LiDAR -technologia – Systemy impulsowe

Konwencjonalne rozwiązania polegają na użyciu lasera generującego bardzo silne impulsy światła, głównie z zakresu bliskiej podczerwieni (NIR), w niezmiernie krótkim czasie (wysoka częstotliwość rzędu np. 80 000 impulsów/sek = 80 kHz). Długość generowanego przez nadajnik impulsu Tp (rys. 2) determinuje rozdzielczość i dokładność pomiaru odległości R (Thiel, Wehr, 2004). Rozdzielczość w przypadku systemów pulsacyjnych należy rozumieć jako rozróżnianie pierwszego i ostatniego odbicia (echa) od obiektu, tzn. minimalnej odległości pomiędzy pierwszym i ostatnim celem (np. warstwami wegetacji). Wartość ta waha się w zależności od rozwiązań technologicznych różnych systemów i wynosić może np. 1,0 metr jak w rozwiązaniach skanera lotniczego Falcon (TopoSys; Schnadt, Katzenbeißer, 2004) czy też poniżej 0,6 metra w przypadku skanera Riegl LMS-Q560 (Rieger i in., 2006). Utrata siły sygnału docierającego do detektora determinuje maksymalną odległość rejestrowanych celów. W dużej mierze siła sygnału rejestrowanego zależy od właściwości powierzchni samego obiektu, tj. powierzchni (rodzaju materiału, kształtu, struktury) i kąta nachylenia w stosunku do padającej plamki lasera (Thiel, Wehr, 2004). W rzeczywistości odbić od jednego celu (np. korony drzewa) może być bardzo wiele i mało jest przypadków w drzewostanie kiedy pierwsze echo odpowiada ostatniemu. Jedno odbicie występuje najczęściej w przypadku dachów budynków, odkrytego gruntu, skał bez wegetacji itp. W zależności od konstrukcji poszczególnych systemów, echa i zakłócenia (szumy, kolejne odbicia) są interpretowane i usuwane (jeśli istnieje taka potrzeba) poprzez: – założenie tzw. .progu czasu. (ang. threshold) na drodze analizy narastającej krzywej czasu upływającego podczas  „podróży” światła lasera, od nadania impulsu do jego rejestracji (w zasadzie odległość = podwójny dystans do celu: nadajnik Þ obiekt + obiekt Þ detektor). W głównej mierze kształt tej krzywej zależy od właściwości (albeda) powierzchni obiektu wpływającej na moc odbijanego sygnału. Jeśli powracający sygnał jest słaby, to przekracza on założony próg (stały ang. fixed) stosunkowo późno. Długi czas „podróży” promienia lasera w efekcie oznacza ostry kąt nachylenia krzywej (rys. 3). Aby skorygować ten efekt różnej intensywności uzależniony od właściwości odbijania promieniowania przez różnie oddalone obiekty, wprowadza się odpowiednie korekty progu poprzez określenie mocy powracającego sygnału i zastosowanie odpowiedniej formuły. Jedna z możliwych korekt tk (Thiel, Wehr, 2004) może przybrać postać: gdzie: Pthr . poziom progu, P peak . poziom impulsu (ekstremum), tr . czas wznoszenia się krzywej sygnału. – użycie w bardziej zaawansowanych systemach tzw. .stałego dyskryminatora frakcji sygnału – (ang. constatnt fraction discriminator). Zasada polegająca na natychmiastowym ustaleniu przez system progu czasu (threshold) w zależności od poziomu sygnału powracającego; – metodą detekcji tzw. „pełnej fali” (ang. full waveform detection) polegającą na cyfrowym próbkowaniu (digitalizacji) całej krzywej fali powracającej do detektora niosącej z sobą informacje o odbiciu nieraz od bardzo wielu obiektów (np. 7 poszczególnych warstw wegetacji od szczytu korony do podszyty i gruntu) podczas całej wędrówki plamki lasera przez pionową strukturę drzewostanu (Ducic i in., 2006). W zasadzie metoda ta znana była od lat 70. XX wieku, jednak dopiero rozwój techniczny (głównie zwiększenie pojemności dysków twardych oraz mocy obliczeniowych procesorów) umożliwił jej komercyjne zastosowanie. Należy mieć na uwadze, iż ta najnowocześniejsza w tym momencie technologia, operująca komercyjnymi skanerami Riegl LMS-Q560, TopEye MKII czy Optech ALTM 1225 (Reitberger i in., 2006), umożliwia zwiększenie ilości danych od 50 do 200 razy. Rejestracja i opracowanie danych wykonywane jest off-line w trybie tzw. post-processingu. W ten sposób zapewniony został wielogodzinny zapis danych podczas lotu, a następnie możliwość ich kameralnego opracowania, które trwa również długo, ale pozwala na wydobycie niezmiernie ważnych dla użytkownika informacji o strukturze pionowej wegetacji, np. o poszczególnych piętrach drzewostanu o złożonej budowie (Reitberger i in., 2006). Zatem . w stosunku do tradycyjnie dostępnych technologii lidarowych – niedogodność związana z długim czasem opracowania jest rekompensowana niewspółmiernie dużym bogactwem cennych dla leśnictwa danych (Dudic i in., 2006; Hug i in., 2004).