوذ ناپذیر، در تصاویر شدت نور برگشتی، متمایز و مشخص می شوند. به همین دلیل است که شدت نور برگشتی یک شاخص مناسب برای طبقه بندی تصاویر همچون آنالیز تصاویر شئی گرا محسوب می شود.

7- طبقه بندی نقاط

چندین کد طبقه بندی وجود دارد که انجمن آمریکایی فتوگرامتری و سنجش از دور (ASPRS) برای طبقه بندی نقاط لیداری اختصاص داده است.

برای مثال، این کلاس ها می توانند شامل زمین، پوشش گیاهی (کم، متوسط و زیاد)، ساختمان ها و آب و … شود. برخی اوقات، طبقه بندی نقاط ممکن است در بیش از یک دسته قرار بگیرند. در این صورت این نقاطی که شامل چنین حالتی می شوند مارک شده و طبقه ثانویه نیز برای آنها تعیین می شود.

تدوین کنندگان داده های لیداری ممکن است داده های لیداری را طبقه بندی کنند. کدها از طریق پالس های لیزری منعکس شده به صورت نیمه خودکار ایجاد می شوند. همه تأمین کنندگان داده های لیداری فیلد طبقه بندی LAS را اضافه نمی کنند. در حقیقت، این فیلد معمولاً بر اساس قراردادی که از پیش بسته شده، ایجاد می شود.

منابع داده رایگان و آزاد لیدار چیست؟

داده های لیداری منابعی کمیاب و ارزشمند هستند. اما برنامه های داده های رایگان به طور گسترده تری در حال گسترش هستند. در نتیجه داده های رایگان لیداری را چطور می توان به دست آورد؟ در زیر لیستی از 6 منبع داده لیداری رایگان تهیه شده که می توانید برای تحقیقات خود از آنها استفاده کنید.

انواع داده های لیداری چیست ؟

اجازه دهید به انواع سیستم های لیداری بپردازیم. این سیستم ها در موارد زیر با یکدیگر تفاوت دارند:

  • ابعاد عرض برداشت
  • طول موج
  • جهت گیری موقعیتی

پروفیل لیدار

پروفیل لیداری اولین بار به دهه 1980 بر می گردد. که مختص عوارض قائم مانند خطوط انتقال نیرو بود. پروفیل لیداری پالس ها لیداری را در امتداد یک خط و در یک نادیر ثابت ارسال می کند به طوری که ارتفاع را در امتداد یک مقطع عرضی اندازه گیری می کند.

عرض اسکن کوچک لیداری

عرض اسکن کوچک لیداری چیزی است که امروزه عمدتاً مورد استفاده قرار می گیرد. این نوع اسکنرها زاویه برداشتی در حدود 20 درجه دارند. سپس به سمت جلو و عقب حرکت می کنند. اگر این زاویه بیش از 20 درجه باشد، سنسورهای لیداری ممکن است به جای آنکه به طور مستقیم به سمت پائین اسکن کند شروع به برداشت لبه ها و کناره های درختان کند.

لیدارهای توپوگرافیک، معمولاً اراضی را با استفاده از امواج مادون قرمز نزدیک، نقشه برداری می کنند. لیدارهای باتیمتریک یا عمق سنج، از امواج نور سبز قابل نفوذ به درون آب برای اندازه گیری عمق  دریاها و اقیانوس ها و ارتفاع بستر رودخانه ها بهره می گیرند.

لیدارهای با عرض برداشت وسیع

لیدارهای با عرض برداشت وسیع، از همه انواع امواج استفاده می کنند و دارای عرض برداشت 20 متری هستند. اما دقت و صحت آنها پائین است. زیرا پالس های برگشتی می تواند شیب های سطح زمین را نیز شامل شود. دو پروژه قابل توجه ناسا از این نوع لیدار استفاده شده است:

  • SLICER
  • LVIS

لیدارهای زمینی

لیدارهای زمینی، بر روی یک سه پایه سوار شده و شروع به اسکن فضای اطراف می نماید. این روش به خصوص برای اسکن ساختمان ها مناسب است؛ اما کاربردهای دیگری در زمین شناسی، جنگل داری، ساخت و ساز و پروژه های عمرانی و معدن نیز متصور است.

لیدار گیگر

لیدار گیگر، همچنان یک حالت تجربی است. اما این لیدار در اسکن ارتفاعات تخصص دارد. زیرا دارای عرض برداشت بسیار وسیعی است. این نوع سیستم لیداری می تواند در مقایسه با سایر سیستم های لیداری، منطقه وسیع تری را پوشش داده و برداشت کند.

ابر نقطه ای لیداری سه بعدی

مؤلفه های سیستم لیدار

چهار بخش اصلی در یک سامانه لیدار هوابرد وجود دارد. این اجزا با یکدیگر کار می کنند تا نتایج مفید، کاربردی و دقیقی حاصل شود.

1- سنسورهای لیدار: مادامی که هواپیما در حال حرکت است، سنسورها زمین را به صورت نواری اسکن می کنند. پالس های لیداری معمولاً در باندهای مادون قرمز نزدیک و نور سبز است.

2- دریافت کننده GPS: گیرنده GPS موقعیت و ارتفاع هواپیما را اندازه گیری و ثبت می کند. این اطلاعات ذخیره شده از مسیر حرکت هواپیما برای تدقیق ارزش های ارتفاعی سطح زمین بسیار مهم هستند.

3- واحدهای اندازه گیری اینرسی (IMU): به هنگام حرکت هواپیما، IMU انحرافات حرکت هواپیما در مسیر را ذخیره سازی می کند. سیستم های لیداری از کج شدگی برای تدقیق اندازه گیری های مربوط به زاویه برخورد پالس های لیداری استفاده می کنند.

4- ذخیره کننده داده ها: در هنگام اسکن سطح زمین توسط سنسوهای لیداری، یک کامپیوتر تمامی پالس های برگشتی را ذخیره سازی می کند. سپس تمامی این اطلاعات ثبت شده به مقادیر ارتفاعی تبدیل می شوند.

پرتوهای کاملاً موجی در مقابل گسسته

سیستم های لیداری، پالس های برگشتی را به دو طریق ذخیره سازی می کنند:

  • به شکل موج
  • لیدار گسسته

لیدار گسسته

فرض کنید پالس های لیداری در حال اسکن منطقه جنگلی است. سنسور لیدار، پالس های برگشتی اول، دوم و سوم را دریافت می کنند زیرا پالس ها به چندین شاخه و برگ و تنه درختان برخورد می کند. سپس یک پالس قوی تر و نهایی از زمین زیر منطقه جنگلی دریافت می شود.

هنگامی که داده ها به صورت بازگشت های مجزا ذخیره سازی شود این وضعیت را لیدار برگشتی گسسته می نامند (به طور مختصر  لیدار گسسته). به این صورت که هر قله  و هر برگشت را گرفته و از هم مجزا می کند.

لیدار کاملاً موجی

هنگامی که تمامی پالس برگشتی به شکل یک موج پیوسته ذخیره سازی شود، این سامانه را لیدار کاملاً موجی شکل یا موج پیوسته می نامند. در نتیجه شما به سادگی می توانید تعداد قله ها را شمارش کنید که از این طریق می توان امواج را گسسته ساخت.  با وجود اینکه داده های موج پیوسته پیچیده تر هستند، سامانه های لیداری به سمت سیستم های موجی پیوسته در حال حرکت هستند. 

کاربردهای پروژه های لیداری

در اینجا لیستی از کاربردهای لیدار ارائه شده است. در لیست زیر روش هایی که امروزه از تکنولوژی لیدار استفاده می شود را نشان می دهد:

جنگلداری: جنگلبانان از سیستم لیداری برای درک بهتر ساختار درختان و شکل آنها استفاده می کنند.

ماشین های خودران: خودروهای بدون راننده از اسکنرهای لیدار برای تشخیص لبه ها، عابران، علائم رانندگی و سایر موانع استفاده می کنند.

باستان شناسی: باستان شناسان از سامانه های لیداری برای یافتن الگوهای مربعی و چهارگوش در زمین ها و نواحی باستانی و اهرام در تمدن های مصر و مایاها استفاده می کنند.

هیدرولوژی: هیدرولوژیست ها، رتبه های زهکشی و شعب رودها را توسط سامانه های لیداری تشخیص و تفکیک می کنند.

خلاصه مطالب

سیستم لیدار از لیزر برای اندازه گیری ارتفاع عوارض استفاده می کند. در اصل لیدار یک سیستم اندازه گیری فاصله است که نقاط را به صورت باورنکردنی دقیق برداشت می کند. این سیستم مشابه سونار و رادار است زیرا یک پالس به سمت هدف ارسال کرده و مدت زمانی که طول خواهد کشید تا مجددا امواج برگشتی به سنسور برگردند را اندازه گیری می کند. اما لیدار با سونار و رادار کمی متفاوت است زیرا از امواج نوری برای این منظور استفاده می کند.

ما را در شبکه های اجتماعی دنبال کنید

Follow us on Social Networks

Instagram: giscoders

ما را در شبکه های اجتماعی دنبال کنید

Follow us on Social Networks

Instagram: giscoders

برچسب ها:

مطالب زیر را حتما مطالعه کنید

معرفی 6 منبع رایگان داده های لیداری

آشنایی با SAR با استفاده از مثال

برنامه لندست : 50 سال آرشیو از تصاویر سطح زمین

دانلود رایگان نرم افزار ArcGIS Pro 2.8

ابر نقطه ای چیست ؟

انواع نقشه ها در سیستم اطلاعات جغرافیایی: 25 روش مختلف و جذاب برای نمایش داده های مکانی در GIS

دیدگاهتان را بنویسید

Copy Protected by Chetan's WP-Copyprotect.

با عضویت در خبرنامه از آموزش های جدید رایگان در ایمیل خود مطلع شوید