Lidars

Ēku un citu objektu skanēšanas lidars 3D attēlu izveidei

Lidars ASV gaisa spēku bāzē pēta nātrija atomu daudzumu mezosfērā

Lidars, arī LIDAR (angļu: Light Detection and Ranging — "Atrašana un attāluma noteikšana ar gaismu") un aerolāzerskenēšana ir tālizpētes tehnoloģija informācijas iegūšanai un apstrādei par attālinātiem objektiem, izmantojot aktīvās optiskās sistēmas, kas izmanto gaismas absorbcijas un izkliedes parādības optiski caurspīdīgā telpā. Parasti tie ir lāzeri, tomēr īsās distancēs gaismas avoti var būt arī citi.

Lidars sastāv no pulsējoša gaismas avota (parasti lāzera), skanera un specializēta GPS uztvērēja. Parasti lidars zinātnē tiek pielietots no lidaparātiem topogrāfiskiem un batimetriskiem (dziļuma) mērījumiem. Topogrāfiskie lidari darbojas ar gaismu, kas tuva infrasarkanajai, kamēr batimetriskie lieto zaļo gaismu, kas visdziļāk iespiežas ūdenī.

Bieži sastopamais lidara tulkojums kā "lāzerradars" nav pilnīgi pareizs, jo maza darbības diapazona sistēmās (piemēram, paredzētās lietošanai iekštelpās) lāzera galvenās īpašības: koherence, mazā izkliede un momentānā starojuma jauda nav tik būtiskas; gaismas izstarotāji šādās sistēmās var būt parastās gaismas diodes. Tomēr galvenajās šīs tehnoloģijas praktiskās izmantošanas jomās (meteoroloģija, ģeodēzija un kartogrāfija) ar diapazonu no simtiem metru līdz simtiem kilometru tiek izmantoti tikai lāzeri.

Vēsture

Saīsinājums LIDAR pirmo reizi parādījās Kanādā Midltona un Spilhausa 1953. gada darbā "Meteoroloģiskie instrumenti" vēl pirms lāzeru izgudrošanas. Pirmajos lidaros kā gaismas avoti tika izmantotas zibspuldzes vai parastās spuldzes ar ātrgaitas slēģiem, kuri veidoja īsu impulsu. Pirmo mūsdienām līdzīgo sistēmu 1961. gadā izveidoja "Hughes Aircraft" attālumu noteikšanai, nosaucot to par "Colidar" (angļu: COherent LIght Detecting And Ranging). Lidara vārds angļu valodā tika akceptēts 1963. gadā.

Galvenie lidaru veidi

• Skenējošie lidari mašīnredzes sistēmās veido divdimensiju vai trīsdimensiju apkārtējās telpas attēlu.
• "Atmosfēras" lidari spēj ne tikai noteikt attālumu līdz necaurspīdīgiem atstarojošiem mērķiem, bet arī analizēt caurspīdīgas vides īpašības, kas izkliedē un absorbē gaismu.
  • Īpaši atmosfēras lidari ir Doplera lidari, kas nosaka gaisa plūsmu kustības virzienu un ātrumu dažādos atmosfēras slāņos.

Darbības veids

Lidara fizika. Distance līdz objektam d un ilgums t (time) starp izstarošanu un uztveršanu ir saistīti ar formulu, kurā c ir elektromagnētisko viļņu ātrums.

Lidars raida gaismas impulsu mērķa virzienā, kurš atstarojas no tā un daļēji atgriežas. Atstarotā impulsa daļa ir mainījusies atkarībā no mērķa īpašībām un tiek uztverta analīzei. Laiks, kuru stars patērējis ceļā līdz mērķim un atpakaļ, norāda attālumu līdz tam.

Skenēšanas rezultātā tiek iegūts punktu mākonis, kur katram punktam piemīt konkrētas telpiskās koordinātas. Šo punktu mākoni apstrādājot, tiek iegūts digitāls reljefa un virsmas modelis un tiek noteiktas kontūras, zemes lietojuma struktūra, kā arī attēli, kurus var izmantot kā kartes. Tai skaitā, ar speciālu programmatūru apstrādājot lidara datus, var iegūt pilsētu 3D modeļus, kas tiek pielietoti pilsētu plānošanā.

Apsekošanas lidmašīna parasti izmēra no 20 līdz 100 tūkstošiem punktu sekundē. Skenētās zonas platumu nosaka nepieciešamība izvairīties no šķēršļiem, kas aizsedz zemes virsmu. Datu punktu atrašanās vieta tiek aprēķināta, izmantojot GPS, lai modelēšanai un analīzei ģenerētu trīsdimensiju koordinātas. Testi ainavās, kas bagātas ar arheoloģiskām iezīmēm, rāda, ka lidara datu izmantošana var atklāt iepriekš neatzītas zemas reljefas pazīmes. Pastāv arī sarežģīti modelēšanas komplekti, lai attīrītu datus no koku seguma, atklājot zem lapotnes esošo zemes virsmu. Arheoloģijā, sākot no 2010. gadiem, šī tehnoloģija sniegusi svarīgus atklājumus. Skanēšana var tikt veikta arī no kosmiskiem aparātiem gan Zemes, gan citu planētu orbītās.

Praktiskā pielietojuma nozares

Ar lidaru veidots attēls, kurā redzami seni indiāņu kurgāni ASV Aiovas štatā

• Atmosfēras izpēte
  • Mākoņu augstuma noteikšana
  • Gaisa caurspīdīguma noteikšana
  • Gaisa plūsmu ātruma un virziena noteikšana
  • Dažādu gāzu daudzuma noteikšana gaisā
  • Temperatūras mērījumi
  • Ugunsgrēku agrā brīdināšana
• Zemes virsmas izpēte
  • Ģeodēzija, topogrāfija un arheoloģija
  • Mežu stāvokļa novērošana
• Celtniecība un izrakteņu ieguve
  • Pazemes slāņu izpēte (bieži kopā ar seismiskajiem instrumentiem)
  • Ēku un to celtniecības laukumu apmērīšana, celtņu vertikāluma kontrole
  • 3D arhitektūras modeļu izveide to estētiskās atbilstības pārbaudei
• Zemūdens izpēte
  • Ūdenstilpju dziļumu mērīšana
  • Zivju baru atrašana
  • Cilvēku glābšana jūrā
  • Atmīnēšana
  • Zemūdens redzes sistēmas aparātiem un nirējiem
• Transports
  • Transportlīdzekļu ātruma noteikšana
  • Bezpilota transportlīdzekļu darbība
  • Orbitālo kuģu saslēgšanās vadība
• Rūpnieciskā ražošana
  • Robotu redze

Latvijas aerolāzerskenēšana

2013. gadā tika uzsākta Latvijas pilnīga skenēšana, kuru veica Polijas uzņēmums MGGP Aero un Francijas uzņēmums Geofit Expert. 2019. gadā darbs tika pabeigts. Izvirzītās precizitātes prasības bija līdz 12 cm vertikālajā un 36 cm horizontālajā virzienā, salīdzinot ar esošajiem Valsts ģeodēziskā tīkla datiem. Skenēšanas dati pieejami bez maksas. Starp citiem šī darba rezultātiem, izpētot datus, Latvijā tika atklāti agrāk nezināmi pilskalni.

Ārējās saites

• Vikikrātuvē par šo tēmu ir pieejami multivides faili. Skatīt: Lidars.

• Encyclopædia Britannica raksts (angliski)