LiDAR – technologia

Skaning laserowy znany najczęściej pod nazwą LiDAR (ang. Light Detection and Ranging) należy do grupy aktywnych systemów teledetekcyjnych, wykorzystujących do obrazowania promieniowanie najczęściej z zakresu bliskiej podczerwieni tzw. NIR (ang. Near InfraRed). Dzięki temu jest niezależny od warunków oświetleniowych, co oznacza że obrazowania skanerem lidarowym można dokonywać nawet w nocy przy braku światła słonecznego, gdyż urządzenie zasilane jest niezależnym źródłem energii.

W ogromnym uproszczeniu, lidar składa się zazwyczaj z modułu generującego światło lasera (nadajnika, diody), systemu wirujących luster (ich zadaniem jest równomierne odchylenie wiązki i tym samym jej rozrzucenie po obiekcie badań), teleskopu skupiającego promieniowanie powracające (odbite) oraz rejestrującego go detektora (rys. 1). Nadajnik i detektor podlegają jednostce kontrolującej sterowanej komputerem. Tego typu skanery mogą być klasyfikowane jako opto-mechaniczne ze względu na zastosowane rozwiązania mechaniczne do odchylania promieniowania z jednoczesnym precyzyjnym pomiarem tego kąta. Istnieją także inne specyficzne rozwiązania (np. Falcon, TopoSys) wykorzystujące światłowody, tzn. pojedyncze włókna przewodzące impulsy (wysyłające oraz odbierające, rozstawione w odpowiedniej odległości i pod znanym kątem) zamiast złożonej mechaniki z wirującymi lustrami. W tym przypadku plamka lasera dociera równomiernie do gruntu w określonych odstępach np. 12 cm przy prędkości samolotu 65 km/godz. (Schnadt, Katzenbeißer, 2004).

Działanie skanera laserowego polega na pomiarze odległości urządzenia od badanego obiektu (celu – ang. target). Realizowane to jest przez pomiar i rejestrację czasu jaki upływa od momentu wysłania światła lasera do jego powrotu do detektora, po uprzednim odbiciu od powierzchni celu. Znana wartość prędkości rozchodzenia się fali elektromagnetycznej (światła) oraz pomierzony czas, pozwalają na obliczenie odległości obiektu od skanera. Urządzenie rejestruje także kąt pod jakim wysyłana jest wiązka lasera. Pomierzone elementy tj. czas i kąt odchylania wiązki pozwalają na wyznaczenie współrzędnych przestrzennych XYZ pomierzonych punktów (tzw. chmury punktów; ang. point cloud) w układzie lokalnym skanera.

Znane współrzędne skanera bądź też dowolnych pomierzonych punktów w docelowym układzie współrzędnych np. WGS84 czy PUWG 1992/19 służą do wpasowania układu lokalnego i przeliczenia współrzędnych wszystkich punktów do układu docelowego.

Rys. 1.Schemat działania skanera laserowego (lidara)

Oprogramowanie do obsługi skanera umożliwia dobór parametrów skanowania, tj. częstotliwości generowania impulsu lasera oraz kąta uchylenia wiązki lasera. Odległość obiektów od skanera decyduje o rzeczywistej wielkości plamki (ang. footprint). Przykładowo zmiana wielkości kąta o 1 mrad dla wiązki lasera wysyłanej z wysokości względnej 1000 m generuje plamkę na gruncie o wielkości 1,0 metra.

Poza rejestracją odbitego sygnału (echa) tzw. pierwszego (FE – ang. first echo) lub ostatniego (LE – ang. last echo) nowoczesne skanery rejestrują także wartość intensywności (ang. intensity) odbitego sygnału. Czynnik ten staje się coraz częściej obiektem zainteresowania ze strony użytkowników, choć do tej pory był wykorzystywany tylko do wizualizacji chmury punktów (tzw. obrazy intensywności w skali szarości).

Stosowane obecnie systemy lidarowe podzielić można wg kryterium generowania wiązki promieniowania, jej modulowania i interpretacji, tj. na:

• systemy generujące impulsy promieniowania tzw. „pulsacyjne” (ang. pulse ranging),      
• systemy tzw. „fali ciągłej” czy też „lasera falowego” (ang. CW – continous wave ranging).