Lidar

Z Wikipedie, otevřené encyklopedie
Skočit na: Navigace, Hledání

V mnoha oborech je pojem lidar chápán různě. Ačkoli základem je vždy stejný princip – měření vzdálenosti pomocí laserového paprsku, je jeho použití v praxi často diametrálně odlišné. Základem mé práce bude popis systémů používaných v geodetické praxi pro mapování zemského povrchu z letadla. Jedná se ale pouze o část z rodiny lidarů 3 systémů, pomocí kterých lze rekonstruovat digitální tvar libovolného tělesa. Takovým tělesem může být například socha, architektonická památka, skalní masív nebo rozsáhlé podzemní komplexy. Další variantou použití je mapování koncentrací polutantů v atmosféře, měření oblačnosti, ozónové vrstvy a jiných jevů v meteorologii a pro potřeby ochrany životního prostředí. S lidary se ale můžeme také setkat v běžném životě v podobě „strašáku“, jakým je přístroj pro měření rychlosti projíždějících vozidel v rukou policie. Dnes jsou klasické radary právě nahrazovány lidarovou technikou, která nabízí vyšší operativnost, jednodušší obsluhu a dosah až 1500 m. V kombinaci s kamerovým systémem má pak policie v rukou téměř dokonalou jednotku pro usvědčení pachatele při dopravním přestupku. V tisku armádních sil je naopak možné se dočíst o využití lidaru k oslepení nepřítele. Zde ovšem je nutno podotknout, že se skutečnou lidarovou technologií dané zařízení má společný pouze impulsní laserový paprsek. Nikterak měření vzdálenosti nebo určování směru.[1]

Definování pojmu LIDAR[editovat | editovat zdroj]

Samotný pojem lidar je akronymem z anglických slov „Light Detection And Ranging“. Tvorba zkratky lidar zcela odpovídá principu tvorby zkratky radar (Radio Detection and Ranging). Ve volném překladu se tedy jedná o přístroj nebo technologii k detekci objektů a k měření vzdáleností. V literatuře se ale lze setkat i s jiným i přepisy tohoto akronymu. V databázi akronymů (zkratek) Knihovny AV ČR jsou uvedeny následující:

  • LIDAR - Laser Imaging Radar {eng}
  • LIDAR - Laser-Instrument Distance and Range {eng}
  • LIDAR - Laser-Radar {eng}
  • LIDAR - Light Intensification Direction and Ranging {eng}[2]

Princip LIDARu[editovat | editovat zdroj]

Vlastní princip lidaru lze považovat za velmi jednoduchý. Celý přístroj obsahuje zdroj laserového záření, optickou soustavu, mechanický prvek, detektor elektro-magnetického záření a velmi přesné hodiny.

Jako zdroj laserového záření lze v současné době použít poměrně velkou škálu různých emitorů. U výkonných lidarů se používají pevno látkové lasery rubínové nebo modernější Nd:YAG. V systémech nevyžadujících vysoký výkon pevno látkových laserů se s úspěchem používají lasery diodové, které mají mnoho výhod, jednoduchou možnost implementace do systému a vysokou variabilitou na trhu. Použití konkrétního typu laseru se řídí nejen požadovaným výkonem, ale i požadovanou vlnovou délkou záření. U některých laserů lze provádět dokonce tzv. přeladění z jedné vlnové délky na jinou. Nicméně stejně musí být přeladěn i detektor, aby byl schopen dané záření rozeznat. Jako detektory jsou používány světlo citlivé diody spektrálně synchronizované na stejnou vlnovou délku jako je vysílané laserové záření. Různých vlnových délek lze s výhodou použít při napodobení multispektrálního průzkumu, kdy ze znalostí spektrálního chování materiálu, ze kterého je zkoumaný objekt, lze odvozovat další nepřímé informace. Protože je svazek paprsků laserového záření vysílán směrem k objektu, od něhož se odražen vrací k detektoru, musí být detektor velmi citlivý 3 energie světla klesá s druhou mocninou vzdálenosti (budeme-li uvažovat difusní odraz). Lasery v lidarech jsou používány jak v pulsním, tak v kontinuálním režimu s fázovou modulací. Optická soustava zajišťuje koncentraci záření do velmi úzkého svazku a zároveň souosost detektoru a emitoru. To je zpravidla zajištěno polopropustným hranolem. Poslední optický člen soustavy, jímž je zrcadlo nebo hranol, je zpravidla umístěn na mechanickém prvku, který zajišťuje směrování paprsku vždy pod jiným úhlem. Tím je zajištěno snímání určité roviny nebo prostoru, aniž by muselo být pootáčeno celým zařízením. Navíc je snímání jednotlivých měření v takovém to případě mnohonásobně rychlejší. Poslední částí lidaru jsou hodiny. Jedná se o velmi přesné hodiny, které mají za úkol měřit čas od vyslání svazku paprsků po jejich detekci na detektoru. Ze znalosti rychlosti šíření světla lze určit vzdálenost lidaru od objektu, a tedy ze znalosti směru vyslaného svazku paprsků a odvozené vzdálenosti určit polohu každého měřeného bodu. U kontinuálního režimu laseru je navíc paprsek frekvenčně modulován a vzdálenost je určována i za pomoci fázového posunu.[2]

Rozdělení LIDAR podle způsobu sběru dat[editovat | editovat zdroj]

Letecké laserové skenování – Airborne Laser Scanning (ALS)

  • umístěny na letadle, družici, vrtulníku či jiném létajícím nosiči

Pozemní laserové skenování – Terrestrial Laser Scanning (TLS)

  • umístěny stacionárně na stativu

Mobilní laserové skenování – Mobile Laser Scanning (MLS)

  • umístěny na dopravním prostředku (nejčastěji automobil)

LIDAR – Letecké laserové skenování[editovat | editovat zdroj]

Letecké laserové skenování je velmi mladou technologií umožňující sběr bodů pro tvorbu digitálního modelu reliéfu a modelu terénu, a to i v zalesněných oblastech. Ačkoliv je tato technologie velmi mladá, již našla své uplatnění v mnoha praktických aplikacích, jako je například tvorba 3D modelu města, analýza vegetačního pokryvu, sledování nadzemních vedení apod. První experimenty byly započaty přibližně před 15 lety. Je tedy zřejmé, že se jedná o metodu novou, která ještě není na horizontu svých možností. Laserové skenování je vyvinuto pro rychlé a operativní mapování rozsáhlých území, kde standardní metody (tachymetrie, GPS, fotogrammetrie) již nestačí. Praktické uplatnění v Česku našla tato metoda teprve nedávno. Celý proces měření a následného zpracování je z velké části automatizován. Všechna data jsou získána již primárně v digitální podobě, a proto je také vyhodnocení prováděno na počítačích. Letecký laserový skener (ALS – Airborne Laser Scanner) poskytuje přesnost, rychlost a možnost operativního použití. Lze jej zařadit mezi aktivní digitální senzory.

Aktivní proto, že vysílá energii a přijímá zpět signál po odrazu, digitální neboť úroveň signálu je převedena na digitální tvar a uložena do počítače a dále zpracovávána pouze pomocí digitální techniky. Stejně jako i jiné aktivní senzory nejsou ALS závislé na slunečním světle, a lze tedy měření provádět 24 hodin. Aby bylo možné zařízení používat pro měření, je nutné zajistit přesné určení polohy letadla v prostoru. Jednotlivé komponenty byly postupně zdokonalovány a uváděny do komerčního provozu. Uvedení družicového navigačního systému GPS po roce 1980 a jeho další zdokonalování včetně diferenciální metody měření umožnilo určování absolutní prostorové polohy. Pokrok v inerciálních navigačních systémech (INS) a jejich postupný přechod z vojenské do komerční sféry dále poskytl pro laserové skenování dostatečně přesnou metodu pro měření orientací. A jako další byl v letech 1988–1993 na universitě ve Stuttgartu vyvinut moderní laserový profiler (Ackermann, 1999). Tím byl odstartován vývoj dalších opticko-mechanických součástí pro konstrukci komplexních jednotek pro laserové skenování. Laserové skenery se skládají z několika samostatných mapovacích technologií. Ačkoliv se jednotlivé komerční systémy navzájem odlišují, mají naprosto totožný základ – GPS s INS jako navigační systém a dále laserovou a skenovací jednotku. Vnitřní parametry jednotlivých jednotek musí být určeny s vysokou přesností, proto každá z těchto samostatných jednotek musí být před měřením kalibrována.[3]

Laserová jednotka[editovat | editovat zdroj]

Laserová jednotka (LRF) obsahuje laserový vysílač a přijímač, jejichž optická osa je totožná. Velikost stopy laserového paprsku je závislá na výšce letu a na divergenci světelného paprsku. Divergence světla tak definuje okamžité zorné pole (IFOV) senzoru. Při výšce letu kolem 500 m nad terénem je tedy laserová stopa na zemi kolem 30 cm. Většina komerčních LRF používá vlnovou délku záření v rozsahu 1100–1200 nm, což odpovídá blízkému infračervenému záření. Vývoj laserů s touto vlnovou délkou již velmi pokročil a komponenty nebo moduly s tímto typem laseru jsou na trhu již běžně dostupné. Intenzita odraženého světla je dána vlastnostmi povrchu, na který laserové záření dopadlo. Z hodnot intenzity odraženého světla lze generovat pseudo-snímek a interpolací lze získat rastrový obraz. To umožňuje velice dobře od sebe odlišit objekty s vysokou a nízkou odrazivostí v daném pásmu záření. Jelikož je infračervené světlo z velké části pohlcováno vodou, nehodí se příliš pro měření hloubek pod vodní hladinou. Pro bathymetrii se tedy používá zelenomodré záření. Tato část spektra má daleko lepší vlastnosti pro měření pod vodní hladinou, nicméně kvůli závislosti na úrovni zákalu a rychlosti pohybu vody nelze měřit ani v tomto případě hlouběji než přibližně 50 m. Dráha světelného paprsku je ovlivňována atmosférickou refrakcí, která je závislá na úhlu paprsku od svislice a na lokálních atmosférických podmínkách. Vyslaný pravoúhlý puls se navíc po odrazu od povrchu nevrací ve svém původním tvaru, ale vytváří daleko složitější tvar, který popisuje vlastnosti atmosféry a povrch objektu (Obr. 1). Některé systémy dokáží registrovat také tento tvar signálu, ale pro velký objem dat, který zákonitě vzniká, nejsou tyto systémy používány pro rozsáhlá měření s vysokou hustotou bodů. Díky své šířce se laserový paprsek postupně odráží od jednotlivých vrstev objektů na zemském povrchu. Tato vlastnost se projeví nejvíce na vzrostlé vegetaci a dále pak i na hranách výškových objektů. Při mapování lesních ploch lze tedy získat jak odraz od svrchní části koruny, tak i od jednotlivých pater a rovněž i od vlastního terénu. Aby dva odrazy byly od sebe jednoznačně odlišeny, musí mezi nimi být dostatečně velký útlum signálu. Zároveň mezi jednotlivými lokálními maximy signálu musí být časový odstup. Komerční systémy jsou dnes schopné registrovat až 5 odrazů (minimální vzdálenost mezi nimi je 233 m), nicméně v praxi se neměří více jak 3 odrazy. V praxi se převážně používají systémy s pulsní modulací, které svou současnou centimetrovou přesností dostačují. Přesnost měření délky je u nich ale závislá především na přesnosti měření času mezi vysláním pulsu a jeho detekcí po odrazu.[3]

Skener[editovat | editovat zdroj]

Pro vychylování paprsku mimo svou osu je ve skeneru umístěno zpravidla rotující zrcadlo, které paprsek vychyluje v příčném směru. Posun paprsku v podélném směru je zajištěn vlastním pohybem plošiny (letadla). Celkový úhel záběru v příčném směru pak definuje šířku záběru, čili zorné pole. V praxi je zpravidla zorné pole 20–30°, nicméně existují i systémy se zorným polem až 70° (Leica Geosystems, 2002).

Druhy skenerů[editovat | editovat zdroj]

Skener s rotačním zrcadlem[editovat | editovat zdroj]

Při konstrukci skeneru je použito několik odlišných technologií. Jednou z nich je užití zrcadla rotujícího konstantní rychlostí. Měření tímto druhem skeneru je charakteristické paralelními řadami bodů (Obr. 2a). Poloha zrcadla, které se otáčí stále stejným směrem, je určována buď přímo z motoru nebo je k zrcadlu upevněn úhlový senzor. Výhodou typu konstrukce skeneru s úhlovým senzorem je velmi malá chyba při úhlovém měření. Zásadní nevýhodou rotačního zrcadla ale je poměrně dlouhý čas mezi jednotlivými cykly, kdy paprsek je odrážen mimo zorné pole. Tento nedostatek může být částečně eliminován použitím hranolů s více zrcadlovými plochami, nicméně stále je zde nevyužitelný časový interval.

Skener s oscilujícím zrcadlem[editovat | editovat zdroj]

Další variantou, kterou používá velká část firem, je oscilující zrcadlo. Body na terénu mají při použití této metody charakteristické pilovité uspořádání. (Obr. 2b) Výhodou je, že paprsek je odrážen vždy směrem k povrchu a měření je tedy kontinuální. Operátor navíc může řídit jak rychlost skenování tak i úhel záběru. Nevýhodou tohoto řešení je vznik torze mezi zrcadlem a úhlovým senzorem díky změnám rychlosti a zrychlení. Změna rychlosti má také za následek nerovnoměrnou hustotu bodů na povrchu, kdy v nadiru je hustota nejnižší a díky zpomalování zrcadla je na okraji zorného pole hustota nejvyšší. Další podstatnou výhodou použití oscilujícího zrcadla je možnost kompenzace turbulentních pohybů letadla. Tyto pohyby způsobují zvlnění okrajů skenované scény (příčným náklonem) nebo nehomogenní hustotu bodů na povrchu (podélným náklonem a horizontální rotací). Při výrazných pohybech letadla tak může dojít ke vzniku mezer mezi jednotlivými náletovými řadami. Mechanismus zrcadla může však v reálném čase reagovat na měření INS a projevy těchto náklonů eliminovat nastavitelnou výchylkou zrcadla.[3]

Skener se svazkem optických vláken[editovat | editovat zdroj]

Další variantou skenovacího systému je použití svazku optických vláken (TopoSys, 2002). Místo zrcadla, které odráží paprsek k povrchu, je užito malé zrcadlo k nasměrování paprsku do lineárního svazku optických vláken (Obr. 4). Svazek vysílá laserový puls stále pod stejným úhlem (Obr. 2c). Výhodou je, že tento systém obsahuje méně pohyblivých dílů, které jsou zároveň daleko menší. Rychlost snímání tedy může být vyšší než v předchozích dvou případech. Rychlost těchto systémů je tak velká, že body se vzájemně v podélné ose překrývají. Nevýhodou ale je velmi úzký úhel záběru (kolem ±7°) a pevný počet bodů v příčném směru včetně jejich úhlové vzdálenosti.

Eliptický skener[editovat | editovat zdroj]

Poslední skenovací metodou je eliptický skener. Ten používá soustavu dvou zrcadel, které vychylují paprsek tak, že stopa na povrchu opisuje elipsu (Obr. 2d).

Výhodou tohoto systému je dvojnásobné měření povrchu z různých míst, takže pokud nějaká část povrchu nebyla změřena při prvním průchodu, může být změřena při průchodu druhém. Nevýhodou je větší mechanická složitost a tím i větší náchylnost k chybám při synchronizaci pohybu zrcadel a určení aktuálního úhlu. Tato metoda je použita v systému ASLRIS (Hu, Xue, Fang a Pan, 1999).[3]

Kontrolní jednotka[editovat | editovat zdroj]

Skener a laserová jednotka vzájemně spolupracují pomocí kontrolní (někdy také označované jako řídící) jednotky. Vnitřní hodiny této jednotky jsou pravidelně synchronizovány s hodinami GPS aparatur pomocí PPS (puls per second) signálem generovaným vnitřními hodinami GPS přijímače. Veškerá měřená data (úhel a délka) jsou provázána s časem vnitřních hodin a dále pomocí PPS s GPS časem.[3]

Navigační jednotka[editovat | editovat zdroj]

IMU (Inertial Measurement Unit) využívá dvou fyzikálních zákonitostí. V prvém případě využívá vlastnosti velmi rychle rotujících těles, která se snaží udržet svojí osu rotace ve směru zemské tíže. Druhým fyzikálním jevem je setrvačnost těles. Oba jevy je možno měřit pomocí několika gyroskopů a akcelerometru. Soustava gyroskopů (jeden je vždy svisle, další jsou pak k němu kolmé) dokáže velmi přesně určit náklony celého systému vzhledem k tížnici. Akcelerometr naopak měří zrychlení, což je funkce rychlosti a času. Porovnáním rozdílů zrychlení v čase lze zpětně určit polohovou složku letu. Kombinací obou přístrojů lze tedy určit všech šest stupňů volnosti. Přestože současné gyroskopy a akcelerometry měří velmi přesně extrémně malé hodnoty, vlivem působení systematických chyb se bude vypočtená trajektorie letu od skutečné stále více odchylovat a po určitém čase odchylka překročí povolené meze. Proto je nutné tato měření doplnit měřením GPS.[3]

GPS[editovat | editovat zdroj]

Pro určování polohy letadla v referenčním systému je používána soustava GPS přijímačů s využitím metody DGPS. Nejjednodušší formou je kombinace jedné referenční stanice na známém geodetickém bodě a jedné stanice na palubě letadla. Pokud jsou na palubě rozmístěny tři stanice, lze s jejich pomocí provádět výpočty nejen aktuální polohy nýbrž i hodnoty jednotlivých náklonů letadla. Další funkcí GPS na palubě letadla je synchronizace času všech ostatních měřících systémů. Frekvence měření je zpravidla 2 Hz.[4]

Lidar-Pozemní laserové skenování[editovat | editovat zdroj]

Pozemní laserové skenery fungují obecně tak, že laserový paprsek je naváděn podle programu na body rastru ve sloupcích či řádcích, přičemž je měřen horizontální a vertikální úhel a vzdálenost. Velmi vysoká hustota bodů (až několik na cm2). Základní dělení je na kamerové a panoramatické.[4]

Kamerové laserové skenery[editovat | editovat zdroj]

navádění paprsku pomocí systému dvou zrcadel nebo hranolů se vzájemně kolmými osami otáčení. Tento systém umožňuje rozmítat laserový svazek do relativně malého zorného pole, podobného jako u fotoaparátu nebo kamery. Používá se pro skenování vzdálených objektů.[5]

Panoramatické skenery[editovat | editovat zdroj]

U panoramatických skenerů je otáčeno celou dálkoměrnou součástí pomocí servomotorů, což umožňuje postihnout téměř celé okolí. Používá se pro skenování interiéru a podobně menších prostoru.

Využití pozemních skenerů je ve více odvětvích pro příklad Inženýrská geodézie. Dokumentace hutních, chemických a průmyslových provozů.. Modelování měst a plánování rozvoje výstavby. Architektura a měření fasád. Měření v tunelech. Archeologie a dokumentace kulturního dědictví. Topografie a důlní měřičství. Automatické a robotizované procesy. Získávání scenérií pro virtuální realitu.[6]

Mobilní laserové skenování[editovat | editovat zdroj]

Nosičem skeneru je automobil, loď, či člověk. Princip je stejný jako u leteckého skenování, nosič laserového skeneru se pohybuje zásadně po nelineární trajektorii; pro správné určení polohy podrobných bodů je třeba znát pro každý okamžik měření přesnou polohu nosiče a směr měření. Tyto informace zajišťuje jednotka IMU a zcela zásadně záleží na její přesnosti. Oproti letadlu automobil dělá rychlejší změny pohybu i směry jízdy. Data z pozemních mobilních systémů jsou podobná leteckým datům s tím rozdílem, že při pojíždění na zemském povrchu nastává řada problémů se zakrytými prostory (lze řešit několikerým průjezdem nebo několika skenery s různým úhlem záběru) a dosah je logicky výrazně menší. Většinou souběžně s laserovým skenováním probíhá snímkování digitální kamerou a každý bod má tak rovněž RGB informaci.[6]

Reference[editovat | editovat zdroj]

  1. ACKERMANN, F. ): Airborne laser scanning 3 present status and future expectations. ISPRS Journal of Photogrammetry & Remote SensingV54. Elsevier :64367.. [s.l.] : [s.n.], 1999.  
  2. a b BALTSAVIAS, E. P.. Airborne laser scanning: basic relations and formulas. ISPRS Journal of Photogrammetry & Remote Sensing, V54. Elsevier : 1993214. [s.l.] : [s.n.], 1999.  
  3. a b c d e f LIDAR-UK, Bluesky International Limited [online]. [cit. 2017-05-20]. Dostupné online.  
  4. a b Course Outline – Lidar: History of Lidar Development. Geography, College of Earth and Mineral Sciences, [online]. [cit. 2017-05-20]. Dostupné online.  
  5. LIADSKY, J.. Introduction to LIDAR. Optech Incorporated, NPS Lidar Workshop, [online]. [cit. 2017-05-20]. Dostupné online.  
  6. a b KMEŤOVÁ, Z.. LiDAR a možnosti jeho využitia [online]. [cit. 2017-05-20]. Dostupné online.  

Související články[editovat | editovat zdroj]