LIDAR

Allikas: Vikipeedia

LIDAR (inglise Light Detection And Ranging) on laserskaneerimise seade.

Töö põhimõte[muuda | redigeeri lähteteksti]

LIDARi töö põhineb maapinnalt tagasipeegeldunud laserimpulsilt kolmemõõtmeliste koordinaatide arvutamisel. Laserskaneerimist võib läbi viia nii õhusõidukilt (aerolaserskaneerimine) kui ka maapinnalt. Sisult on tegemist ühe kaugseire viisiga maapinna uuringutes.[1]

Aerolaserskaneerimise põhimõte ja mõõdistussüsteemi osad (Lillesand & Kiefer 2009 järgi)

LIDARi laserskaneerimise seade saadab välja valgusimpulsi, mis sihtkohta jõudes peegeldub tagasi seadmesse. Kuna laserskaneerimine toimib valguskiirusel, mis on ligikaudu 0,3 m/ns, on võimalik välja arvutada valguskiire levimise teekonna pikkus seadmest pinnani, millelt valguskiir tagasi peegeldub. Digitaalse kõrgusmudeli täpsuseks on sellisel meetodil võimalik saada mõõtmistulemuste andmetöötluse järel kuni 15 cm. Antud täpsus võimaldab luua mis tahes väga täpset digitaalset maastikumudelit nii loodusliku kui ka tehisliku keskkonna kohta.[2]

Liikuvatel õhusõidukitel, nagu lennukil ja kosmosesüstikul, saab pinna kõrgust teada vaid siis, kui laserskaneerimise seadme sensori paiknemine on väga täpselt määratud GPSi (Global Positioning System) ja IMUga (ingl Inertial Measurement Unit). Olenevalt laserskaneerija võimekusest on võimalik määrata ka objektide vertikaalset struktuuri, näiteks maapinnal asetsevate puude, majade või muude objektide kõrgust.[3] Aerolaserskaneerimisest saadud ruumilised koordinaadid saadakse kolmest erinevast komponendist: LIDARi sensorist, lennukil olevalt IMUst ning GPSist. LIDARi sensorist saadakse nurgad ja kaugused, IMUst kiirendusvektorid ja kaldenurgad ning GPSist geodeetilised koordinaadid WGS84 süsteemis. GPSist saadud andmete põhjal on võimalik IMU poolt registreeritud lennuki kalletest tekkinud vigu korrigeerida ja need andmed saab konverteerida WGS84 ellipsoidi pinnale. Mõõdistamisel lendab lennuk mööda lennuprojektis ettemääratud trajektoori ning LIDARi sensor skaneerib maapinda sõltuvalt instrumendi tüübist, kas küljelt küljele Z-tähe kujuliselt, ainult ühes suunas ühelt küljelt teisele või elliptiliste ringidena. Mis tahes meetodil on skaneeritava lennukoridori keskmise osa andmed täpsemad kui ääreala andmed.[2]

Erinevalt teistest fotogramm-meetrilistest meetoditest, mille tulemuseks on aero-, ortofoto või multispektraalne pilt, saab laserskaneerides tulemuseks punktipilve. Igale punktile on omistatud x-, y- ja z-koordinaat, peegeldumisintensiivsus ja värvid, mis on tagatud kalibreeritud kõrgeresolutsioonilise digitaalkaameraga. Kui veel 2000. aastate alguses toimus maapinna klassifitseerimine multispektraalsete piltide järgi, siis LIDARi andmed võimaldavad klassifitseerimist ilma nende piltideta. LIDARi andmetest kasutatakse tihti vaid maapinna punkte, mille puhul eraldatakse teised punktid maapinna punktidest, et saaks teha maastiku 3D mudeleid. Punkti klassifitseerimises kasutatakse ka intensiivsusväärtust, kuid neid andmeid ei ole veel väga laialdaselt kasutatud ei avalikus sektoris ega ka akadeemilistes ringkondades, kuigi see võib olla oluline faktor tunnuste leidmisel või maapinna klassifitseerimisel. Kogutud maapinnapunktidest on võimalik moodustada trianguleeritud võrgustiku ehk TINi (Triangular Irregular Network). Selle mudeli täpsus on seotud punktide tihedusega pinnaühiku kohta. TINi kõrgusmudelist hea ülevaate saamiseks on soovitatav kasutada värve, mis annab parema ülevaate kõrgustest.[1][2]

Ajalugu[muuda | redigeeri lähteteksti]

Alates 1960. aastatest, laserskaneerimise algusest, on laserit peetud looduskeskkonna täppismõõdistuste keskmeks. Laserskaneerimise ajalugu ulatub tagasi aastasse 1958, kui kaks teadlast Charles Townes ja Arthur Schawlolw teatasid võimalusest, et väga intensiivset monokroomset kiirgust on võimalik täpselt piki suuri vahemaid suunata. 1960. aastal arendati välja esimene tahke rubiinlaser (ingl solid-state ruby laser), mis kiirgas võimsaid punase valguse joondatud impulsse, seega võib seda pidada ka LIDARi eellaseks. 1960. aastate keskel toimus üldine laseri (Light Amplification by the Stimulated Emission of Radiation) areng, millele 1970. aastatel järgnes suur tehnoloogia usaldusväärsuse paranemine. Ei läinud enam kaua aega, kui avastati potentsiaalne kitsas, sirge, peegelduv kiir, mis sai joondumise määramisel aluseks.

Varajased mõõtmisinstrumendid olid mõeldud kasutamiseks laboritingimustes, esimene laserkaugusmõõtja tehti aastal 1966 ja esimene joonduslaser turustati aastal 1971. Vaatamata usaldatavusele, saavutati kaubanduslik edu ning 1970. aastatel kiirenes laserite kasutuselevõtmine tehnika uurimises ja ehitustööstuses. Keskkonnateadlased võtsid kohe, kui esialgsed süsteemid olid kohandatud ilmastikukindlateks ning rasketes oludes vastu pidama, uue tehnoloogia kasutusele. 1980.–1990. aastatel nähti palju erinevaid rakendusvõimalusi laiaulatuslikus keskkonnasüsteemis.[2]

Esimesed mõõtmised olid lihtsad, rakendades ainult ühte lennukõrgust ja ühte valguskiirt. GPSi saabumisega 1980. aastatel hakati seda koos LIDARiga kasutama, ning tänu sellele salvestati maapealsete kontrollpunktide asukoht, mis muutsid nende kõrgusandmed tunduvalt täpsemaks.[3] LIDARi ühildamine GPS-süsteemiga aitas kaasa suure täpsusega digitaalse kõrgusmudeli laialdasemale kasutamisele paljudes teadusvaldkondades. Selline mõõdistusviis on kiire, suhteliselt ökonoomne ning lubab mõõdistada väga rasket maastiku suurtel aladel. LIDARiga saab koguda topograafilisi andmeid kiirusega kuni 90 km² tunnis. See teeb LIDARist atraktiivse mõõdistustehnika maapealse mõõdistusmeetodi kõrval. Eelpool mainitud eeliste poolest on aerolaserskaneerimisest saanud üks eelistatumaid valikuid suurte alade täpse ja tiheda digitaalkõrgusmudeli loomiseks paljudes kasutusvaldkondades.[2]

Andmete täpsus[muuda | redigeeri lähteteksti]

LIDAR-scanned-SICK-LMS-animation.gif

Kõige enam sõltub skaneerimise mõõdistustäpsus lennukõrgusest. Lennukõrgusest sõltuv vertikaalne ja horisontaalne täpsus on teaduslikult välja selgitatud. Horisontaalne täpsus on 1/2000 lennukõrgusest, mis on alla 15 cm, kui lennukõrgus on kuni 1200 m. Tavaliselt on aerolaserskaneerimise kõrgus ligikaudu 3500 m.[1][2]

Kolmemõõtmeliste koordinaatide täpsus sõltub suuresti järgmistest teguritest: kaugus määramine, laserkiire positsioneerimine ja laserkiire suund. Kuna tulemused esitatakse enamjaolt WGS84 koordinaatsüsteemis, sõltub lõpptulemus geoidimudeli täpsusest ning transformeerimisest kohalikku koordinaatsüsteemi. Sõltuvalt erinevate laserite spetsiifikast mõjutavad kauguse mõõtmise täpsust peamiselt laine sagedus, ostsillaatori stabiilsus ja faaside vahe mõõtmise täpsus, mis omakorda sõltub signaali tugevusest. Veel on kauguse määramise täpsus mõjutatud optilistest elementidest. Näiteks valguse peegeldumise korral peegli või akna pealt see sumbub ja aeglustub klaasi läbides.[2]

Positsioneerimise täpsus sõltub GPS riistvarast, GPS satelliitide vastastikusest asendist, DGPSi andmete järeltöötlusest, GPSi ja IMU vahelistest nihetest, IMU ja laserskanneri vahelisest ja laserskanneri kiire täpsusest ning maapealsete tugijaamade arvust, kaugusest ja asetusest. Asendi täpsus sõltub IMU kvaliteedist, selle sagedusest, järeltöötluse meetodist kui ka GPSiga ühildumisest. Maapealne GPS-baasjaam peaks ideaalis olema mõõdistusalal, kuid mitte kaugemal kui 25 km sellest.[2]

Mida suurem lennukõrgus ning laiem skaneerimisnurk, seda suurem on asendi täpsuse viga. Täpsete kolmemõõtmeliste koordinaatide saamiseks peaks mõõtma orientatsiooni, positsiooni kui ka kaugust samal ajal. Nende mõõtmiste vaheline ajaline nihe põhjustab erinevaid vigu. Rahuliku ilmaga lendudel on vead väikesed, kuid tuulisema ilmaga vead on suuremad.[2]

Parimad LIDARi mõõdistuste tegemiseks sobivad tingimused on jahe, kuiv ja puhas atmosfäär. Infrapunases spektripiirkonnas töötava laseri energia levimist vähendab veeaur (vihm, udu, muu niiskus), süsinikdioksiid, tolm ja suits. Täpsemad tulemused saadakse öösel ja kehvemad tulemused päiksepaistelise ilmaga. Ka õrna lumekihiga on võimalik saada piisavalt täpseid tulemusi, kuna valge värvus peegeldab valgust hästi tagasi.[2]

LIDARi nn jalajälg ehk maale jõudnud laserkiire diameeter on tavaliselt 15,24 cm (6 tolli) kuni 91,4 cm (6 jalga). Laserkiire diameetri suurus suureneb vastavalt läbitud teele. Laserkiirte jälg jaguneb mitmeks osaks taksituste esinemisel (mets, taimestik) lennuki ja maapinna vahel. Näiteks laserskanner ASL50-II võimaldab salvestada kuni nelja peegeldust ühe impulsi kohta.[2]

Aerolaserskaneerimine (ALS) on palju täpsem teistest kõrguse mõõtmise viisidest, mõõtes detsimeetri täpsusega. Antud tehnoloogia puhul on vead suuremad järsematel aladel. Täpsus on suurem laiadel avatud aladel suhteliselt siledatel pindadel, kuid madalam tihedatel, igihaljastel, mitmerindelistel aladel. Lisaks instrumendi töö iseloomule sõltub DEMi täpsus oluliselt ka punktide tihedusest, kaugusest sensorist, sensori positsiooni usaldatavusest ning GPS/IMU süsteemide määratud orientatsiooni täpsusest. LIDARiga saab häid, ruumilisi ja vertikaalseid DEM-andmeid detsimeetrise täpsusega. Kui LIDARi andmete lubatav keskmine ruutviga on 0,24 m, siis DEM kajastab ka suhteliselt tasasel alal vaevu hoomatavaid kõrgusvahesid.[2]

Kasutusvaldkonnad[muuda | redigeeri lähteteksti]

Reljeefi kujutamise võimalused

LIDAR-tehnoloogia on keskkonnateadlaste seas mitmel erineval põhjusel väga atraktiivne. Seda iseloomustab väga kiire andmete kogumine — aerolaserskannerid suudavad juba üle 100 000 punkti sekundis skaneerida. Näiteks Maa-ameti käsituses olev Leica ALS50-II isegi kuni 150 000 punkti sekundis. Andmete kogumise kiirus on siiski igal instrumendil erinev. Kord kogutud andmestikku saab hiljem ka teistes projektides kasutada. LiDARi andmeid saab kasutada välitöö andmete täiendamiseks. Täpseid ruumilisi andmeid on lihtne koguda.[2]

LIDAR on leidnud rakendust veel mitmes valdkonnas nagu näiteks hoovuste sängide geomorfoloogia (tidal channel geomorphology) kui ka liivaluidete ja polaarjää seires. LIDAR on samuti kasulik uurimaks vulkaanilisi alasid ning mõõtmaks liustikujää kõrgust. Kuid kõige suurem ja olulisim LIDARi rakendusala on mägimetsade kõrguse määramine. Parima arvestusliku tulemuse metsa võra (canopy) kõrguse määramiseks saab ühesensorilise LIDARi andmetest. Selle meetodiga võrreldes on maapeal tehtud kõrguse määramisel eksimus ligikaudu 2–6%.[3]

Aerolaserskaneerimise kasutusvaldkonnad on veel:

  • Koridorkaardistamine. Näiteks teed, raudteed, maapealsed torustikud, veeteed jms.
  • Elektriliinide ja –mastide mõõdistamine.
  • DTM (Digital Terrain Model) koostamine, eriti metsastel aladel (samuti metsa sees asuvate teede, radade ja kuivenduskraavide asukoha määramine ja mõõdistamine).
  • Kõrge täpsusega ja suure punktide tihedusega DTMi koostamine avatud kaevandustes, teede kavandamisel ja modelleerimisel.
  • DTMi ja DSMi (Digital Surface Model) koostamine linnades. Kolmemõõtmeliste linnamudelite koostamine, saastemudelite koostamine linnaplaneeringute tarbeks, erinevate kommunikatsioonide paigaldamiseks.
  • Märgalade ulatuse määramine ning mõõdistamine.

Praktiliselt ainuke negatiivne külg LIDARi juures on selle hind. Tüüpiline maapinna laserskanner maksab üle 100 000 , millest instrumendi enda hind moodustab tavaliselt 70% ja tarkvara hind 30%. Võrreldes samade andmete kogumist välimõõdistamisel, siis selleks kulutatakse tavaliselt rohkem aega ja raha. Mida suurem on mõõdistatav ala, seda tõhusam ning mõttekam on kasutada aerolaserskaneerimist, sest sellise mõõdistusviisiga saab vajalikud andmed suhteliselt kiirelt ning odavalt (1 km² kohta) kätte. Näiteks 100 km² ala aerolaserskaneerimise hind (1 km² kohta) on kolm korda suurem kümme korda väiksema (10 km²) ala mõõdistamisest.[1][2]

Viited[muuda | redigeeri lähteteksti]

  1. 1,0 1,1 1,2 1,3 Lillesand, T. M. & Kiefer, R. W. (2009) Remote sensing and image interpretation. 700–705.
  2. 2,00 2,01 2,02 2,03 2,04 2,05 2,06 2,07 2,08 2,09 2,10 2,11 2,12 2,13 Large A.R.G. (2009) Laser Scanning for the Environmental Sciences. Blackwell Publishing Ltd.
  3. 3,0 3,1 3,2 Gao J. (2007) Towards accurate determination of surface height using modern geoinformatic methods: possibilities and limitations. Progress in Physical Geography 31(6): 591–605

Välislingid[muuda | redigeeri lähteteksti]