لیدار توپوگرافیک (هوابرد) – Topographic Lidar

در یک سیستم ALS، زمان بازگشت یک پالس لیزر گسیل شده از سطوحی که بر روی زمین قرار دارند، محاسبه می شود تا فاصله بین نقطه گسیل (بر روی پلت فرم هوایی) از سطح زمین به دست آید. زمان رفت و برگشت پالس به وسیله آنالیز الکترونیکی نوع موج پالس برگشتی محاسبه می شود. اکنون فاصله از نقطه گسیل پالس تا سطح زمین با ضرب سرعت نور در نصف زمان رفت و برگشت بدست می آید. یک آرایه از اندازه گیری های فاصله، نوعاً خطی، “یک اسکن” نامیده می شود، زیرا فاصله و موقعیت گسیل های پالس و حالت (Attitude) خط دید در ALS مشخص است، به ترتیب GPS وIMU، موقعیت نقاط روی سطح زمین در یک قالب سه بعدی قابل تعیین خواهند بود. فواصل یک اسکن با نرخی بالاتر از KHz  اندازه گیری می شوند. آخرین مدل سیستم های کنونی قادر به اندازه گیری با نرخی در حدود KHz  می باشند.
فواصل بین نقاط، بستگی به نرخ اندازه گیری، زاویه اسکن، ارتفاع پرواز و سرعت هواپیما دارد. زاویه اسکن (زاویه حاصل از اسکن دو انتها) از   تا   تغییر می کند. ارتفاع پرواز معمولاً از 100 m تا 1Km تغییر می کند، اگر چه سیستم های جدید در ارتفاع های حدود 3Km نیز قابل استفاده می باشند. بنابراین، فواصل نقاط در هر جایی بین 0.1m تا 5m قابل تغییر است. چون عوارض روی زمین در ترکیب مواد و ارتفاع متفاوت می باشند، قدرت سیگنال پالس برگشتی (یعنی پژواک پالس گسیل شده) نیز ضبط می شود و امکان دریافت چندین انعکاس از یک پالس وجود دارد. اولین پالس منعکس شده به نظر می رسد که حاوی اطلاعاتی راجع به گیاهان در مقایسه با پالس برگشتی دوم می باشد. بنابراین، اولین بازگشت های پالس در تولید اورتوفوتو و کاربردهای جنگل داری و تعیین پوشش گیاهی استفاده می شوند در حالی که بازگشت های دوم برای اندازه گیری زمین لخت استفاده می شوند. همانگونه که نوع موج برگشتی برای اندازه گیری زمان بازگشت یک پالس استفاده می شود، اکثر سیستم ها از این مورد برای اندازه-گیری قدرت پالس برگشتی نیز استفاده می کنند.
مواد موجود بر روی سطح زمین خصوصیات طیفی متفاوتی دارند و به همین دلیل امکان بدست آوردن یک تصویر با قدرت تفکیک پایین از قدرت پالس برگشتی وجود دارد. نوعاً، تشعشع استفاده شده در Lidar در محدوده IR از طیف الکترومغناطیس است. بنابراین، موادی مانند گیاه، روشن به نظر می رسند، زمین و آسفالت تیره به نظر می آیند و آب با عمق زیاد تشعشع را جذب می کند. به همین دلیل برای کلاسه بندی تا حدودی می توان از بازتاب استفاده کرد. برخی سیستم های ALS در زمان اسکن کردن، تصویربرداری نیز می کنند. بنابراین، به هر نقطه می توان RGB مربوطه را نسبت داد. وقتی همه اسکن ها به هم پیوسته شدند ابری از نقاط در قالب سه بعدی بدست می آید که بزرگ و حجیم هستند، و اغلب شامل میلیون ها نقطه می باشند.

سیگنال لیزری در زمان ارسال به سمت زمین ممکن است با اشیای مختلفی برخورد کند. ممکن است قسمتی از سیگنال فرستاده شده، به پوشش گیاهی برخورد کند و به سمت گیرنده منعکس شود و توسط آن ثبت گردد و بخشی دیگر از آن به سطح زمین برخورد کند و بازتاب آن توسط گیرنده ثبت شود. علاوه بر این دو بازگشت، ممکن است که سیگنال لیزر به عوارض دیگری هم در بین این دو مسیر برخورد نماید و انعکاس آن توسط سنجنده ثبت شود. سیستم های امروزی قابلیت ثبت حداقل دو انعکاس مختلف برای هر سیگنال فرستاده شده را دارا می باشند که معمولاً به این انعکاس ها “پالس اولیه” (first pulse) و پالس ثانویه (last pulse) گفته می شود. این ویژگی، سیستم های LIDAR را از سیستم های معمول فتوگرامتری متمایز می کند؛ چرا که در مناطق پوشیده از گیاه علاوه بر مدل رقومی سطح منطقه، می توان به کمک پالس ثانویه و بسته به تراکم پوشش گیاهی، بخش زیادی از سطح زمین را نیز نمونه برداری نمود.

اطلاعاتی که توسط سیستم اندازه گیری طول LIDAR جمع آوری می شود، به صورت مختصات سه بعدی x,y,z می باشند. در سال های اخیر دو روش عمده به منظور افزودن قابلیت اندازه گیری اطلاعات رادیومتریک عوارض به داده های معمول ارتفاعی LIDAR مورد استفاده قرار گرفته است. یکی از این روش ها، ثبت قدرت سیگنال بازگشتی و دیگری استفاده از یک دوربین دیجیتال جهت تصویربرداری همزمان با نمونه برداری سیستم اسکن لیزری است که در زیر توضیح داده می شود.

اکثر سیستم های LIDAR امروزی علاوه بر اندازه گیری مختصات عوارض، قدرت سیگنال برگشتی را نیز ثبت می کنند. با ثبت قدرت سیگنال بازگشتی، علاوه بر اطلاعات هندسی، بخشی از خواص رادیومتریک عوارض موجود در منطقه نیز ثبت خواهد شد. داده های شدت (Intensity) سیستم های LIDAR، درجات خاکستری اشیا را ثبت نمی کنند. بلکه این داده ها قدرت لیزر دریافت شده توسط سنجنده هستند. یعنی عوارضی که لیزر را به نحو مشابهی منعکس می نمایند، در این تصاویر، دارای درجات خاکستری یکسان خواهند بود (در صورت یکسان بودن سایر شرایط فیزیکی). به عنوان مثال، آسفالت سقف ساختمان ها و آسفالت راه ها دارای انعکاس مشابهی بوده و در تصاویر شدت داده های LIDAR، به یک صورت ثبت می شوند. به این ترتیب قابلیت این داده ها جهت استفاده در روند تشخیص و جداسازی اشیا به نحو چشمگیری کاهش می یابد.

در این حالت، در هنگام پرواز یک دوربین رقومی با قدرت تفکیک بالا، همزمان با سیستم فاصله یاب لیزری، از منطقه تصویربرداری می نماید. این دوربین، توسط کارخانه سازنده، با سیستم فاصله یاب لیزری به صورت مکانی و زمانی رجیستر می شود. به این ترتیب در کنار داده های ساختاری و هندسی LIDAR می توان از داده های دوربین رقومی برای استخراج بافت و خصوصیات رادیومتری عوارض استفاده نمود.
برخی از شرکت های تولیدکننده لیدار توپوگرافی سنجنده هایی تولید نموده اند که با استفاده از پالس لیزری و سیستم اپتومکانیکی برداشت نقاط موازی جهت دار را انجام می دهد. سیستم آنقدر توانایی و قدرت دارد که هم برروی هواپیما و هم بر روی هلیکوپتر نصب شود. این نوع سیستم ترکیب خوبی از یک سیستم با قابلیت های زاویه برداشت با باز وسیع، بیشترین فاصله سنجی ممکن، دقت بالا و نور لیزری باریک را ارائه می کند. قابلیت برداشت حداکثر 4 برگشت را از عوارض با قابلیت نفوذ بالا داشته و اندازه نقطه برداشت زمینی در فواصل مختلف بصورت 26.5 سانتی متر در 100 متر، 52.5 در 200 متر، 105 در 400 متر و 157 در 600 متر است.
همچنین در برخی محصولات دیگر این سنجنده سبک بوده و قابلیت  حذف تکان های شدید را داشته و بر روی هلیکوپتر و هواپیماهای بدون سرنشین می تواند نصب شود. این نوع سنجنده مناسب برای برداشت عوارض با برگشت پایین مثل مسیر کابلهای خطوط انتقال برق فشار قوی بوده و علاوه بر نصب بر روی اشیا پرنده بر روی وسایل نقلیه زمینی هم قابل نصب است. برخی دیگر از محصولات قابلیت برداشت در ارتفاع بسیار بالای 4 کیلومتری را دارد و همچنین در سرعت بسیار بالای برداشت با سرعت 167 کیلو هرتز سیستم هدایت پرواز  Nav-Flight Management System برای تعیین مسیر پرواز، تعیین هزینه بهینه و کنترل کیفیت داده های لیدار می باشد. این تکنولوژی ضمن کاهش هزینه های برداشت، برنامه ریزی پرواز، بررسی همپوشانی بین برداشتها و تولید اتوماتیک مسیر پرواز با استفاده از پارامترهای نقشه برداری را مهیا می نماید.

 شکل 7- لیدار توپوگرافی (هوابرد)