Che cos’è Light Detection and Ranging (LiDAR)?
Come ti piacerebbe sventolare la tua bacchetta magica e tutto ad un tratto scoprire quanto tutto è lontano da te?
Non erano necessarie bacchette magiche. Ecco come funziona LiDAR (Light Detection and Ranging). Certo, senza la bacchetta magica!
Cerchiamo di demistificare il rilevamento della luce e che vanno. Speriamo che, dopo aver letto questo, passerai da zero a un eroe LiDAR.
PER SAPERNE DI PIÙ: Top 6 Fonti di dati LiDAR gratuiti.
LiDAR 101
LiDAR è fondamentalmente una tecnologia a distanza. Da un aereo o un elicottero, i sistemi LiDAR inviano luce a terra.
Questo impulso colpisce il suolo e ritorna al sensore. Poi, misura quanto tempo ci vuole per la luce per tornare al sensore.
Registrando il tempo di ritorno, questo è il modo in cui LiDAR misura la distanza. In realtà, questo è anche il modo in cui LiDAR ha preso il nome: rilevamento della luce e intervallo.
Come funziona LiDAR
LiDAR è uno strumento di campionamento. Quello che intendo è che invia oltre 160.000 impulsi al secondo. Per ogni secondo, ogni pixel da 1 metro ottiene circa 15 impulsi. Questo è il motivo per cui le nuvole di punti LiDAR creano milioni di punti.
I sistemi LiDAR sono molto precisi perché vengono controllati in una piattaforma. Ad esempio, la precisione è solo di circa 15 cm in verticale e 40 cm in orizzontale.
Mentre un aereo viaggia in aria, le unità LiDAR scansionano il terreno da un lato all’altro. Mentre alcuni impulsi saranno direttamente sotto al nadir, la maggior parte degli impulsi viaggia ad un angolo (off-nadir). Quindi, quando un sistema LiDAR calcola l’elevazione, tiene conto anche dell’angolo.
Tipicamente, LiDAR lineare ha una larghezza dell’andana di 3.300 piedi. Ma le nuove tecnologie come Geiger LiDAR possono scansionare larghezze di 16.000 piedi. Questo tipo di LiDAR può coprire impronte molto più ampie rispetto al LiDAR tradizionale.
Cosa può generare LiDAR?
1. Numero di ritorni
Immagina di fare escursioni in una foresta. Poi, si guarda al cielo. Se riesci a vedere la luce, questo significa che anche gli impulsi LiDAR possono passare. Inoltre, questo significa che LiDAR può colpire la terra nuda o la vegetazione corta.
Una quantità significativa di luce penetra la foresta baldacchino proprio come la luce del sole. Ma LiDAR non colpirà necessariamente solo la terra nuda. In una zona boschiva, può riflettere diverse parti della foresta fino a quando l’impulso colpisce finalmente il terreno.
Usando LiDAR per ottenere punti di terra nudi, non stai radiografando attraverso la vegetazione. Invece, stai davvero sbirciando attraverso le lacune nelle foglie. Quando colpisce i rami, ottieni più hit o ritorni.
2. Numero di ritorno
In una foresta, l’impulso laser va verso il basso. Quando la luce colpisce diverse parti della foresta, si ottiene il “numero di ritorno”. Ad esempio, otterrai i ritorni 1st, 2nd, 3rd fino a quando non colpirà definitivamente il terreno nudo. Se non c’è foresta nel modo, colpirà solo la superficie del terreno.
A volte un impulso di luce non riflette una cosa. Come nel caso degli alberi, un impulso di luce potrebbe avere ritorni multipli. I sistemi LiDAR possono registrare le informazioni a partire dalla cima del baldacchino attraverso il baldacchino tutto il senso alla terra. Questo rende LiDAR prezioso per interpretare la struttura forestale e la forma degli alberi.
3. I modelli digitali di elevazione
I modelli digitali di elevazione (DEM) sono modelli topografici della superficie terrestre. Usando solo i ritorni a terra, puoi costruire un DEM. Ma questo è diverso dai modelli digitali del terreno (DTM) perché i DTM incorporano i contorni.
Utilizzando un DEM, è possibile generare prodotti aggiuntivi. Ad esempio, è possibile creare:
- Pendenza (salita o discesa espressa in gradi o percentuale)
- Aspetto (direzione pendenza)
- Hillshade (rilievo ombreggiato considerando l’angolo di illuminazione)
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4. Digital Surface Models
Come hai imparato, LiDAR scruta attraverso la foresta. Alla fine, la luce raggiunge il suolo. Poi, otteniamo un ritorno di Terra nuda. Ma per quanto riguarda il primo ritorno che colpisce l’albero?
Un modello di superficie digitale (DSM) incorpora elevazioni da superfici naturali e costruite. Ad esempio, aggiunge elevazione da edifici, baldacchino albero, powerlines, e altre caratteristiche.
5. Canopy Height Model
Canopy Height Models (CHM) ti offre la vera altezza delle caratteristiche topografiche sul terreno. Chiamiamo anche questo tipo di modello di elevazione un modello di superficie digitale normalizzato (nDSM).
Per prima cosa, prendi il DSM che include caratteristiche naturali e costruite come alberi ed edifici. Quindi, sottrarre queste elevazioni dalla Terra nuda (DEM). Quando si sottraggono i due, si ottiene una superficie di caratteristiche che rappresenta l’altezza reale da terra.
6. Intensità luminosa
La forza dei ritorni LiDAR varia con la composizione dell’oggetto superficiale che riflette il ritorno. Le percentuali riflettenti sono indicate come intensità LiDAR.
Ma diversi fattori influenzano l’intensità della luce. Ad esempio, la gamma, l’angolo incidente, il fascio, il ricevitore e la composizione della superficie (in particolare) influenzano l’intensità della luce. Un esempio è quando l’impulso è inclinato più lontano, l’energia di ritorno diminuisce.
L’intensità luminosa è particolarmente utile per distinguere le caratteristiche nell’uso/copertura del suolo. Ad esempio, le superfici impermeabili si distinguono nelle immagini ad intensità luminosa. Questo è il motivo per cui l’intensità della luce è buona per la classificazione delle immagini come l’analisi delle immagini basata su oggetti.
7. Classificazione dei punti
Esistono una serie di codici di classificazione che l’American Society for Photogrammetry and Remote Sensing (ASPRS) assegna per la classificazione dei punti LiDAR.
Ad esempio, le classi possono includere terra, vegetazione (bassa, media e alta), costruzione e acqua, ecc. A volte, la classificazione dei punti può rientrare in più di una categoria. Se questo è il caso, i fornitori di solito contrassegnano questi punti con classi secondarie.
I fornitori possono classificare LiDAR o meno. I codici sono generati dall’impulso laser riflesso in modo semiautomatico. Non tutti i fornitori aggiungono questo campo classificazione LAS. In realtà, di solito è concordato nel contratto in anticipo.
Dove sono le fonti LiDAR aperte e libere?
I dati LiDAR sono una risorsa rara e preziosa. Ma grazie ai programmi open data, stanno diventando più ampiamente disponibili.
Allora, dove sono i dati LiDAR? Ecco un elenco dei primi 6 fonti di dati LiDAR liberi per voi per ottenere un jump-start sulla vostra ricerca.
Se non riesci a trovare quello che stai cercando, molto probabilmente dovrai acquistare i dati LiDAR. I fornitori generalmente volano LiDAR commercialmente in elicottero, aereo e drone.
Quali sono i tipi di LiDAR?
Esploriamo i tipi di sistemi LiDAR. Differiscono in:
- Dimensione dell’impronta
- Lunghezza d’onda
- Allineamento posizionale
Profiling LiDAR
Profiling LiDAR è stato il primo sistema mai utilizzato negli anni ‘ 80. Si è specializzato in caratteristiche rettilinee come le linee elettriche. Profiling LiDAR invia un impulso individuale in una linea. Ad un nadir fisso, misura l’altezza lungo un singolo transetto.
Small Footprint LiDAR
Small footprint LiDAR è ciò che usiamo principalmente oggi. Esegue la scansione a circa un angolo di scansione di 20 gradi. Quindi, si muove avanti e indietro. Se va oltre i 20 gradi, lo strumento LiDAR può iniziare a vedere i lati degli alberi invece che verso il basso.
- Il LiDAR topografico mappa la terra usando tipicamente la luce del vicino infrarosso.
- Il LiDAR batimetrico utilizza la luce verde penetrante nell’acqua per misurare le elevazioni del fondo marino e del letto del fiume.
Large Footprint LiDAR
Large footprint LiDAR utilizza forme d’onda complete con un’impronta di 20 m. Ma la sua precisione è bassa perché il ritorno dell’impulso può includere terreni in pendenza. Due notevoli esperimenti della NASA hanno utilizzato questo tipo di LIDAR:
- AFFETTATRICE (Scansione Lidar Imager di baldacchini da Echo Recovery)
- LVIS (Laser Vegetation Imaging Sensor)
LiDAR a terra
LiDAR a terra si siede su un treppiede e scansiona l’emisfero. È particolarmente indicato per la scansione di edifici. Ma ci sono anche applicazioni in geologia, silvicoltura e costruzione.
Geiger-mode LiDAR
Geiger-mode LiDAR è ancora in uno stato esperienziale. Ma è specializzata nella scansione ad alta quota. Poiché ha un’andana estremamente ampia, può coprire più terreno rispetto ad altri tipi di LiDAR.
Componenti del sistema LiDAR
Ci sono 4 parti principali di un LiDAR aereo. Lavorano insieme per produrre risultati altamente accurati e utilizzabili:
SENSORI LiDAR: mentre l’aereo viaggia, i sensori scansionano il terreno da un lato all’altro. Gli impulsi sono comunemente in bande verdi o nel vicino infrarosso.
RICEVITORI GPS: Ricevitori GPS traccia l’altitudine e la posizione del velivolo. Queste tracce sono importanti per i valori precisi del terreno e di elevazione.
UNITÀ DI MISURA INERZIALE (IMU): Mentre gli aerei viaggiano, IMUs traccia la sua inclinazione. I sistemi LiDAR utilizzano l’inclinazione per misurare con precisione l’angolo incidente dell’impulso.
REGISTRATORI DI DATI: mentre LiDAR esegue la scansione della superficie, un computer registra tutti i ritorni dell’impulso. Quindi, queste registrazioni vengono tradotte in elevazione.
Full waveform vs Discrete
LiDAR systems store LiDAR restituisce in due modi:
- Forma d’onda completa
- Discreto LiDAR
Discrete LiDAR
Immaginate impulsi LiDAR scansione attraverso un’area boschiva. Ottieni 1st, 2nd, 3rd return perché l’impulso colpisce più rami. Quindi, si ottiene un impulso grande e finale dal ritorno a terra nuda.
Quando si registrano i dati come ritorni separati, questo è “discrete return LiDAR”. In breve, LiDAR discreto prende ogni picco e separa ogni ritorno.
Forma d’onda completa LiDAR
Quando si registra l’intero ritorno come un’onda continua, questo è full-forma d’onda LiDAR. Quindi, basta contare i picchi, questo lo rende discreto.
Anche se i dati a forma d’onda completa sono più complicati, LiDAR si sta muovendo verso un sistema a forma d’onda completa.
Progetti e applicazioni LiDAR
Questo elenco di usi e applicazioni LiDAR graffia a malapena la superficie. Ad esempio, ecco alcuni modi in cui usiamo LiDAR oggi:
SILVICOLTURA: I forestali usano LiDAR per capire meglio la struttura e la forma degli alberi.
AUTO A GUIDA AUTONOMA: le auto a guida autonoma utilizzano lo scanner LiDAR per rilevare pedoni, ciclisti, segnali di stop e altri ostacoli.
ARCHEOLOGIA: gli archeologi usano LiDAR per trovare modelli quadrati nel terreno, che erano antichi edifici e piramidi costruite dalle civiltà maya ed egiziane.
IDROLOGIA: gli idrologi delineano gli ordini di flusso e gli affluenti del LiDAR.
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Sommario: Che cosa è LiDAR?
Light Detection and Ranging (LiDAR) utilizza laser per misurare l’elevazione delle caratteristiche.
È una tecnologia di distanza che campiona con un’incredibile quantità di precisione e punti.
È simile al sonar (onde sonore) o al radar (onde radio) perché invia un impulso e misura il tempo necessario per tornare. Ma LiDAR è diverso da sonar e radar perché usa la luce.
Abbiamo riassunto il rilevamento della luce e la gamma con questa guida LiDAR. Ora puoi considerarti un guru LiDAR.