Viễn thám LiDAR: Nguyên tắc, ứng dụng, tài nguyên và phần mềm miễn phí

Cảm biến LiDAR trên khôngcó thể ghi lại các điểm cụ thể từ xung laser, được gọi là phép đo phản hồi rời rạc hoặc ghi lại tín hiệu hoàn chỉnh khi nó phản hồi, được gọi là dạng sóng đầy đủ, ở các khoảng thời gian cố định như 1 ns (bao phủ khoảng 15 cm). LiDAR dạng sóng đầy đủ chủ yếu được sử dụng trong lâm nghiệp, trong khi LiDAR phản hồi rời rạc có ứng dụng rộng hơn trên nhiều lĩnh vực khác nhau. Bài viết này chủ yếu thảo luận về LiDAR lợi nhuận rời rạc và cách sử dụng nó. Trong chương này, chúng tôi sẽ đề cập đến một số chủ đề chính về LiDAR, bao gồm các thành phần cơ bản, cách thức hoạt động, độ chính xác, hệ thống và tài nguyên sẵn có.

Các thành phần cơ bản của LiDAR

Các hệ thống LiDAR trên mặt đất thường sử dụng tia laser có bước sóng trong khoảng 500–600 nm, trong khi hệ thống LiDAR trên không sử dụng tia laser có bước sóng dài hơn, từ 1000–1600 nm. Thiết lập LiDAR trên không tiêu chuẩn bao gồm máy quét laser, thiết bị đo khoảng cách (đơn vị đo phạm vi) và các hệ thống điều khiển, giám sát và ghi lại. Nó cũng bao gồm Hệ thống định vị toàn cầu vi sai (DGPS) và Đơn vị đo lường quán tính (IMU), thường được tích hợp vào một hệ thống duy nhất được gọi là hệ thống định vị và định hướng. Hệ thống này cung cấp dữ liệu vị trí chính xác (kinh độ, vĩ độ và độ cao) và dữ liệu định hướng (cuộn, cao độ và tiêu đề).

 Các kiểu mà tia laser quét khu vực có thể khác nhau, bao gồm các đường ngoằn ngoèo, song song hoặc hình elip. Sự kết hợp giữa dữ liệu DGPS và IMU, cùng với dữ liệu hiệu chuẩn và thông số lắp đặt, cho phép hệ thống xử lý chính xác các điểm laser được thu thập. Những điểm này sau đó được gán tọa độ (x, y, z) trong hệ tọa độ địa lý sử dụng mốc thời gian của Hệ thống trắc địa thế giới năm 1984 (WGS84).

LiDAR như thế nàoviễn thámTác phẩm? Giải thích một cách đơn giản

Hệ thống LiDAR phát ra các xung laser nhanh về phía vật thể hoặc bề mặt mục tiêu.

Các xung laser phản xạ khỏi mục tiêu và quay trở lại cảm biến LiDAR.

Cảm biến đo chính xác thời gian cần thiết để mỗi xung truyền đến mục tiêu và quay trở lại.

Sử dụng tốc độ ánh sáng và thời gian di chuyển, khoảng cách đến mục tiêu sẽ được tính toán.

Kết hợp với dữ liệu vị trí và định hướng từ cảm biến GPS và IMU, tọa độ 3D chính xác của phản xạ laser được xác định.

Điều này dẫn đến đám mây điểm 3D dày đặc biểu thị bề mặt hoặc vật thể được quét.

Nguyên lý vật lý của LiDAR

Hệ thống LiDAR sử dụng hai loại laser: sóng xung và sóng liên tục. Hệ thống LiDAR dạng xung hoạt động bằng cách gửi một xung ánh sáng ngắn rồi đo thời gian cần thiết để xung này truyền đến mục tiêu và quay trở lại máy thu. Phép đo thời gian khứ hồi này giúp xác định khoảng cách đến mục tiêu. Một ví dụ được hiển thị trong sơ đồ trong đó biên độ của cả tín hiệu ánh sáng truyền đi (AT) và tín hiệu ánh sáng nhận được (AR) đều được hiển thị. Phương trình cơ bản được sử dụng trong hệ thống này liên quan đến tốc độ ánh sáng (c) và khoảng cách tới mục tiêu (R), cho phép hệ thống tính toán khoảng cách dựa trên khoảng thời gian để ánh sáng quay trở lại.