LiDAR-teledetectie: principe, toepassing, gratis bronnen en software

Luchtgedragen LiDAR-sensorenLiDAR kan specifieke punten van een laserpuls vastleggen, bekend als discrete-return-metingen, of het volledige signaal registreren zoals het terugkeert, ook wel full-waveform-meting genoemd, met vaste intervallen van bijvoorbeeld 1 ns (wat ongeveer 15 cm beslaat). Full-waveform LiDAR wordt voornamelijk gebruikt in de bosbouw, terwijl discrete-return LiDAR bredere toepassingen heeft in diverse vakgebieden. Dit artikel bespreekt voornamelijk discrete-return LiDAR en de toepassingen ervan. In dit hoofdstuk behandelen we verschillende belangrijke onderwerpen over LiDAR, waaronder de basiscomponenten, de werking, de nauwkeurigheid, systemen en beschikbare hulpmiddelen.

Basiscomponenten van LiDAR

Op de grond gebaseerde LiDAR-systemen gebruiken doorgaans lasers met golflengtes tussen 500 en 600 nm, terwijl LiDAR-systemen in de lucht lasers met langere golflengtes gebruiken, variërend van 1000 tot 1600 nm. Een standaard LiDAR-opstelling in de lucht omvat een laserscanner, een afstandsmeter (ranger unit) en systemen voor besturing, monitoring en registratie. Het omvat ook een differentieel GPS-systeem (DGPS) en een traagheidssensor (IMU), vaak geïntegreerd in één systeem dat bekend staat als een positie- en oriëntatiesysteem. Dit systeem levert nauwkeurige locatiegegevens (lengtegraad, breedtegraad en hoogte) en oriëntatiegegevens (rol, stamp en koers).

 De patronen waarin de laser het gebied scant, kunnen variëren, zoals zigzag-, parallelle of elliptische paden. De combinatie van DGPS- en IMU-gegevens, samen met kalibratiegegevens en montageparameters, stelt het systeem in staat de verzamelde laserpunten nauwkeurig te verwerken. Aan deze punten worden vervolgens coördinaten (x, y, z) toegekend in een geografisch coördinatensysteem met behulp van het World Geodetic System of 1984 (WGS84)-datum.

Hoe werkt LiDAR?TeledetectieWerkenLeg het op een eenvoudige manier uit.

Een LiDAR-systeem zendt snelle laserpulsen uit naar een doelobject of -oppervlak.

De laserpulsen weerkaatsen op het doelwit en keren terug naar de LiDAR-sensor.

De sensor meet nauwkeurig de tijd die elke puls nodig heeft om naar het doel te reizen en terug te keren.

Met behulp van de lichtsnelheid en de reistijd wordt de afstand tot het doel berekend.

In combinatie met de positie- en oriëntatiegegevens van GPS- en IMU-sensoren worden de precieze 3D-coördinaten van de laserreflecties bepaald.

Dit resulteert in een dichte 3D-puntenwolk die het gescande oppervlak of object weergeeft.

Fysisch principe van LiDAR

LiDAR-systemen gebruiken twee soorten lasers: gepulseerde en continue lasers. Gepulseerde LiDAR-systemen werken door een korte lichtpuls uit te zenden en vervolgens de tijd te meten die deze puls nodig heeft om naar het doel te reizen en terug te keren naar de ontvanger. Deze meting van de heen-en-terugreistijd helpt bij het bepalen van de afstand tot het doel. Een voorbeeld hiervan is te zien in een diagram waarin de amplitudes van zowel het uitgezonden lichtsignaal (AT) als het ontvangen lichtsignaal (AR) worden weergegeven. De basisvergelijking die in dit systeem wordt gebruikt, omvat de lichtsnelheid (c) en de afstand tot het doel (R), waardoor het systeem de afstand kan berekenen op basis van de tijd die het licht nodig heeft om terug te keren.