کاربردهای LiDAR در مهندسی ژئوماتیک

اطلاعات توپوگرافی مانند نقشه و مدل رقومی زمین یکی از نیازهای اساسی بسیاری از علوم و افرادی است که در زمینه هایی مانند مدیریت شهری، مدیریت و طراحی انتقال نیرو، احداث راه ها و بزرگراه ها، مدیریت سواحل و منابع آبی و … به فعالیت می پردازند (Yong Hu,2003). هر کدام از این زمینه ها به نحوی و در سطح دقت خاصی با اطلاعات مربوط به وضعیت سطح سروکار دارند.

Digital Terrain Model = DTM = مدل رقومی زمین

جامعه ژئوماتیک به عنوان اصلی ترین مرجع در زمینه برداشت و ارائه اطلاعات توپوگرافی از تغییرات و پیشرفت های علوم مختلف برای بهینه سازی روند تولید اطلاعات توپوگرافی استفاده کرده است و در این راستا، به سمت روش هایی سوق پیدا می کند که اطلاعات موردنیاز را دقیق تر، سریعتر و ارزانتر فراهم نماید. فرآیند تولید اطلاعات توپوگرافی در سه دهه اخیر، شاهد حرکت تکنولوژی تهیه داده ها، از نقشه برداری سنتی و زمینی به سمت روشهای غیر فعال اندازه گیری و ثبت سطوح (مانند فتوگرامتری و سنجش از دور) و اخیراً به سمت روشهای فعال (مانند رادار و LiDAR) بوده است.

Passive = غیر فعال

Active = فعال

Light Detection And Ranging = LiDAR

LiDAR، یک تکنولوژی نسبتاً جدید و رو به رشدی است که امکان ایجاد DSM (مدل رقومی سطح زمین) را با سرعت بالاتر و با دقت قابل مقایسه با روشهای سنتی نقشه برداری و فتوگرامتری فراهم می سازد (Fowler,2001; Flood, 2001). با توجه به پیشرفت های اخیر در توانائیهای سیستم های  LiDAR و گسترش روزافزون روند بکارگیری اطلاعات قابل جمع آوری در این سیستم ها در کشورهای مختلف، به نظر می رسد علوم مهندسی ژئوماتیک بطور اعم و فتوگرامتری بطور اخص در سالهای آینده شاهد تحولات بنیادی در خصوص بکارگیری این تکنولوژی خواهد بود. جهت آشنایی بیشتر در ادامه به مروری بر بعضی از کاربردهای این سیستم خواهیم پرداخت.

Digital Surface Model = DSM = مدل رقومی سطح

تهیه مدل سه بعدی شهرها

یکی از کاربردهای LiDAR این است که از داده های LiDAR می توان برای تولید مدل رقومی سه بعدی شهرها با دقت بالا استفاده نمود. ارتفاع و موقعیت نقاط روی ساختمان ها و زمین با دقت اندازه گیری می شوند. مدل سه بعدی شهرها می توانند به عنوان مبنای خوبی جهت طراحی و تصمیم گیری های شهری مورد استفاده قرار گیرد. برخی از کاربردهای مدل سه بعدی شهرها عبارتند از:

• تهیه نقشه های ساختمان ها و ارتفاع آنها
• مشخص کردن موقعیت درختان و کنترل آنها
• طراحی شبکه های رادیویی
• توریسم
• شبیه سازی جریانهای آب های سطحی
• ادغام با اطلاعات ژئو-رفرنس شده و استفاده در GIS

تصاویر حاصل از داده های Courtesy of NRSC – LiDAR

مدیریت جنگل

جمع آوری اطلاعات به روز و دقیق برای مدیریت جنگل ها، طراحان و تصمیم گیرندگان در این زمینه روز به روز حیاتی تر می شود. در گذشته این اطلاعات از طریق نقشه برداری زمینی و یا برونیابی داده های موجود و یا مشاهدات انجام گرفته از منطقه انجام می شد. این روش ها از نظر اقتصادی و زمانی مقرون به صرفه نیستند و از طرفی دیگر با توجه به ابعاد جنگل، میزان خطا در آنها می تواند زیاد باشد. با پیشرفت تکنولوژی، استفاده از عکس های هوائی و ماهواره ای برای این منظور گسترش یافت. ولی این تکنولوژی ها جوابگوی نیازهای این بخش نیست. خصوصاً در مواردی که پوشش گیاهی متراکم باشد، استفاده از این تکنولوژی ها با مشکلات بیشتری مواجه خواهیم شد.

تصویر رنگی و مدل ارتفاعی ۳ بعدی

اطلاعات بدست آمده توسط LiDAR در زمینه مدیریت جنگل ها، می تواند زمینه های زیر به کار گرفته شود:

• مدیریت و مراقبت از جنگل ها
• طراحی و بهینه سازی راه های ارتباطی
• مبنای تصمیم گیری های مربوط به  آبیاری
• ارزیابی روند فرسایش
• تعیین میزان رشد درختها و تعیین زمان تهیه الوار
• طراحی پروژه های آتی
• دسته بندی درختان میوه مخروطی و درختان همیشه سبز

مدل سطح فوقانی جنگل، تهیه شده توسط اطلاعات LiDAR

محافظت از سواحل

محافظت از جان انسانها، اموال و تجهیزات آنها و محیط زیست در برابر سیل و پیشروی های ناگهانی دریاها از مهمترین امور در محافظت از سواحل است. در اثر عدم حفاظت از سواحل در مقابل حوادثی چون فشار طبیعی نیروی امواج دریاها، باد و باران بسیاری از سواحل در معرض فرسایش قرار دارند. ساخت سد و آب بندها وسیله ای جهت محافظت انسانها و تجهیزات در مقابل فرسایش سواحل و از دست دادن زمین و زیرساخت ها و مزارع کشاورزی است. از آنجائیکه نواحی ساحلی از نظر زیست محیطی بسیار حساس و از نظر اقتصادی بسیار مهم هستند و این نواحی هر روز در معرض خطر پیشروی دریاها هستند،‌ اندازه گیری ها  و معیارهای مهمی برای محافظت از آنها لازم می باشد.

مدل ارتفاعی رقومی

(© Aerodata International Surveys, Belgium, TopoSys GmbH)

برخی از کاربردهای اسکنرهای لیزری در این بخش عبارتند از:

• ثبت و نمایش سواحل
• کنترل آب پشت سدها و آب بندها
• طراحی و مدیریت آب بندها و سیستم محافظت از سواحل
• شبیه سازی سطح آب در روند جذر و مد
• مشخص کردن نواحی در معرض خطر در جریان پیشروی آب دریاها
• مکانیابی صخره های در معرض فرسایش و رسوبات آبرفتی
• محاسبه حجم فرسایش و مواد انباشته شده در اثر آن
• مشخص کردن مرزهای ساحلی
• تشخیص میزان تغییرات با استفاده از اطلاعات برداشت شده در زمانهای مختلف

مدل ارتفاعی ساحلی

 (© Aerodata International Surveys, Belgium, TopoSys GmbH)

باستان شناسی

جمع آوری داده های مربوط به اماکن باستانی و به روز بودن آنها، مبنای بسیاری از تحقیقات و کارهای اجرائی در زمینه باستان شناسی است. تهیه اطلاعات جزئی و دقیق از مراحل مختلف حفاری و ثبت جزئیات آثار به دست آمده، یکی از کارهای اساسی و مهم در این زمینه است. ولی انجام این کارها بوسیله روش های معمول بسیار زمان بر است. در مقایسه با سایر روشها، LiDAR توانائی ثبت انواع داده های باستانی را با سرعت بسیار بالاتر و با دقت بسیار بالا دارد. حتی کوچکترین ارتفاعات و عوارضی که بر روی زمین قابل شناسائی نیست هم با دقت برداشت می شود و می تواند در مدل سه بعدی و مدل ارتفاعی به نحو خوبی نمایش داده شود.

  برخی کاربردهای تکنولوژی اسکن لیزری در زمینه حفظ و نگهداری آثار باستانی عبارتند از:

• ثبت بناها و تجهیزات باستانی و استحکامات بجا مانده از دوران کهن
• تحقیقات سیستماتیک بر روی بناهای تاریخی و حفاری ها
• بازسازی منظر در شرایط معکوس
• ترکیب با داده های زمین مرجع باستان شناسی و استفاده در GIS
• ایجاد مبنا برای کارهای کارتوگرافی و طراحی

مدل سه بعدی ارتفاعی منطقه ای مربوط به رم باستان- اتریش

(© Wasserstraßendirektion Wien, Austria, TopoSys GmbH)

ثبت عوارض خطی

یکی دیگر از کاربردهای LiDAR برداشت عوارض خطی مانند خطوط انتقال نیرو، راه و … است. در این حالت با یک پرواز، کابل های انتقال برق، موقیت برج ها، سطح زمین، گیاهان و سایر عوارض همجوار با عارضه خطی ثبت می شوند.

نمای ۳ بعدی توده نقاط جمع آوری شده در محدوده خطوط انتقال برق

برخی از کاربردها در این زمینه عبارتند از:

• تهیه نقشه و نمایش عوارض خطی مانند کابل های انتقال نیرو و سایر عوارض هم جوار آن
• طراحی، تنظیم و نگهداری شبکه های هوائی
• برداری کردن (Vectorization) خطوط
• طراحی شبکه های آبرسانی
• راه آهن و جاده
• مشخص کردن نقاط کناری برج ها
• تعیین انحنای کابل های انتقال نیرو
• تعیین فاصله بین گیاهان و خطوط انتقال نیرو

شبیه سازی طغیان رودخانه ها و سیل

بالا آمدن آب رودخانه ها، یک پدیده طبیعی است که در اثر تداوم بارش باران یا آب شدن برف و یخ، ممکن است به طغیان رودخانه ها منجر شود. از آنجائیکه دشت های سیلابی معمولاً به دلیل حاصلخیزی زمین و سایر ملاحظات اقتصادی، مملو از جمعیت هستند، طغیان رودخانه ها می تواند سبب ایجاد خسارات مالی و جانی گردد. کنترل این جریانهای قوی آب معمولاً بوسیله روش هایی مثل احداث سد، هدایت آب به سمت دریاچه ها و آبگیر ها و … صورت می گیرد. در این بین روشهای زیست محیطی بیشتر بر روشهای طبیعی نگهداری و کنترل آب، تأکید دارند. پیش بینی و شبیه سازی بالا آمدن سطح آب، امکان تشخیص مناطق در معرض خطر در هر سطح را فراهم می کند. مدل رقومی تهیه شده توسط اسکنرهای لیزری، می تواند مبنا و اساس خوبی برای تشخیص مناطق در معرض خطر و اقدامات پیشگیرانه باشد.

پیش بینی وضعیت مناطق اطراف یک رودخانه با بالا آمدن آب در سطوح مختلف

برخی از کاربردهای اسکنرهای لیزری در این زمینه عبارتند از:

• محاسبات شبیه سازی ۱بعدی و ۲بعدی هیدرولیکی
• مشخص کردن نواحی در معرض خطر طغیان
• تولید نقشه های طغیان و مدیریت آن
• تولید نقشه های مبنا برای کنترل حوادث غیرمترقبه مانند سیل
• ثبت کانال های زه کشی
• اندازه گیری سطوح آب

مدل رقومی سطح زمین

به عنوان آخرین مورد از کاربردهای LiDAR و برای تولید نقشه های توپوگرافی، عوارض روی سطح مانند درختان و ساختمان ها باید از سطح مدل رقومی حذف گردند. برای اینکار با استفاده از انواع روشهای فیلترسازی عوارض تشخیص داده شده و حذف می گردند. به این ترتیب مدل رقومی زمین استخراج می شود. اتوماتیک بودن بالای روشهای فیلترسازی داده های LiDAR در این زمینه، آن را از سایر تکنولوژی ها متمایز می سازد.

تهیه مدل رقومی سطح زمین از مدل رقومی ارتفاعی

---

منبع:

ارزیابی جامع تئوری و کاربردی توانائیهای داده های LiDAR در تولید اطلاعات مکانی سه بعدی- صمدزادگان-فرهاد