Niezwykła kariera techniki skanowania laserowego. Lider lidar
LIDAR (akronim od ang. "light detection and ranging") zapisywany jest wymiennie jako LiDAR lub po prostu lidar i tej wersji trzymamy się naszym raporcie (1). Nazywa się tak metodę określania zasięgu (zmiennej odległości od obiektu) przez kierowanie na obiekt wiązki laserowej i mierzenie czasu powrotu odbitego światła do odbiornika. Te impulsy świetlne, w połączeniu z innymi danymi zarejestrowanymi przez system pokładowy, generują precyzyjne, trójwymiarowe mapy i charakterystyki powierzchni. Lidarowa technika nazywana jest też skanowaniem laserowym 3D.
Technika lidarowa może być m.in. wykorzystywana do tworzenia cyfrowych trójwymiarowych reprezentacji obszarów na powierzchni Ziemi i dna oceanów, technikami naziemnymi, satelitarnymi, lotniczymi i mobilnymi. Jest powszechnie wykorzystywany do tworzenia map o wysokiej rozdzielczości i znajduje zastosowanie w geodezji, geomatyce, archeologii, geografii, geologii, geomorfologii, sejsmologii, leśnictwie, fizyce atmosfery, naprowadzaniu laserowym, lotniczym ma-powaniu laserowym (ALSM) i altimetrii laserowej. Wykorzystuje się ją także do sterowania i nawigacji w niektórych samochodach autonomicznych i w innych pojazdach, np. w śmigłowcu Ingenuity podczas lotów nad powierzchnią Marsa.
Skomplikowany układ optyczno-elektroniczno-mechaniczny
Instrument lidarowy składa się przede wszystkim z lasera, skanera i odbiornika GPS. Najczęściej stosowanymi środkami do pozyskiwania danych lidarowych na dużych obszarach są samoloty i helikoptery, a od niedawna często drony. Wykorzystują dwa ogólne typy lidarów - topograficzny i batymetryczny. Pierwszy zazwyczaj wykorzystuje laser pracujący w bliskiej podczerwieni do mapowania terenu, natomiast lidar batymetryczny wykorzystuje światło w spektrum zieleni przenikające przez wodę, aby mierzyć także głębokość dna morskiego i koryt rzek.
Długość fali używanej w lidarach zależy od celu, od około 10 mikrometrów (podczerwień) do około 250 nm (UV). Zazwyczaj światło jest odbijane przez rozpraszanie wsteczne, w przeciwieństwie do czystego odbicia, z jakim mamy do czynienia w przypadku lustra. W różnych zastosowaniach wykorzystuje się różne rodzaje rozpraszania. Najczęściej jest to rozpraszanie Rayleigha, rozpraszanie Mie, rozpraszanie Ramana i fluorescencja.
Odpowiednie kombinacje długości fal mogą umożliwić zdalne mapowanie zawartości atmosfery poprzez identyfikację zależnych od długości fali zmian w intensywności powracającego sygnału. Dla urządzeń wykorzystujących zakres światła widzialnego używa się czasem nazwy "radar fotoniczny". Znane są również lidary w zakresie fal radiowych.
Lidary mogą odbierać światło za pomocą detekcji "niekoherentnej", bezpośredniej detekcji energii, która mierzy głównie zmiany amplitudy odbitego światła, lub detekcji koherentnej, najlepszej do pomiaru przesunięć dopplerowskich, czyli zmian fazy odbitego światła. Systemy koherentne zazwyczaj wykorzystują optyczną detekcję heterodynową, czyli mieszanie oiptycznych sygnałów o różnej częstotliwości. Jest ona bardziej czuła niż detekcja bezpośrednia i umożliwia pracę przy znacznie niższej mocy, ale wymaga bardziej złożonych nadajników. W obu typach detekcji stosuje się modele impulsowe, mikropulsowe lub wysokoenergetyczne. Systemy mikropulsowe wykorzystują przerywane impulsy energii. Powstały one w wyniku stale rosnącej mocy komputerów w połączeniu z postępem w technice laserowej. Zużywają one znacznie mniej energii w laserze, zwykle rzędu jednego mikrodżula, i często są bezpieczne dla oczu.
Powietrzne lidary do mapowania topograficznego zwykle używają diodowych laserów YAG z o długości fali 1064 nm, natomiast systemy batymetryczne (podwodne badania głębokości) zwykle używają laserów YAG z podwojeniem częstotliwości 532 nm, ponieważ 532 nm przenika przez wodę z dużo mniejszym tłumieniem niż 1064 nm.
Ustawienia lasera obejmują częstotliwość powtarzania impulsów lasera (która steruje szybkością zbierania danych). Krótsze impulsy pozwalają uzyskać lepszą rozdzielczość celu, pod warunkiem, że detektory odbiornika lidaru i elektronika mają wystarczającą szerokość pasma. Aby uzyskać wzór promieniowania o określonym rozmiarze w określonym kierunku, stosuje się około miliona anten optycznych. System jest sterowany przez precyzyjne odmierzanie czasu błysku.
W lidarach stosowane są głównie dwie technologie fotodetektorów: fotodetektory półprzewodnikowe, takie jak krzemowe fotodiody lawinowe, lub fotopowielacze. Do obrazowania lidaru można również wykorzystywać tablice szybkich detektorów oraz tablice detektorów czułych na modulację, zazwyczaj budowane na pojedynczych układach scalonych z wykorzystaniem technik wytwarzania komplementarnych półprzewodników metalowo-tlenkowych (CMOS) i hybrydowych CMOS/urządzeń sprzężonych ładunkowo (CCD). W tych urządzeniach każdy piksel wykonuje pewne lokalne przetwarzanie, takie jak demodulacja lub bramkowanie z dużą szybkością, konwertując sygnały do szybkości wizyjnej, tak aby matryca mogła być odczytywana jak kamera. Przy użyciu tej techniki można jednocześnie pozyskać wiele tysięcy pikseli/kanałów. Kamery lidarowe 3D o wysokiej rozdzielczości wykorzystują detekcję homodynową z elektroniczną migawką CCD lub CMOS.
Projekcje laserowe w lidarach mogą być manipulowane za pomocą różnych metod i mechanizmów w celu uzyskania efektu skanowania - za pomocą standardowego lidara wrzecionowego, który obraca się, aby uzyskać widok 360 stopni; lidara półprzewodnikowego, który ma stałe pole widzenia, ale nie ma ruchomych części, a do kierowania wiązkami może wykorzystywać MEMS lub optyczne tablice fazowane, oraz lidara błyskowego, który rozprzestrzenia błysk światła na duże pole widzenia, zanim sygnał odbije się od detektora.
W lidarze błyskowym całe pole widzenia jest oświetlane wiązką lasera o szerokim rozproszeniu w pojedynczym impulsie. Jest to przeciwieństwo konwencjonalnego lidaru skanującego, który wykorzystuje wiązkę laserową oświetlającą pojedynczy punkt w danym czasie, a wiązka jest skanowana rastrowo w celu oświetlenia pola widzenia punkt po punkcie. Taka metoda oświetlenia wymaga również innego schematu detekcji. Zarówno w przypadku lidaru skanującego, jak i błyskowego, do zbierania informacji o trójwymiarowej lokalizacji i natężeniu padającego na nią światła w każdej klatce wykorzystywana jest kamera z funkcją pomiaru czasu przelotu. Jednak w lidarze skanującym kamera ta zawiera tylko czujnik punktowy, natomiast w lidarze błyskowym kamera zawiera układ czujników, których każdy piksel zbiera trójwymiarowe informacje o położeniu i natężeniu światła.
W obu przypadkach informacje o głębokości są zbierane na podstawie czasu przelotu impulsu laserowego (tzn. czasu potrzebnego na to, aby każdy impuls laserowy trafił w cel i powrócił do czujnika), co wymaga zsynchronizowania pulsacji lasera i przyjęcia przez kamerę. W rezultacie kamera fotografuje odległość, a nie kolory. Lidar błyskowy jest szczególnie korzystny, w porównaniu z lidarem skanującym, gdy kamera, scena lub obie te części są w ruchu, ponieważ cała scena jest oświetlana w tym samym czasie.
Podobnie jak w przypadku wszystkich form lidaru, wbudowane źródło oświetlenia sprawia, że lidar błyskowy jest czujnikiem aktywnym. Zwracany sygnał jest przetwarzany przez wbudowane algorytmy w celu uzyskania niemal natychmiastowego trójwymiarowego renderingu obiektów i cech terenu w polu widzenia czujnika.
Wysoka częstotliwość odświeżania obrazu sprawia, że czujnik jest użytecznym narzędziem w wielu zastosowaniach, w których wizualizacja w czasie rzeczywistym jest przydatna, takich jak wysoce precyzyjne operacje zdalnego lądowania. Dzięki natychmiastowemu zwracaniu siatki 3D wysokości docelowych krajobrazów, czujnik błyskowy może być wykorzystywany do określania optymalnych stref lądowania przy lądowaniu autonomicznych statków kosmicznych.
Widzenie na odległość wymaga silnego impulsu świetlnego. Moc jest ograniczona do poziomu, który nie uszkadza ludzkiej siatkówki. Długość fali nie może mieć wpływu na ludzkie oczy. Jednak tanie obrazowniki krzemowe nie odczytują światła w bezpiecznym dla oczu spektrum. Zamiast tego potrzebne są przetworniki z arsenku galu, których koszt może wynieść do 200 tys. USD.
Czujniki lidarowe montowane na ruchomych platformach, takich jak samoloty lub satelity, wymagają oprzyrządowania do określania bezwzględnej pozycji i orientacji czujnika. Urządzenia takie obejmują zwykle odbiornik Globalnego Systemu Pozycjonowania oraz inercyjną jednostkę pomiarową (IMU).
Prawie tak stary jak laser
Firma Hughes Aircraft Company wprowadziła pierwszy system podobny do lidaru w 1961 r., wkrótce po wynalezieniu lasera. Zajmował się tym zespół pod kierownictwem Malcolma Stitcha. Początkowo nazywano go "colidar', co jest angielskojęzycznym akronimem od słów "coherent light detecting and ranging", kojarzącym się ze skrótem "radar", który powstał ze słów "radio detection and ranging". Dalmierze laserowe, wysokościomierze laserowe i urządzenia lidarowe wywodzą się z wczesnych systemów kolidarowych. Pierwszym praktycznym zastosowaniem systemu kolidarowego był "Colidar Mark II", duży dalmierz laserowy w kształcie karabinu wyprodukowany w 1963 r., który miał zasięg ponad 10 km i dokładność 5 metrów, przeznaczony do celów wojskowych.
Z czasem zaczęła się upowszechniać krótsza forma "lidar". Pierwsze zastosowania cywilne lidaru miały miejsce w meteorologii. Amerykańskie National Center for Atmospheric Research wykorzystywało go do pomiaru chmur i zanieczyszczeń. Opinia publiczna dowiedziała się o dokładności i przydatności systemów lidarowych w 1971 roku podczas misji Apollo 15, kiedy astronauci użyli laserowego wysokościomierza do mapowania powierzchni Księżyca.
Wczesna formy techniki lidarowej były dość nieporęczne i nie działały szybko. Z czasem zostały zminiaturyzowane. W 2014 roku Laboratorium Lincolna w USA zaprezentowała lidar obrazujący z ponad 16 384 pikselami rozdzielczości.
Wcześniejsza generacja tej technologii została wysłana przez wojsko amerykańskie po trzęsieniu ziemi na Haiti w styczniu 2010 roku. Pojedynczy przelot odrzutowca na wysokości 3 tys. metrów nad Port-au-Prince umożliwił natychmiastowe wykonanie zdjęć 600-metrowych kwadratów miasta z rozdzielczością 30 centyme-trów, pokazując dokładną wysokość gruzu na ulicach.
W nowej generacji procesora zastosowano arsenek galowo-indowy (InGaAs), który działa w zakresie podczerwieni na stosunkowo długiej fali, co pozwala na uzyskanie większej mocy i większego zasięgu. W wielu zastosowaniach, np. w samochodach autonomicznych, nowy system obniża koszty, ponieważ nie wymaga mechanicznego elementu do wycelowania układu. Technologia InGaAs wykorzystuje mniej groźne długości fal niż konwencjonalne detektory krzemowe, które działają na długościach fal widzialnych.
Ostatnie lata to czas intensywnych prac na techniką lidarów półprzewodnikowych. Czas działania lidaru elektromechanicznego wynosi od tysiąca do dwóch tysięcy godzin. Natomiast lidar półprzewodnikowy może pracować przez 100 tysięcy godzin. Od szeregu lat trwają prace nad stworzeniem komercyjnych lidarów półprzewodnikowych. Zajmuje się tym m.in. firma Quanergy, która projektuje urządzenie półprzewodnikowe o długości fali 905 nm.
Mapy terenu i dna
Zastosowania lidarów można podzielić na lotnicze i naziemne. Te dwa rodzaje wymagają skanerów o różnych specyfikacjach, zależnych od celu danych, wielkości obszaru do uchwycenia, pożądanego zakresu pomiaru, kosztów sprzętu i innych. Możliwe są również platformy kosmiczne, jak w satelitarnej altimetrii laserowej.
Lidar stanowi obecnie najbardziej szczegółową i najdokładniejszą metodę tworzenia cyfrowych modeli terenu. W ramach kategorii lidaru lotniczego rozróżnia się czasem zastosowania na dużych wysokościach i małych wysokościach, ale główna różnica polega na zmniejszeniu dokładności i gęstości punktów w przypadku danych pozyskiwanych na większych wysokościach.
Lidar lotniczy może być również wykorzystywany do tworzenia modeli batymetrycznych w płytkich wodach. Dane z lidaru lotniczego są przetwarzane za pomocą zestawu narzędzi o nazwie Toolbox for Lidar Data Filtering and Forest Studies (TIFFS) do filtrowania danych lidarowych i oprogramowania do badania terenu. Za pomocą tego oprogramowania dane są przenoszone do cyfrowych modeli terenu (2). Laser jest kierowany na obszar, który ma zostać zmapowany, a wysokość każdego punktu nad powierzchnią ziemi jest obliczana przez odjęcie oryginalnej współrzędnej z od odpowiadającej jej wysokości cyfrowego modelu terenu. Na podstawie tej wysokości nad powierzchnią gruntu uzyskuje się dane dotyczące roślinności, budynków, linii energetycznych, a nawet przelatujących ptaków, owadów itp.
System technologiczny batymetrii lidarowej polega na pomiarze czasu przelotu sygnału od źródła do powrotu do czujnika. Wykorzystuje ona wiązkę lasera o zielonym spektrum (532 nm). Dwie wiązki są rzutowane na szybko obracające się lustro, które tworzy tablicę punktów. Jedna z wiązek przenika przez wodę, a w sprzyjających warunkach wykrywa także powierzchnię dna. W wyniku mapowania uzyskuje się topografię lądu, a także ukształtowanie powierzchni podwodnej.
Lądowe zastosowania lidaru może mieć charakter stacjonarny lub mobilny. Mapowanie za pomocą lidaru naziemnego obejmuje proces generowania mapy siatki zajętości terenu. Proces ten obejmuje tablicę komórek podzielonych na siatki, w których zapisywane są wartości wysokości, gdy dane lidarowe znajdą się w danej komórce siatki. Następnie tworzona jest mapa binarna przez zastosowanie określonego progu do wartości komórek w celu dalszego przetwarzania. Kolejnym krokiem jest przetwarzanie odległości radialnej i współrzędnych z każdego skanu w celu określenia, które punkty trójwymiarowe odpowiadają każdej z określonych komórek siatki, co prowadzi do procesu tworzenia danych.
Stacjonarne skanowanie naziemne jest najbardziej rozpowszechnione jako metoda pomiarowa, na przykład w konwencjonalnej topografii, monitoringu, dokumentacji dziedzictwa kulturowego i kryminalistyce. Trójwymiarowe chmury punktów pozyskane z tego typu skanerów można d-pasować do cyfrowych zdjęć skanowanego obszaru wykonanych z miejsca, w którym znajduje się skaner, w celu utworzenia realistycznie wyglądających modeli trójwymiarowych w stosunkowo krótkim czasie w porównaniu z innymi technologiami. Każdy punkt w chmurze punktów otrzymuje kolor piksela ze zdjęcia wykonanego w tym samym miejscu i kierunku, co wiązka laserowa, która utworzyła punkt.
Mobilny lidar (także mobilny skaning laserowy) polega na przymocowaniu do poruszającego się pojazdu dwóch lub więcej skanerów w celu zbierania danych wzdłuż trasy. Skanery te są prawie zawsze połączone z innymi rodzajami sprzętu, w tym z odbiornikami nawigacji satelitarnej i jednostkami IMU. Jednym z przykładowych zastosowań jest pomiar ulic, gdzie należy uwzględnić linie energetyczne, dokładne wysokości mostów, graniczące z nimi drzewa itp. Zamiast zbierać każdy z tych pomiarów osobno w terenie za pomocą tachimetru, można utworzyć trójwymiarowy model z chmury punktów, na którym można wykonać wszystkie potrzebne pomiary, w zależności od jakości zebranych danych.
Na złość Muskowi są coraz mniejsze, tańsze i lepsze
W samochodach autonomicznych (3) urządzenia lidarowe wysyłają wiązki światła podczerwonego i interpretują sygnały, które odbijają się od pobliskich obiektów, tworząc pikselizowany obraz świata, znany jako chmura punktów. Urządzenia te są tam często łączone z innymi czujnikami i kamerami w celu bardzo szczegółowego monitorowania otoczenia pojazdu w procesie zwanym fuzją czujników. Uzyskana w ten sposób mapa 3D pozwala sprzętowi przetwarzającemu w pojeździe stworzyć obraz otoczenia i sklasyfikować obiekty, takie jak samochody, pachołki i piesi.
Jak dokładnie działa lidar w aucie? Na skanowaną powierzchnię wysyłane są impulsy światła laserowego o dużej prędkości - około 150 tys. impulsów na sekundę. Następnie czujnik mierzy, po jakim czasie impulsy odbijają się od powierzchni, co pozwala określić odległość do obiektu. Wykonując te czynności wielokrotnie i szybko, urządzenie tworzy szczegółowy obraz otoczenia bardzo szybko, aktualizując go tak szybko a nawet szybciej niż potrzebuje np. poruszający się samochód.
Za konwencjonalny sposób prowadzenia skanowania uważa się mechaniczny układ, w którym ruchome lustro kieruje wiązkę, tworząc pole widzenia wokół samochodu. Lidar z lustrem MEMS wykorzystuje lustra mikro-mlektromechaniczne, aby wykonać to samo zadanie na znacznie mniejszą skalę. Optyczno-fazowany układ lidaru (zwany lidarem półprzewodnikowym) wykorzystuje regulowane emitery optyczne w układzie fazowanym do kierowania wiązki światła z czujnika, bez ruchomych części.
Urządzenia lidarowe wykorzystują półprzewodnikowy laser diodowy, mocniejszą odmianę lasera stosowanego w drukarkach laserowych. Samo światło jest podczerwone i niewidoczne dla ludzkiego oka. Im dalej musi się ono bezpiecznie przemieścić, tym większa będzie długość fali. Lasery stosowane obecnie w samochodach autonomicznych wykorzystują fale o długości około 1550 nanometrów do skanowania odległości do 200 metrów przed pojazdem.
Urządzenia lidarowe, podobnie jak kamery, oferują różne poziomy rozdzielczości. Aby być skutecznymi czujnikami w pojazdach, muszą mapować otoczenie na tyle szczegółowo, aby oprogramowanie mogło dokładnie rozpoznawać otaczające je obiekty (4). Problem z coraz szerszymi wiązkami podczerwieni polega na tym, że choć rozdzielczość z bliska jest zazwyczaj doskonała, obiekty znajdujące się dalej są nieco zamglone. To dlatego lidar jest często łączony z dodatkowymi czujnikami: kamerami, radarami, czujnikami ultradźwiękowymi itp.
Lidar niestety nie widzi obiektów przysłoniętych przez inne obiekty. Dlatego w autonomicznym wozie powinny być również inne źródła danych sytuacyjnych np. ze skanów wykonywanych przez urządzenia drogowe. Podobnie, sygnały w podczerwieni zakłócać mogą niekorzystne warunki pogodowe lub zakłócające sygnały z innych urządzeń lidarowych.
Nie dla każdego jest oczywiste, że technika lidarowa jest czymś koniecznym i sprawdzającym się dobrze w pojazdach autonomicznych. Niektórzy producenci samochodów, w tym Tesla, stosują wyłącznie kamery i systemy oparte na radarach, które są tańsze i lepiej przetestowane w przemyśle motoryzacyjnym. Łatwiej znaleźć specjalistów w tych dziedzinach. Wczesne lidary samochodowe były powolne i kłopotliwe, ale teraz, po znaczącej miniaturyzacji i udoskonaleniu coraz trudniej zaprzeczyć zaletom obrazowania lidarowego.
Chris Urmson, pierwszy dyrektor projektu pojazdów autonomicznych w firmie Google, określił kiedyś lidar jako "wirujący kubełek po kurczaku z Kentucky Fried Chicken". W tamtym czasie, ok. 2015 r., koszt urządzenia lidarowego wynosił nie mniej niż 75 tys. USD, co sprawiało, że pojazdy autonomiczne były zbyt drogie, aby mogły być używane na masową skalę.
Już w 2018 r. niektórzy obserwatorzy przewidywali poprawę wydajności lidaru przy niższych cenach, co brzmiało jak science fiction. Na początku 2020 r. firma Velodyne (5) wprowadziła na rynek lidar za 100 dolarów. Poziomem cen i techniki dorównują Velodyne inni gracze, tacy jak Ouster czy Luminar, który przygotowuje się do wejścia na giełdę - którzy również szybko rosną w siłę i przyciągają coraz więcej klientów, w tym wielu spoza branży motoryzacyjnej.
Przewiduje się korzyści odniosą nie tylko pojazdy autonomiczne. Przy spodziewanym spadku cen do pięćdziesięciu dolarów i rozmiarach zbliżonych do monety lidar może być wbudowywany we wszystkie rodzaje obiektów, od kamer, przez drony, i wiele innych gadżetów.
Nie tak dawno jeszcze Elon Musk oświadczał, że "lidar to głupota, a każdy, kto polega na lidarze, jest skazany na zagładę". Być może teraz będzie musiał cofnąć swoje słowa. W każdym razie, z Muskiem, czy bez niego, główne przeszkody w rozwoju pojazdów autonomicznych, czyli cena, rozmiar i wydajność tego typu czujników, odchodzą już przeszłość, co oznacza, że producenci samochodów mogliby wyposażyć w nie swoje floty, stosując wiele czujników przy mniejszych kompromisach konstrukcyjnych, a tym samym poprawiając bezpieczeństwo.
Od kosmosu po drogówkę
Trójwymiarowe obrazowanie za pomocą lidarów to szybko rozwijająca się branża, o wielkim już znaczeniu komercyjnym, choćby dla branży samochodów autonomicznych i robotyki. Zainteresowanie obrazowaniem lidarowym w innych dziedzinach, takich służba zdrowia, inteligentne urządzenia, mapowanie, nauki geologiczne i w wielu innych, stale rośnie.
Lidar może np. pomóc w rolnictwie, np. w wykrywaniu obszarów o optymalnym nasłonecznieniu w celu zwiększenia wydajności upraw. Lidar może być wykorzystywany do analizy topograficznej i przewidywania właściwości gleby. Korzystając z tych informacji, rolnicy mogą analizować, modelować i przewidywać plony w dowolnym miejscu, maksymalizując zyski.
Wydział Inżynierii Uniwersytetu w Aarhus wykorzystał drony z zamontowanymi lidarami do mapowania pól uprawnych, na których rośnie pszenica. Może być również wykorzystywany do szkolenia systemów uczenia maszynowego w celu identyfikacji upraw wymagających określonego podlewania lub nawożenia.
Organizacje zarządzające monitoringiem gruntów mogą też za pomocą tej techniki monitorować zasoby ziemi w czasie rzeczywistym, co pozwala na szybsze i bardziej efektywne mapowanie w porównaniu z rekonesansem lotniczym. Wykorzystuje się je również w ocenie katastrof, systemach wczesnego ostrzegania, reagowaniu w sytuacjach kryzysowych (np. w walce z pożarami lasów) oraz w badaniach lokalizacyjnych.
Technika ta zrewolucjonizowała archeologię, pomagając uczonym odkrywać niewidoczne z poziomu ziemi i zagrzebane struktury na całym świecie (6). np. przy mapowaniu starożytnych Pompei przez firmę Kaarta, pomagając w planowaniu wykopalisk i obserwowaniu wzorców niewidocznych z ziemi.
Dane DEM mogą również ujawnić mikrotopografię ukrytą przez drzewa i krzewy. Dane LiDAR można łatwo zintegrować z nowoczesnymi systemami informacji geograficznej (GIS) w celu ich dalszej analizy. Czujniki lidarowe mogą rejestrować mikrotopografię o wysokiej rozdzielczości na obszarach w inny sposób ukrytych przez drzewa i zieleń, przenikając przez koronę lasu w celu wykrycia powierzchni pod nią.
W 2012 r. wykorzystano to rozwiązanie do odnalezienia legendarnego miasta La Ciudad Blanca w Hondurasie. Dwóch archeologów z Uniwersytetu Kolorado podjęło nawet misję przeskanowania lidarem całej planety w poszukiwaniu artefaktów.
Już podczas programu Apollo na Księżycu umieszczono retroreflektory, które służyły do odbijania laserów wysyłanych z obserwatoriów na Ziemi. LiDAR może także mapować powierzchnie ciał niebieskich. NASA wykorzystała lidar w sondzie Phoenix do badań Marsa (7). Udało się dzięki temu stworzyć mapę topograficzną i wykryć za jej pomocą opady śniegu w atmosferze.
Lidar meteorologiczny na Marsie dostarcza obecnie danych o chmurach, mgle i pióropuszach pyłu, co pozwala lepiej zrozumieć klimat planety. Lidar jest wykorzystywany jako część eksperymentu Lunar Laser Ranging, mierzącego odległość między powierzchniami Ziemi i Księżyca. Impulsy światła laserowego są wysyłane i odbijane z powrotem na Ziemię, a następnie mierzony jest czas trwania podróży w obie strony. Wyniki tego eksperymentu pokazały, że Księżyc oddala się od Ziemi w tempie 3,8 cm/rok.
Klimatolodzy wykorzystują lidar do śledzenia zmian w atmosferze. Naukowcy z Niemiec opracowali lotniczy system, który może śledzić gazy atmosferyczne i może być nawet użyteczny w badaniach prowadzonych z kosmosu. Botanicy używają go do śledzenia wzorców zmian w obszarach zalesionych. Jest również wykorzystywany do obliczania zmian lodowców w czasie.
Lidar pomaga też meteorologom badać chmury i ich wzorce pogodowe, wykorzystując długość fali odpowiednią do wykrywania małych cząsteczek w chmurze. W metorologii wykorzystuje się wiele różnych typów lidarów. Lidar może też być wykorzystywany do określania podstawowych wymagań dotyczących wykorzystania energii słonecznej, takich jak optymalne rozmieszczenie paneli. Wykorzystuje się go również do obliczania kierunku i prędkości wiatru, aby umożliwić operatorom farm wiatrowych budowę i rozmieszczenie turbin.
Dane zebrane przez lidar są bardzo dokładne, co pozwala na precyzyjne oszacowanie liczby cząsteczek wchodzących w skład dowolnej formy materii. Może wykrywać cząsteczki zarówno w powietrzu, jak i w wodzie, dzięki czemu szczególnie dobrze radzi sobie z identyfikacją zanieczyszczeń, takich jak dwutlenek węgla, dwutlenek siarki i metan.
W połączeniu z modelem budynku lub terenu badacze mogą wykorzystać te dane do obserwacji i ograniczania gromadzenia się zanieczyszczeń na danym obszarze. Technologia DIAL (Differential Absorption LiDAR) jest wykorzystywana do identyfikacji poszczególnych form gazu w atmosferze, takich jak ozon, dwutlenek węgla czy para wodna. Lidar ramanowski mierzy stężenie a lidar dopplerowski - prędkość wiatru. Na tej podstawie prognozuje się pogodę, modeluje klimat i monitoruje środowisko.
W oceanografii dane lidarowe są wykorzystywane do zbierania wielu szczegółów dotyczących oceanu, w tym głębokości, składu, ogólnej biomasy i fluorescencji fitoplanktonu. Naukowcy mogą również wykorzystywać systemy lidarowe do ustalania, jakie gatunki występują w głębinach morskich i w jakiej liczebności.
Amerykańska Narodowa Administracja Oceaniczna i Atmosferyczna (NOAA) wykorzystuje lidar do tworzenia dokładnych map linii brzegowej oraz cyfrowych modeli wysokościowych dla GIS (systemów informacji geograficznej). Można też ją wykorzystać do informowania systemów ostrzegających ludzi o możliwości wystąpienia tsunami. Dane z tych skanów można umieszczać w systemie GIS, a eksperci mogą prognozować, które obszary zostaną najbardziej dotknięte tsunami. Wykorzystuje je również do pomocy w misjach reagowania w sytuacjach kryzysowych oraz poszukiwaniach złóż kopalin (technika DIAL), np. do wykrywania ropy naftowej i gazu ziemnego). Operatorzy kopalń od dawna wykorzystują lidar do pomocy w planowaniu i ocenie stabilności ścian, aby zapobiec ich zawaleniu.
Technologia LiDAR może być wykorzystywana do badania absorpcji dwutlenku węgla. I tu znów technika lidarowa DIAL, czyli Differential Absorption LiDAR, mierzy dokładną wielkość absorpcji dwutlenku węgla, pomagając stworzyć profil lasu. Dane te są następnie wykorzystywane do określania ilości węgla w określonych miejscach. Teledetekcja lidarowa jest szeroko stosowana do oceny jakości siedlisk różnych gatunków, co jest kluczowym wskaźnikiem różnorodności gatunków, a także do mapowania obszarów, na których mogą wystąpić powodzie i susze. W jednym z projektów wykorzystano lidar do zarządzania ochroną wiewiórek rudych.
Technologia lidarowa odgrywa ważną rolę w badaniu wylesiania, umożliwiając identyfikację obszarów leśnych dotkniętych działalnością człowieka. Umożliwia ona naukowcom pomiar trójwymiarowej struktury koron drzew, w tym ich wysokości oraz różnorodności elementów koron, takich jak liście, gałązki i gałęzie (8). Naziemne skanowanie laserowe dostarcza bardziej precyzyjnych informacji na temat wymiarów poszczególnych drzew oraz całkowitej objętości drewna w lesie, w porównaniu z fotogrametrią, która ma ograniczoną penetrację koron drzew. Na całym świecie straże pożarne zdobywają wiedzę, jak wykorzystać technologię lidar do zarządzania pożarami lasów. Dane ze skanów mogą być wykorzystywane do obserwacji przebiegu pożarów i określania obszarów wysokiego ryzyka (tzw. mapowanie paliwa), dzięki czemu można podjąć aktywne działania w celu uniknięcia pożaru.
Lidar może też posłużyć w pracy służb mundurowych od egzekwowania ograniczeń prędkości na drodze (9) po trójwymiarowe rejestrowanie wypadków i miejsc przestępstw. Technika jest wykorzystywana do rozpoznawania pojazdów i może niezawodnie rozpoznawać tablice rejestracyjne - nawet przy dużych prędkościach i w dużym natężeniu ruchu. Można go zamontować na pojeździe patrolowym lub wysłać za pomocą bezzałogowego statku powietrznego. Lidar może być także wykorzystywany w kryminalistyce, nawet do analizy rozprysków krwi. Za pomocą naziemnego lidaru można w ciągu kilku minut uchwycić miejsce wypadku samochodowego, zachowując dowody i odnotowując ich położenie geograficzne. Przewiduje się wykorzystanie skanowania laserowego także do wykrywania i pobierania odcisków palców.
Wojsko wykorzystuje pozyskiwanie danych ze skanów 3D do wielu zastosowań. Szczegółowe odwzorowanie terenu miejskiego i pozamiejskiego może przynieść znaczne korzyści w operacjach wojskowych, zarówno z powietrza, jak i z wykorzystaniem pojazdów półautonomicznych. Można je wykorzystać między innymi do obrony powietrznej, kontroli ruchu lotniczego, obserwacji terenu, nawigacji, poszukiwań i ratownictwa, radarów kierowania ogniem oraz identyfikacji ruchomych celów.
Za pomocą lidara można cyfrowo odtworzyć dowolny obiekt fizyczny, tworząc szczegółowe, dokładne modele w bardzo krótkim czasie. W grach otwiera to świat możliwości, pozwalając twórcom gier na odtwarzanie całych miast i miejsc niemal identycznych z rzeczywistością.
Jedną z zalet lidara jest możliwość gromadzenia dużych ilości danych o wysokiej rozdzielczości w krótkim czasie. Dzięki temu idealnie nadaje się do planowania sieci komórkowej, określania linii widzenia i pola widzenia dla przyszłej anteny komórkowej, co pozwala obniżyć koszty. Technologia lidarowa znajduje również zastosowanie w mapowaniu sygnału bezprzewodowego, ułatwiając planowanie rozmieszczenia nadajników bezprzewodowych oraz ocenę siły i promienia sygnału.
Miasta wykorzystują mobilny lidar do monitoringu i zarządzania mieniem oraz zapewnienia bezpieczeństwa mieszkańcom. Na przykład, inwentaryzacje komunalne mogą dzięki tej technice objąć wszystko, począwszy od wybojów, stanu dróg, uszkodzeń mostów, obiektów użyteczności publicznej, billboardów i znaków ulicznych. Po zebraniu skanów są one umieszczane w geoprzestrzennych bazach danych. W ten sposób można przechowywać, analizować i wizualizować każdy składnik infrastruktury w systemach informacji geograficznej GIS.
Technologia skanowania laserowego 3D może pomóc w rozwiązaniu problemu zagubionego bagażu w branży lotniczej. Lotnisko Heathrow posiada obecnie autonomiczny wózek, który przenosi bagaże z samolotów do hal bagażowych, zapewniając szybszy i bardziej elastyczny proces załadunku. Dzięki temu proces załadunku jest szybszy i bardziej elastyczny. Jeśli przedmioty znajdują się na autonomicznym wózku, łatwiej jest wszystko rozliczyć.
W miarę jak lidar rozszerza swój zakres na różne dziedziny nauki, pojawiają się nowe obszary zastosowań i badań. np. w dziedzinie oceny warunków śniegowych. Ponieważ śnieg charakteryzuje się znacznym rozpraszaniem objętościowym, światło o różnej długości fali może przenikać na różne głębokości z różnym skutkiem. Po udoskonaleniu modelowania dla tego typu lidaru, może on być cenny, np. w prognozowaniu lawin lub powodzi roztopowych.
Obrazowanie lidarowe 3D stanowią cenny i nie w pełni jeszcze przeeksplorowany dodatek do arsenału współczesnej służby zdrowia. Ciągle poszukuje się nowych metod obrazowania. W ramach tych poszukiwań naukowcy z marynarki wojennej USA zastosowali lidar w połączeniu z radarem do identyfikacji guzów w organizmie. Hybrydowy system lidar-radar może być wykorzystywany do wykrywania obecności obiektów, takich jak guzy nowotworowe, w tkankach poprzez wykrywanie sygnałów odbitych od tkanki (10). Technika ta pozwala lepiej odróżnić światło rozproszone związane z masą nowotworową od światła rozproszonego lub rozproszonego wstecznie związanego ze zdrową tkanką.
Systemy lidarowe były wykorzystywane do nagrywania teledysków muzycznych bez użycia kamery, np. w "House of Cards" zespołu Radiohead w 2007 roku. Niedawno wielkie firmy przemysłu filmowego, a mianowicie Lucas Films oraz Industrial Light and Magic, zdały sobie sprawę, że poziom dokładności, jaki zapewnia lidar, umożliwia im kontrolowanie efektów wizualnych po znacznie niższych kosztach. Lidar znacznie zwiększa też wydajność i dostępność produkcji wideo oraz VR i AR.
W 2020 r. firma Apple zaprezentowała nowy model swojego flagowego smartfona iPhone 12 Pro i iPhone 12 Pro Max. Urządzenia te zawierają skaner lidarowy, który służy do doskonalenia doświadczeń użytkowników w rzeczywistości rozszerzonej, skrócenie czasu wykonywania zdjęć i sześciokrotnie przyspiesza działanie autofokusa przy słabym oświetleniu.
Lidar jest w końcu wykorzystywany także w badaniach laboratoryjnych takich czynników, jak siła sygnału i stężenie cieczy. Jest szybki i precyzyjny, dzięki czemu stanowi udoskonalenie technik pomiarowych.
Czas dronów to lidarowe eldorado
Wzrostowi popularności technik lidarowych sprzyja w ostatniej dekadzie rozwój dronów i ich upowszechnianie. Gdy bezzałogowe pojazdy latające (UAV) stały się bardziej przystępne cenowo, naukowcy i filmowcy wykorzystali tę technologię do robienia zdjęć z powietrza, eliminując potrzebę wynajmowania helikopterów.
Obecnie drony zyskały ogromną popularność i są wykorzystywane do usprawnienia procesów roboczych w wielu branżach, takich jak wydobycie gaz i ropy, energetyka, górnictwo, budownictwo, transport i rolnictwo. Połączenie zwinności i operatywności bezzałogowych statków powietrznych z mocą czujników lidarowych umożliwia dronom osiąganie doskonałych wyników w wielu zastosowaniach.
Czujniki lidarowe można zamontować na dronach, aby szybko, dokładnie i tanio generować trójwymiarowe cyfrowe modele terenu odległych lub trudno dostępnych obszarów. Drony są odpowiednimi narzędziami do pokrycia określonych obszarów lądowych w sytuacjach, w których załogowy statek powietrzny jest zbyteczny. Drony są łatwiejsze i szybsze do rozmieszczenia niż samoloty czy helikoptery, co zmniejsza koszty i ryzyko.
Przykładem jest zastosowanie w monitoringu linii energetycznych, który tradycyjnie nie jest ani łatwy, ani bezpieczny do przeprowadzania Technologia lidarowa jest w stanie odpowiednio wcześnie zidentyfikować problemy w liniach energetycznych. Dzięki wykorzystaniu UAV, firmy energetyczne mogą ocenić uszkodzenia, aby odpowiednio wcześnie opracować rozwiązanie o najniższym poziomie ryzyka.
Lidar to wciąż dziedzina rozwojowa, ale nie brakuje takich, którzy już myślą już o czymś jeszcze nowszy, alternatywę dla skanowania laserowego. Od niedawna rozwija się technika obrazowania fotogrametrycznego oznaczana SFM (Structure From Motion), która umożliwia tworzenie trójwymiarowych obrazów i map na podstawie danych pozyskanych z fotografii wizualnej i podczerwieni. Dane wysokościowe lub trójwymiarowe są pozyskiwane za pomocą wielu równoległych przejść nad mapowanym obszarem, dzięki czemu uzyskuje się zarówno wizualne obrazy świetlne, jak i struktury trójwymiarowe z tego samego czujnika, którym często jest specjalnie dobrany i skalibrowany aparat cyfrowy.
W zastosowaniach bliskiego zasięgu alternatywy dla lidaru upatruje się w technice stereowizji komputerowej, polegającej na próbie symulacji możliwości ludzkich oczu. Zakłada postrzeganie tych samych obiektów świata trójwymiarowego dwiema kamerami odsuniętymi od siebie na pewną odległość. Dzięki temu otrzymujemy dwa obrazy. Każdy punkt na obrazie z jednej kamery odpowiada punktowi na obrazie z drugiej kamery. Punkty te są przesunięte o daną odległość. Posiadając informacje na temat położenia korespondujących ze sobą punktów oraz dane dotyczące odległości między kamerami, możemy, korzystając z algorytmów stereowizyjnych, symulować zachowania ludzkich oczu. Jesteśmy na przykład w stanie wyliczyć położenie tych punktów w przestrzeni trójwymiarowej, co prowadzi do otrzymania trójwymiarowego obrazu.
Trudno oprzeć się wrażeniu, że technika lidarowa choć nie jest tak znów młoda i tak wspaniale się rozwinęła, dopiero zaczyna swoją wielką karierę. Wydaje się, że znajdziemy jeszcze bardzo wiele dla niej zastosowań, w tym także przełomowych, radykalnie zmieniających nowe dziedziny techniki. Staje się co-raz bardziej dostępna i oswojona. Lidar już jest wielki i czeka na swoje kolejne wielkie chwile.
Mirosław Usidus
