Um guia completo para LiDAR: detecção e variação de luz

Um guia completo para LiDAR: detecção e variação de luz

Um guia completo para LiDAR: detecção e variação de luz

 

edifício do Capitólio lidar

O que é Detecção e Variação de Luz (LiDAR)?

Você gostaria de acenar com sua varinha mágica e de repente descobrir a que distância tudo está longe de você?

Nenhuma varinha mágica era necessária. É assim que o LiDAR (Light Detection and Ranging) funciona. Claro, sem a varinha mágica!

Vamos desmistificar a detecção de luz e o alcance. Espero que, depois de ler isso, você vá de zero a um herói LiDAR.

 

LiDAR 101

LiDAR é fundamentalmente uma tecnologia à distância . De um avião ou helicóptero, os sistemas LiDAR enviam luz para o solo.

Este pulso atinge o solo e retorna ao sensor. Em seguida, mede quanto tempo leva para a luz retornar ao sensor.

Ao registrar o tempo de retorno, é assim que o LiDAR mede a distância. Na verdade, também foi assim que o LiDAR recebeu seu nome – Light Detection and Ranging.

Como o LiDAR funciona

LiDAR é uma ferramenta de amostragem. O que quero dizer com isso é que ele envia mais de 160.000 pulsos por segundo. Para cada segundo, cada pixel de 1 metro recebe cerca de 15 pulsos. É por isso que as nuvens de pontos LiDAR criam milhões de pontos.

Detecção e alcance de luz aerotransportada (LiDAR)

Os sistemas LiDAR são muito precisos porque estão sendo controlados em uma plataforma. Por exemplo, a precisão é de apenas 15 cm na vertical e 40 cm na horizontal.

À medida que um avião viaja no ar, as unidades LiDAR examinam o solo de um lado para o outro. Enquanto alguns pulsos estarão diretamente abaixo do nadir, a maioria dos pulsos viaja em um ângulo (fora do nadir). Assim, quando um sistema LiDAR calcula a elevação, também leva em conta o ângulo.

Normalmente, o LiDAR linear tem uma largura de faixa de 3.300 pés. Mas novas tecnologias como Geiger LiDAR podem escanear larguras de 16.000 pés. Esse tipo de LiDAR pode cobrir áreas muito mais amplas em comparação com o LiDAR tradicional.

O que o LiDAR pode gerar?

1. Número de Devoluções

Imagine que você está caminhando em uma floresta. Então, você olha para o céu. Se você pode ver a luz, isso significa que os pulsos LiDAR também podem passar. Além disso, isso significa que o LiDAR pode atingir a Terra nua ou a vegetação curta.

LiDAR Florestal

Uma quantidade significativa de luz penetra no dossel da floresta como a luz do sol. Mas o LiDAR não necessariamente atingirá apenas o solo nu. Em uma área florestal, pode refletir em diferentes partes da floresta até que o pulso finalmente atinja o solo.

Ao usar o LiDAR para obter pontos de solo nu, você não está radiografando a vegetação. Em vez disso, você está realmente espiando pelas lacunas nas folhas. Quando atinge os galhos, você obtém vários acertos ou retornos.

2. Número de devolução

Número de Devoluções

Em uma floresta, o pulso do laser desce. Quando a luz atinge diferentes partes da floresta, você obtém o “número de retorno”. Por exemplo, você obterá o 1º, 2º, 3º retornos até que finalmente atinja o solo nu. Se não houver floresta no caminho, ela apenas atingirá a superfície do solo.

Às vezes, um pulso de luz não reflete nada. Assim como no caso das árvores, um pulso de luz pode ter vários retornos. Os sistemas LiDAR podem registrar informações desde o topo do dossel, passando pelo dossel até o solo. Isso torna o LiDAR valioso para interpretar a estrutura da floresta e a forma das árvores.

3. Modelos Digitais de Elevação

lidar dem

Modelos Digitais de Elevação (DEM) são modelos de terra nua (topográficos) da superfície da Terra. Usando apenas retornos terrestres, você pode construir um DEM. Mas isso é diferente dos Modelos Digitais de Terreno (DTM) porque os DTMs incorporam contornos.

Usando um DEM, você pode gerar produtos adicionais. Por exemplo, você pode criar:

  • Inclinação (subida ou descida expressa em graus ou porcentagem)
  • Aspecto (direção do declive)
  • Hillshade (relevo sombreado considerando o ângulo de iluminação)

LEIA MAIS : Fontes de dados de DEM globais gratuitas .

4. Modelos Digitais de Superfície

Nuvem de Pontos de Fotogrametria

Como você aprendeu, o LiDAR espia pela floresta. Eventualmente, a luz atinge o solo. Então, temos um retorno à Terra nua. Mas e o primeiro retorno que atinge a árvore?

Um Modelo Digital de Superfície (DSM) incorpora elevações de superfícies naturais e construídas. Por exemplo, ele adiciona elevação de edifícios, copa de árvores, linhas de energia e outros recursos.

5. Modelo de altura do dossel

Modelo de altura do dossel

Os modelos de altura do dossel (CHM) fornecem a altura real das características topográficas no solo. Também chamamos esse tipo de modelo de elevação de Modelo de Superfície Digital Normalizada (nDSM).

Primeiro, pegue o DSM que inclui recursos naturais e construídos, como árvores e edifícios. Em seguida, subtraia essas elevações da Terra nua (DEM). Quando você subtrai os dois, obtém uma superfície de recursos que representa a altura real do solo.

6. Intensidade da Luz

Intensidade da luz

A força dos retornos LiDAR varia com a composição do objeto de superfície que reflete o retorno. As porcentagens refletivas são chamadas de intensidade LiDAR.

Mas vários fatores afetam a intensidade da luz. Por exemplo, alcance, ângulo de incidência, feixe, receptor e composição da superfície (especialmente) influenciam a intensidade da luz. Um exemplo é quando o pulso é inclinado para longe, a energia de retorno diminui.

A intensidade da luz é particularmente útil para distinguir características no uso/cobertura do solo . Por exemplo, superfícies impermeáveis ​​se destacam em imagens de intensidade de luz. É por isso que a intensidade da luz é boa para classificação de imagens , como análise de imagens baseada em objetos .

7. Classificação de pontos

Classificação de pontos LiDAR

Há um conjunto de códigos de classificação que a Sociedade Americana de Fotogrametria e Sensoriamento Remoto (ASPRS) atribui para a classificação de pontos LiDAR.

Por exemplo, as classes podem incluir solo, vegetação (baixa, média e alta), construção e água, etc. Às vezes, a classificação de pontos pode se enquadrar em mais de uma categoria. Se for esse o caso, os fornecedores costumam sinalizar esses pontos com classes secundárias.

Os fornecedores podem ou não classificar o LiDAR. Os códigos são gerados pelo pulso de laser refletido de forma semiautomática. Nem todos os fornecedores adicionam este campo de classificação LAS. Na verdade, geralmente é acordado no contrato de antemão.

Onde estão as fontes LiDAR abertas e gratuitas?

Os dados LiDAR são um recurso raro e precioso. Mas graças aos programas de dados abertos, eles estão se tornando mais amplamente disponíveis.

Então, onde estão os dados LiDAR? Aqui está uma lista das 6 principais fontes de dados LiDAR gratuitas para você dar um salto em sua pesquisa.

Se você não encontrar o que está procurando, provavelmente terá que comprar dados LiDAR. Os fornecedores geralmente voam comercialmente com o LiDAR por helicóptero, avião e drone.

Quais são os tipos de LiDAR?

Vamos explorar os tipos de sistemas LiDAR. Eles diferem em:

  • Tamanho da pegada
  • Comprimento de onda
  • Alinhamento posicional

Perfil do LiDAR

Profiling LiDAR foi o primeiro sistema usado na década de 1980. Especializou-se em recursos de linha reta, como linhas de energia. Profiling LiDAR envia um pulso individual em uma linha. Em um nadir fixo, mede a altura ao longo de um único transecto.

Pequena Pegada LiDAR

LiDAR de pequena pegada é o que mais usamos hoje. Ele faz a varredura em um ângulo de varredura de cerca de 20 graus. Então, ele se move para trás e para frente. Se ultrapassar 20 graus, o instrumento LiDAR pode começar a ver as laterais das árvores em vez de diretamente para baixo.

  • O LiDAR topográfico mapeia a terra normalmente usando luz infravermelha próxima.
  • O LiDAR batimétrico usa luz verde que penetra na água para medir as elevações do fundo do mar e do leito do rio.

Grande Pegada LiDAR

Grande pegada LiDAR usa formas de onda completas com uma pegada de 20m. Mas sua precisão é baixa porque o retorno do pulso pode incluir terrenos inclinados. Dois experimentos notáveis ​​​​da NASA usaram esse tipo de LIDAR:

  • SLICER (Scanning Lidar Imager of Canopies by Echo Recovery)
  • LVIS (Sensor de imagem de vegetação a laser)

LiDAR terrestre

O LiDAR baseado em terra fica em um tripé e varre o hemisfério. É particularmente bom para escanear edifícios. Mas também há aplicações em geologia, silvicultura e construção.

LiDAR em modo Geiger

O LiDAR de modo Geiger ainda está em um estado experimental. Mas é especializado em varredura de alta altitude. Por ter uma faixa extremamente ampla, pode cobrir mais terreno em comparação com outros tipos de LiDAR.

edifício do Capitólio lidar

Componentes do sistema LiDAR

Existem 4 partes principais de um LiDAR no ar. Eles trabalham juntos para produzir resultados altamente precisos e utilizáveis:

SENSORES LiDAR : À medida que o avião viaja, os sensores varrem o solo de um lado para o outro. Os pulsos são comumente em faixas verdes ou do infravermelho próximo.

RECEPTORES GPS : Os receptores GPS rastreiam a altitude e a localização do avião. Essas trilhas são importantes para valores precisos de terreno e elevação.

UNIDADES DE MEDIÇÃO DE INERTIAL (IMU) : À medida que os aviões viajam, as IMUs rastreiam sua inclinação. Os sistemas LiDAR usam a inclinação para medir com precisão o ângulo de incidência do pulso.

REGISTADORES DE DADOS : À medida que o LiDAR varre a superfície, um computador registra todos os retornos de pulso. Então, essas gravações são traduzidas em elevação.

Forma de onda completa vs discreta

Os sistemas LiDAR armazenam os retornos LiDAR de duas maneiras:

  • Forma de onda completa
  • LiDAR discreto

LiDAR discreto

Imagine pulsos LiDAR varrendo uma área florestal. Você obtém 1º, 2º, 3º retornos porque o pulso atinge vários ramos. Então, você obtém um pulso grande e final pelo retorno do solo nu.

Quando você registra os dados como retornos separados, isso é “retorno discreto LiDAR”. Em resumo, o LiDAR discreto pega cada pico e separa cada retorno.

LiDAR de forma de onda completa

Quando você grava todo o retorno como uma onda contínua, isso é LiDAR de forma de onda completa. Então, você simplesmente conta os picos, isso o torna discreto.

Embora os dados de forma de onda completa sejam mais complicados, o LiDAR está se movendo em direção a um sistema de forma de onda completo.

LiDAR de forma de onda completa

Projetos e Aplicações LiDAR

Esta lista de usos e aplicativos do LiDAR mal arranha a superfície. Por exemplo, aqui estão algumas maneiras de usar o LiDAR hoje:

FLORESTA : Os silvicultores usam o LiDAR para entender melhor a estrutura e a forma das árvores. Carros autônomos: carros autônomos usam o scanner LiDAR para detectar pedestres, ciclistas, sinais de parada e outros obstáculos
.
ARQUEOLOGIA : Os arqueólogos usam o LiDAR para encontrar padrões quadrados no solo, que eram edifícios antigos e pirâmides construídos pelas civilizações maia e egípcia.
HIDROLOGIA : Os hidrólogos delineiam as ordens dos rios e afluentes do LiDAR.

LEIA MAIS : 100 aplicativos e usos de sensoriamento remoto que abalam a Terra

Resumo: O que é LiDAR?

Light Detection and Ranging (LiDAR) usa lasers para medir a elevação de recursos.

É uma tecnologia de distância que amostra com uma quantidade incrível de precisão e pontos.

É semelhante ao sonar (ondas sonoras) ou radar (ondas de rádio) porque envia um pulso e mede o tempo que leva para retornar. Mas o LiDAR é diferente do sonar e do radar porque usa luz.

Resumimos a detecção de luz e a variação com este guia LiDAR. Agora você pode se considerar um guru LiDAR.

Alguma pergunta? Por favor, deixe-nos saber com um comentário abaixo.

 

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