Lotniczy skaning laserowy

- część 1 z 3 » »»

Zdzisław Kurczyński

Zasada działania
Ideę skaningu laserowego można sprowadzić do zasady laserowego pomiaru odległości z lecącego samolotu (helikoptera) do punktów powierzchni terenu. Jeżeli gęstość terenowych punktów pomiarowych jest tak duża, że ich średnia odległość wynosi około metra do kilku metrów, to w efekcie uzyskuje się quasi-ciągłą, przestrzenną reprezentację powierzchni terenu.

W praktyce promień dalmierza laserowego, poprzez zwierciadło skanujące lub układ światłowodów "przeczesuje" teren w płaszczyźnie poprzecznej do kierunku lotu. Laser działa impulsowo i z dużą częstotliwością "próbkuje" teren. Energia częściowo odbita od powierzchni terenu jest poprzez układ optyczny skanera odbierana i rejestrowana. Tak jak w tradycyjnym dalmierzu laserowym, na podstawie pomiaru czasu powrotu odbitego sygnału określa się odległość: samolot - punkt terenowy.

Z dalmierzem synchronicznie współpracuje system GPS, który określa pozycję samolotu, z której wysłano impuls, oraz inercjalny system nawigacyjny (INS), który określa aktualne nachylenia kątowe platformy, na której zamontowana jest optyczna głowica skanująca. Integracja danych z tych trzech systemów pomiarowych wskazuje położenie, z którego wykonano pomiar odległości, samą odległość i jej kierunek w przestrzeni. Pozwala to określić współrzędne punktu terenowego X, Y, Z, w który w danym momencie był wycelowany laser. 

Zasada działania lotniczego skanera laserowego

Nietrudno dostrzec, że lotniczy skaner laserowy działa jak szybki tachimetr elektroniczny, dlatego też system ten nazywany jest również "Lotniczą Total Station".
Z opisanej zasady działania łatwo zauważyć podobieństwo skanera laserowego do radaru, istotna różnica sprowadza się do tego, że radar działa w zakresie mikrofalowym, a skaner w zakresie optycznym. Z tych powodów skaner laserowy często określa się mianem radaru laserowego, lub LIDAR-u (ang.: LIght Detection and Ranging), tj. systemu, na który składa się laser (emiter świata spójnego) i odbiornik światła odbitego. Pozwala to określić odległość do obiektu.

Ze skanerem laserowym może współpracować kamera wideo skierowana pionowo w dół. Kamera ta rejestruje na taśmie pas terenu szerszy od zasięgu lasera. Oprócz kamery rejestrującej nadirowo, można zainstalować drugą kamerę, skierowaną pod kątem 45° do przodu i dającą perspektywiczny wgląd w obrazowany teren. Obrazy wideo na etapie obróbki danych są przydatne do interpretacji pokrycia terenu i filtrowania danych pomiarowych. Mogą stanowić również tani, samodzielny produkt w budowanym systemie GIS. 

Z przedstawionego działania systemu skaningu laserowego wynika, że w wyniku pomiaru otrzymuje się gęstą sieć punktów o współrzędnych X, Y, Z w układzie współrzędnych WGS-84 lub przeliczonych na inny układ, reprezentujących terenowe punkty, od których odbił się promień lasera. Opisany proces jest prawie całkowicie zautomatyzowany. Zwykle nie jest to jednak produkt końcowy. Jeżeli produktem finalnym jest model wysokościowy terenu - Numeryczny Model Terenu (NMT), odniesiony do powierzchni gruntu, to wszystkie odbicia od obiektów nieleżących na powierzchni gruntu (jak budynki, drzewa, samochody, kable linii przesyłowej czy nawet ptaki) muszą być usunięte. Ten proces "czyszczenia" danych pomiarowych realizowany jest po misji (tryb off-line) i wymaga specjalistycznego oprogramowania i dość znacznych mocy obliczeniowych. Obróbka danych pomiarowych prowadzona jest interaktywnie i może być zautomatyzowana tylko do pewnego stopnia. Większość systemów konstruowanych jest z przeznaczeniem ich instalacji na pokładzie samolotu, część jednak projektowanych jest z myślą o instalacji na pokładzie helikoptera, lub podwieszeniu pod helikopterem.

Impuls laserowy może doznać więcej niż jednego odbicia. Jeżeli impuls trafi na obszar zadrzewiony, to pierwsze częściowe odbicie nastąpi od korony drzewa, reszta energii przejdzie przez koronę drzewa i odbije się od powierzchni gruntu (rysunek). Między tymi skrajnymi odbiciami mogą mieć miejsce odbicia pośrednie. Systemy laserowe rejestrują tylko pierwsze, tylko ostatnie, lub oba odbicia (tzw. echa). Są systemy rejestrujące odbicia pośrednie - obecnie do 5 odbić. Ma to kapitalne znaczenie dla stosowania systemu. Na podstawie zarejestrowanych wielokrotnych odbić można określić wysokość drzew, a nawet numeryczny model wysokości pokrywy lasu względem powierzchni terenu (tzw. znormalizowany NMT), czy np. zwis kabli energetycznych. Dla impulsów, które trafią na powierzchnię gruntu czy dach budynku nastąpi tylko jedno odbicie (pierwsze echo jest równe ostatniemu).

Obiekty naziemne w różnym stopniu odbijają padającą energię. Najmniejsze odbicie w zakresie bliskiej podczerwieni następuje od powierzchni wody, zaś największe dla lodu i śniegu (50-80%); dla roślinności wynosi ono 30-50%; dla piasku 10-20%. Nowsze systemy mogą rejestrować intensywność sygnału powrotnego. Może to dać podstawę do różnicowania typów powierzchni, a nawet automatycznego rozpoznawania obiektu.

Tabela przedstawia typowe parametry komercyjnych systemów skanerowych.