Lidar -Lidar

Lidarowy obraz grupy Marching Bears Mound Group, pomnik narodowy Effigy Mounds .
FASOR używany w zakresie optycznym Starfire do eksperymentów z lidarem i gwiazdami prowadzącymi laserem jest dostrojony do linii sodu D2a i używany do wzbudzania atomów sodu w górnych warstwach atmosfery .
Ten lidar może być używany do skanowania budynków, formacji skalnych itp. w celu stworzenia modelu 3D. Lidar może kierować wiązkę lasera w szerokim zakresie: jego głowica obraca się poziomo; lustro przechyla się w pionie. Wiązka laserowa służy do pomiaru odległości do pierwszego obiektu na jego drodze.
Samolot zbierający dane o koronach drzew nad brazylijskim lasem deszczowym.
W tym widoku widz leci w dół do baldachimu lasu deszczowego i przelatuje przez wirtualne liście.
Ta wizualizacja przedstawia samolot zbierający 50-kilometrowy pas danych lidarowych nad brazylijskim lasem deszczowym. W przypadku obiektów na poziomie gruntu kolory wahają się od głębokiego brązu do brązu. Wysokości roślinności przedstawiono w odcieniach zieleni, gdzie ciemna zieleń jest najbliżej ziemi, a jasna zieleń jest najwyższa.

Lidar ( / ˈ l d ɑːr / , również LIDAR lub LiDAR ; czasami LADAR ) to metoda określania odległości (zmiennej odległości) poprzez namierzenie obiektu za pomocą lasera i pomiar czasu powrotu odbitego światła do odbiornika. Lidar może być również używany do tworzenia cyfrowych reprezentacji 3D obszarów na powierzchni Ziemi i dnie oceanu, ze względu na różnice w czasie powrotu lasera i różne długości fal lasera. Posiada aplikacje naziemne, lotnicze i mobilne.

Lidar to akronim od „wykrywania światła i określania odległości” lub „obrazowania laserowego, wykrywania i określania odległości”. Lidar czasami nazywany jest skanowaniem laserowym 3D , specjalną kombinacją skanowania 3D i skanowania laserowego .

Lidar jest powszechnie używany do tworzenia map o wysokiej rozdzielczości, do zastosowań w geodezji , geodezji , geomatyce , archeologii , geografii , geologii , geomorfologii , sejsmologii , leśnictwie , fizyce atmosfery , naprowadzaniu laserowym, mapowaniu laserowym w powietrzu (ALSM) i altimetrii laserowej . Technologia ta jest również wykorzystywana w sterowaniu i nawigacji niektórych autonomicznych samochodów oraz śmigłowca Ingenuity podczas jego rekordowych lotów nad terenem Marsa .

Historia i etymologia

Pod kierownictwem Malcolma Stitcha firma Hughes Aircraft Company wprowadziła pierwszy system podobny do lidaru w 1961 roku, wkrótce po wynalezieniu lasera. Przeznaczony do śledzenia satelitarnego, system ten połączył obrazowanie skupione na laserze z możliwością obliczania odległości poprzez pomiar czasu powrotu sygnału za pomocą odpowiednich czujników i elektroniki akwizycji danych. Pierwotnie nazywano go „Colidar” od skrótu „spójne wykrywanie i zasięg światła”, wywodzącego się od terminu „ radar ”, który sam jest akronimem oznaczającym „wykrywanie i zasięg radiowy”. Wszystkie dalmierze laserowe, wysokościomierze laserowe i jednostki lidarowe pochodzą z wczesnych systemów Colidar. Pierwszym praktycznym naziemnym zastosowaniem systemu colidar był „Colidar Mark II”, duży dalmierz laserowy podobny do karabinu wyprodukowany w 1963 roku, który miał zasięg 7 mil i dokładność 15 stóp, przeznaczony do celów wojskowych. Pierwsza wzmianka o lidar jako samodzielnym słowie w 1963 sugeruje, że powstał on jako połączenie „ światła ” i „radaru”: „W końcu laser może zapewnić niezwykle czuły detektor określonych długości fal z odległych obiektów. używany do badania księżyca za pomocą „lidaru” (radar świetlny)…” Nazwa „ radar fotoniczny ” jest czasami używana w celu określenia zasięgu w zakresie widzialnym, jak lidar.

Pierwsze zastosowania Lidara dotyczyły meteorologii, do której Narodowe Centrum Badań Atmosferycznych używało go do pomiaru chmur i zanieczyszczeń. Opinia publiczna dowiedziała się o dokładności i użyteczności systemów lidarowych w 1971 roku podczas misji Apollo 15 , kiedy astronauci użyli wysokościomierza laserowego do mapowania powierzchni Księżyca. Chociaż język angielski nie traktuje już słowa „radar” jako akronimu (tzn. nie pisanego wielką literą), słowo „lidar” było pisane wielką literą jako „LIDAR” lub „LiDAR” w niektórych publikacjach, począwszy od lat 80. XX wieku. Nie ma konsensusu w sprawie kapitalizacji. Różne publikacje określają lidar jako „LIDAR”, „LiDAR”, „LIDaR” lub „Lidar”. USGS używa zarówno „ LIDAR”, jak i „lidar”, czasami w tym samym dokumencie; New York Times używa głównie „lidaru” w artykułach pisanych przez pracowników, chociaż przesyłające wiadomości, takie jak Reuters, mogą używać Lidara.

Ogólny opis

Lidar używa światła ultrafioletowego , widzialnego lub bliskiej podczerwieni do obrazowania obiektów. Może celować w szeroką gamę materiałów, w tym obiekty niemetaliczne, skały, deszcz, związki chemiczne, aerozole , chmury, a nawet pojedyncze cząsteczki . Wąska wiązka lasera może odwzorować cechy fizyczne z bardzo wysoką rozdzielczością ; na przykład samolot może mapować teren z rozdzielczością 30 centymetrów (12 cali) lub lepszą.

Podstawowe zasady time-of-flight stosowane do dalmierza laserowego
Latanie nad brazylijską Amazonką z instrumentem LIDAR.
Animacja satelity zbierającego cyfrowe mapy wysokościowe nad dorzeczem Gangesu i Brahmaputry za pomocą lidaru.

Zasadnicza koncepcja lidaru została zapoczątkowana przez EH Synge w 1930 roku, który przewidział użycie potężnych reflektorów do badania atmosfery. Rzeczywiście, lidar był od tego czasu szeroko stosowany w badaniach atmosferycznych i meteorologii . Przyrządy Lidar zamontowane na samolotach i satelitach przeprowadzają pomiary i mapowanie – najnowszym przykładem jest US Geological Survey Experimental Advanced Airborne Research Lidar. NASA zidentyfikowała lidar jako kluczową technologię umożliwiającą autonomiczne precyzyjne i bezpieczne lądowanie przyszłych zrobotyzowanych i załogowych pojazdów lądujących na Księżycu.

Długości fal różnią się w zależności od celu: od około 10 mikrometrów ( podczerwień ) do około 250 nm ( UV ). Zazwyczaj światło jest odbijane przez rozproszenie wsteczne , w przeciwieństwie do czystego odbicia, które można znaleźć w lustrze. W różnych zastosowaniach lidarowych wykorzystywane są różne typy rozpraszania: najczęściej rozpraszanie Rayleigha , rozpraszanie Mie , rozpraszanie Ramana i fluorescencja . Odpowiednie kombinacje długości fal mogą pozwolić na zdalne mapowanie zawartości atmosferycznej poprzez identyfikację zależnych od długości fali zmian intensywności zwróconego sygnału. Nazwa „radar fotoniczny” jest czasami używana w celu określenia zasięgu w zakresie widzialnym, jak lidar, chociaż radar fotoniczny ściślej odnosi się do znajdowania zasięgu na częstotliwościach radiowych przy użyciu elementów fotonicznych .

Technologia

Projekt

Kliknij obrazek, aby zobaczyć animację. Podstawowy system lidarowy składa się z dalmierza laserowego odbijanego przez obracające się lustro (góra). Laser jest skanowany wokół digitalizowanej sceny, w jednym lub dwóch wymiarach (w środku), zbierając pomiary odległości w określonych odstępach kątowych (na dole).

Dwa rodzaje schematów wykrywania lidaru to „niekoherentna” lub bezpośrednia detekcja energii (która głównie mierzy zmiany amplitudy odbitego światła) i detekcja koherentna (najlepsza do pomiaru przesunięć Dopplera lub zmian fazy odbitego światła). Systemy koherentne zazwyczaj wykorzystują optyczną detekcję heterodynową . Jest to bardziej czułe niż detekcja bezpośrednia i pozwala im działać przy znacznie mniejszej mocy, ale wymaga bardziej złożonych nadajników-odbiorników.

Oba typy wykorzystują modele impulsowe: albo mikroimpulsowe, albo wysokoenergetyczne . Systemy mikroimpulsowe wykorzystują przerywane impulsy energii. Zostały opracowane w wyniku stale rosnącej mocy komputerów w połączeniu z postępem w technologii laserowej. Zużywają znacznie mniej energii w laserze, zwykle rzędu jednego mikrodżula i często są „bezpieczne dla oczu”, co oznacza, że ​​można ich używać bez środków bezpieczeństwa. Systemy dużej mocy są powszechne w badaniach atmosfery, gdzie są szeroko stosowane do pomiaru parametrów atmosferycznych: wysokości, uwarstwienia i gęstości chmur, właściwości cząstek chmur ( współczynnik ekstynkcji , współczynnik rozproszenia wstecznego, depolaryzacja ), temperatury, ciśnienia, wiatru, wilgotności, oraz śladowe stężenie gazów (ozon, metan, podtlenek azotu itp.).

składniki

Systemy Lidar składają się z kilku głównych komponentów.

Laser

Lasery 600–1000 nm są najczęściej stosowane w zastosowaniach nienaukowych. Maksymalna moc lasera jest ograniczona lub stosuje się system automatycznego wyłączania, który wyłącza laser na określonych wysokościach, aby był bezpieczny dla oczu osób przebywających na ziemi.

Jedna powszechna alternatywa, lasery 1550 nm, są bezpieczne dla oczu przy stosunkowo wysokich poziomach mocy, ponieważ ta długość fali nie jest silnie pochłaniana przez oko, ale technologia detektora jest mniej zaawansowana, a zatem te długości fal są zwykle używane w dłuższych zakresach z niższą dokładnością. Są również wykorzystywane do zastosowań wojskowych, ponieważ 1550 nm nie jest widoczne w goglach noktowizyjnych , w przeciwieństwie do krótszego lasera na podczerwień 1000 nm.

Powietrzne lidary do mapowania topograficznego zazwyczaj wykorzystują lasery YAG pompowane diodą 1064 nm, podczas gdy systemy batymetryczne (badania głębinowe) zazwyczaj wykorzystują lasery YAG pompowane diodą o podwójnej częstotliwości 532 nm, ponieważ 532 nm penetruje wodę ze znacznie mniejszym tłumieniem niż 1064 nm. Ustawienia lasera obejmują częstotliwość powtarzania lasera (która kontroluje prędkość zbierania danych). Długość impulsu jest ogólnie atrybutem długości wnęki lasera, liczby przejść wymaganych przez materiał wzmacniający (YAG, YLF itp.) oraz szybkości Q-switch (pulsowania). Lepszą rozdzielczość celu uzyskuje się przy krótszych impulsach, pod warunkiem, że detektory i elektronika odbiornika lidarowego mają wystarczającą przepustowość.

Tablice fazowe

Układ fazowany może oświetlać dowolny kierunek za pomocą mikroskopowej matrycy pojedynczych anten. Sterowanie czasem (fazą) każdej anteny steruje spójnym sygnałem w określonym kierunku.

Macierze fazowe są stosowane w radarach od lat 40. XX wieku. Ta sama technika może być stosowana ze światłem. Używa się około miliona anten optycznych, aby zobaczyć charakterystykę promieniowania o określonej wielkości w określonym kierunku. System jest kontrolowany przez precyzyjne synchronizowanie błysku. Pojedynczy chip (lub kilka) zastępuje system elektromechaniczny o wartości 75 000 USD, co drastycznie obniża koszty.

Kilka firm pracuje nad rozwojem komercyjnych jednostek półprzewodnikowych, w tym firma Quanergy , która projektuje urządzenie półprzewodnikowe 905 nm, chociaż wydaje się, że mają pewne problemy w rozwoju.

System sterowania może zmienić kształt obiektywu, aby włączyć funkcje powiększania/pomniejszania. Określone podstrefy mogą być kierowane w odstępach poniżej sekundy.

Lidar elektromechaniczny wytrzymuje od 1000 do 2000 godzin. Natomiast lidar półprzewodnikowy może działać przez 100 000 godzin.

Maszyny mikroelektromechaniczne

Lusterka mikroelektromechaniczne (MEMS) nie są całkowicie półprzewodnikowe. Jednak ich niewielki rozmiar zapewnia wiele takich samych korzyści kosztowych. Pojedynczy laser jest kierowany na pojedyncze lustro, które można przeorientować, aby zobaczyć dowolną część pola docelowego. Lustro obraca się w szybkim tempie. Jednak systemy MEMS na ogół działają w jednej płaszczyźnie (od lewej do prawej). Aby dodać drugi wymiar, zazwyczaj potrzebne jest drugie lustro, które porusza się w górę iw dół. Alternatywnie inny laser może uderzyć w to samo lustro pod innym kątem. Systemy MEMS mogą zostać zakłócone przez wstrząsy/wibracje i mogą wymagać powtórnej kalibracji. Celem jest stworzenie małego mikroczipa, aby zwiększyć innowacyjność i dalszy postęp technologiczny.

Skaner i optyka

Szybkość wywoływania obrazu zależy od szybkości skanowania. Opcje skanowania azymutu i elewacji obejmują podwójne oscylujące zwierciadła płaskie, połączenie z lustrem wielokątnym i skaner dwuosiowy . Wybór optyki wpływa na rozdzielczość kątową i zakres, który można wykryć. Lustro otworowe lub rozdzielacz wiązki to opcje odbioru sygnału zwrotnego.

Fotodetektor i elektronika odbiornika

W lidarze stosowane są dwie główne technologie fotodetektorów : fotodetektory półprzewodnikowe , takie jak krzemowe fotodiody lawinowe lub fotopowielacze . Czułość odbiornika to kolejny parametr, który należy zrównoważyć w konstrukcji lidarowej.

Systemy pozycjonowania i nawigacji

Czujniki lidarowe montowane na platformach mobilnych, takich jak samoloty lub satelity, wymagają oprzyrządowania do określenia bezwzględnej pozycji i orientacji czujnika. Takie urządzenia zazwyczaj obejmują odbiornik Globalnego Systemu Pozycjonowania i bezwładnościową jednostkę pomiarową (IMU).

Czujnik

Lidar wykorzystuje aktywne czujniki, które dostarczają własne źródło oświetlenia. Źródło energii uderza w przedmioty, a odbita energia jest wykrywana i mierzona przez czujniki. Odległość do obiektu określa się, rejestrując czas między impulsami transmitowanymi i wstecznie rozproszonymi oraz wykorzystując prędkość światła do obliczenia przebytej odległości. Lampa błyskowa LIDAR umożliwia obrazowanie 3D ze względu na zdolność aparatu do emitowania większego błysku i wyczuwania relacji przestrzennych i wymiarów obszaru zainteresowania ze zwróconą energią. Pozwala to na dokładniejsze obrazowanie, ponieważ przechwycone klatki nie muszą być ze sobą łączone, a system nie jest wrażliwy na ruch platformy. Powoduje to mniej zniekształceń.

Obrazowanie 3D można uzyskać zarówno przy użyciu systemów skanujących, jak i nieskanujących. „Laserowy radar z bramką 3-D” to nieskanujący laserowy system dalmierzy, który wykorzystuje laser impulsowy i szybko bramkowaną kamerę. Rozpoczęto badania nad wirtualnym sterowaniem wiązką przy użyciu technologii cyfrowego przetwarzania światła (DLP).

Lidar obrazowania można również wykonać przy użyciu matryc detektorów o dużej szybkości i matryc detektorów wrażliwych na modulację, zwykle zbudowanych na pojedynczych chipach przy użyciu technik wytwarzania komplementarnych półprzewodników z tlenkiem metali (CMOS) i hybrydowych układów CMOS/układów ze sprzężeniem ładunkowym (CCD). W tych urządzeniach każdy piksel wykonuje pewne lokalne przetwarzanie, takie jak demodulacja lub bramkowanie z dużą prędkością, konwertując sygnały w dół do szybkości wideo, dzięki czemu tablicę można odczytać jak kamera. Stosując tę ​​technikę można jednocześnie pozyskać wiele tysięcy pikseli/kanałów. Kamery lidarowe 3D o wysokiej rozdzielczości wykorzystują detekcję homodynową z elektroniczną migawką CCD lub CMOS .

Spójny lidar obrazowania wykorzystuje wykrywanie heterodynowej matrycy syntetycznej, aby umożliwić wpatrującemu się odbiornikowi jednoelementowemu działanie tak, jakby był to macierz obrazowania.

W 2014 r. Lincoln Laboratory ogłosiło nowy chip obrazowania z ponad 16 384 pikselami, z których każdy jest w stanie zobrazować pojedynczy foton, umożliwiając uchwycenie szerokiego obszaru na jednym obrazie. Wcześniejsza generacja technologii z jedną czwartą liczby pikseli została wysłana przez wojsko USA po trzęsieniu ziemi na Haiti w styczniu 2010 roku. Pojedyncze przeloty biznesowego odrzutowca na wysokości 3000 metrów nad Port-au-Prince pozwoliły na uchwycenie natychmiastowych migawek 600-metrowych kwadratów miasta w rozdzielczości 30 centymetrów (12 cali), wyświetlając dokładną wysokość gruzu porozrzucanego po ulicach miasta. Nowy system jest dziesięć razy lepszy i może szybciej tworzyć znacznie większe mapy. Chip wykorzystuje arsenek indowo -galowy (InGaAs), który działa w widmie podczerwieni przy stosunkowo długiej długości fali, co pozwala uzyskać wyższą moc i większy zasięg. W wielu zastosowaniach, takich jak autonomiczne samochody, nowy system obniży koszty, ponieważ nie będzie wymagał elementu mechanicznego do wycelowania chipa. InGaAs wykorzystuje mniej niebezpieczne długości fal niż konwencjonalne detektory krzemowe, które działają na wizualnych długościach fal.

Flash Lidar

W lampie błyskowej całe pole widzenia jest oświetlane szeroką, rozbieżną wiązką laserową w jednym impulsie. Jest to w przeciwieństwie do konwencjonalnego lidaru skanującego, który wykorzystuje skolimowaną wiązkę laserową, która oświetla pojedynczy punkt na raz, a wiązka jest skanowana rastrowo , aby oświetlić pole widzenia punkt po punkcie. Ta metoda oświetlenia wymaga również innego schematu wykrywania. Zarówno w skanowaniu, jak i flashowym lidarze, kamera czasu przelotu jest używana do zbierania informacji o zarówno lokalizacji 3D, jak i intensywności padającego na nią światła w każdej klatce. Jednak w lidarze skanującym ten aparat zawiera tylko czujnik punktowy, podczas gdy w lidarze błyskowym aparat zawiera matrycę czujników 1-D lub 2-D , z których każdy piksel zbiera informacje o lokalizacji i intensywności 3D. W obu przypadkach informacja o głębokości jest zbierana z wykorzystaniem czasu przelotu impulsu laserowego (tj. czasu, jaki zajmuje każdemu impulsowi laserowemu trafienie w cel i powrót do czujnika), co wymaga pulsowania lasera i akwizycji przez kamera do synchronizacji. Rezultatem jest aparat, który robi zdjęcia z daleka, a nie kolorów. Flash lidar jest szczególnie korzystny w porównaniu z lidarem skanującym, gdy kamera, scena lub obie są w ruchu, ponieważ cała scena jest oświetlona w tym samym czasie. W przypadku lidaru skanującego ruch może powodować „drgania” wynikające z upływu czasu, gdy laser rastruje scenę.

Podobnie jak w przypadku wszystkich form lidar, wbudowane źródło oświetlenia sprawia, że ​​flash lidar jest aktywnym czujnikiem. Zwracany sygnał jest przetwarzany przez wbudowane algorytmy w celu uzyskania niemal natychmiastowego trójwymiarowego renderowania obiektów i cech terenu w polu widzenia czujnika. Częstotliwość powtarzania impulsów lasera jest wystarczająca do generowania filmów 3D o wysokiej rozdzielczości i dokładności. Wysoka częstotliwość odświeżania czujnika sprawia, że ​​jest on użytecznym narzędziem do różnych zastosowań, które korzystają z wizualizacji w czasie rzeczywistym, takich jak wysoce precyzyjne operacje zdalnego lądowania. Dzięki natychmiastowemu zwróceniu siatki 3D wysokości docelowych krajobrazów, czujnik błysku może być użyty do identyfikacji optymalnych stref lądowania w scenariuszach lądowania autonomicznych statków kosmicznych.

Widzenie na odległość wymaga silnego rozbłysku światła. Moc jest ograniczona do poziomów, które nie uszkadzają ludzkiej siatkówki. Długości fal nie mogą wpływać na ludzkie oczy. Jednak tanie urządzenia do obrazowania krzemowego nie odczytują światła w widmie bezpiecznym dla oczu. Zamiast tego wymagane są aparaty do obrazowania z arsenkiem galu , które mogą zwiększyć koszty do 200 000 USD. Arsenek galu to ten sam związek, który jest używany do produkcji kosztownych, wysokowydajnych paneli słonecznych zwykle używanych w zastosowaniach kosmicznych

Klasyfikacja

Na podstawie orientacji

Lidar może być zorientowany na nadir , zenit lub bocznie . Na przykład, wysokościomierze lidarowe spoglądają w dół, lidar atmosferyczny spogląda w górę, a oparte na lidarach systemy unikania kolizji są skierowane z boku.

W oparciu o mechanizm skanowania

Laserowe projekcje lidarów można manipulować przy użyciu różnych metod i mechanizmów, aby uzyskać efekt skanowania: standardowy typ wrzeciona, który obraca się, aby uzyskać widok 360 stopni; lidar półprzewodnikowy, który ma stałe pole widzenia, ale nie ma ruchomych części i może wykorzystywać MEMS lub optyczne układy fazowane do sterowania wiązkami; oraz flash lidar, który rozprowadza błysk światła na dużym polu widzenia, zanim sygnał powróci do detektora.

Na podstawie platformy

Aplikacje Lidar można podzielić na typy powietrzne i naziemne. Te dwa typy wymagają skanerów o różnych specyfikacjach w zależności od przeznaczenia danych, rozmiaru obszaru do przechwycenia, pożądanego zakresu pomiaru, kosztu sprzętu i innych. Możliwe są również platformy kosmiczne, patrz satelitarna wysokościomierz laserowy .

Samolotowy

Lidar powietrzny (również lotniczy skaning laserowy ) polega na tym, że skaner laserowy, przymocowany do samolotu podczas lotu, tworzy trójwymiarowy model chmury punktów krajobrazu. Jest to obecnie najbardziej szczegółowa i dokładna metoda tworzenia cyfrowych modeli elewacji , zastępująca fotogrametrię . Jedną z głównych zalet w porównaniu z fotogrametrią jest możliwość odfiltrowania odbić od roślinności z modelu chmury punktów w celu stworzenia cyfrowego modelu terenu, który przedstawia powierzchnie terenu, takie jak rzeki, ścieżki, obiekty dziedzictwa kulturowego itp., które są ukryte przez drzewa. W kategorii lidarów powietrznych czasami rozróżnia się aplikacje na dużych i małych wysokościach, ale główną różnicą jest zmniejszenie zarówno dokładności, jak i gęstości punktów danych uzyskanych na wyższych wysokościach. Lidar powietrzny może być również używany do tworzenia modeli batymetrycznych w płytkiej wodzie.

Głównymi składnikami lidaru lotniczego są cyfrowe modele elewacji (DEM) i cyfrowe modele powierzchni (DSM). Punkty i punkty podłoża są wektorami punktów dyskretnych, podczas gdy DEM i DSM są interpolowanymi siatkami rastrowymi punktów dyskretnych. Proces obejmuje również wykonywanie cyfrowych zdjęć lotniczych. Do interpretacji głęboko osadzonych osuwisk, np. pod osłoną roślinności, skarp, pęknięć naprężeniowych czy skośnych drzew, stosuje się lidar powietrzny. Cyfrowe modele elewacji z lidarem lotniczym mogą przejrzeć sklepienie pokrywy leśnej, wykonać szczegółowe pomiary skarp, erozji i przechylania słupów elektrycznych.

Dane lidarowe z powietrza są przetwarzane przy użyciu zestawu narzędzi o nazwie Toolbox for Lidar Data Filtering and Forest Studies (TIFFS) do filtrowania danych lidarowych i oprogramowania do badania terenu. Dane są interpolowane do cyfrowych modeli terenu za pomocą oprogramowania. Laser jest kierowany na region, który ma być mapowany, a wysokość każdego punktu nad ziemią jest obliczana przez odjęcie oryginalnej współrzędnej Z od odpowiedniej wysokości cyfrowego modelu terenu. Na podstawie tej wysokości nad ziemią uzyskuje się dane nieroślinne, które mogą obejmować obiekty takie jak budynki, linie energetyczne, latające ptaki, owady itp. Pozostałe punkty traktowane są jako roślinność i służą do modelowania i mapowania. Na każdym z tych wykresów metryki lidarowe są obliczane poprzez obliczanie statystyk, takich jak średnia, odchylenie standardowe, skośność, percentyle, średnia kwadratowa itp.

Airborne Lidar Batymetric Technology — wielowiązkowa mapa lidarowa o wysokiej rozdzielczości, przedstawiająca spektakularne uskoki i deformacje dna morskiego, w cieniowanym reliefie i pokolorowana według głębokości.
Batymetria lidarowa w powietrzu

Powietrzny batymetryczny system lidarowy polega na pomiarze czasu przelotu sygnału od źródła do jego powrotu do czujnika. Technika pozyskiwania danych obejmuje komponent mapowania dna morskiego i komponent prawdy gruntowej, który obejmuje transekty wideo i próbkowanie. Działa przy użyciu wiązki lasera o widmie zielonym (532 nm). Dwie wiązki są rzutowane na szybko obracające się lustro, które tworzy szereg punktów. Jedna z wiązek penetruje wodę, a także wykrywa dolną powierzchnię wody w sprzyjających warunkach.

Uzyskane dane pokazują pełny zasięg powierzchni lądu odsłoniętej nad dnem morskim. Ta technika jest niezwykle przydatna, ponieważ będzie odgrywać ważną rolę w głównym programie mapowania dna morskiego. Na mapach uzyskano topografię lądową, a także podwodne wzniesienia. Obrazowanie odbicia dna morskiego to kolejne rozwiązanie tego systemu, które może przynieść korzyści w mapowaniu siedlisk podwodnych. Ta technika została wykorzystana do trójwymiarowego mapowania obrazów wód Kalifornii za pomocą lidaru hydrograficznego.

Skanowanie lidarowe za pomocą multicoptera UAV .

Drony są obecnie używane ze skanerami laserowymi, a także innymi zdalnymi czujnikami, jako bardziej ekonomiczna metoda skanowania mniejszych obszarów. Możliwość teledetekcji dronowej eliminuje również wszelkie niebezpieczeństwa, na jakie mogą być narażone załogi załogowych statków powietrznych w trudnym terenie lub odległych obszarach.

Ziemski

Naziemne zastosowania lidaru (także naziemnego skanowania laserowego ) mają miejsce na powierzchni Ziemi i mogą być stacjonarne lub mobilne. Stacjonarne skanowanie naziemne jest najczęściej stosowane jako metoda pomiarowa, na przykład w konwencjonalnej topografii, monitoringu, dokumentacji dziedzictwa kulturowego i kryminalistyce. Chmury punktów 3D uzyskane z tego typu skanerów można dopasować do cyfrowych obrazów skanowanego obszaru z lokalizacji skanera, aby w stosunkowo krótkim czasie stworzyć realistycznie wyglądające modele 3D w porównaniu z innymi technologiami. Każdemu punktowi w chmurze punktów nadany jest kolor piksela z obrazu wykonanego w tym samym miejscu i kierunku, co wiązka lasera, która utworzyła punkt.

Mobilny lidar (również mobilne skanowanie laserowe ) ma miejsce, gdy dwa lub więcej skanerów jest podłączonych do poruszającego się pojazdu w celu zbierania danych wzdłuż ścieżki. Skanery te prawie zawsze są sparowane z innymi rodzajami sprzętu, w tym z odbiornikami GNSS i IMU . Jednym z przykładów zastosowania jest pomiar ulic, gdzie linie energetyczne, dokładna wysokość mostów, sąsiadujące drzewa itp. muszą być brane pod uwagę. Zamiast zbierać każdy z tych pomiarów indywidualnie w terenie za pomocą tachymetru , można stworzyć trójwymiarowy model z chmury punktów, w którym można wykonać wszystkie potrzebne pomiary, w zależności od jakości zebranych danych. Eliminuje to problem zapominania o wykonaniu pomiaru, o ile model jest dostępny, wiarygodny i ma odpowiedni poziom dokładności.

Mapowanie lidarem naziemnym obejmuje proces generowania mapy siatki zajętości . Proces obejmuje tablicę komórek podzielonych na siatki, które wykorzystują proces do przechowywania wartości wysokości, gdy dane lidarowe wpadają do odpowiedniej komórki siatki. Następnie tworzona jest mapa binarna przez zastosowanie określonego progu do wartości komórek w celu dalszego przetwarzania. Następnym krokiem jest przetworzenie promieniowej odległości i współrzędnych Z z każdego skanu w celu zidentyfikowania, które punkty 3D odpowiadają każdej z określonej komórki siatki, prowadząc do procesu tworzenia danych.

Pełny przebieg LiDAR

Powietrzne systemy LiDAR tradycyjnie były w stanie pozyskiwać tylko kilka wartości szczytowych, podczas gdy nowsze systemy pozyskują i digitalizują cały odbity sygnał. Naukowcy przeanalizowali sygnał fali w celu wyodrębnienia szczytowych zwrotów za pomocą dekompozycji gaussowskiej. Zhuang i in., 2017 zastosowali to podejście do szacowania biomasy naziemnej. Obsługa ogromnych ilości pełnych danych falowych jest trudna. Dlatego dekompozycja gaussowska przebiegów jest skuteczna, ponieważ redukuje dane i jest obsługiwana przez istniejące przepływy pracy, które obsługują interpretację chmur punktów 3D. Ostatnie badania dotyczyły wokselizacji. Natężenia próbek kształtu fali są wstawiane do wokselyzowanej przestrzeni (tj. obrazu 3D w skali szarości), tworząc trójwymiarową reprezentację skanowanego obszaru. Powiązane metryki i informacje można następnie wyodrębnić z tej wokselowanej przestrzeni. Informacje strukturalne można wyodrębnić za pomocą metryk 3D z lokalnych obszarów, a istnieje studium przypadku, w którym wykorzystano podejście wokselizacji do wykrywania martwych stojących drzew eukaliptusowych w Australii.

Aplikacje

Ten mobilny robot wykorzystuje swój lidar do tworzenia mapy i omijania przeszkód.

Istnieje szeroka gama aplikacji lidarowych, oprócz aplikacji wymienionych poniżej, o czym często wspomina się w krajowych programach do zestawów danych lidarowych . Aplikacje te są w dużej mierze zdeterminowane przez zakres skutecznego wykrywania obiektów; rozdzielczość, czyli jak dokładnie lidar identyfikuje i klasyfikuje obiekty; i zamieszanie odbicia, co oznacza, jak dobrze lidar widzi coś w obecności jasnych obiektów, takich jak odblaskowe znaki lub jasne słońce.

Firmy pracują nad obniżeniem kosztów czujników lidarowych, obecnie z około 1200 dolarów do ponad 12 000 dolarów. Niższe ceny sprawią, że lidar będzie atrakcyjniejszy dla nowych rynków.

Rolnictwo

Grafika przedstawiająca powrót lidaru z różnymi wskaźnikami plonów.
Lidar służy do analizy plonów na polach uprawnych.

Roboty rolnicze są wykorzystywane do różnych celów, począwszy od dyspersji nasion i nawozów, technik wykrywania, a także badania upraw w celu zwalczania chwastów.

Lidar może pomóc w ustaleniu, gdzie zastosować kosztowny nawóz. Może stworzyć mapę topograficzną pól i ujawnić zbocza i nasłonecznienie pól uprawnych. Naukowcy z Agricultural Research Service wykorzystali te dane topograficzne z wynikami plonów gruntów rolnych z poprzednich lat, aby podzielić grunty na strefy o wysokiej, średniej lub niskiej wydajności. Wskazuje, gdzie zastosować nawóz, aby zmaksymalizować plony.

Lidar jest teraz używany do monitorowania owadów w terenie. Użycie Lidaru może wykryć ruch i zachowanie poszczególnych owadów latających, z identyfikacją aż do płci i gatunku. W 2017 roku opublikowano zgłoszenie patentowe na tę technologię w Stanach Zjednoczonych, Europie i Chinach.

Innym zastosowaniem jest mapowanie upraw w sadach i winnicach w celu wykrycia wzrostu liści i potrzeby przycinania lub innych zabiegów pielęgnacyjnych, wykrywania różnic w produkcji owoców lub liczenia roślin.

Lidar jest przydatny w sytuacjach, w których nie ma sygnału GNSS , takich jak sady orzechowe i owocowe, gdzie liście blokują sygnały satelitarne do sprzętu rolnictwa precyzyjnego lub ciągnika bez kierowcy . Czujniki Lidar mogą wykrywać krawędzie rzędów, dzięki czemu sprzęt rolniczy może kontynuować ruch do momentu przywrócenia sygnału GNSS.

Klasyfikacja gatunków roślin

Zwalczanie chwastów wymaga identyfikacji gatunków roślin. Można to zrobić za pomocą lidaru 3D i uczenia maszynowego. Lidar tworzy kontury roślin jako „chmurę punktów” z wartościami zasięgu i odbicia. Te dane są przekształcane i wyodrębniane są z nich funkcje. Jeśli gatunek jest znany, cechy są dodawane jako nowe dane. Gatunek jest oznakowany, a jego cechy są początkowo przechowywane jako przykład do identyfikacji gatunku w rzeczywistym środowisku. Ta metoda jest skuteczna, ponieważ wykorzystuje lidar o niskiej rozdzielczości i uczenie nadzorowane. Zawiera łatwy do obliczenia zestaw funkcji ze wspólnymi cechami statystycznymi, które są niezależne od wielkości zakładu.

Archeologia

Lidar ma wiele zastosowań w archeologii, w tym planowanie kampanii terenowych, mapowanie obiektów pod baldachimem lasu oraz przegląd szerokich, ciągłych obiektów nieodróżnialnych od podłoża. Lidar może szybko i tanio tworzyć zestawy danych o wysokiej rozdzielczości. Produkty pochodne lidaru można łatwo zintegrować z systemem informacji geograficznej (GIS) w celu analizy i interpretacji.

Lidar może również pomóc w tworzeniu wysokiej rozdzielczości cyfrowych modeli ukształtowania terenu (DEM) stanowisk archeologicznych, które mogą ujawnić mikrotopografię ukrytą przez roślinność. Intensywność zwróconego sygnału lidarowego może być wykorzystana do wykrywania cech ukrytych pod płaskimi, porośniętymi roślinami powierzchniami, takimi jak pola, zwłaszcza podczas mapowania z wykorzystaniem widma w podczerwieni. Obecność tych cech wpływa na wzrost roślin, a tym samym na ilość odbijanego z powrotem światła podczerwonego. Na przykład w Fort Beauséjour – Narodowym miejscu historycznym Fort Cumberland w Kanadzie lidar odkrył cechy archeologiczne związane z oblężeniem fortu w 1755 roku. DEM stworzony ze sztucznym oświetleniem pod różnymi kątami. Innym przykładem jest praca Arlena Chase i jego żony Diane Zaino Chase w Caracol . W 2012 r. lidar został użyty do poszukiwania legendarnego miasta La Ciudad Blanca lub „Miasta Małpiego Boga” w regionie La Mosquitia w dżungli Hondurasu. Podczas siedmiodniowego okresu mapowania znaleziono dowody na konstrukcje wykonane przez człowieka. W czerwcu 2013 roku ogłoszono ponowne odkrycie miasta Mahendraparvata . W południowej Nowej Anglii lidar był używany do odsłaniania kamiennych murów, fundamentów budynków, opuszczonych dróg i innych elementów krajobrazu zasłoniętych na zdjęciach lotniczych przez gęsty baldachim lasu w regionie. W Kambodży dane lidarowe zostały wykorzystane przez Damiana Evansa i Rolanda Fletchera do ujawnienia antropogenicznych zmian w krajobrazie Angkor

W 2012 roku Lidar ujawnił, że osada Purépecha w Angamuco w Michoacán w Meksyku miała mniej więcej tyle samo budynków, co dzisiejszy Manhattan; podczas gdy w 2016 roku jego użycie do mapowania starożytnych grobli Majów w północnej Gwatemali ujawniło 17 wzniesionych dróg łączących starożytne miasto El Mirador z innymi miejscami. W 2018 roku archeolodzy wykorzystujący lidar odkryli ponad 60 000 sztucznych struktur w Rezerwacie Biosfery Majów , co jest „poważnym przełomem”, który pokazał, że cywilizacja Majów była znacznie większa niż wcześniej sądzono.

Pojazdy autonomiczne

Prognoza systemu laserowego 3D przy użyciu czujnika lidarowego SICK LMC

Pojazdy autonomiczne mogą wykorzystywać lidar do wykrywania i omijania przeszkód, aby bezpiecznie poruszać się po środowiskach. Wprowadzenie lidara było kluczowym wydarzeniem, które było kluczowym czynnikiem stojącym za Stanleyem , pierwszym autonomicznym pojazdem, który pomyślnie ukończył DARPA Grand Challenge . Dane wyjściowe chmury punktów z czujnika lidarowego dostarczają niezbędnych danych dla oprogramowania robota, aby określić, gdzie w środowisku istnieją potencjalne przeszkody i gdzie znajduje się robot w stosunku do tych potencjalnych przeszkód. Singapurska organizacja Singapore-MIT Alliance for Research and Technology (SMART) aktywnie rozwija technologie dla autonomicznych pojazdów lidarowych.

Już pierwsze generacje samochodowych systemów adaptacyjnego tempomatu wykorzystywały wyłącznie czujniki lidarowe.

Wykrywanie obiektów dla systemów transportowych

W systemach transportowych, aby zapewnić bezpieczeństwo pojazdów i pasażerów oraz rozwijać systemy elektroniczne, które zapewniają pomoc kierowcy, zrozumienie pojazdu i jego otoczenia jest niezbędne. Systemy lidarowe odgrywają ważną rolę w bezpieczeństwie systemów transportowych. Wiele systemów elektronicznych, które zwiększają wspomaganie kierowcy i bezpieczeństwo pojazdu, takich jak tempomat adaptacyjny (ACC), asystent hamowania awaryjnego i system zapobiegający blokowaniu kół (ABS), zależy od wykrywania otoczenia pojazdu w celu działania autonomicznego lub półautonomicznego. Umożliwia to mapowanie i estymacja lidarowa.

Przegląd podstaw: Obecne systemy lidarowe wykorzystują obrotowe sześciokątne lustra, które dzielą wiązkę laserową. Trzy górne belki służą do wykrywania pojazdów i przeszkód znajdujących się z przodu, a dolne belki służą do wykrywania oznaczeń pasów ruchu i cech drogi. Główną zaletą stosowania lidaru jest to, że uzyskuje się strukturę przestrzenną, a dane te można łączyć z innymi czujnikami, takimi jak radar itp., aby uzyskać lepszy obraz otoczenia pojazdu pod względem właściwości statycznych i dynamicznych obiektów znajdujących się w środowisko. I odwrotnie, istotnym problemem z lidarem jest trudność w rekonstrukcji danych chmury punktów w złych warunkach pogodowych. Na przykład podczas ulewnego deszczu impulsy świetlne emitowane przez system lidar są częściowo odbijane od kropelek deszczu, co powoduje dodatkowy szum w danych, zwany „echami”.

Poniżej wymieniono różne podejścia do przetwarzania danych lidarowych i wykorzystywania ich wraz z danymi z innych czujników poprzez fuzję czujników do wykrywania warunków otoczenia pojazdu.

Przetwarzanie w oparciu o GRID z wykorzystaniem lidaru 3D i fuzji z pomiarem radarowym

W tej metodzie, zaproponowanej przez Philippa Lindnera i Gerda Wanielika, dane laserowe są przetwarzane przy użyciu wielowymiarowej siatki zajętości. Dane z czterowarstwowego lasera są wstępnie przetwarzane na poziomie sygnału, a następnie przetwarzane na wyższym poziomie w celu wyodrębnienia cech przeszkód. Stosuje się kombinowaną dwu- i trójwymiarową strukturę siatkową, a przestrzeń w tych strukturach jest mozaikowana na kilka oddzielnych komórek. Metoda ta pozwala na efektywne przetwarzanie ogromnej ilości surowych danych pomiarowych poprzez gromadzenie ich w kontenerach przestrzennych, komórkach siatki dowodowej. Każda komórka jest powiązana z miarą prawdopodobieństwa, która identyfikuje zajęcie komórki. Prawdopodobieństwo to jest obliczane za pomocą pomiaru zakresu czujnika lidarowego uzyskanego w czasie oraz nowego pomiaru zakresu, które są powiązane za pomocą twierdzenia Bayesa . Siatka dwuwymiarowa może obserwować przeszkodę przed nią, ale nie może obserwować przestrzeni za przeszkodą. Aby rozwiązać ten problem, nieznanemu stanowi przeszkody przypisuje się prawdopodobieństwo 0,5. Wprowadzając trzeci wymiar lub innymi słowy za pomocą lasera wielowarstwowego, przestrzenną konfigurację obiektu można odwzorować w strukturze siatki ze stopniem złożoności. Osiąga się to poprzez przeniesienie punktów pomiarowych na trójwymiarową siatkę. Zajęte komórki siatki będą miały prawdopodobieństwo większe niż 0,5, a mapowanie będzie kodowane kolorami na podstawie prawdopodobieństwa. Komórki, które nie są zajęte, będą miały prawdopodobieństwo mniejsze niż 0,5, a obszar ten będzie zwykle stanowił białą przestrzeń. Ten pomiar jest następnie przekształcany do układu współrzędnych siatki przy użyciu położenia czujnika w pojeździe i położenia pojazdu w światowym układzie współrzędnych. Współrzędne czujnika zależą od jego położenia w pojeździe, a współrzędne pojazdu są obliczane przy użyciu estymacji ruchu ego , czyli szacowania ruchu pojazdu względem sztywnej sceny. W przypadku tej metody należy zdefiniować profil siatki. Komórki siatki dotknięte przez transmitowaną wiązkę laserową są obliczane przy użyciu algorytmu linii Bresenhama . W celu uzyskania przestrzennie rozbudowanej struktury przeprowadzana jest analiza składowych połączonych tych komórek. Ta informacja jest następnie przekazywana do algorytmu suwmiarki obrotowej w celu uzyskania charakterystyk przestrzennych obiektu. Oprócz detekcji lidarowej dane RADARowe uzyskane za pomocą dwóch radarów bliskiego zasięgu są integrowane w celu uzyskania dodatkowych właściwości dynamicznych obiektu, takich jak jego prędkość. Pomiary są przypisywane do obiektu za pomocą funkcji potencjalnej odległości.

Zalety i wady

Cechy geometryczne obiektów są skutecznie wydobywane z pomiarów uzyskanych przez trójwymiarową siatkę zajętości, przy użyciu algorytmu suwmiarki obrotowej. Łączenie danych radarowych z pomiarami lidarowymi daje informacje o właściwościach dynamicznych przeszkody, takich jak prędkość i położenie przeszkody, dla lokalizacji czujnika, co pomaga pojazdowi lub kierowcy w podjęciu decyzji o działaniu, które należy wykonać w celu zapewnienia bezpieczeństwa. Jedynym problemem jest obliczeniowy wymóg wdrożenia tej techniki przetwarzania danych. Może być wdrażany w czasie rzeczywistym i okazał się skuteczny, jeśli rozmiar siatki zajętości 3D jest znacznie ograniczony. Można to jednak ulepszyć do jeszcze szerszego zakresu, używając dedykowanych struktur danych przestrzennych, które efektywniej manipulują danymi przestrzennymi, do reprezentacji siatki 3D.

Połączenie lidaru 3D i kolorowej kamery do wykrywania i śledzenia wielu obiektów

Ramy zaproponowane w tej metodzie przez Soonmin Hwang et al. są podzielone na cztery etapy. Najpierw do systemu wprowadzane są dane z kamery i lidaru 3D. Oba wejścia z lidaru i kamery są uzyskiwane równolegle, a kolorowy obraz z kamery jest kalibrowany z lidarem. Aby poprawić wydajność, jako przetwarzanie wstępne stosuje się poziome próbkowanie punktowe 3D. Po drugie, etap segmentacji polega na podzieleniu całych punktów 3D na kilka grup w zależności od odległości od czujnika, a lokalne płaszczyzny od bliskiej do dalekiej płaszczyzny są sekwencyjnie szacowane. Płaszczyzny lokalne są szacowane za pomocą analizy statystycznej. Grupa punktów bliższych czujnikowi służy do obliczania płaszczyzny początkowej. Używając bieżącej płaszczyzny lokalnej, następna płaszczyzna lokalna jest szacowana przez aktualizację iteracyjną. Propozycje obiektów na obrazie 2D służą do oddzielenia obiektów pierwszego planu od tła. Do szybszego i dokładnego wykrywania i śledzenia stosuje się Binarized Normed Gradients (BING) do szacowania obiektowości przy 300 fps. BING to połączenie znormalizowanego gradientu i jego zbinaryzowanej wersji, która przyspiesza wyodrębnianie cech i proces testowania w celu oszacowania obiektowości okna obrazu. W ten sposób obiekty pierwszego planu i tła są rozdzielone. Aby utworzyć obiekty po oszacowaniu obiektowości obrazu za pomocą BING, punkty trójwymiarowe są grupowane lub grupowane. Klastrowanie odbywa się za pomocą algorytmu DBSCAN (Density-Based Spatial Clustering of Applications with Noise), który może być niezawodny ze względu na mniej parametryczną charakterystykę. Wykorzystując zgrupowane punkty 3D, tj. segment 3D, generowane są dokładniejsze obszary zainteresowań (RoIs) poprzez rzutowanie punktów 3D na obraz 2D. Trzecim krokiem jest wykrywanie, które zasadniczo dzieli się na dwie części. Pierwszym z nich jest wykrywanie obiektów w obrazie 2D, które uzyskuje się za pomocą Fast R-CNN, ponieważ ta metoda nie wymaga szkolenia, a także uwzględnia obraz i kilka obszarów zainteresowania. Drugi to wykrywanie obiektów w przestrzeni 3D, które odbywa się za pomocą metody obrazu wirowego. Ta metoda wyodrębnia histogramy lokalne i globalne reprezentujące określony obiekt. Aby scalić wyniki wykrywania obrazu 2D i przestrzeni 3D, uwzględniany jest ten sam region 3D, a do rozpatrywanego regionu stosowane są dwa niezależne klasyfikatory z obrazu 2D i przestrzeni 3D. Kalibracja wyników jest wykonywana w celu uzyskania jednego wyniku ufności z obu detektorów. Ten pojedynczy wynik uzyskuje się w formie prawdopodobieństwa. Ostatnim krokiem jest śledzenie. Odbywa się to poprzez kojarzenie poruszających się obiektów w obecnej i przeszłej klatce. Do śledzenia obiektów przyjmowane jest dopasowanie segmentów. Obliczane są takie cechy, jak średnia, odchylenie standardowe, skwantowane histogramy kolorów, wielkość objętości i liczba punktów trójwymiarowych segmentu. Odległość euklidesowa służy do pomiaru różnic między segmentami. Aby ocenić pojawienie się i zniknięcie obiektu, podobne segmenty (uzyskane na podstawie odległości euklidesowej) z dwóch różnych klatek są brane i obliczane są wyniki odległości fizycznej i niepodobieństwa. Jeśli wyniki wykraczają poza zakres dla każdego segmentu w poprzedniej klatce, śledzony obiekt uważa się za zniknął.

Zalety i wady

Zaletami tej metody jest łączne wykorzystanie obrazu 2D i danych 3D, wynik F l (który jest miarą dokładności testu), średnia precyzja (AP) jest wyższa niż w przypadku, gdy tylko dane 3D z lidaru są używany. Te wyniki są konwencjonalnymi pomiarami, które oceniają strukturę. Wadą tej metody jest użycie BING do szacowania propozycji obiektów, ponieważ BING przewiduje mały zestaw ramek ograniczających obiekt.

Wykrywanie przeszkód i rozpoznawanie otoczenia drogowego za pomocą lidar

Ta metoda zaproponowana przez Kun Zhou i in. nie tylko skupia się na wykrywaniu i śledzeniu obiektów, ale także rozpoznaje oznakowanie pasa ruchu i cechy drogi. Jak wspomniano wcześniej, systemy lidarowe wykorzystują obrotowe sześciokątne lustra, które dzielą wiązkę laserową na sześć wiązek. Trzy górne warstwy służą do wykrywania obiektów z przodu, takich jak pojazdy i obiekty na poboczu drogi. Czujnik wykonany jest z materiału odpornego na warunki atmosferyczne. Dane wykryte przez lidar są grupowane w kilka segmentów i śledzone przez filtr Kalmana . Grupowanie danych odbywa się tutaj w oparciu o charakterystykę każdego segmentu w oparciu o model obiektu, który rozróżnia różne obiekty, takie jak pojazdy, szyldy itp. Charakterystyki te obejmują wymiary obiektu itp. Reflektory na tylnych krawędziach pojazdów służą do odróżnić pojazdy od innych obiektów. Śledzenie obiektów odbywa się za pomocą dwustopniowego filtra Kalmana, biorąc pod uwagę stabilność śledzenia, a przyspieszony ruch obiektów. Dane intensywności odbicia Lidara są również wykorzystywane do wykrywania krawężników, wykorzystując mocną regresję do radzenia sobie z okluzjami. Oznakowanie drogi jest wykrywane za pomocą zmodyfikowanej metody Otsu poprzez rozróżnianie szorstkich i błyszczących powierzchni.

Zalety

Reflektory drogowe, które wskazują granicę pasa, są czasami ukryte z różnych powodów. Dlatego do rozpoznania granicy drogowej potrzebne są inne informacje. Zastosowany w tej metodzie lidar może mierzyć współczynnik odbicia od obiektu. W związku z tym z tymi danymi można również rozpoznać granicę drogową. Ponadto zastosowanie czujnika z głowicą wodoodporną pomaga w wykrywaniu obiektów nawet w złych warunkach pogodowych. Dobrym przykładem jest model wysokości baldachimu przed i po powodzi. Lidar może wykryć bardzo szczegółowe dane dotyczące wysokości czaszy, a także granicy drogi.

Pomiary lidarowe pomagają zidentyfikować strukturę przestrzenną przeszkody. Pomaga to rozróżniać obiekty na podstawie rozmiaru i oszacować wpływ jazdy po nich.

Systemy Lidar zapewniają lepszy zasięg i duże pole widzenia, co pomaga w wykrywaniu przeszkód na zakrętach. Jest to jedna z głównych zalet systemów RADAR, które mają węższe pole widzenia. Połączenie pomiaru lidarowego z różnymi czujnikami sprawia, że ​​system jest solidny i użyteczny w zastosowaniach czasu rzeczywistego, ponieważ systemy zależne od lidaru nie mogą oszacować dynamicznych informacji o wykrytym obiekcie.

Wykazano, że lidarem można manipulować, tak że samojezdne samochody są skłaniane do wykonywania uników.

Biologia i konserwacja

Obrazowanie lidarowe porównujące stary las (po prawej) z nową plantacją drzew (po lewej)

Lidar znalazł również wiele zastosowań w leśnictwie . Wysokość korony, pomiary biomasy i powierzchnię liści można badać za pomocą powietrznych systemów lidarowych . Podobnie lidar jest również używany przez wiele branż, w tym energetykę i kolej oraz Departament Transportu jako szybszy sposób wykonywania pomiarów. Mapy topograficzne można również łatwo wygenerować z lidaru, w tym do użytku rekreacyjnego, takiego jak tworzenie map do biegów na orientację . Lidar został również zastosowany do szacowania i oceny bioróżnorodności roślin, grzybów i zwierząt.

Ponadto, Save the Redwoods League podjęła projekt mapowania wysokich sekwoi na wybrzeżu Północnej Kalifornii. Lidar pozwala naukowcom nie tylko zmierzyć wysokość wcześniej niezmapowanych drzew, ale także określić bioróżnorodność lasu sekwoi. Stephen Sillett , który pracuje z Ligą nad projektem lidar na Północnym Wybrzeżu, twierdzi, że ta technologia będzie przydatna w kierowaniu przyszłymi wysiłkami na rzecz zachowania i ochrony prastarych sekwoi.

Geologia i gleboznawstwo

Cyfrowe mapy wysokościowe o wysokiej rozdzielczości generowane przez powietrzny i stacjonarny lidar doprowadziły do ​​znaczących postępów w geomorfologii (gałęzi nauk o Ziemi zajmującej się pochodzeniem i ewolucją topografii powierzchni Ziemi). Zdolności lidarowe do wykrywania subtelnych cech topograficznych, takich jak terasy rzeczne i brzegi koryt rzecznych, polodowcowe ukształtowanie terenu, mierzenia wysokości powierzchni ziemi pod okapem roślinności, lepszego rozwiązywania przestrzennych pochodnych wysokości oraz wykrywania zmian wysokości między kolejnymi badaniami umożliwiły wiele nowatorskich badań nad procesami fizycznymi i chemicznymi, które kształtują krajobrazy. W 2005 r. Tour Ronde w masywie Mont Blanc stał się pierwszą wysoką górą alpejską, na której lidar został wykorzystany do monitorowania nasilającego się występowania poważnych upadków skalnych na dużych ścianach skalnych, rzekomo spowodowanych zmianą klimatu i degradacją wiecznej zmarzliny na dużych wysokościach.

Lidar jest również stosowany w geologii strukturalnej i geofizyce jako połączenie lidaru lotniczego i GNSS do wykrywania i badania usterek oraz do pomiaru wyporu . Wynikiem tych dwóch technologii mogą być niezwykle dokładne modele wysokości terenu — modele, które mogą nawet mierzyć wysokość terenu przez drzewa. Ta kombinacja została najsłynniej użyta do znalezienia lokalizacji uskoku Seattle w Waszyngtonie w Stanach Zjednoczonych. Ta kombinacja mierzy również wzrost w Mount St. Helens przy użyciu danych sprzed i po wzroście w 2004 roku. Powietrzne systemy lidarowe monitorują lodowce i mają zdolność wykrywania subtelnych ilości wzrostu lub spadku. System satelitarny NASA ICESat zawiera w tym celu podsystem lidar. NASA Airborne Topographic Mapper jest również szeroko stosowany do monitorowania lodowców i wykonywania analiz zmian wybrzeża. Kombinacja jest również wykorzystywana przez naukowców zajmujących się glebą podczas tworzenia badania gleby . Szczegółowe modelowanie terenu umożliwia naukowcom zajmującym się glebą obserwację zmian nachyleń i przerw w ukształtowaniu terenu, które wskazują na wzorce w relacjach przestrzennych gleby.

Atmosfera

Początkowo, oparty na laserach rubinowych, lidar do zastosowań meteorologicznych został skonstruowany wkrótce po wynalezieniu lasera i stanowi jedno z pierwszych zastosowań technologii laserowej. Od tego czasu technologia lidarowa znacznie rozszerzyła swoje możliwości, a systemy lidarowe są wykorzystywane do wykonywania szeregu pomiarów, które obejmują profilowanie chmur, pomiary wiatrów, badanie aerozoli i ilościowe określanie różnych składników atmosfery. Składniki atmosferyczne mogą z kolei dostarczać przydatnych informacji, w tym ciśnienie powierzchniowe (poprzez pomiar absorpcji tlenu lub azotu), emisje gazów cieplarnianych (dwutlenek węgla i metan), fotosynteza (dwutlenek węgla), pożary (tlenek węgla) i wilgotność (para wodna) . Lidery atmosferyczne mogą być naziemne, powietrzne lub satelitarne, w zależności od rodzaju pomiaru.

Teledetekcja atmosferycznego lidaru działa na dwa sposoby –

  1. mierząc rozproszenie wsteczne z atmosfery i
  2. mierząc rozproszone odbicie od podłoża (gdy lidar jest w powietrzu) ​​lub innej twardej powierzchni.

Rozproszenie wsteczne z atmosfery bezpośrednio daje miarę chmur i aerozoli. Inne pomiary pochodzące z rozproszenia wstecznego, takie jak wiatry lub kryształki lodu Cirrus, wymagają starannego doboru długości fali i/lub wykrytej polaryzacji. Lidar dopplerowski i lidar dopplerowski Rayleigha służą do pomiaru temperatury i/lub prędkości wiatru wzdłuż wiązki poprzez pomiar częstotliwości wstecznie rozproszonego światła. Rozszerzenie Dopplera gazów w ruchu umożliwia określenie właściwości poprzez wynikowe przesunięcie częstotliwości. Do pomiaru prędkości wiatru atmosferycznego wykorzystano lidary skanujące, takie jak skanujący stożkowo NASA HARLIE LIDAR. Misja wiatrowa ESA ADM-Aeolus zostanie wyposażona w system lidarowy Dopplera w celu zapewnienia globalnych pomiarów pionowych profili wiatru. Podczas Letnich Igrzysk Olimpijskich 2008 do pomiaru pól wiatru podczas zawodów jachtowych zastosowano system lidar dopplerowski .

Systemy lidarowe Dopplera zaczynają być również z powodzeniem stosowane w sektorze energii odnawialnej do pozyskiwania danych dotyczących prędkości wiatru, turbulencji, kierunku wiatru i uskoku wiatru. Stosowane są zarówno systemy fal impulsowych, jak i ciągłych. Systemy impulsowe wykorzystują taktowanie sygnału w celu uzyskania rozdzielczości odległości pionowej, podczas gdy systemy fali ciągłej polegają na ogniskowaniu detektora.

Termin eolika został zaproponowany do opisania zespołowych i interdyscyplinarnych badań wiatru przy użyciu symulacji komputerowej mechaniki płynów i pomiarów lidaru Dopplera.

Odbicie gruntu przez lidar w powietrzu daje miarę współczynnika odbicia powierzchni (zakładając, że przepuszczalność atmosferyczna jest dobrze znana) przy długości fali lidaru, jednak odbicie gruntu jest zwykle wykorzystywane do wykonywania pomiarów absorpcji atmosfery. Pomiary „lidarem absorpcji różnicowej” (DIAL) wykorzystują dwie lub więcej blisko oddalonych od siebie (<1 nm) długości fali, aby wykluczyć współczynnik odbicia powierzchni, jak również inne straty transmisji, ponieważ czynniki te są stosunkowo niewrażliwe na długość fali. Po dostrojeniu do odpowiednich linii absorpcyjnych danego gazu, pomiary DIAL mogą być wykorzystane do określenia stężenia (stosunku zmieszania) tego konkretnego gazu w atmosferze. Jest to określane jako podejście zintegrowanej absorpcji różnicowej ścieżki (IPDA), ponieważ jest to miara zintegrowanej absorpcji wzdłuż całej ścieżki lidarowej. Lidery IPDA mogą być pulsacyjne lub CW i zazwyczaj wykorzystują dwie lub więcej długości fal. Lidery IPDA zostały wykorzystane do teledetekcji dwutlenku węgla i metanu.

Syntetyczny lidar matrycowy umożliwia obrazowanie lidaru bez potrzeby stosowania detektora matrycowego. Może być stosowany do obrazowania prędkości Dopplera, obrazowania z ultraszybką częstotliwością odświeżania (MHz), a także doredukcji plamek w spójnym lidarze. Obszerną bibliografię lidarową dotyczącą zastosowań atmosferycznych i hydrosferycznych podaje Grant.

Zasada Scheimpfluga

Pojawiła się kolejna lidarowa technika teledetekcji atmosferycznej. Opiera się na zasadzie Scheimpfluga , zwanej lidarem Scheimpfluga ( slidar ).

Implikacją zasady Scheimpfluga jest to , że gdy wiązka laserowa jest przesyłana do atmosfery, echo rozpraszające całej objętości sondy oświetlającej jest nadal ogniskowane jednocześnie bez zmniejszania apertury, o ile płaszczyzna obiektu, płaszczyzna obrazu i płaszczyzna soczewki przecinają się ze sobą ”. Dwuwymiarowa kamera CCD/CMOS jest wykorzystywana do rozwiązania echa rozpraszania wstecznego przesyłanej wiązki laserowej.

Tak więc, podobnie jak w przypadku konwencjonalnych technologii lidarowych, źródła światła o fali ciągłej, takie jak lasery diodowe, mogą być wykorzystywane do teledetekcji zamiast stosowania skomplikowanych nanosekundowych impulsowych źródeł światła. System SLidar to także solidny i niedrogi system oparty na kompaktowych diodach laserowych i detektorach tablicowych. System fali ciągłej (CW) NO 2 DIAL oparty na zasadzie Scheimpfluga został opracowany przez zastosowanie jako źródła światła kompaktowej, wielomodowej diody laserowej CW o dużej mocy 450 nm. Emisje laserowe o długości fali w trybie on-line i off-line widma absorpcji NO2 realizowane przez dostrojenie prądu wtrysku diody laserowej. Sygnały lidarowe są wykrywane przez czujnik obrazu CCD nachylony pod kątem 45°, zgodnie z zasadą Scheimpfluga. Zakresowo-rozdzielcze stężenia NO 2 na ścieżce prawie poziomej są uzyskiwane przez system NO 2 DIAL w zakresie 0,3–3 km i wykazują dobrą zgodność z wartościami mierzonymi przez konwencjonalną stację monitorowania zanieczyszczenia powietrza. Czułość wykrywania ± 0,9 ppbv przy 95% poziomie ufności w obszarze 0,3–1 km osiągana jest przy 15-minutowym uśrednianiu i rozdzielczości 700 mw godzinach ciemności, co pozwala na dokładny pomiar stężenia otaczającego NO 2 . Niedrogi i solidny system DIAL zademonstrowany w tej pracy otwiera wiele możliwości dla zastosowań teledetekcji NO 2 w terenie.

Egzekwowanie prawa

Pistolety prędkości Lidar są używane przez policję do pomiaru prędkości pojazdów w celu egzekwowania ograniczeń prędkości . Dodatkowo jest używany w kryminalistyce do pomocy w dochodzeniach na miejscu przestępstwa. Skany sceny są wykonywane w celu zarejestrowania dokładnych szczegółów rozmieszczenia obiektów, krwi i innych ważnych informacji do późniejszego przeglądu. Skany te można również wykorzystać do określenia trajektorii pocisku w przypadku strzelaniny.

Wojskowy

Wiadomo, że istnieje niewiele zastosowań wojskowych i są one klasyfikowane (takie jak pomiar prędkości oparty na lidarie pocisku samosterującego AGM-129 ACM stealth nuklearnego), ale trwa znaczna liczba badań nad ich wykorzystaniem do obrazowania. Systemy o wyższej rozdzielczości zbierają wystarczającą ilość szczegółów, aby zidentyfikować cele, takie jak czołgi . Przykładami wojskowych zastosowań lidaru są Airborne Laser Mine Detection System (ALMDS) do działań przeciwminowych firmy Areté Associates.

Raport NATO (RTO-TR-SET-098) ocenił potencjalne technologie do wykrywania z dystansu w celu rozróżniania bojowych środków biologicznych. Oceniane potencjalne technologie to długofalowa podczerwień (LWIR), rozpraszanie różnicowe (DISC) i fluorescencja indukowana laserem ultrafioletowym (UV-LIF). W raporcie stwierdzono, że: W oparciu o wyniki testów systemów lidarowych przetestowanych i omówionych powyżej, Grupa Zadaniowa zaleca, aby najlepszą opcją dla krótkoterminowego (2008-2010) zastosowania systemów detekcji dystansowej jest UV-LIF , jednakże, w dłuższej perspektywie inne techniki, takie jak spektroskopia ramanowska z odstępem, mogą okazać się przydatne do identyfikacji biologicznych środków bojowych.

Kompaktowy lidar spektrometryczny krótkiego zasięgu oparty na laserowo indukowanej fluorescencji (LIF) byłby odpowiedzią na występowanie zagrożeń biologicznych w postaci aerozolu w krytycznych obiektach zamkniętych, półzamkniętych i odkrytych, takich jak stadiony, metro i lotniska. Ta zdolność działająca niemal w czasie rzeczywistym umożliwiłaby szybkie wykrywanie uwalniania bioaerozolu i umożliwiłaby terminowe wdrożenie środków w celu ochrony mieszkańców i zminimalizowania zakresu skażenia.

System wykrywania dystansu biologicznego dalekiego zasięgu (LR-BSDS) został opracowany dla armii amerykańskiej, aby zapewnić jak najwcześniejsze ostrzeżenie o ataku biologicznym. Jest to powietrzny system przenoszony przez helikopter do wykrywania syntetycznych chmur aerozolowych zawierających czynniki biologiczne i chemiczne z dużej odległości. LR-BSDS, o zasięgu wykrywania 30 km lub większym, został wystawiony w czerwcu 1997 roku. Pięć jednostek lidarowych wyprodukowanych przez niemiecką firmę Sick AG zostało użytych do wykrywania bliskiego zasięgu w Stanley , autonomicznym samochodzie , który wygrał w 2005 DARPA Grand Challenge .

Zrobotyzowany Boeing AH-6 wykonał w pełni autonomiczny lot w czerwcu 2010 roku, w tym omijał przeszkody za pomocą lidaru.

Górnictwo

Obliczanie objętości rudy odbywa się poprzez okresowe (comiesięczne) skanowanie w obszarach usuwania rudy, a następnie porównywanie danych powierzchniowych z poprzednim skanem.

Czujniki Lidar mogą być również wykorzystywane do wykrywania i omijania przeszkód w zrobotyzowanych pojazdach górniczych, na przykład w Komatsu Autonomous Haulage System (AHS) używanym w Kopalni Przyszłości w Rio Tinto.

Fizyka i astronomia

Światowa sieć obserwatoriów wykorzystuje lidary do pomiaru odległości do reflektorów umieszczonych na księżycu , co pozwala na pomiar pozycji księżyca z milimetrową dokładnością i przeprowadzanie testów ogólnej teorii względności . MOLA , Mars Orbiting Laser Altimeter, wykorzystał instrument lidar w krążącym wokół Marsa satelicie ( NASA Mars Global Surveyor ) do wykonania spektakularnie precyzyjnego globalnego przeglądu topograficznego czerwonej planety. Wysokościomierze laserowe stworzyły globalne modele elewacji Marsa, Księżyca (wysokościomierz laserowy Lunar Orbiter (LOLA), rtęci (wysokościomierz laserowy rtęciowy (MLA)), dalmierz laserowy NEAR – Shoemaker (NLR). Przyszłe misje obejmą również eksperymenty z wysokościomierzami laserowymi, takie jak Ganimedes Laser Altimeter (GALA) w ramach misji Jupiter Icy Moons Explorer (JUICE).

We wrześniu 2008 roku NASA Phoenix Lander użył lidaru do wykrywania śniegu w atmosferze Marsa.

W fizyce atmosfery lidar jest używany jako urządzenie do zdalnego wykrywania gęstości niektórych składników środkowej i górnej atmosfery, takich jak potas , sód lub cząsteczkowy azot i tlen . Pomiary te mogą służyć do obliczania temperatur. Lidar może być również wykorzystany do pomiaru prędkości wiatru i dostarczenia informacji o pionowym rozmieszczeniu cząstek aerozolu .

W ośrodku badawczym syntezy jądrowej JET w Wielkiej Brytanii, niedaleko Abingdon w hrabstwie Oxfordshire , do określenia profili gęstości elektronowej i temperatury plazmy wykorzystuje się lidar Thomson Scattering .

Mechanika skał

Lidar jest szeroko stosowany w mechanice skał do charakteryzowania górotworu i wykrywania zmian nachylenia. Niektóre ważne właściwości geomechaniczne górotworu można wydobyć z chmur punktów 3D uzyskanych za pomocą lidaru. Niektóre z tych właściwości to:

  • Orientacja na nieciągłość
  • Odstępy nieciągłości i RQD
  • Apertura nieciągłości
  • Trwałość nieciągłości
  • Chropowatość nieciągłości
  • Infiltracja wody

Niektóre z tych właściwości zostały wykorzystane do oceny jakości geomechanicznej górotworu za pomocą wskaźnika RMR . Ponadto, ponieważ orientacje nieciągłości można wyodrębnić przy użyciu istniejących metodologii, możliwa jest ocena jakości geomechanicznej zbocza skalnego za pomocą wskaźnika SMR . Oprócz tego porównanie różnych chmur punktów 3D ze zbocza uzyskanych w różnym czasie pozwala naukowcom zbadać zmiany powstałe na scenie w tym przedziale czasowym w wyniku spadania skał lub innych procesów osuwania się ziemi.

THOR

THOR to laser przeznaczony do pomiaru warunków atmosferycznych Ziemi. Laser wchodzi w pokrywę chmur i mierzy grubość halo powrotnego. Czujnik posiada aperturę światłowodową o szerokości 7,5 cala, która służy do pomiaru światła powrotnego.

Robotyka

Technologia Lidar jest wykorzystywana w robotyce do percepcji otoczenia oraz klasyfikacji obiektów. Zdolność technologii lidar do dostarczania trójwymiarowych map wysokości terenu, precyzyjnej odległości od ziemi i prędkości zbliżania się może umożliwić bezpieczne lądowanie pojazdów zrobotyzowanych i załogowych z wysokim stopniem precyzji. Lidar jest również szeroko stosowany w robotyce do jednoczesnej lokalizacji i mapowania oraz jest dobrze zintegrowany z symulatorami robotów. Więcej przykładów można znaleźć w sekcji Wojsko powyżej.

Lot w kosmos

Lidar jest coraz częściej wykorzystywany do odnajdywania odległości i obliczania względnej prędkości elementu orbitalnego w operacjach zbliżeniowych i utrzymywaniu stacji statków kosmicznych . Lidar był również używany do badań atmosferycznych z kosmosu. Krótkie impulsy światła laserowego wysyłane przez statek kosmiczny mogą odbijać się od maleńkich cząstek w atmosferze iz powrotem do teleskopu ustawionego w linii z laserem statku kosmicznego. Precyzyjnie synchronizując „echo” lidaru i mierząc ilość światła laserowego odbieranego przez teleskop, naukowcy mogą dokładnie określić położenie, rozmieszczenie i naturę cząstek. Rezultatem jest rewolucyjne nowe narzędzie do badania składników w atmosferze, od kropelek chmurowych po zanieczyszczenia przemysłowe, które trudno wykryć innymi sposobami”.

Wysokościomierz laserowy służy do tworzenia cyfrowych map wysokości planet, w tym mapowania Marsa na Marsie Orbital Laser Altimeter (MOLA), Lunar Orbital Laser Altimeter (LOLA) i Lunar Altimeter (LALT) oraz Merkurego Laser Altimeter ( MLA) mapowanie Merkurego. Służy również do pomocy w nawigacji helikoptera Ingenuity w jego rekordowych lotach nad terenem Marsa .

Geodezja

Ta furgonetka do mapowania TomTom jest wyposażona w pięć czujników lidar na bagażniku dachowym

Powietrzne czujniki lidarowe są używane przez firmy z branży teledetekcji. Mogą być używane do tworzenia DTM (Digital Terrain Model) lub DEM ( Digital Elevation Model ); jest to dość powszechna praktyka na większych obszarach, ponieważ samolot może jednym wiaduktem pokosić pokos o szerokości 3-4 km. Większą dokładność pionową poniżej 50 mm można osiągnąć przy niższym estakadzie, nawet w lasach, gdzie jest w stanie podać wysokość czaszy jak i wzniesienie terenu. Zazwyczaj do połączenia danych z WGS ( World Geodetic System ) potrzebny jest odbiornik GNSS skonfigurowany w punkcie kontrolnym georeferencyjnym .

LiDAR są również wykorzystywane w geodezji hydrograficznej . W zależności od przejrzystości wody LiDAR może mierzyć głębokości od 0,9m do 40m z dokładnością pionową 15 cm i poziomą 2,5m.

Leśnictwo

Zastosowano również systemy lidarowe w celu usprawnienia gospodarki leśnej. Pomiary służą do inwentaryzacji powierzchni leśnych, a także obliczania wysokości poszczególnych drzew, szerokości i średnicy koron. Inne analizy statystyczne wykorzystują dane lidarowe do oszacowania całkowitych informacji o powierzchni, takich jak objętość korony, średnia, minimalna i maksymalna wysokość oraz szacunki pokrywy roślinnej. LiDAR z powietrza został wykorzystany do mapowania pożarów buszu w Australii na początku 2020 roku. Dane zostały zmanipulowane, aby zobaczyć gołą ziemię i zidentyfikować zdrową i spaloną roślinność.

Transport

Chmura punktów wygenerowana z poruszającego się samochodu za pomocą jednego lidara Ouster OS1

Lidar był używany w przemyśle kolejowym do generowania raportów o stanie aktywów dla zarządzania aktywami oraz przez departamenty transportu do oceny stanu ich dróg. CivilMaps.com jest wiodącą firmą w tej dziedzinie. Lidar był używany w systemach adaptacyjnego tempomatu (ACC) w samochodach. Systemy takie jak Siemens, Hella, Ouster i Cepton wykorzystują urządzenie lidar zamontowane z przodu pojazdu, takie jak zderzak, do monitorowania odległości między pojazdem a pojazdem przed nim. W przypadku, gdy pojazd z przodu zwalnia lub jest zbyt blisko, ACC uruchamia hamulce, aby spowolnić pojazd. Gdy droga przed nami jest wolna, ACC pozwala na przyspieszenie pojazdu do prędkości ustawionej przez kierowcę. Więcej przykładów można znaleźć w sekcji Wojsko powyżej. Ceilometr , oparty na lidar, jest używany na lotniskach na całym świecie do pomiaru wysokości chmur na ścieżkach podejścia do pasów startowych.

Optymalizacja farm wiatrowych

Lidar można wykorzystać do zwiększenia produkcji energii z farm wiatrowych poprzez dokładny pomiar prędkości wiatru i turbulencji wiatru. Eksperymentalne systemy lidarowe można zamontować na gondoli turbiny wiatrowej lub zintegrować z obracającą się tarczą, aby mierzyć nadciągające wiatry poziome, wiatry w ślad za turbiną wiatrową i aktywnie regulować łopaty w celu ochrony komponentów i zwiększenia mocy. Lidar jest również używany do scharakteryzowania zasobów wiatru padającego w celu porównania z produkcją energii przez turbinę wiatrową w celu zweryfikowania wydajności turbiny wiatrowej poprzez pomiar krzywej mocy turbiny wiatrowej. Optymalizacja farm wiatrowych może być uważana za temat w stosowanej eolice . Innym aspektem Lidaru w przemyśle związanym z wiatrem jest wykorzystanie obliczeniowej dynamiki płynów na powierzchniach zeskanowanych Lidarem w celu oceny potencjału wiatru, który można wykorzystać do optymalnego rozmieszczenia farm wiatrowych.

Optymalizacja rozmieszczenia fotowoltaiki słonecznej

Lidar może być również używany do wspomagania planistów i deweloperów w optymalizacji systemów fotowoltaicznych na poziomie miasta poprzez określenie odpowiednich szczytów dachów i określenie strat zacienienia . Niedawne wysiłki w zakresie lotniczego skanowania laserowego koncentrowały się na sposobach oszacowania ilości światła słonecznego uderzającego w pionowe fasady budynków lub na uwzględnieniu bardziej szczegółowych strat zacienienia poprzez rozważenie wpływu roślinności i większego otaczającego terenu.

Gry wideo

Najnowsze symulacyjne gry wyścigowe, takie jak rFactor Pro , iRacing , Assetto Corsa i Project CARS coraz częściej zawierają tory wyścigowe odtwarzane z trójwymiarowych chmur punktów uzyskanych za pomocą pomiarów Lidar, co skutkuje powierzchniami odtworzonymi z centymetrową lub milimetrową precyzją w środowisku 3D w grze .

Gra eksploracyjna Scanner Sombre z 2017 roku, autorstwa Introversion Software , wykorzystuje Lidar jako podstawową mechanikę gry.

W Build the Earth Lidar służy do tworzenia dokładnych renderów terenu w Minecrafcie , aby uwzględnić wszelkie błędy (głównie dotyczące wysokości) w domyślnej generacji. Proces renderowania terenu w Build the Earth jest ograniczony ilością danych dostępnych w regionie, a także szybkością konwersji pliku na dane blokowe.

Inne zastosowania

Skaner Lidar na iPadzie Pro (4. generacji)

Uważa się, że teledysk do piosenki Radiohead „ House of Cards ” z 2007 roku był pierwszym zastosowaniem skanowania laserowego 3D w czasie rzeczywistym do nagrania teledysku. Dane dotyczące zasięgu w filmie nie pochodzą w całości z lidaru, ponieważ wykorzystywane jest również skanowanie światłem strukturalnym.

W 2020 roku firma Apple wprowadziła czwartą generację iPada Pro z czujnikiem lidar zintegrowanym z tylnym modułem kamery , opracowanym specjalnie z myślą o doświadczeniach z rozszerzoną rzeczywistością (AR). Ta funkcja została później dołączona do iPhone'a 12 Pro i iPhone'a 12 Pro Max oraz do iPhone'a 13 Pro i iPhone'a 13 Pro Max .

Alternatywne technologie

Niedawny rozwój technologii Structure From Motion (SFM) umożliwia dostarczanie trójwymiarowych obrazów i map na podstawie danych uzyskanych z fotografii wizualnej i IR. Dane wysokościowe lub trójwymiarowe są wyodrębniane za pomocą wielu równoległych przejść przez zmapowany obszar, co daje zarówno obrazy światła widzialnego, jak i strukturę trójwymiarową z tego samego czujnika, który często jest specjalnie dobranym i skalibrowanym aparatem cyfrowym .

Komputerowe widzenie stereo jest obiecujące jako alternatywa dla LiDAR w zastosowaniach bliskiego zasięgu.

Zobacz też

Bibliografia

Dalsze czytanie

Zewnętrzne linki