ژئوماتیکفتوگرامتری

سیستم های لیدار

لیدار , لیزر , سیستم زمینی , سیستم هوابرد

با تولید سیستم های لیدار، انقلابی عظیم در نحوه تهیه نقشه ها و کاربرد های این نقشه ها ایجاد شد. این لیزر اسکنر ها امکان ثبت داده های مکانی را با توان تفکیک بالا در مدت زمانی کوتاه فراهم می کنند. در سیستم های لیدار، ابتدا پالس لیزر به سمت تارگت زمینی ارسال می شود و پس از ثبت پالس بازتابی از این تارگت، فاصله بین تارگت و سنجنده اندازه گیری می شود.

Fig 1lidar

 

نقشه برداری با استفاده از سیستم لیدار

لیدار تکنولوژی نو ظهوری است که با معرفی آن به جامعه نقشه­برداری، انقلابی عظیم در تهیه نقشه ­هایی با توان تفکیک بالا ایجاد شد. اساس کار سیستم ­های لیدار، اندازه­ گیری فاصله با تاباندن اشعه لیزر به تارگت و تحلیل نور بازتاب شده از آن است.

سیستم های لیدار دارای دو نوع زمینی و هوابرد هستند. سیستم های لیدار زمینی بر روی یک سه پایه قرار گرفته و با ارسال پالس های لیزر، دور تا دور خود را به صورت استوانه ای برداشت می کنند. اجزای اصلی سیستم های لیدار هوابرد عبارتند از: GPS برای تعیین موقعیت هواپیما و مسیر پرواز آن، IMU (INS) برای اندازه گیری زوایای دوران هواپیما در حین پرواز و لیزر اسکنر برای اندازه گیری فاصله هواپیما از تارگت زمینی.

اساس کار سیستم ­های لیدار، اندازه­ گیری فاصله با تاباندن اشعه لیزر به تارگت و تحلیل نور بازتاب شده از آن است.

سیستم های لیدار زمینی بر روی یک سه پایه قرار گرفته و با ارسال پالس های لیزر، دور تا دور خود را به صورت استوانه ای برداشت می کنند. اجزای اصلی سیستم های لیدار هوابرد عبارتند از: GPS برای تعیین موقعیت هواپیما و مسیر پرواز آن، IMU (INS) برای اندازه گیری زوایای دوران هواپیما در حین پرواز و لیزر اسکنر برای اندازه گیری فاصله هواپیما از تارگت زمینی.

Fig 2

شکل ۱: سیستم لیدار زمینی

Fig 3 (1)

شکل ۲: اندازه گیری عوارض زمینی با استفاده از سیستم لیدار زمینی

Fig 4 (1)

شکل ۳: اجزای تشکیل دهنده سیستم لیدار هوابرد

Fig 5 (2)

شکل ۴: اندازه گیری عوارض زمینی با استفاده از سیستم لیدار هوابرد

برای بررسی دقیق عملکرد سیستم های لیدار موجود در بازار و مقایسه آنها با یکدیگر لازم است که مشخصات آنها را با استفاده از پارامتر های زیر تعیین نمود:

  • کلاس لیزر: بر اساس استاندارد های بین‌المللی، لیزر ‌های مورد استفاده در سیستم های لیدار از نظر میزان خطر آنها برای چشم به کلاس های مختلفی تقسیم ‌بندی می شوند. بی‌ خطر ترین نوع لیزر، لیزر کلاس ۱ است. لیزر کلاس ۴ در فواصل بیش از ۳۰۰ متر برای چشم اپراتور خطری ندارد، اما در فاصله کمتر از ۵/۰ متر برای چشم غیر مسلح خطرناک است.
  • فرکانس پالس لیزر: تعداد اندازه گیری های لیزر اسکنر در هر ثانیه، فرکانس پالس لیزر را مشخص می کند. هرچه پالس های لیزر با فرکانس بالاتری ارسال شوند، سرعت عملیات نقشه برداری افزایش می یابد.
  • طول موج لیزر: بسته به نوع لیزر مورد استفاده در سیستم لیزر اسکنر، طول موج آن متفاوت خواهد بود. مقدار بازتاب پالس های ارسال شده به طول موج لیزر مورد استفاده در سنجنده بستگی دارد.
  • حالت شناسایی تارگت زمینی: سیستم های لیدار پس از ارسال هر پالس ، پالس های برگشتی به صورت منظم و به تعداد زیاد در سنجنده ثبت می شوند. برخورد پالس لیزر ارسالی با موانع زمینی، پالس های بازتابی را تحت تأثیر قرار می دهد به نحوی که ممکن است دو یا چند پالس بازتابی به سیستم لیزر اسکنر بازگردد. اغلب سیستم ها قادر به ثبت تمامی پالس های بازگشتی هستند که از آنها می توان در کاربردهای مختلفی استفاده کرد. به عنوان مثال در عملیات برداشت هوایی مناطق جنگلی، پالس لیزر قبل از رسیدن به سطح زمین به شاخه ها و برگ های درختان برخورد کرده و در نتیجه چندین پالس به سیستم باز می گردد. چنانچه در چنین شرایطی هدف اندازه گیری مدل ارتفاعی رقومی زمین باشد، فقط آخرین پالس بازگشتی می تواند متعلق به سطح زمین باشد چرا که فاصله سنجنده از سطح زمین بیشتر از فواصل آن از شاخه ها و برگ ها است و در نتیجه پالس بازتابی آن دیرتر در سنجنده ثبت می شود. در مقابل در تهیه نقشه های سه بعدی از مناطق شهری، ثبت اولین پالس بازگشتی حائز اهمیت است. در مناطق شهری لازم است که نقشه ساختمان ها و عوارض شهری به ثبت برسد و اهمیت ثبت اولین پالس بازتابی در این است که پالس های لیزری که به ساختمان ها برخورد می کنند، زودتر در لیزر اسکنر ثبت می شوند.
  • وزن: این پارامتر نشان دهنده وزن کل سیستم شامل اسکنر، سیستم GPS/INS و سیستم ثبت اطلاعات است.
  • ولتاژ: میزان برق مورد نیاز سیستم با استفاده از پارامتر ولتاژ بیان می شود.
  • جریان: حداکثر مقدار انرژی مصرفی کل سیستم با استفاده از پارامتر جریان نشان داده می شود.
  • زمان عملکرد: این پارامتر نشان دهنده بیشترین زمان کارکرد پیوسته سیستم لیدار با در نظر گرفتن بالاترین نرخ ثبت اطلاعات در سیستم است.
  • ارتفاع پرواز برای سیستم های هوابرد: حداقل و حداکثر فاصله سنجنده از تارگت های زمینی که توسط لیزر اسکنر اندازه گیری می شود، با استفاده از این پارامتر بیان می گردد.
  • واگرایی اشعه لیزر در سیستم های هوابرد: ابعاد امواج لیزر در روی زمین با ضرب کردن واگرایی آن در ارتفاع پرواز سنجنده محاسبه می شود. به عنوان مثال در فاصله ۱۰۰ متری از سطح زمین، واگرایی ۳ میلی رادیان معادل موجی ۳۰ سانتیمتری بر روی زمین است.
  • تعداد اسکن در ثانیه در سیستم های هوابرد: این پارامتر تعداد خطوط اسکن را در هر ثانیه مشخص می‌ کند. توان تفکیک مکانی سیستم لیدار با استفاده از پارامتر های تعداد اسکن، فرکانس پالس لیزر، سرعت هواپیما و ارتفاع پرواز مشخص می‌ شود.
  • زاویه اسکن در سیستم های هوابرد: با در نظر گرفتن زاویه اسکن و ارتفاع پرواز سنجنده، پهنای باند اسکن بر روی زمین مشخص می شود.
  • دقت ارتفاعی: مقدار دقت اسمی ادعا شده توسط کارخانه سازنده سیستم لیدار برای اندازه گیری مختصات ارتفاعی نقاط پس از انجام پردازش داده های خام جمع آوری شده است.
  • دقت مسطحاتی: مقدار دقت اسمی ادعا شده توسط شرکت سازنده سیستم لیدار برای اندازه گیری مختصات مسطحاتی نقاط پس از انجام پردازش داده های خام جمع آوری شده است.

سیستم­ های لیدار دارای کاربرد های گوناگونی در زمینه ­های مختلف هستند که از جمله آنها می­توان به موارد زیر اشاره کرد:

  • برداشت سطح زمین: سنجنده لیدار یک موج لیزر را به زمین ارسال می ­کند و موج بازگشتی دارای اطلاعاتی است که می ­توان از آن برای تهیه نقشه سه بعدی سطح زمین استفاده کرد.
  • تهیه نقشه­ های سه بعدی در مناطق شهری: وجود ساختمان­ هایی با ارتفاعات مختلف در مناطق شهری، تهیه نقشه­ های سه بعدی این مناطق را به امری سخت و طاقت­ فرسا تبدیل کرده است. هرچند که با استفاده از سنجنده­ های لیدار هوابرد، تهیه این نقشه­ ها به سادگی امکان­ پذیر شده است.
  • عمق یابی دریا ها: سنجنده­ های لیدار با ارسال موج به دریا و اندازه­ گیری اختلاف زمانی بین موج بازتابی از سطح آب و موج بازتابی از بستر دریا، عمق دریا ها را برآورد می ­کنند.
  • شناسایی معادن: از سیستم­ های لیدار می ­توان برای شناسایی معادن استفاده کرد. سیستم لیزری هوابرد شناسایی معدن (ALMDS: Airborne Laser Mine Detection System) یک سیستم لیدار است که بر مبنای لیزر پر انرژی سبز-آبی به شناسایی و طبقه­ بندی معادن واقع در نزدیکی بستر دریا می ­پردازد.

Fig 6new

شکل ۵: تهیه نقشه های سه بعدی در مناطق شهری با استفاده از سیستم های لیدار

Fig 7new

شکل ۶: تهیه نقشه های سه بعدی در مناطق جنگلی با استفاده از سیستم های لیدار

Fig 8

شکل ۷: شناسایی معادن با استفاده از ALMDS

 

 

منابع:

[۱]        Advanced Power Technologies, Inc, “Cascade Siskiyou National Monument  Hyperspectral Imagery/LIDAR Project “, 2002.

 

پاسخ دهید