Lidar

Töö põhimõte

Lidari töö põhineb tagasipeegeldunud laserimpulsilt kolmemõõtmeliste koordinaatide arvutamisel. Laserskaneerimist võib teha nii õhusõidukilt (aerolaserskaneerimine) kui ka maapinnalt. Lidarisaadab välja valgusimpulsi, mis sihtkohta jõudes peegeldub tagasi seadmesse. Kuna laserskaneerimine toimib valguskiirusel, mis on ligikaudu 0,3 m/ns, on võimalik arvutada valguskiire levimise teekonna pikkus seadmest pinnani, millelt valguskiir tagasi peegeldub.
Üheks lidari levinud rakenduseks on kõrge resolutsiooniga kaartide ja pinnamudelite koostamine, mida kasutatakse geograafias, geoloogias, geodeesias, geomorfoloogias, aga ka atmosfäärifüüsikas, metsanduses, põllumajanduses ja keskkonnauuringutes. Sel juhul on sisuliselt tegemist ühe kaugseire viisiga maapinna uuringutes.
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 loodus- kui ka tehiskeskkonna kohta.
Liikuvatel õhusõidukitel, nagu lennukil ja kosmoselennukil, 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. Aerolaserskaneerimisest saadud ruumilised koordinaadid saadakse kolmest komponendist: lidari sensorist, lennukil olevalt IMUst ja 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 teisendada WGS84 ellipsoidi pinnale. Mõõdistamisel lendab lennuk mööda lennuprojektis määratud 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.
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 kuigi laialdaselt kasutatud ei avalikus sektoris ega ka akadeemilistes ringkondades, kuigi see võib olla oluline tegur 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 kõrgustest parema ülevaate.

Ajalugu

Alates 1960. aastatest, laserskaneerimise algusest, on laserit peetud looduskeskkonna täppismõõdistuste keskmeks. Laserskaneerimise ajalugu ulatub tagasi aastasse 1958, kui teadlased Charles Townes ja Arthur Schawlolw teatasid võimalusest, et väga intensiivset monokroomset kiirgust on võimalik täpselt piki suuri vahemaid suunata. 1960. aastal töötati 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 mõõteseadmed 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 uue tehnoloogia kasutusele kohe, kui esialgsed süsteemid olid kohandatud ilmastikukindlaks ja rasketes oludes vastu pidama. 1980.–1990. aastatel nähti palju rakendusvõimalusi laiaulatuslikus keskkonnasüsteemis.
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 muutis nende kõrgusandmed tunduvalt täpsemaks. 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 maastikku 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.

Andmete täpsus

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.
Kolmemõõtmeliste koordinaatide täpsus sõltub suuresti järgmistest teguritest: kaugus määramine, laserkiire positsioneerimine ja laserkiire suund. Kuna tulemused esitatakse enamjaolt WGS84-koordinaatsüsteemis, sõltub lõpptulemus geoidimudeli täpsusest ja transformeerimisest kohalikku koordinaatsüsteemi. Sõltuvalt laseri 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.
Positsioneerimise täpsus sõltub GPS-riistvarast, GPS-satelliitide asukohtadest, DGPSi andmete järeltöötlusest, GPSi ja IMU vahelistest nihetest, IMU ja laserskanneri vahelisest ja laserskanneri kiire täpsusest ning maapealsete tugijaamade arvust, kaugusest ja paigutusest. Asendi täpsus sõltub nii IMU kvaliteedist, selle sagedusest, järeltöötluse meetodist kui ka GPSiga ühildumisest. Maapealne GPS-baasjaam peaks ideaalis asuma mõõdistusalal, kuid mitte kaugemal kui 25 km sellest.
Mida suurem lennukõrgus ja laiem skaneerimisnurk, seda suurem on asendi täpsuse viga. Täpsete kolmemõõtmeliste koordinaatide saamiseks peaks mõõtma nii orientatsiooni, positsiooni kui ka kaugust samal ajal. Nende mõõtmiste vaheline ajaline nihe põhjustab mitmesuguseid vigu. Rahuliku ilmaga lendudel on vead väikesed, tuulisema ilmaga aga suuremad.
Parimad lidari mõõdistuste tegemiseks sobivad tingimused on jahe, kuiv ja puhas atmosfäär. Infrapunases spektripiirkonnas töötava laseri energia levimist vähendavad 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.
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 takistuste (mets, taimestik) esinemisel lennuki ja maapinna vahel. Näiteks laserskanner ASL50-II võimaldab salvestada kuni nelja peegeldust ühe impulsi kohta.
Aerolaserskaneerimine (ALS) on teistest kõrguse mõõtmise viisidest palju täpsem, mõõtes detsimeetri täpsusega. Selle 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.