Лидар (Lidar - Light Identification, Detection and Ranging) - это технология получения и обработки информации дистанционного зондирования с помощью активных оптических систем (лазеров), использующих, в том числе, явления отражения света от поверхности Земли с проведением высокоточных измерений X, Y, Z координат. Лидар, изначально использовался в приложениях воздушной лазерной съемки, является с экономической точки зрения прекрасной альтернативой традиционной съемке с использованием фотограмметрической обработки данных. Данные лидарной съемки представляют собой наборов данных, содержащих облака точек, которые могут управляться, отображаться, анализироваться и совместно использоваться с помощью ArcGIS.
Основными компонентами аппаратного обеспечения лидара являются: транспортное средство или устройство (самолет, вертолет, штатив), система лазерного сканирования, GPS (Глобальная система позиционирования) и INS (Внутренняя система позиционирования). INS (Внутренняя система позиционирования) измеряет крен, тангаж и рысканье системы.
Лидар - это активный оптический сенсор, испускающий лазерные лучи в сторону цели во время движения транспортного средства по специальным съемочным маршрутам. Отражение лазера от объекта принимается и анализируется сенсором. Приемники записывают точное время, прошедшее с момента испускания лазерного импульса системой до момента его возвращения, для того чтобы вычислить расстояние между сенсором и целью. Совместно с информацией о внутреннем и внешнем позиционировании (GPS и INS), эти расстояния преобразуются в трехмерные точки, отображающие поверхность отражения лазерных импульсов.
Точечные данные подвергаются последующей обработке после сбора с учетом диапазона времени работы лазера, угла сканирования, координат GPS, информации о внутреннем позиционировании (INS), что позволяет получить точные координаты x,y,z.
Отражения лазерных импульсов лидара
Лазерные импульсы, испускаемые лидаром, отражаются как от находящихся на поверхности земли, так и от находящихся над землей объектов: от растительного покрова, строений, мостов и т.д. Один лазерный импульс может отражаться и возвращаться к сенсору как один раз, так и несколько. Любой лазерный импульс претерпевает несколько отражений при его движении к земной поверхности, разделяясь на столько частей, от какого количества поверхностей он отразился.
Первый возвращенный сигнал является наиболее показательным и будет соответствовать самому высокому объекту ландшафта, такому как, например, верхушка дерева либо крыша здания. Первый отраженный сигнал может также соответствовать и земной поверхности. В этом случае лидаром будет захвачено только одно отражение.
Большое количество возвратов используется для получения высот нескольких объектов, находящихся на пути лазерного импульса. Отраженные сигналы из середины "спектра" обычно соответствуют растительности, а последние отраженные сигналы используются для моделей собственно поверхности земли.
Последнее отражение, однако, не всегда будет соответствовать земле. К примеру, рассмотрим случай, когда импульс попадает в толстую ветку и не достигает земной поверхности. В этом случае последнее отражение произошло не от земли, а от ветки.
Атрибуты точек лидара
Помимо позиционных значений x, y и z системой сохраняется также дополнительная информация. Для каждого лазерного импульса записываются и сохраняются следующие атрибуты: интенсивность, номер отражения, количество отраженных сигналов, значения классификации точки, крайние точки линии полета, значения RGB, время GPS, угол и направление сканирования. В следующей таблице описаны атрибуты, которые можно получить для каждой точки.
| Атрибут лидара | Описание |
|---|---|
Сила отражения лазерного импульса, соответствующего лидарной точке. | |
Номер отраженного сигнала | Испускаемый лазерный импульс может создать до пяти отраженных сигналов в зависимости от объектов, от которых он отражается и возможностей лазерного сканера. Первый возвращенный импульс будет помечен как отраженный сигнал номер один, второй - как номер два и т.д. |
Количество отраженных сигналов | Количество возвращенных сигналов - это общее число отражений данного импульса. К примеру, точка лазерных данных может быть вторым отраженным сигналом из пяти отражений. |
Каждая в дальнейшем обработанная точка лидара может содержать значение классификации, которое определяет тип объекта, отразившего лазерный импульс. Лидарные точки могут быть классифицированы на несколько категорий, таких, в том числе, как поверхность земли, верхняя граница купола леса и водная поверхность. Классам присваиваются целочисленные значения кодов, хранящиеся в файлах LAS. | |
Ребро линии полета | Точки отображаются в зависимости от значения, которое равно 0 либо 1. Точки, находящиеся на линии полета, имеют значение, равное 1, остальные - равное 0. |
RGB | Данным лидара может быть присвоен атрибут RGB. Эта атрибутивная информация часто берется из изображений, которые получаются одновременно с лазерной съемкой. |
GPS-время | Время GPS, соответствующее моменту испускания импульса. Значение времени соответствует числу прошедших секунд в неделе. |
Угол сканирования | Угол сканирования - это значение в градусах из диапазона от -90 до +90. При 0 градусов лазерный импульс испускается перпендикулярно и осуществляется съемка в надир. При значении, равном -90 градусов, лазер испускает импульсы влево, а при +90 - вправо от самолета в направлении полета. Большинство систем лазерного сканирования работают в диапазоне от -30 до +30 градусов. |
Направление сканирования | Направление сканирования - это направление движения зеркала сканирующей системы в момент испускания системой лазерного сигнала. Значение, равное 1, соответствует положительному направлению сканирования, а равное 0 - отрицательному. Положительное направление означает, что сканер двигается слева направо по направлению полета, а отрицательное - наоборот. |
Что такое облако точек?
Обработанные в дальнейшем пространственно организованные данные лазерной съемки называют облаком точек. Исходные облака точек - это огромные наборы высотных 3D точек, имеющих значения x, y, z, а также дополнительную атрибутику, например, время GPS. Конкретные поверхности, отразившие сигнал, классифицируются после начальной обработки облака точек. Высоты земной поверхности, строений, покрова леса, путепроводов и других объектов, с которыми сталкивается лазерный луч, составляют данные облака точек.
Для получения более подробной информации см. раздел Классификация лидарных точек.
Облака точек лидара в ArcGIS чаще всего представляют собой набор растров или поверхностей TIN, Набор данных LAS, Набор данных представления поверхностей (terrain) или Набор данных мозаики.