לידאר

לידאר (באנגלית: LiDAR) היא טכנולוגיית מדידת מרחק על ידי הארת המטרה בקרן לייזר.
המילה לידאר בלועזית נוצרה משילוב המילים אור (Light) ומכ"ם (Radar), ומבטאת את קיצור המילים "גילוי אור ומדידתו" (בלועזית, Light Detection And Ranging). לידאר משמש כטכנולוגיה נפוצה להכנת מפות בהפרדה גבוהה, שלה שימושים בתחומי הגאוגרפיה, הגיאודזיה, הגאולוגיה, הארכאולוגיה ועוד. לעיתים מתייחסים לטכנולוגיה זו פשוט כסריקת לייזר או סריקה תלת ממדית.

היסטוריה

הטכנולוגיה נולדה בתחילת שנות ה-60, זמן קצר לאחר המצאת הלייזר, והיא משלבת הדמיית לייזר עם טכנולוגיית מכ"ם למדידת מרחק על ידי מדידת זמן ההחזרה של קרן הלייזר. הטכנולוגיה יושמה לראשונה למדידת עננים על ידי המרכז למחקר אטמוספירי האמריקאי. הציבור התוודע לדיוק ולשימושיות של הטכנולוגיה בעת טיסת אפולו 15 בשנת 1971, שבה השתמשו האסטרונאוטים במד גובה לייזר למיפוי פני השטח של הירח.
מספר מקורות מייחסים את המילה לראשי תיבות, אך מקורה היה בשילוב המילים אור ומכ"ם. הפרסום הראשון שהזכיר את המילה לידאר היה ב-1963 והוא מאומת על ידי מילון אוקספורד. פירוש המילה כראשי תיבות הופיע מאוחר יותר, בשנת 1970 כהמשך לר"ת הנובעים מהמילה מכ"ם בשילוב המילה אור.

תיאור כללי

לידאר משתמש באור נראה, על-סגול, או תת-אדום קרוב כדי למפות עצמים. ניתן למפות מספר רב של חומרים, ולא רק מתכות, כגון סלעים, משקעים, תרכובות כימיות, תרחיפים, עננים ואפילו מולקולות. קרן לייזר צרה יכולה למפות עצמים קטנים בהפרדה גבוהה, לדוגמה: מטוס יכול למפות פני שטח בהפרדה של 30 ס"מ או יותר.
לידאר משמש בהרחבה למיפוי אטמוספירי, עננות ומטאורולוגיה. מכשירי מדידה מבוססי לידאר מותקנים במטוסים ובלווינים המבצעים מיפוי ומדידות - לדוגמה: הסקר הגאולוגי האמריקאי המוטס שבוצע לאחרונה. סוכנות החלל האמריקאית הכירה בחשיבות הטכנולוגיה לנחיתה של כלי רכב בלתי מאוישים או רובוטיים ורכבי חלל מאוישים על פני כוכבים אחרים.
אורך הגל שבו משתמשים למדידה מותאם לעצם הנמדד. החל מעשרות מיקרו-מטר ועד על סגול (בערך 250 ננו-מטר). הקרינה מוחזרת בדרך כלל לכיוון המקור. סוגי החזרה שונים משמשים למדידות מסוגים שונים, ומכשירי המדידה מכונים בדרך כלל על פי סוג ההחזרה: ריילי לידאר, ראמאן לידאר וכו'. לעיתים משתמשים גם בצירוף של אורכי גל שונים למיפוי אטמוספירי וזיהוי חומרים שונים על פי פיזור אורכי הגל השונים.

סוגי היישומים

ללידאר מגוון רב של יישומים שניתן לחלקם למערכות מוטסות או מערכות קרקעיות. על פי סוג היישום נקבעים מאפייני הגלאי הנדרש להיות מותאם לסוג המידע הדרוש, גודל העצם הנסרק, מרחק המדידה, הדיוק, עלות הציוד וכו'.

לידאר מוטס

בסוג זה מותקן סורק הלייזר על גבי מטוס ויוצר ענן נקודות תלת ממדיות של פני השטח הנסרקים. בסוג יישום זה נעשית לעיתים הבחנה בין מערכות לסריקה מגובה רב ומערכות לסריקה בגובה נמוך.
ניתן גם לבצע סריקה של אגן ימי בסוג יישום זה (בעיקר באזורי מים רדודים).
לאחרונה נעשה שימוש ברחפנים עליהם מותקן סורק לייזר וגלאים נוספים לביצוע סריקה זולה ופשוטה של אזורים מצומצמים.

לידאר קרקעי

יישומי לידאר קרקעיים מתרחשים על פני כדור הארץ ויכולים להיות נייחים או ניידים. יישומים קרקעיים נייחים נפוצים במדידות ומיפוי, סריקות ארכאולוגיות וזיהוי פלילי.
יישומים ניידים מאפשרים מיפוי נתיבי תנועה, רחובות, קווי חשמל, גבהי גשרים, גבולות צמחייה וכו'.

יישומים

ללידאר מגוון רב של יישומים. בנוסף ליישומים שיפורטו להלן, ניתן למצוא יישומים נוספים בבסיס הנתונים הלאומי.

חקלאות

חקלאים משתמשים בלידאר כדי לקבוע את האזורים בשדות שידושנו בדשנים יקרים, על מנת לחסוך בעלויות הדישון. הלידאר גם ממפה את הטופוגרפיה של השדות ואת השיפועים ומידת החשיפה לשמש.
כמו כן משמש לידאר במקומות בהן יש בעיה עם קליטת GPS כגון במטעי פירות צפופים - כדי להנחות את הציוד האוטומטי המטפל במטע (השקייה, קטיף וכו') עד לחזרת אות ה GPS.

ארכאולוגיה

ללידאר יישומים רבים בתחום הארכאולוגיה, כגון: תכנון מסעות חקר, מיפוי הריסות מתחת לצמחייה, איתור מאפיינים הנחבאים בתוואי הקרקע ומיפוי שכבות של אתרי חפירה החבויים תחת הצמחייה.
 לאחרונה נעשה שימוש בטכנולוגיה זו כדי למפות אתרים ארכאולוגיים שלמים, על מנת לשחזרם במוזיאונים ולשמרם לעתיד (בעיקר כנגד נזקי הזמן והאדם - לדוגמה מסע החרבת העתיקות של דאעש).

כלי רכב אוטונומיים

כלי רכב אוטונומיים משתשמשים בלידאר כדי למפות מכשולים בתוואי הנסיעה ובכדי לנווט את הרכב בצורה בטוחה בדרך.

ביולוגיה ושימור

בייעור משתמשים בלידאר למדידת גובה חופת העצים, כמות הביו מסה ביער, ושטח העלווה באמצעות מערכות מוטסות. המדידות משמשות גם למעקב אחר גדילה של עצים ועוזרות בשימור יערות מוגנים ומעקב אחר התפתחותם.

גאולוגיה ומחקר קרקעי

מפות פני שטח בהפרדה גבוהה עוזרות למפות גבהי קרקע מבעד לצמחייה, ומאפייני קרקע כמו נתיבי נחלים וערוצי נהרות. לידאר עוזר בחזיית מפולות שלג על ידי מדידת עובי השלג הנערם בפסגות הרים ומעקב אחר השתנותו.
גם המחקר הטקטוני נעזר בלידאר כדי לאתר גבולות ותזוזת בלוחות הטקטוניים על פני כדור הארץ. כמו כן עוזר לידאר במעקב אחר הרי געש ושינויים בגבהי הלוע הגעשי.

אטמוספירה ומטאורולוגיה

לידאר מאפשר חישה מרחוק של עננים ותרחיפים באטמוספירה. טכנולוגיות דופלר מאפשרות מדידת מהירות זרימת אוויר, טורבולנציה, וכווני זרימת אוויר. מדידות אלו משמשות בין היתר במודלי חיזוי מטאורולוגיים לחזיית מזג האוויר באזור הנמדד וסביבתו.

שיטור ואכיפת חוק

טכנולוגיית הלידאר משמשת במדי מהירות לייזר ניידים המופעלים על ידי משטרות תנועה רבות ברחבי העולם לאכיפת חוקי המהירות המותרת בדרכים.

צבאיים

בצבא משמשת הטכנולוגיה לאיכון וניטור מטרות, הן באמצעות משקפות לייזר ניידות והן באמצעות מערכות בקרת אש על הכלים המשוריינים.
מערכות מוטסות מאפשרות איתור מוקשים מהאויר, וחלקן אף מצוידות במערכות ניווט וחמיקה ממכשולים המבוססות על לידאר.

כרייה

במכרות משמשת הטכנולוגיה לחישוב כמות העפרות הנותרת במכרה וכן לניווט ושליטה על מערכות כרייה ממוכנות.

פיזיקה ואסטרונומיה

מצפי כוכבים ברחבי העולם משתמשים בלידאר למדוד מרחק ממראות החזרה המוצבות על הירח, ובכך לחשב את מיקומו בדיוק של מילימטרים. המראות מאפשרות גם ביצוע ניסויים בתורת היחסות הכללית הודות למרחק הרב מכדור הארץ.
פני הקרקע של המאדים מופו בדיוק גבוה על ידי מערכת לידאר לוויינית שנעה סביב הכוכב.
מיפוי עובי שכבות האטמוספירה עוזר בחישובי טמפרטורה ומדידת כמויות התרחיפים בה.

רובוטיקה

ברובוטיקה משמשת הטכנולוגיה למיפוי הסביבה ומיון עצמים ובכך מאפשרת שליטה בדיוק גבוה על תנועת המכונה.

מסע בחלל

בחלל משמש לידאר למדידת מרחקים אסטרונומיים ומהירויות מסלול של גרמי שמיים מרוחקים.

מדידה

מיפוי ויצירת מודלים תלת ממדיים של הקרקע נעזר רבות בטכנולוגיה זו, הן באמצעות מערכות מוטסות או מוסעות, והן באמצעות מכשירים מדויקים למודדים.

תחבורה

מיפוי מצב התחזוקה של כבישים ומסילות באמצעות מערכות מוטסות או מוסעות מאפשר לייעל את תחזוקת הדרכים ולשפר את איכותם. מערכות מדידת מרחק משמשות אף במערכות התראה מפני התנגשות ובניהוג כלי רכב אוטונומיים.

מיטוב חוות רוח

הטכנולוגיה משמשת להגברת הניצולת של טורבינות רוח בחוות טורבינות, על ידי מדידת מהירות הרוח, כיווני הזרימה והטורבולנציה באוויר. המערכות מותקנות בדרך כלל על חלק מהטורבינות או על תרנים נפרדים.

מיטוב פריסת תאים סולאריים

לידאר יכול להגביר גם את ההספק החשמלי המופק מתאים סולריים ברמה העירונית על ידי מיפוי האזורים המוארים והמוצלים בגגות.

שימושים נוספים

סרטון הווידאו של השיר "House of Cards" ("בית הקלפים") הוא כנראה הראשון שהשתמש בטכנולוגיית סריקת לייזר תלת ממדית כדי להקליט סרטון מוזיקלי. לא כל מדידות המרחק בסרטון הן ממערכת לידאר שכן נעשה שימוש גם במערכות סריקת אור אחרות.

טכנולוגיות חלופיות

התפתחויות טכנולוגיות אחרונות מאפשרות מיפוי תלת ממדי גם באור רגיל או תת-אדום. המידע המרחבי מתקבל על ידי צילום היעד מספר פעמים באמצעות מצלמה רגילה שלרוב היא מצלמה דיגיטלית מכוילת היטב.
גם ההתפתחויות האחרונות בטכנולוגיית הראדאר האופטי קוהרנטי מהוות מתחרה לטכנולוגיות הלידאר.