Phát hiện và đo sáng (LiDAR) là gì?

Làm thế nào bạn muốn vẫy chiếc đũa thần của mình và đột nhiên phát hiện ra mọi thứ cách bạn bao xa?

Không cần đũa thần. Đây là cách hoạt động của LiDAR (Light Detection and Ranging). Tất nhiên, không có cây đũa thần!

Hãy làm sáng tỏ khả năng phát hiện và phạm vi ánh sáng. Hy vọng sau khi đọc xong bài này, bạn sẽ từ con số không trở thành anh hùng LiDAR.

ĐỌC THÊM : 6 nguồn dữ liệu LiDAR miễn phí hàng đầu 

LiDAR 101

LiDAR về cơ bản là một công nghệ khoảng cách . Từ máy bay hoặc trực thăng, hệ thống LiDAR gửi ánh sáng xuống mặt đất.

Xung này chạm đất và quay trở lại cảm biến. Sau đó, nó đo khoảng thời gian để ánh sáng quay trở lại cảm biến.

Bằng cách ghi lại thời gian quay lại, đây là cách LiDAR đo khoảng cách. Trên thực tế, đây cũng là cách LiDAR lấy tên của nó - Phát hiện và đo ánh sáng.

Cách thức hoạt động của LiDAR

LiDAR là một công cụ lấy mẫu. Ý tôi là nó gửi hơn 160.000 xung mỗi giây. Cứ mỗi giây, mỗi pixel 1m nhận được khoảng 15 xung. Đây là lý do tại sao các đám mây điểm LiDAR tạo ra hàng triệu điểm.

Hệ thống LiDAR rất chính xác vì nó được điều khiển trong một nền tảng. Ví dụ, độ chính xác chỉ khoảng 15 cm theo chiều dọc và 40 cm theo chiều ngang.

Khi máy bay di chuyển trên không, các đơn vị LiDAR quét mặt đất từ ​​bên này sang bên kia. Trong khi một số xung sẽ nằm ngay bên dưới tại nadir, hầu hết các xung di chuyển theo một góc (lệch-nadir). Vì vậy, khi một hệ thống LiDAR tính toán độ cao, nó cũng tính đến góc.

Thông thường, LiDAR tuyến tính có chiều rộng dải là 3.300 ft. Nhưng các công nghệ mới như Geiger LiDAR có thể quét chiều rộng 16.000 ft. Loại LiDAR này có thể bao phủ các dấu chân rộng hơn nhiều so với LiDAR truyền thống.

LiDAR có thể tạo ra gì?

1. Số lần trả lại

Hãy tưởng tượng bạn đang đi bộ đường dài trong một khu rừng. Sau đó, bạn nhìn lên bầu trời. Nếu bạn có thể nhìn thấy ánh sáng, điều này có nghĩa là xung LiDAR cũng có thể đi qua. Ngoài ra, điều này có nghĩa là LiDAR có thể va vào Trái đất trống hoặc thảm thực vật ngắn.

Một lượng ánh sáng đáng kể xuyên qua tán rừng giống như ánh sáng mặt trời. Nhưng LiDAR không nhất thiết chỉ tấn công trên mặt đất. Trong một khu vực có rừng, nó có thể phản chiếu các phần khác nhau của khu rừng cho đến khi xung cuối cùng chạm đất.

Bằng cách sử dụng LiDAR để lấy các điểm trên mặt đất, bạn không phải xới tung thảm thực vật. Thay vào đó, bạn thực sự đang nhìn qua những khoảng trống trên lá. Khi nó chạm vào các nhánh, bạn sẽ nhận được nhiều lượt truy cập hoặc trả về.

2. Số trở lại

Trong một khu rừng, xung laser đi xuống. Khi ánh sáng chiếu vào các phần khác nhau của khu rừng, bạn sẽ nhận được "số trả lại". Ví dụ: bạn sẽ nhận được lợi nhuận thứ 1, thứ 2, thứ 3 cho đến khi cuối cùng nó chạm đất. Nếu không có rừng cản đường, nó sẽ chỉ rơi xuống mặt đất.

Đôi khi một xung ánh sáng không phản chiếu một thứ. Đối với trường hợp của cây cối, một xung ánh sáng có thể có nhiều lần trả về. Hệ thống LiDAR có thể ghi lại thông tin bắt đầu từ đỉnh của tán cây qua tán cây đến tận mặt đất. Điều này làm cho LiDAR có giá trị trong việc giải thích cấu trúc rừng và hình dạng của cây.

3. Mô hình độ cao kỹ thuật số

Mô hình độ cao kỹ thuật số (DEM) là mô hình đất trống (địa hình) của bề mặt Trái đất. Bằng cách chỉ sử dụng lợi nhuận mặt đất, bạn có thể xây dựng một DEM. Nhưng điều này khác với Mô hình địa hình kỹ thuật số (DTM) vì DTM kết hợp các đường bao.

Bằng cách sử dụng DEM, bạn có thể tạo ra các sản phẩm bổ sung. Ví dụ: bạn có thể tạo:

• Độ dốc (tăng hoặc giảm được biểu thị bằng độ hoặc phần trăm)
• Khía cạnh (hướng dốc)
• Hillshade (nổi bóng mờ xem xét góc chiếu sáng)

ĐỌC THÊM : Nguồn dữ liệu DEM toàn cầu miễn phí .

4. Mô hình bề mặt kỹ thuật số

Như bạn đã học, LiDAR đồng nghiệp trong rừng. Cuối cùng, ánh sáng chạm đến mặt đất. Sau đó, chúng tôi nhận được sự trở lại Trái đất trần. Nhưng còn lần trở lại đầu tiên đụng phải cây thì sao?

Mô hình bề mặt kỹ thuật số (DSM) kết hợp độ cao từ các bề mặt tự nhiên và xây dựng. Ví dụ: nó thêm độ cao từ các tòa nhà, tán cây, đường dây điện và các tính năng khác.

5. Mô hình chiều cao tán cây

Mô hình chiều cao tán (CHM) cung cấp cho bạn chiều cao thực của các đối tượng địa hình trên mặt đất. Chúng tôi cũng gọi loại mô hình độ cao này là Mô hình bề mặt kỹ thuật số chuẩn hóa (nDSM).

Đầu tiên, lấy DSM bao gồm các đối tượng địa lý tự nhiên và xây dựng như cây cối và tòa nhà. Tiếp theo, trừ các độ cao này khỏi Trái đất trống (DEM). Khi bạn trừ hai, bạn sẽ nhận được bề mặt của các đối tượng thể hiện chiều cao thực so với mặt đất.

6. Cường độ ánh sáng

Độ mạnh của lợi nhuận LiDAR thay đổi theo thành phần của đối tượng bề mặt phản ánh lợi nhuận. Phần trăm phản xạ được gọi là cường độ LiDAR.

Nhưng một số yếu tố ảnh hưởng đến cường độ ánh sáng. Ví dụ, phạm vi, góc tới, chùm tia, máy thu và thành phần bề mặt (đặc biệt) ảnh hưởng đến cường độ ánh sáng. Một ví dụ là khi xung bị nghiêng ra xa hơn, năng lượng trở lại giảm.

Cường độ ánh sáng đặc biệt hữu ích trong việc phân biệt các đặc điểm trong sử dụng / che phủ đất . Ví dụ, bề mặt không thấm nước nổi bật trong hình ảnh cường độ ánh sáng. Đây là lý do tại sao cường độ ánh sáng rất tốt cho việc phân loại ảnh như phân tích ảnh dựa trên đối tượng .

7. Phân loại điểm

Có một bộ mã phân loại mà Hiệp hội Đo quang và Viễn thám Hoa Kỳ (ASPRS) ấn định để phân loại điểm LiDAR.

Ví dụ, các lớp có thể bao gồm mặt đất, thảm thực vật (thấp, trung bình và cao), tòa nhà và nước, v.v. Đôi khi, phân loại điểm có thể thuộc nhiều loại. Nếu đúng như vậy, các nhà cung cấp thường gắn cờ các điểm này bằng các lớp thứ cấp.

Các nhà cung cấp có thể phân loại LiDAR hoặc không. Các mã được tạo ra bởi xung laser phản xạ theo cách bán tự động. Không phải tất cả các nhà cung cấp đều thêm trường phân loại LAS này. Trên thực tế, nó thường được thỏa thuận trước trong hợp đồng.

Nguồn LiDAR mở và miễn phí ở đâu?

Dữ liệu LiDAR là một tài nguyên quý hiếm. Nhưng nhờ các chương trình dữ liệu mở, chúng ngày càng trở nên phổ biến rộng rãi hơn.

Vậy dữ liệu LiDAR ở đâu? Dưới đây là danh sách 6 nguồn dữ liệu LiDAR miễn phí hàng đầu để bạn bắt đầu tìm kiếm.

Nếu bạn không thể tìm thấy những gì bạn đang tìm kiếm, thì rất có thể bạn sẽ phải mua dữ liệu LiDAR. Các nhà cung cấp thường bay LiDAR thương mại bằng máy bay trực thăng, máy bay và drone.

LiDAR có những loại nào?

Hãy cùng khám phá các loại hệ thống LiDAR. Chúng khác nhau ở:

• Kích thước của dấu chân
• Bước sóng
• Căn chỉnh vị trí

Hồ sơ LiDAR

Hồ sơ LiDAR là hệ thống đầu tiên được sử dụng vào những năm 1980. Nó chuyên về các tính năng đường thẳng như đường dây điện. Cấu hình LiDAR gửi một xung riêng lẻ trong một dòng. Tại một nadir cố định, nó đo chiều cao dọc theo một đường cắt ngang.

Dấu chân nhỏ LiDAR

LiDAR có dấu chân nhỏ là thứ mà chúng ta chủ yếu sử dụng ngày nay. Nó quét ở góc quét khoảng 20 độ. Sau đó, nó di chuyển lùi và tiến. Nếu nó vượt quá 20 độ, thiết bị LiDAR có thể bắt đầu nhìn thấy các mặt của cây thay vì nhìn thẳng xuống.

• Bản đồ địa hình LiDAR thường sử dụng ánh sáng hồng ngoại gần.
• Bathymetric LiDAR sử dụng ánh sáng xanh xuyên qua nước để đo độ cao đáy biển và đáy sông.

Dấu chân lớn LiDAR

Dấu chân lớn LiDAR sử dụng các dạng sóng đầy đủ với diện tích 20m. Nhưng độ chính xác của nó thấp vì xung trở lại có thể bao gồm địa hình dốc. Hai thí nghiệm đáng chú ý của NASA đã sử dụng loại LIDAR này:

• SLICER (Quét hình ảnh Lidar của Canopies bằng Echo Recovery)
• LVIS (Cảm biến hình ảnh thảm thực vật bằng laser)

LiDAR trên mặt đất

LiDAR đặt trên mặt đất đặt trên giá ba chân và quét bán cầu. Nó đặc biệt tốt để quét các tòa nhà. Nhưng cũng có những ứng dụng trong địa chất, lâm nghiệp và xây dựng.

Geiger-mode LiDAR

Chế độ Geiger LiDAR vẫn ở trạng thái thử nghiệm. Nhưng nó chuyên quét ở độ cao lớn. Bởi vì nó có một dải cực rộng, nó có thể bao phủ nhiều mặt đất hơn so với các loại LiDAR khác.

Các thành phần hệ thống LiDAR

Có 4 phần chính của LiDAR trên không. Chúng làm việc cùng nhau để tạo ra kết quả chính xác cao, có thể sử dụng được:

CẢM BIẾN LiDAR : Khi máy bay di chuyển, các cảm biến quét mặt đất từ ​​bên này sang bên kia. Các xung thường ở dải màu xanh lục hoặc dải hồng ngoại gần.

BỘ NHẬN GPS : Máy thu GPS theo dõi độ cao và vị trí của máy bay. Các đường này rất quan trọng đối với các giá trị địa hình và độ cao chính xác.

ĐƠN VỊ ĐO LƯỜNG CHỨNG NHẬN (IMU) : Khi máy bay di chuyển, IMU sẽ theo dõi độ nghiêng của nó. Hệ thống LiDAR sử dụng độ nghiêng để đo chính xác góc tới của xung.

BỘ GHI DỮ LIỆU : Khi LiDAR quét bề mặt, một máy tính sẽ ghi lại tất cả các xung trở lại. Sau đó, các bản ghi này được dịch sang độ cao.

Dạng sóng đầy đủ so với Rời rạc

Hệ thống LiDAR lưu trữ lợi nhuận LiDAR theo hai cách:

• Dạng sóng đầy đủ
• LiDAR rời rạc

LiDAR rời rạc

Hãy tưởng tượng xung LiDAR quét qua một khu vực có rừng. Bạn nhận được lợi nhuận thứ 1, thứ 2, thứ 3 vì xung chạm vào nhiều nhánh. Sau đó, bạn nhận được một xung lớn và cuối cùng bằng cách quay trở lại mặt đất trống.

Khi bạn ghi dữ liệu dưới dạng các kết quả trả về riêng biệt, đây là “LiDAR trả về rời rạc”. Nói tóm lại, LiDAR rời rạc lấy từng đỉnh và tách riêng từng giá trị trả về.

Dạng sóng đầy đủ LiDAR

Khi bạn ghi lại toàn bộ lợi nhuận dưới dạng một sóng liên tục, đây là LiDAR dạng sóng đầy đủ. Vì vậy, bạn chỉ cần đếm các đỉnh, điều này làm cho nó trở nên rời rạc.

Mặc dù dữ liệu dạng sóng đầy đủ phức tạp hơn, LiDAR đang tiến tới một hệ thống dạng sóng đầy đủ.

Các dự án và ứng dụng LiDAR

Danh sách các ứng dụng và cách sử dụng LiDAR này hầu như không làm trầy xước bề mặt. Ví dụ, đây là một số cách chúng tôi sử dụng LiDAR ngày nay:

RỪNG : Những người làm rừng sử dụng LiDAR để hiểu rõ hơn về cấu trúc và hình dạng của cây.
XE TỰ LÁI : Ô tô tự lái sử dụng máy quét LiDAR để phát hiện người đi bộ, người đi xe đạp, biển báo dừng và các chướng ngại vật khác.
NGHỆ THUẬT : Các nhà khảo cổ học sử dụng LiDAR để tìm các mẫu hình vuông trong lòng đất, vốn là những tòa nhà và kim tự tháp cổ đại được xây dựng bởi nền văn minh Maya và Ai Cập.
THỦY VĂN : Các nhà thủy văn phân định các trật tự dòng chảy và các phụ lưu từ LiDAR.

XEM THÊM : 100 Ứng dụng & Sử dụng Viễn thám Làm rung chuyển Trái đất

Tóm tắt: LiDAR là gì?

Phát hiện và đo sáng (LiDAR) sử dụng tia laser để đo độ cao của các đối tượng địa lý.

Đó là một công nghệ khoảng cách lấy mẫu với độ chính xác và điểm đáng kinh ngạc.

Nó tương tự như sonar (sóng âm thanh) hoặc radar (sóng vô tuyến) vì nó gửi một xung và đo thời gian nó quay trở lại. Nhưng LiDAR khác so với sonar và radar vì nó sử dụng ánh sáng.

Chúng tôi đã tóm tắt tính năng phát hiện ánh sáng và phạm vi với hướng dẫn LiDAR này. Bây giờ bạn có thể coi mình là một guru LiDAR.