La أصبحت تقنية LiDAR إحدى الأدوات الرئيسية لالتقاط معلومات عن التضاريس والأجسام بدقة كانت قبل بضع سنوات تبدو ضرباً من الخيال العلمي. واليوم، نجدها في مشاريع رسم الخرائط، والدراسات البيئية، وعلم الآثار، وحتى في مساعدة السيارات ذاتية القيادة والروبوتات المنزلية على التنقل. كل ذلك بفضل نظام يُطلق نبضات ضوئية ويقيس، بدقة مذهلة، المدة التي يستغرقها هذا الضوء للوصول إلى السطح والعودة.
في الوقت نفسه ، نجحت تقنية LiDAR في إزاحة أساليب القياس التقليدية. يُستخدم نظام LiDAR في العديد من القطاعات لقدرته على إنشاء نماذج ثنائية وثلاثية الأبعاد عالية الدقة لمساحات واسعة في وقت قصير جدًا. في هذا الدليل، سنتعرف على ماهية LiDAR، وكيفية عمله، وأنواع الأنظمة المتوفرة، وكيفية معالجة بياناته، وتنسيقات الملفات المستخدمة، والمجالات التي يُستغل فيها كامل إمكاناته.
ما هو نظام LiDAR ولماذا هو مهم للغاية؟
LiDAR هو اختصار لـ الكشف عن الضوء وتحديد المدىتقنية الليدار هي تقنية استشعار عن بعد نشطة تعمل عن طريق إرسال نبضات ضوئية ليزرية والتقاط إشاراتها المرتدة. على عكس الأنظمة السلبية (مثل العديد من كاميرات الأقمار الصناعية)، تُرسل تقنية الليدار إشارتها الخاصة ولا تعتمد على ضوء الشمس، مما يسمح لها بالعمل ليلاً ونهاراً.
المبدأ الفيزيائي الأساسي بسيط: يتم إطلاق نبضة ضوئية ويتم قياس الوقت الذي تستغرقه للعودة. بعد انعكاسها عن جسم ما أو عن الأرض، وبمعرفة سرعة الضوء، يحسب النظام المسافة التي قطعتها النبضة. وبتكرار هذه العملية مئات الآلاف أو ملايين المرات في الثانية، يتم الحصول على ملايين النقاط ذات الإحداثيات س، ص، ع، لتشكل ما يُعرف بسحابة النقاط ثلاثية الأبعاد.
واحدة من من أبرز ميزات تقنية LiDAR قدرتها على اختراق الغطاء النباتي جزئياً.اعتمادًا على الطول الموجي، وتردد الإطلاق، وطاقة النبضة، يمكن لجزء من الإشارة اختراق أغصان الأشجار والوصول إلى الأرض. وهذا يسمح للعلماء بتحديد ليس فقط شكل التضاريس، بل أيضًا البنية الرأسية للغابة (الأغصان، والجذوع، والطبقة السفلى، وما إلى ذلك)، وهو أمر بالغ الأهمية لدراسات الغابات والبيئة.
عندما تصل نبضة الليزر إلى الأرض، يؤثر ذلك على منطقة صغيرة تُعرف باسم البصمة.ضمن هذه المساحة، قد توجد عدة أسطح عاكسة: أوراق الشجر، والأغصان، والأسقف، والأرض العارية، والماء، وما إلى ذلك. يُولّد كل سطح من هذه الأسطح صدىً مرتدًا. لذا، يمكن لنبضة واحدة أن تُنتج صدىً مرتدًا واحدًا أو عدة أصداء متتالية. يعتمد عدد الأصداء وشدتها على نوع السطح وكيفية توزيع الغطاء النباتي أو البنية التحتية.
بالمقارنة مع تقنيات الاستشعار عن بعد الأخرى، توفر تقنية LiDAR دقة مكانية عالية جدًا ودقة قياس الارتفاعمع هامش خطأ لا يتجاوز بضعة سنتيمترات عند معايرة النظام بشكل صحيح. وقد ساهمت هذه القدرة على رسم خرائط التضاريس والأجسام بهذه الدقة في انتشار استخدامها في رسم الخرائط عالية الدقة، والتخطيط الحضري، وإدارة البنية التحتية، وتطبيقات التنقل المتقدمة.
المكونات الأساسية ومبدأ تشغيل تقنية الليدار
يتم بناء كل نظام LiDAR حول مجموعة من المكونات الإلكترونية والملاحية منسقة بشكل جيد للغايةالهدف هو معرفة موقع المستشعر بدقة هائلة، وكذلك الاتجاه الذي تشير إليه كل نبضة والوقت الدقيق الذي تستغرقه للعودة.
باختصار، يقوم فريق LiDAR بدمج باعث ليزر، ووحدة قياس بالقصور الذاتي (IMU)، وجهاز استقبال GPS عالي الدقة، وواجهة تحكم متصل بجهاز كمبيوتر. يُصدر الليزر نبضات في نطاق الأشعة فوق البنفسجية أو المرئية، أو في نطاق الأشعة تحت الحمراء القريبة (على سبيل المثال، حوالي 1064 نانومتر). في بعض الأنظمة الخاصة، يُستخدم النطاق الأخضر لاختراق الماء وقياس العمق وخصائص قاع البحر أو النهر.
تعتمد العملية على ما هو معروف طريقة زمن الرحلة (ToF)يسجل المستشعر لحظة انطلاق النبضة ولحظة عودة الصدى. تُحسب المسافة باستخدام معادلة بسيطة للغاية: المسافة إلى الجسم = (سرعة الضوء × زمن انتقاله) / 2. يأتي العامل 2 من حقيقة أن النبضة تنتقل في كلا الاتجاهين.
أثناء إطلاق الليزر للنبضات، يحدد جهاز استقبال نظام تحديد المواقع العالمي (GPS) موقع النظام في إحداثيات X و Y و Z.يقيس جهاز القياس بالقصور الذاتي اتجاهه (الميل، الانحراف، الدوران). ومن خلال دمج كل هذه البيانات، يمكن معرفة، لكل نبضة، من أين صدرت، وإلى أين كانت تشير، ومسافة كل عودة؛ أي الموقع ثلاثي الأبعاد لكل نقطة في السحابة.
تتميز أنظمة LiDAR الحديثة بقدرتها على إطلاق مئات الآلاف أو حتى ما يقرب من مليون نبضة في الثانيةمن خلال تكرار العملية مرارًا وتكرارًا أثناء تحرك المستشعر للأمام (على طائرة، أو طائرة بدون طيار، أو سيارة، أو حامل ثلاثي القوائم دوار، وما إلى ذلك)، يتم بناء نموذج ثلاثي الأبعاد عالي الدقة للبيئة، بكثافة نقاط تسمح باكتشاف التفاصيل الدقيقة للغاية.
في مجال التنقل والروبوتات، تعني سرعة الاستحواذ هذه، بالإضافة إلى دقة تصل إلى بضعة سنتيمترات، أن تُعد تقنية LiDAR مثالية لاكتشاف العوائق وحساب المسافات في الوقت الفعليإنها الأساس الذي يمكن للمركبة ذاتية القيادة من خلاله توقع المنحنيات أو المشاة أو عناصر الطريق، أو للروبوت للتحرك في أرجاء المنزل دون الاصطدام بالأثاث والجدران.
تصنيف النقاط في سحب بيانات الليدار
بمجرد التقاطها، فإن سحابة نقاط LiDAR ليست سوى مجموعة ضخمة من ملايين النقاط ثلاثية الأبعاد غير المفسرة. يمكن بل وينبغي تصنيف كل نقطة وفقًا لنوع السطح الذي عكس النبضة.: التربة، المباني، الغطاء النباتي المنخفض أو المتوسط أو العالي، المياه، إلخ. تسمى عملية وضع العلامات هذه بالتصنيف النقطي.
في ملفات LiDAR القياسية، يمكن أن يكون لكل نقطة رمز تصنيف رقمي مرتبط بها. وهذا يشير إلى الفئة التي ينتمي إليها. وقد تم توحيد هذه الرموز من قبل الجمعية الأمريكية للتصوير المساحي والاستشعار عن بعد (ASPRS) لتنسيق LAS، بحيث يمكن للبرامج والمنظمات المختلفة تبادل البيانات مع الحفاظ على نفس منطق التصنيف.
في مشاريع رسم الخرائط الحقيقية، مثل تلك التي تُنفذ على المجتمعات ذات الحكم الذاتي، يبدأ التصنيف عادةً بالفصل بين النقاط الأرضية والنقاط التي تنتمي إلى العناصر المرتفعة. (المباني، الأشجار، البنية التحتية، إلخ). ومن هناك، يمكن تحسين الفئات للحصول على نماذج التضاريس الرقمية (الأرض فقط) ونماذج السطح الرقمية (الأرض بالإضافة إلى جميع الأشياء الموجودة عليها).
يتم إنجاز هذا العمل التصنيفي، في معظمه، بواسطة خوارزميات التحليل الآلي تُطبّق هذه الأنظمة فلاتر وقواعد هندسية (على سبيل المثال، تحديد الأسطح المتصلة والملساء كأرضيات، أو الكتل الرأسية كمبانٍ). ومع ذلك، في المناطق المعقدة أو التي تحتوي على أخطاء تلقائية، لا يزال من الشائع اللجوء إلى التحرير اليدوي، ومراجعة النقاط وتصحيحها واحدة تلو الأخرى أو في مجموعات.
لكي يكون التصنيف موثوقاً، يجب مراعاة معايير الالتقاط.: ارتفاع طيران المستشعر، وزاوية المسح واتجاهه، ومحور خط الطيران، والتداخلات بين عمليات المرور، وكثافة النبضات لكل متر مربع، وما إلى ذلك. كل هذا يؤثر على كثافة وتوزيع سحابة النقاط، وبالتالي على الجودة النهائية للنماذج التي تم إنشاؤها.
تنسيقات ملفات LiDAR: LAS و LAZ
في عالم الأعمال، تكاد جميع أنظمة وتطبيقات LiDAR إنهم يعملون بتنسيق LAS كمعيار فعلي.LAS عبارة عن مواصفات عامة طورتها ASPRS خصيصًا لتبادل السحب النقطية ثلاثية الأبعاد من أجهزة استشعار LiDAR.
تنسيق LAS هو ملف ثنائي مصمم لحفظ جميع المعلومات ذات الصلة من نظام LiDARيحتفظ هذا النظام بإحداثيات كل نقطة (س، ص، ع) بالإضافة إلى مجموعة من السمات الإضافية. وبفضل كونه ثنائيًا ومُعَيَّرًا، فإنه يسمح بمعالجة كميات كبيرة من البيانات بكفاءة عالية، ويضمن التوافق بين البرامج من مختلف الشركات المصنعة.
لكل نقطة مخزنة في ملف LAS، من الممكن حفظ ليس فقط موقعها، ولكن أيضًا معلومات مثل شدة العائد، ورقم العائد (الأول، الثاني، الأخير...)، وإجمالي عدد العوائد الناتجة عن تلك النبضة، وقيمة التصنيف، ومعرف تصريح الرحلة، واللون (المكونات الحمراء والخضراء والزرقاء)، والطابع الزمني لنظام تحديد المواقع العالمي (GPS)، وزاوية المسح واتجاه المسح، من بين حقول أخرى.
عندما تكون أحجام البيانات هائلة، وهو أمر شائع جدًا في الرحلات الإقليمية أو الداخلية، يتم استخدام ما يلي: LAZ، وهي ليست سوى نسخة مضغوطة من LASيحتفظ LAZ بالمحتوى المنطقي لـ LAS ولكن في ملف ثنائي مضغوط بدون فقدان، مما يقلل حجم الملف بشكل كبير ويسهل التخزين والإرسال والتنزيل.
في المشاريع الرسمية، مثل تلك التي تغطي آلاف الكيلومترات المربعة، من الشائع قم بتنظيم بيانات LAS/LAZ في شبكة من البلاطات المنتظمة (على سبيل المثال، شبكات 2 × 2 كم)، بحيث يسهل تحديد ومعالجة وتحديث مناطق معينة دون الحاجة دائمًا إلى العمل مع ملف واحد ضخم.
مثال واقعي: خصائص طيران وتصوير نظام الليدار
لفهم كيفية تخطيط الحملة بشكل أفضل، يمكننا النظر في حالة... تم إجراء رحلة باستخدام تقنية LiDAR فوق منطقة تتمتع بالحكم الذاتي الإسبانية، حيث تم دمج التقاط الليزر مع التصوير الجوي المائل في كل من ألوان RGB والأشعة تحت الحمراء القريبة.
في ذلك المشروع، الـ بلغت مساحة التغطية ما يزيد قليلاً عن 5.000 كيلومتر مربعبما يتوافق مع كامل المنطقة ذات الحكم الذاتي. تم تحديد متوسط كثافة الالتقاط بحوالي نبضتين لكل متر مربع، وهو ما يكفي لتطبيقات رسم الخرائط وتحليل التضاريس على نطاق إقليمي.
تم تنفيذ الرحلة خلال فترة محددة (على سبيل المثال، خلال شهر سبتمبر 2016). البحث عن ظروف جوية مناسبة (سماء صافية أو غطاء سحابي كثيف، وجود قليل من الضباب أو الغبار، إلخ) لزيادة جودة البيانات المُسترجعة إلى أقصى حد. استُخدم نظام الإسناد الجيوديسي ETRS89، مع ارتفاعات بيضاوية مُشار إليها بالقطع الناقص GRS80، مما يُسهّل التكامل مع مصادر البيانات الجغرافية المكانية الأوروبية الأخرى.
كانت الدقة التي تم تحقيقها ملحوظة: قيم متوسط الخطأ التربيعي (RMSE) الأفقي حوالي 20 سم في المحورين X وY، وبدقة إجمالية في قياس الارتفاع في المحور Z تبلغ حوالي 15 سم. بالإضافة إلى ذلك، تم التقاط صور جوية بدقة 0,50 متر وباستخدام نطاقات الأحمر والأخضر والأزرق والأشعة تحت الحمراء القريبة، وهي معلومات مفيدة للغاية لاستكمال تحليل LiDAR.
تم تنظيم البيانات في مربعات 2 × 2 كم بتنسيق LASيُتيح هذا معالجة كل منطقة على حدة، وتشغيل المعالجة الدفعية، وتعديل موارد الحوسبة. ويُعدّ هذا الهيكل المُجزّأ معيارًا فعليًا في العديد من مشاريع الاستشعار عن بُعد الوطنية والإقليمية.
منهجية لمعالجة وإنشاء النماذج الرقمية
لا ينتهي العمل عندما تتوقف الطائرة أو الطائرة المسيرة عن الطيران؛ في الواقع، تُعد معالجة ملفات LiDAR جزءًا أساسيًا من المشروع لإنتاج منتجات نهائية مفيدة: نماذج التضاريس الرقمية، ونماذج السطح، وخرائط الغطاء النباتي، وتحليل التغيرات، وما إلى ذلك.
تستخدم العديد من سير العمل الاحترافية أدوات متخصصة مثل LAStools، وهي مجموعة من الأدوات المساعدة من شركة Rapidlasso GmbH تم تحسين هذه الأدوات المساعدة التي تعمل عبر سطر الأوامر للاستفادة من أنوية المعالجات المتعددة. فهي تتيح لك تنظيف وتصفية وتصنيف ودمج وتحويل السحب النقطية بكفاءة عالية، وهي مثالية للاستخدام في برامج معالجة البيانات المجمعة.
لتنسيق المهام وأتمتة العمليات المعقدة، من الشائع دمج هذه الأدوات ضمن منصات ETL (الاستخراج والتحويل والتحميل) مثل FME، من شركة Safe Software. في هذه الأنواع من البيئات، يمكنك تصميم سير العمل المرئي، وتشغيل أوامر LAStools، واستدعاء البرامج النصية Python، وإدارة كميات كبيرة من الملفات بطريقة منظمة.
في الحالة النموذجية، تكون المعلومات الأولية في الارتفاعات الإهليلجية المشار إليها في ETRS89ومن ثم، يمكن تطبيق التحويلات للحصول على الارتفاعات الأرثومترية (بالنسبة إلى الجيود) أو لتكييف البيانات مع أنظمة مرجعية أخرى إذا تطلب المشروع ذلك. وفي هذه المرحلة أيضاً يتم التصنيف التلقائي للنقاط (التربة، والنباتات، والمباني، والمياه، وما إلى ذلك) وفقاً لمخطط مهام محدد مسبقاً.
عادة ما تتجسد نتيجة المعالجة في نماذج التضاريس الرقمية (DTM) ونماذج السطح الرقمية (DSM)بالإضافة إلى منتجات مشتقة أخرى مثل خرائط الانحدار، وتظليل التضاريس، ونماذج المباني ثلاثية الأبعاد، وتحليل الرؤية. وتعتمد جميع هذه المنتجات على سحابة نقاط LiDAR، التي تم ترشيحها وتصنيفها وتحويلها بشكل صحيح.
المزايا التقنية لتقنية الليدار مقارنة بأجهزة الاستشعار الأخرى
أحد أسباب انتشار تقنية LiDAR هو، بفضل عملها في الشريط البصري، فإنها توفر دقة أعلى بكثير مقارنةً بالعديد من رادارات الميكروويف. تردد تشغيل الليزر أعلى بمقدار يتراوح بين رتبتين إلى ثلاث رتب، مما ينتج عنه دقة عالية للغاية في المدى والزاوية والسرعة.
بالإضافة إلى ذلك، يتميز شعاع الليزر بـ طول موجي قصير وزاوية تباعد صغيرة جدًاهذا يعني أنه يستطيع تركيز طاقته في منطقة صغيرة جدًا وتقليل تأثيرات المسارات المتعددة (تلك الانعكاسات غير المرغوب فيها التي قد تُربك أجهزة استشعار الموجات الميكروية أو المليمترية). وبفضل ذلك، يستطيع نظام LiDAR اكتشاف الأهداف بدقة على ارتفاعات منخفضة أو منخفضة جدًا وفي البيئات الحضرية المعقدة.
ومن نقاط القوة الأخرى تقنية LiDAR لا يعتمد على الإضاءة المحيطة لكي يعمل.يُصدر النظام شعاع ليزر خاص به، ويستقي معلومات عن الهدف من صدى هذا الشعاع. وهذا ما يُمكّنه من العمل على مدار الساعة، سواء في ضوء الشمس أو في الليل، بغض النظر عن تغيرات الإضاءة التي قد تؤثر على الكاميرات البصرية التقليدية.
من حيث التصميم، عادةً ما تكون أنظمة الرادار التقليدية التي تعمل بالموجات الدقيقة ضخمة الحجم، مع هوائيات يمكن أن يصل قطرها إلى عدة أمتار، وكتل معدات تُقاس بالأطنان.بالمقارنة، فإن العديد من أجهزة استشعار LiDAR أكثر إحكاما وخفة وزن، حيث يمكن أن تنخفض أحجامها إلى بضعة سنتيمترات فقط، مما يسهل دمجها في الطائرات بدون طيار أو المركبات أو الروبوتات أو حتى الأجهزة القابلة للارتداء.
بالإضافة إلى كل هذا، البنية الداخلية لتقنية LiDAR بسيطة نسبياً. بالمقارنة مع أنظمة الرادار المعقدة الأخرى، يُترجم هذا إلى سهولة أكبر في الصيانة وبساطة في التشغيل من وجهة نظر المستخدم النهائي. كل هذا يجعله أداة جذابة للغاية للتطبيقات الصناعية والميدانية.
أنواع أنظمة LiDAR وفقًا للمنصة
لا تُعدّ تقنية LiDAR تقنيةً واحدةً مغلقة، بل هي مجموعة من الأنظمة التي تتكيف مع منصات مختلفة. وبشكل عام، يمكن تمييز ما يلي: ثلاثة أنواع رئيسية من الأنظمة تعتمد على مكان تركيب المستشعر: الجو، والأرض، والأقمار الصناعية أو الفضاء.
El تقنية الليدار المحمولة جواً يُثبّت هذا النظام على الطائرات والمروحيات والطائرات المسيّرة. وهو الأكثر استخدامًا في رسم الخرائط الإقليمية والوطنية، إذ يُتيح تغطية مساحات شاسعة في وقت قصير نسبيًا. ومن الجو، يُمكن الحصول على نماذج تضاريس عالية الدقة، ورصد التغيرات الطبوغرافية، وتحليل الغطاء النباتي، وتخطيط البنية التحتية بمستوى عالٍ جدًا من التفصيل.
El تقنية الليدار الأرضية يمكن تركيبه على المركبات المتحركة (السيارات، الشاحنات، القطارات) أو على حوامل ثلاثية ثابتة. في الوضع المتحرك، يُستخدم، على سبيل المثال، لمسح الشوارع، وخطوط السكك الحديدية، أو الأنفاق، بينما في الوضع الثابت، يُعد مثاليًا لتوثيق الواجهات، والداخليات المعمارية، والمواقع الأثرية، أو البنية التحتية بدقة عالية جدًا.
وأخيرا، تقنية الليدار الفضائية أو القائمة على الأقمار الصناعية تُوضع هذه الأنظمة على متن الأقمار الصناعية أو المنصات المدارية. وتغطي مساحات شاسعة، على مستوى القارات أو العالم، وإن كانت بدقة أقل من الأنظمة المحمولة جواً أو الأرضية. ومع ذلك، فهي ضرورية لدراسات المناخ، وتحليل الكتلة الحيوية على نطاق واسع، ورصد التغيرات العالمية.
في جميع الأحوال، الفلسفة هي نفسها: إنشاء سحب نقاط تصف هندسة البيئة، وتكييف الدقة وكثافة النقاط ومنصة الالتقاط مع الاحتياجات المحددة للمشروع ونطاق العمل المطلوب.
تطبيقات تقنية الليدار في مختلف القطاعات
قائمة تطبيقات تقنية الليدار طويلة وتتزايد كل عام. في مجال رسم الخرائط والجغرافيا، يُستخدم لإنشاء خرائط ارتفاعية عالية الدقة، إنشاء نماذج التضاريس للهندسة المدنية، وتحليل مخاطر الفيضانات، وتقييم حركات المنحدرات، ودراسة ديناميكيات الأنهار.
في علم الآثار، اكتسبت تقنية LiDAR شهرة خاصة لأن يُمكّنك من "الرؤية" تحت الغطاء النباتي الكثيفتكشف هذه التقنية عن هياكل وطرق قديمة ومستوطنات لا تظهر في الصور الجوية التقليدية. ففي الغابات الاستوائية، على سبيل المثال، كانت مفتاحًا لاكتشاف مدن قديمة مخبأة تحت الأشجار.
كما تستفيد إدارة الغابات والموارد الطبيعية بشكل كبير من هذه التقنية: يمكن استخدام تقنية LiDAR لتقدير ارتفاع الأشجار، وحجم الكتلة الحيوية، وبنية الغطاء النباتي، وكثافة الغابات.مما يساعد في تخطيط الموارد، والوقاية من الحرائق، والحفاظ على الموائل.
في تخصصات مثل علم الزلازل، والتعدين، والجيولوجيا، أو تحسين مزارع الرياح، تسهل النماذج ثلاثية الأبعاد الدقيقة التي يوفرها نظام LiDAR دراسة الصدوع، والهياكل تحت السطحية المكشوفة، والمنحدرات، والمحاجر، وظروف التضاريس.كما أنها أداة مرجعية لدراسات الأثر البيئي ومشاريع ترميم المناظر الطبيعية.
في فيزياء الغلاف الجوي، تُستخدم أنظمة LiDAR محددة. لتحليل الهباء الجوي والسحب وطبقات الغلاف الجوييتضمن ذلك قياس، على سبيل المثال، توزيع تركيز الجسيمات أو ارتفاع طبقات الانعكاس الحراري. وهذا مفيد للغاية في علم الأرصاد الجوية، ورصد التلوث، ودراسات المناخ.
تقنية الليدار والروبوتات والقيادة الذاتية
لسنوات عديدة، كانت تقنية LiDAR شائعة جدًا في علوم الأرض، ولكن غير معروف نسبياً لعامة الناستغير ذلك مع توسع مجال الروبوتات الاستهلاكية وظهور المركبات ذاتية القيادة، مما وضع هذا النوع من أجهزة الاستشعار تحت الأضواء الإعلامية.
في مجال الروبوتات المتنقلة، يُعدّ نظام LiDAR مكونًا أساسيًا لأن فهو يسمح للآلة بإدراك بيئتها ثلاثية الأبعاد.اكتشاف الجدران والأثاث والأشخاص أو العوائق الأخرى، وحساب المسافات، وإنشاء خرائط داخلية للمكان. وهذا يرتبط بـ خوارزميات SLAM (تحديد الموقع ورسم الخرائط في وقت واحد)، مما يسمح للروبوت بتحديد موقعه أثناء بناء خريطة للمكان الذي يتحرك فيه.
في مجال القيادة الذاتية، أنظمة LiDAR المثبتة على السيارات والمركبات الأخرى فهي توفر مسحًا مستمرًا للطريق والمناطق المحيطة به.فهي تكتشف المركبات الأخرى والمشاة والأرصفة واللافتات والجزر الوسطية وأي عوائق محتملة، مما يوفر لنظام التحكم خريطة ثلاثية الأبعاد عالية الدقة لاتخاذ القرارات في أجزاء من الثانية.
وبعيدًا عن السيارات، وجدت تقنية LiDAR مكانتها في مجالات مثل الواقع الافتراضي والمعزز، والنقل الذكي، واستكشاف المحيطات، ومراقبة موارد مصايد الأسماك، أو حتى الطباعة ثلاثية الأبعادحيث تعتبر الدقة الهندسية أساسية لالتقاط أو إعادة إنشاء الأشياء والبيئات بأمانة.
أجهزة استشعار LiDAR متطورة وحلول dToF جديدة
أدى تطور المكونات الإلكترونية إلى حلول LiDAR عالية الدقة والصغيرة الحجم تعتمد على قياس زمن الرحلة المباشر (dToF) لتطبيقات القياس الموضعي، أو اكتشاف التصادم، أو المشاهد ثلاثية الأبعاد الصغيرة.
يمكن إيجاد مثال نموذجي في مجموعات التطوير القائمة على تقنية المضاعف الضوئي السيليكوني (SiPM)تدمج هذه المجموعات في جهاز واحد ثنائي الليزر القريب من الأشعة تحت الحمراء، ومستشعر SiPM، والبصريات، والمعالجة الرقمية اللازمة لتحويل إشارة الصدى إلى أوقات طيران، ومن ثم إلى مسافات.
توفر مستشعرات SiPM كفاءة كشف عالية للغاية وأوقات استجابة قصيرة جدًايتغلب الجهاز على بعض القيود التي تعتري الحلول التقليدية القائمة على الثنائيات الضوئية، حيث يقوم بتوليد رسوم بيانية لأوقات وصول الفوتونات، مما يسمح بتمييز أفضل للإشارات المفيدة عن الضوضاء وإجراء قياسات دقيقة على نطاقات تتراوح من حوالي 10 سم إلى أكثر من 20 مترًا، وذلك حسب التصميم المحدد.
يُستخدم هذا النوع من منصات قياس زمن الرحلة (dToF) في تطبيقات مثل عدادات المسافة، وأنظمة منع التصادم، وأجهزة استشعار ركن السيارات، ورسم الخرائط ثلاثية الأبعاد قصيرة المدىعادة ما تكون مصحوبة بواجهات مستخدم رسومية مخصصة (GUIs) لتكوين المعلمات، وعرض البيانات، وتجربة سيناريوهات الاستخدام المختلفة.
إن التطور السريع لهذه التقنيات، إلى جانب الطلب المتزايد في قطاعات مثل السيارات، والصناعة 4.0، والروبوتات، والإلكترونيات الاستهلاكية، يعني أن يشهد سوق تقنية الليدار ازدهاراً كبيراً.تظهر المزيد والمزيد من أنواع أجهزة الاستشعار، المصممة لتلبية احتياجات محددة، بدءًا من الأنظمة المحمولة جواً الكبيرة وحتى الوحدات المصغرة التي يمكن دمجها في أجهزة صغيرة الحجم.
آفاق ودور تقنية الليدار في السنوات القادمة
بالنظر إلى كل ما رأيناه، فلا عجب أن تقنية LiDAR قد أصبحت راسخة كـ تقنية لا غنى عنها تقريبًا لرسم خرائط الأسطح والأجسام ومراقبتها وتقييمها بدقة فائقة. مزاياها مقارنةً بأجهزة الاستشعار الأخرى - الدقة العالية، والقدرة على العمل ليلاً ونهاراً، والاستجابة الجيدة في البيئات المعقدة - تجعلها خياراً قوياً للغاية للعديد من المشاريع.
تشمل حالات الاستخدام رسم الخرائط، وعلم الآثار، وعلم الغابات، وعلم الأحياء الحفظي، وعلوم الغلاف الجوي، والتعدين، والجيولوجيا، والطاقة المتجددة. لقد أثبتت قيمتها العملية أكثر من أي وقت مضىوفي الوقت نفسه، أدى ظهور الروبوتات والتنقل الذاتي إلى انتشارها بين عامة الناس، مما وسّع نطاق وجودها إلى ما هو أبعد من البيئة الأكاديمية أو المؤسسية.
تشير كل الدلائل إلى حدوث ذلك في السنوات القادمة سنواصل رؤية كيف ستصبح مستشعرات LiDAR أرخص وأصغر حجماً وأكثر اندماجاً في المزيد من الأجهزةسيؤدي ذلك إلى مضاعفة تطبيقاته. فمن الروبوتات المنزلية الصغيرة إلى برامج مراقبة الأرض الكبيرة، أصبح الكشف عن الضوء وقياسه في طريقه ليصبح مكونًا أساسيًا في النظام البيئي التكنولوجي.
