لیدار (LiDAR)یا اسکن لیزر سه بعدی

لیدار (LiDAR) یا اسکن لیزر سه بعدی، در دهه ۱۹۶۰ برای شناسایی زیردریایی از هواپیما در نظر گرفته شد.

مدل های اولیه در اوایل دهه ۱۹۷۰ در ایالات متحده، کانادا و استرالیا مورد استفاده قرار گرفت.

در ده سال گذشته، استفاده از سنسورهای لیدار در انگلیس گسترش یافته است، که چندین بار به طور منظم در هر دو مورد استفاده از هواپیما و زمین مورد استفاده قرار گرفته است. این امر با افزایش آگاهی و درک سیستم لیدار در صنایع که قبلا غیر مرتبط بوده است، به عنوان کاربرد سیستم لیدار تصویب شده است. 

بیشتر سیستم های هواپیما LiDAR از سنسور LisDAR، گیرنده GPS، واحد اندازه گیری درونی (IMU)، رایانه و دستگاه های ذخیره سازی داده ساخته شده اند. 

سیستم LIDAR یک پرتو لیزر را بر روی یک آینه پرتاب می کند و آن را از یک پلت فرم هواپیما، معمولا یک هواپیما ثابت یا یک هلیکوپتر،دریافت می کند. همچنین یکی دیگر روش های نقشه برداری معادن، نقشه برداری معدن با پهپاد می باشد که مجموعه مپ اسکیل این خدمات را به شما عزیزان ارائه می دهد.

اشعه این اسکنر تمامی محدوده دارای اسکن را برداشت می کند که توانایی برداشت  ۲۰۰۰۰ تا ،۱۵۰۰۰۰ پالس در ثانیه را دارا می باشد. هنگامی که پرتو لیزر به یک شی برخورد می کند، به آینه باز می گردد.

فاصله زمانی بین پالس خروج از پلت فرم هواپیما و بازگشت به سنسور لیدار اندازه گیری می شود.

پس ازاتمام اسکنر لیدار، داده ها پس پردازش می شوند و اندازه گیری های فاصله زمانی لیدار از پالس که به پالس بازگشت معروف هستند به فاصله و تبدیل و اندازه گیری های گیرنده GPS هواپیما، IMU و ایستگاه های GPS مبتنی بر زمین بر روی آنها اعمال می شود . GPS دقیقا موقعیت هواپیما را از لحاظ طول و عرض و ارتفاع جغرافیایی تعیین می کند که به عنوان مختصات x، y و z شناخته می شود.

سنسور لیدار مقدار زیادی از داده ها را جمع آوری می کند و به راحتی میلیاردها نقطه را به مجموع چند ترابایت تبدیل کند.

IMU برای تعیین نگرش هواپیما به عنوان حسگر اندازه گیری استفاده می شود.

IMU برای درجه بندی در تمام سه بعد مانند گردش، پستی و بلندی زمین – حرکات عمودی و افقی هواپیما در پرواز ثبت می شود.

از این دو مجموعه داده، هندسه خروج از پرتو لیزر نسبت به مختصات سطح زمین تا دقت بسیار بالا محاسبه شده است.

داده های اولیه سیستم لیدار را می توان با استفاده از پس پردازش اضافی افزایش داد، بعضی از آنها می توانند به صورت خودکار و بعضی از آنها دستی باشند.

این پردازش بیشتر به دلیل بازگشت سیگنال چندگانه از هر پالس لیزر می باشد.

دلیل آن این است که با ارزیابی تفاوت های زمانی بین سیگنال های بازگشت چندگانه، در اثر برخورد با عوامل طبیعی نظیر اتمسفر زمین،پرندگان و… سیستم پس پردازش می تواند بین ساختمان ها و سایر سازه ها، پوشش گیاهی و سطح زمین تفاوت ایجاد کند.

این فرآیند برای حذف ویژگی های سطح برای تولید مدل های سطح زمین (DTM) و سایر محصولات پیشرفته داده می باشد.

کاربردهای سیستم اسکنر لیزر سه بعدی(LiDAR)

ادامه با تعدادی از کاربرد لیدار اشنا خواهید شد:

۱- مدیریت و برنامه ریزی جنگلداری

توانایی سیستم لیدار  برای اندازه گیری ساختار عمودی سایبان های جنگلی منحصر به فرد است.

به علاوه نقشه زمین در زیر جنگل، سیستم لیدار قادر به پیش بینی تراکم نقاط و ارتفاع نقاط می باشد. هر دو از این عوامل می توانند برای استفاده در مدل هایی که رفتار آتش را نشان می دهند، استفاده شوند.نقشه برداری LiDAR این اجازه می دهد را به ما می دهد  تا مقیاس های بزرگ تری که قبلا در دسترس نبودند را نقشه برداری کنند.

از جمله دیگر استفاده های سیستم LiDAR اندازه گیری ارتفاع پیک برای تخمین محدوده ریشه است.

این یک ابزار ارزشمند برای شرکت های بیمه برای در نظر گرفتن خانه در مناطق خاص می باشند.

۲- مدل سازی سیل                                                                                                                                    

ویژگی هایی مانند ساختمان ها، ساختمان های احداث شده کنار رودخانه یا جاده ها تاثیر زیادی بر پویایی جریان و انتشار سیل دارد.

داده های ورودی با وضوح بالا می تواند اهداف مربوط به توپوگرافی سیستم و همچنین ویژگی های شناسایی را حل کند.

سیلاب های مکرر شهری در دهه های گذشته در بسیاری از نقاط جهان مشاهده شده است و نیازهای فوری برای بهبود و افزایش تلاش های مدل سازی ما برای رسیدگی به داده های ورودی مدل اثر، در نتایج، شبیه سازی شناسایی شده است. حتی تفاوت های چند متر در محاسبات می تواند منجر به از دست دادن مناطق شهری باشد.

سیستم  LiDAR این سطح جزئیات را به صنعت داده است که اجازه می دهد تا مدل های پیش بینی سیل بسیار دقیق تر ایجاد شوند.

داده های LiDAR همچنین می توانند به نرم افزار شبیه سازی امداد، نجات و سیل برای ارائه اطلاعات توپوگرافی پیشرفته اضافه شوند.

۳-مدل سازی آلودگی هوا

سیستم لیدار دارای توانایی منحصر به فرد برای تشخیص ذرات در آب و هوا است.

همانطور که سیستم لیدار از طول موج کوتاه نور در طیف قابل مشاهده، عمدتا اشعه ماوراء بنفش قابل مشاهده، یا مادون قرمز نزدیک استفاده می کند، ممکن است یک شیء یا ویژگی را فقط در حدود اندازه ی طول یا بزرگتر از آن تصویر کنیم.

این باعث می شود که به خصوص برای آئروسل ها، ذرات ابر و مولکول های هوا حساس شوند.

آلاینده ها مانند دی اکسید کربن، دی اکسید گوگرد و متان با سیستم لیدار قابل تشخیص هستند.

این ترکیب با یک مدل ساختمان یا زمین این امکان را فراهم می آورد که محققان بتوانند مانع از ایجاد آلودگی شوند و مناطق خاصی را برای رفع این مشکل ایجاد کنند.

علاوه بر آلودگی های هوائی، سیستم های لیدار  توانایی تشخیص آلودگی صوتی و نور را نیز دارا می باشند.

این توانایی با استفاده از اطلاعات جمع آوری شده از عوامل شناخته شده، مانند جهت نور و منبع سر و صدا و همچنین تعیین مناطق آسیب دیده می باشد.

۴-نقشه برداری و کارتوگرافی

یکی از مهمترین کاربد لیدار در نقشه بردرای و کارتوگرافی است.

از آنجایی که سیستم لیدار دارای وضوح و دقت بالا در ایجاد نقشه ها می باشد،این سیستم می تواند در نقشه برداری جاده، ساختمان و پوشش گیاهی در ارتباط با عکاسی هوایی مورد استفاده قرار گیرد.

جنبه سه بعدی سیستم لیدار باعث می شود نقشه برداری از مدل های زمین، بخصوص توپوگرافی کوهستان های پیچیده مناسب باشد.

سایر داده های توپوگرافی از این سیستم مانند نقشه های منحنی میزان با وضوح بالا قابل استخراج هستند.

۵-برنامه ریزی شهری:

برنامه ریزی شهری، نظم برنامه ریزی استفاده از زمین است که به چند جنبه از محیط های ساخته شده و اجتماعی شهرداری ها و جوامع می پردازد. داده های سیستم لیدار یک تکنولوژی نسبتا جدید برای به دست آوردن مدل های سطحی دیجیتال (DSM) سطح زمین می باشند. این داده ها، هنگام ترکیب با ارتوپدی دیجیتال، می توانند برای ایجاد DSM های بسیار دقیق و در نهایت مدل های دیجیتالی شهر استفاده شوند.

با استفاده از نرم افزار اختصاصی می توان مدل های سطح تخمینی ساختمان ها را از داده های اصلی LiDAR تهیه کرد.

این تکنولوژی باعث می شود که مدل های بزرگ منطقه ای در یک فضای بسیار کوتاه ایجاد شوند.

۶-مدیریت خط ساحلی

ترکیب لجستیک توپوگرافی و عمق آبی LiDAR امکان انجام بررسی ها از خط ساحلی را فراهم می کند، و حداکثر همپوشانی بین رابط کاربری زمین / دریا را به حداقل رسانده و موجب کاهش پتانسیل شکاف داده ها در نتیجه شکستن امواج از ناحیه های گشت و گذار می شود.

محاسبه مناطق کم عمق در اطراف ساحل با استفاده از یک بررسی چند نفره به طور معمول بسیار دشوار و وقت گیر است.

مناطق زیادی را در یک فضای کوتاه باید پرواز کرد.

این یک عکس فوری از ساحل در فواصل زمانی خاص را به ما می دهد. ترکیب چندین مجموعه داده در طول سال ها می تواند بینش ارزشمندی در مورد فرسایش ساحلی داشته باشد. از آنجا که ساحل دارای ویژگی های قابل تعریف نمی باشند، اغلب می تواند برای استفاده از فتوگرامتری به علت فقدان نقاط کنترل زمین (GCP) باشند.همچنین دسترسی به ویژگی های ساحلی مانند مواجهه صخره ای برای اهداف نقشه برداری غیر ممکن می باشد.

در این موارد یک بررسی لیدار هوائی بسیار مهم است.

۷-مدیریت حمل و نقل

نقشه برداری حمل و نقلی برای حمایت از برنامه ریزی های مهندسی و تشخیص تغییر شبکه های جاده نیاز به وضوح فضایی و دقت نقشه برداری مهندسی با مقیاس بالا دارند.

با آخرین پیشرفت های سنسورهای LiDAR، پتانسیل دقت داده های LiDAR به طور قابل توجهی بهبود یافته است.

داده های LiDAR هوابرد می تواند برای جمع آوری مقادیر زیادی اطلاعات در مناطق بزرگ استفاده شوند و LiDAR مبتنی بر زمین می تواند برای افزودن مقدار بیشتر جزئیات در مناطق خاص استفاده شوند.

این روش باعث می شود که فرآیند جذب لیزر به طور خاص مناسب باشد.

۸-اکتشافات نفت و گاز

جذب دیفرانسیل لیدار (DIAL) می تواند برای تشخیص مقداری از گازهایی که  در جو بالاتر از ذخایر هیدروکربنی هستند استفاده شود.

تشخیص غلظت گازها می تواند برای اندازه گیری ناهنجاری ها مورد تجزیه و تحلیل قرار گیرد.

این روش نسبتا جدیدی از اکتشاف است که در حال حاضر در حال توسعه می باشد.

هنگامی که یک سایت مناسب پیدا شود، نقشه برداری LiDAR مورد استفاده قرار می گیرد، و مدل های دقیق زمین را که در آن پروژه انجام می شود، ارائه  دهد. استفاده از LiDAR در این روش می تواند به حداقل رساندن اثرات زیست محیطی و همچنین هزینه های کلی با اطمینان از ایجاد منطقه مورد نیاز کمک کند.

۹-معادن و مواد معدنی (حجم واکتشاف)

با اکتشاف نفت و گاز، یکی دیگر از کاربردهای LiDAR استفاده در صنعت معدن کاری می باشد.

این کاربرد جهت تعیین آلودگی هوا و همچنین بررسی زمین در اطراف منطقه برای مناسب بودن آن، و همچنین نشان دهنده اثرات زیست محیطی مورد استفاده قرار می گیرد.

LiDAR همچنین می تواند برای سایت های موجود در معدن مورد استفاده قرار بگیرد.

دقت بالا آن به این معنی است که می تواند یک نظرسنجی سریع انجام دهد تا بتواند اندازه گیری دقیق حجم را درتا دقت چند سانتی متر انجام می دهد.

تغییر مداوم یک معدن یا تغییر حجم آن نیاز به اسکن لیزری به صورت منظم دارد.این اسکن سریع ضروری می باشد تا بتواند عملیات صحیح این معدن را انجام دهد.

۱۰- باستان شناسی

یکی دایرگ از کاربد لیداردر باستان شناسی می باشد.

سیستم لیدار کاربردهای بسیاری در زمینه باستان شناسی از جمله کمک به برنامه ریزی کمپ های زمین ، نقشه برداری نسبت به ویژگی های زیر سایبان جنگل و ارائه یک مرور کلی از ویژگی های گسترده و مداوم دارد که ممکن است بر روی زمین غیر قابل تشخیص باشد.

سیستم لیدار همچنین می تواند مدل های ارتفاعی دیجیتالی با وضوح بالا (DEM) از سایت های باستان شناسی را فراهم کند.

محصولات گرفته شده از سیستم لیدار را می توان به راحتی به یک سیستم اطلاعات جغرافیایی (GIS) برای تجزیه و تحلیل و تفسیر ادغام کرد.

از جمله دیگر توانایی های این سیستم ، توانایی آن در نفوذ به سایبان جنگل که منجر به کشف ویژگی هایی که از طریق روش های جغرافیائی فضایی سنتی قابل تشخیص نیستند و از طریق نظرسنجی های صحرایی دشوار هستند، شده است.

۱۱- برنامه ریزی شبکه تلفن همراه

LiDAR با داشتن توانایی جمع آوری مناطق بزرگ با وضوح بالا در مدت زمان نسبتا کوتاه، اطلاعات کامل برای برنامه ریزی شبکه سلولی را فراهم می کند. اطلاعات دقیق را می توان در نرم افزار آماری یا GIS گنجانیده و آن را برای ارائه تحلیل دقیق برای تعیین خط دید و مشاهده آن برای آنتن ارائه شده سلولی مورد استفاده قرار داد.

این تجزیه و تحلیل به نفع ایجاد سایت مطلوب ، با داشتن پوشش بهینه و کاهش هزینه ها در روند کار می باشد.

۱۲-تجسم سازی و صنعت بازی

سیستم لیدار این اجازه را می دهد تا هر جسم فیزیکی در محیط کامپیوتری مجددا ایجاد شود.

این که آیا این یک ساختمان، یک ماشین یا کل کشور است، سیستم لیدار توانایی پخش چندین صحنه را دارد.

هنگامی که در بخش دیجیتال آنها را با استفاده از نمای شبه رنگی نقطه دنیای واقعی ارائه می کنیم یا آنها را به مدل سه بعدی منتقل می کنیم و با ساختار واقعی عکس بر روی سطوح نقشه برداری می کنیم ، این امر کاربر را قادر می سازد تا مدل های بسیار دقیق را در یک فضای بسیار کوتاه زمانی که با سایر روش های مدل سازی مقایسه می شود، ایجاد کند.

به همین دلیل در صنعت بازی نیز می توان برای تعدادی از اهداف از جمله ایجاد شهر ها به طور سریع و بادقت بالا مورد استفاده قرار داد.

شرکت EA با استفاده از تکنولوژی لیزر اسکن برای بازسازی صحنه هایی مانند (داخل محوطه مدیسون میدان باغ برای بازی NBA Live) و همچنین بازی هایی مانند Tiger Woods PGA Tour و NCAA Football  استفاده از این تکنولوژی استفاده کرده است.

با استفاده از این سیستم، آنها می توانند صحنه ها را با جزئیات عالی و بسیار سریع به تصویر بکشند.

۱۳- صحنه حادثه – جرم

سیستم های لیدار با توجه به کاربرد دنیای واقعی، صحنه حوادث و جرم را سریع و آسان و همچنین دقیق ضبط می کنند.

با استفاده از یک سیستم مبتنی بر زمین می توان یک صحنه تصادف را در عرض چند دقیقه ضبط کرد تا این امکان را فراهم کند که سرویس های اضطراری برای پاکسازی صحنه و سپس بازتولید آن در عرصه دیجیتال تولید شوند.

این کار باعث کاهش ترافیک و همچنین حفظ شواهد به خطر افتاده شود.

تمام داده ها با موقعیت جغرافیایی ثبت می شوند که اجازه می دهد داده ها در بسته های نرم افزاری مختلف برای یک سطح دقیق تر مورد استفاده قرار گیرند.

۱۴- معماری

LiDAR یک ابزار مفید در طراحی و ساخت ساختمان های جدید است.

یک بررسی براساس زمین می تواند برای نشان دادن دیجیتال دقیق منطقه و ساختمان های اطراف آن انجام شود.

زمین همچنین می تواند با یک اسکن زمین متمایز شود، اما حسگر باید به مکان های مختلف منتقل شود تا اطمینان حاصل گردد که تمام جزئیات گرفته شده است.

کابرد لیدار در علوم مختلف ختی بیشتر از موارد گفته شده در این مقاله می باشد. که به دلیل حجم مطالب از ذکر تمام آن ها در این مقاله خودداری کردیم و  در مقالات بعدی به این خواهیم پرداخت.