Lidar

Lidar (ehk LIDAR või LiDAR, inglise light detection and ranging) on laserskaneerimisseade.

Tööpõhimõte

Lidari töö põhineb tagasipeegeldunud laserimpulsilt kolmemõõtmeliste koordinaatide arvutamisel. Skaneerida võib nii õhusõidukilt (aerolaserskaneerimine) kui ka maapinnalt. Lidar saadab välja valgusimpulsi, mis sihtkohta jõudes peegeldub tagasi seadmesse. Kuna laserskaneerimine toimib valguse kiirusel, 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 detailsete kaartide ja pinnamudelite koostamine, mida kasutatakse geograafias, geoloogias, geodeesias, geomorfoloogias, aga ka atmosfäärifüüsikas, metsanduses, põllumajanduses ja keskkonnauuringutes. Sel juhul on tegemist maapinna kaugseireviisiga.^[1]

Digitaalse kõrgusmudeli täpsuseks on lidariga võimalik saada andmetöötluse järel kuni 15 cm. See võimaldab luua mis tahes otstarbeks väga detailset digitaalset maastikumudelit nii loodus- kui ka tehiskeskkonna kohta.^[2]

Liikuvatelt õhusõidukitelt, nagu lennukilt ja kosmoselennukilt, saab pinna kõrgust teada vaid siis, kui laserskaneerimisseadme 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] Aerolaserskaneerimise ruumilised koordinaadid saadakse kolmest komponendist: lidari sensorist, lennukil olevast IMUst ja GPSist. Lidari sensor mõõdab nurgad ja kaugused, IMU kiirendusvektorid ja kaldenurgad ning GPSist saadakse geodeetilised koordinaadid WGS84-süsteemis. GPSi andmete põhjal on võimalik IMU registreeritud lennukikalletest 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 või elliptiliste ringidena. Mis tahes meetodi puhul on skaneeritava lennukoridori keskmise osa andmed täpsemad kui ääreala andmed.^[2]

Erinevalt teistest fotogramm-meetrilistest meetoditest, mille tulemuseks on aerofoto, ortofoto või multispektraalne pilt, saab laserskaneerides tulemuseks punktipilve. Igal punktil on x-, y- ja z-koordinaat, peegeldumisintensiivsus ja värvid, mille tagab kalibreeritud suure lahutusvõimega digitaalkaamera. Kui veel 2000. aastate alguses klassifitseeriti maapinda multispektraalsete piltide järgi, siis lidariandmed võimaldavad klassifitseerimist ilma nende piltideta. Lidariandmetest kasutatakse tihti vaid maapinnapunkte, mille puhul eraldatakse need ülejäänud punktidest, et teha maastiku 3D-mudeleid. Punktiklassifitseerimises kasutatakse ka intensiivsusväärtusi, kuid ei avalikus sektoris ega ka teadustöös pole neid andmeid veel laialdaselt kasutusele võetud, kuigi need võivad olla olulised tunnuste määramiseks või maapinna klassifitseerimiseks. Kogutud maapinnapunktidest on võimalik moodustada trianguleeritud võrgustik ehk TIN (triangulated irregular network). Selle mudeli täpsus sõltub punktide tihedusest pinnaühiku kohta. TIN-kõrgusmudelist hea ülevaate saamiseks on soovitatav kasutada värve, mis võimaldavad kõrguseid paremini eristada.^[1]^[2]

Ajalugu

Alates 1960. aastatest, laserskaneerimise algusest, on laserit peetud loodusteadustes täppismõõdistamise keskmeks. Laserskaneerimise ajalugu ulatub 1958. aastasse, kui teadlased Charles Townes ja Arthur Schawlow avastasid võimaluse, kuidas väga intensiivset monokromaatset kiirgust üle suurte vahemaade täpselt 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 areng, millele 1970. aastatel järgnes tehnoloogia usaldusväärsuse paranemine. Hiljem avastati potentsiaalne kitsas, sirge, peegelduv kiir, mis sai joondumise määramise aluseks.

Varased mõõteseadmed olid mõeldud kasutamiseks laboritingimustes, esimene laserkaugusmõõtja tehti 1966. aastal ja esimene joonduslaser turustati 1971. aastal. Vaatamata seadmete ebausaldusväärsusele saavutati kaubanduslik edu ning 1970. aastatel sagenes laserite kasutamine tehnoloogias ja ehitustööstuses. Keskkonnateadlased võtsid uue tehnoloogia kasutusele kohe, kui esimesed süsteemid olid kohandatud ilmastikukindlaks ja vastupidavaks. 1980.–1990. aastatel nähti laseritele palju rakendusvõimalusi erinevates keskkonnasüsteemides.^[2]

Esimesed mõõtmised olid lihtsad, rakendades ainult ühte lennukõrgust ja ühte valguskiirt. GPSi saabumisega 1980. aastatel hakati seda kasutama koos lidariga, tänu millele sai maapealsete kontrollpunktide asukoha salvestada, mis muutis nende kõrgusandmed tunduvalt täpsemaks.^[3] Lidari ühildamine GPS-süsteemiga aitas suure täpsusega digitaalseid kõrgusmudeleid kohandada paljudele teadusvaldkondadele. See tehnoloogia on kiire, suhteliselt ökonoomne ja võimaldab mõõdistada suurtel aladel väga keerulist maastikku. Lidariga saab koguda topograafilisi andmeid kiirusega kuni 90 km² tunnis. See teeb lidarist maapealsete meetoditega võrreldes atraktiivse mõõdistustehnika. Eelpoolmainitud eeliste tõttu on aerolaserskaneerimisest saanud paljudes valdkondades üks eelistatumaid valikuid suurtest aladest täpse ja tiheda digitaalkõrgusmudeli loomiseks.^[2]

Andmete täpsus

Lidari tööpõhimõtet kujutav animatsioon (käivitamiseks kliki pildil)

Kõige enam sõltub skaneerimise mõõdistustäpsus lennukõrgusest. Lennukõrgusest sõltuv vertikaalne ja horisontaalne täpsus on välja arvutatud. 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 järgmistest teguritest: kauguse määramine, laserikiire positsioneerimine ja laserikiire suund. Kuna tulemused esitatakse enamjaolt WGS84-koordinaatsüsteemis, sõltub lõpptulemus geoidimudeli täpsusest ja transformeerimisest kohalikku koordinaatsüsteemi. Kauguse mõõtmise täpsust mõjutavad peamiselt laine sagedus, ostsillaatori stabiilsus ja faaside vahe mõõtmise täpsus, mis omakorda sõltub signaali tugevusest. Veel mõjutavad kauguse määramise täpsust optilised elemendid. Näiteks valguse peegeldumisel peegli või akna pealt see sumbub ja aeglustub klaasi läbides.^[2]

Positsioneerimise täpsus sõltub GPS-riistvarast, GPS-satelliitide asukohtadest, DGPSi andmete järeltöötlusest, GPSi ja IMU ning IMU ja laserskanneri vahelisest nihetest, laserikiire täpsusest ning maapealsete tugijaamade arvust, kaugusest ja paigutusest. Asendi täpsus sõltub nii IMU kvaliteedist, selle sagedusest, järeltöötluse meetodist kui ka GPSiga ühilduvusest. Maapealne GPS-baasjaam peaks ideaalis asuma mõõdistusalal, kuid mitte kaugemal kui 25 km sellest.^[2]

Mida suurem lennukõrgus ja laiem skaneerimisnurk, seda väiksem on asendi täpsus. Täpsete kolmemõõtmeliste koordinaatide saamiseks peaks mõõtma nii orientatsiooni, positsiooni kui ka kaugust samal ajal. Nende mõõtmiste vaheline ajaline nihe põhjustab vigu. Rahuliku ilmaga lendudel on vead väikesed, tuulisema ilmaga aga suuremad.^[2]

Lidarmõõdistamiseks sobib jahe, kuiv ja puhas atmosfäär. Infrapunases spektripiirkonnas töötava laseri energia levimist takistavad 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 laserikiire diameeter on tavaliselt 15,24 cm (6 tolli) kuni 91,4 cm (6 jalga). Laserikiire diameeter suureneb vastavalt läbitud teele. Laseirkiirte jälg jaguneb mitmeks osaks takistuste (mets, taimestik) esinemisel lennuki ja maapinna vahel. Näiteks laserskanner ASL50-II võimaldab salvestada kuni nelja peegeldust ühe impulsi kohta.^[2]

Aerolaserskaneerimine (ALS) on teistest kõrguse mõõtmise viisidest palju täpsem, mõõtes detsimeetri täpsusega. Selle tehnoloogia puhul on vead suuremad järsematel aladel. Täpsus on suurem avamaastikel ja suhteliselt siledatel pindadel, kuid väiksem tihedatel, igihaljastel, mitmerindelistel aladel. Lisaks instrumendi omadustele sõltub DEMi täpsus ka punktide tihedusest, sensori kaugusest, sensori positsioneerimise usaldatavusest ning GPS-/IMU-süsteemide määratud orientatsiooni täpsusest. Kui lidari andmete lubatav keskmine ruutviga on 0,24 m, siis DEM kajastab ka suhteliselt tasasel alal vaevu hoomatavaid kõrgusvahesid.^[2]

Kasutusvaldkonnad

Lidartehnoloogia on keskkonnateadlaste jaoks mitmel põhjusel atraktiivne. Seda iseloomustab andmete kiire kogumine – aerolaserskannerid suudavad skaneerida juba üle 100 000 punkti sekundis, näiteks Maa-ameti kasutuses olev Leica ALS50-II kuni 150 000 punkti sekundis. Kiirus on siiski igal mudelil erinev. Kord kogutud andmestikku saab hiljem kasutada ka teistes projektides. Lidariandmeid saab kasutada välitööandmete täiendamiseks. Täpseid ruumilisi andmeid on sellega lihtne koguda.^[2]

Lidar on leidnud rakendust mitmes valdkonnas, näiteks nii hoovuste sängide geomorfoloogias (tidal channel geomorphology) kui ka liivaluidete ja polaarjää seires. Lidarist on abi ka vulkaaniliste alade uurimisel ja liustikujää kõrguse mõõtmisel. Kuid kõige suurem ja olulisem lidari rakendusala on mägimetsade kõrguse määramine. Parima arvestusliku tulemuse võrade kõrguse määramiseks saab ühesensorilise lidari andmetest. Selle meetodiga võrreldes on maa pealt määratud kõrguse eksimus ligikaudu 2–6%.^[3]

Aerolaserskaneerimise kasutusvaldkonnad on veel:

koridoride kaardistamine. Näiteks teed, raudteed, maapealsed torustikud, veeteed jms;
elektriliinide ja -mastide mõõdistamine;
DTM-i (digital terrain model) koostamine, eriti metsaste alade kohta (samuti metsateede, radade ja kuivenduskraavide asukoha määramine ja mõõdistamine);
kaldajoone mõõdistamine, liivaluidete ja rannajoone liikumise ja muutuste uurimine;
täpse ja suure punktide tihedusega DTMi koostamine avatud kaevandustes, teede kavandamisel ja modelleerimisel;
DTMi ja DSMi (digital surface model) koostamine linnades. Kolmemõõtmeliste linnamudelite koostamine ning saastemudelite koostamine linnaplaneeringute tarbeks ja kommunikatsioonivõrgustiku paigaldamiseks;
pidev kaardistamine ja kahjude hindamine pärast loodusõnnetusi (õlireostused, maavärinad, maalihked, taifuunid, orkaanid);
lume- ja jääalade mõõdistamine, liustike seire;
märgalade ulatuse määramine ja mõõdistamine;
taimestiku parameetrite tuletamine (puude kõrgus, võra läbimõõt, tihedus, biomass, metsapiiri määramine);
hüdrograafilised mõõdistused kuni 70 m sügavuseni;
kolmemõõtmeliste mudelite loomine filmide ja arvutimängude tarbeks, maastiku- ja arhitektuurikujunduses, samuti lume kuhjumisel laviiniohu hindamiseks.

Praktiliselt ainuke negatiivne külg lidari juures on selle hind. Tüüpiline maapinna laserskanner maksab üle 100 000 euro, millest instrumendi enda hind moodustab tavaliselt 70% ja tarkvara hind 30%. Võrreldes samade andmete kogumisega välimõõdistamisel, kulub lidariga tavaliselt rohkem aega ja raha. Mida suurem on mõõdistatav ala, seda tõhusam ja mõttekam on kasutada aerolaserskaneerimist. Näiteks on 100 km² aerolaserskaneerimise hind (1 km² kohta) kolm korda suurem kümme korda väiksema (10 km²) ala mõõdistamisest.^[1]^[2]

Viited

↑ ^1,0 ^1,1 ^1,2 ^1,3 Lillesand, T. M. & Kiefer, R. W. (2009) Remote sensing and image interpretation. 700–705.
↑ ^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.
↑ ^3,0 ^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

[Lillesand-1] 1,0 ^1,1 ^1,2 ^1,3 Lillesand, T. M. & Kiefer, R. W. (2009) Remote sensing and image interpretation. 700–705.

[Large-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.

[Gao-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

[1]

[2]

[3]