LiDAR to aktywna metoda teledetekcji, która mierzy odległość za pomocą impulsów laserowych i tworzy trójwymiarową chmurę punktów. Technologia znajduje zastosowanie w geodezji, dronach, leśnictwie, budownictwie, meteorologii i autonomicznych pojazdach. Sprawdź, jak działa oraz jakie dane można dzięki niej uzyskać.
Co to jest LiDAR?
Nazwa LiDAR pochodzi od angielskiego określenia Light Detection and Ranging, czyli wykrywania światła i pomiaru odległości. Jest to aktywny system teledetekcji, ponieważ sam emituje sygnał i analizuje jego odbicie od powierzchni terenu, budynku, roślinności albo innego obiektu.
W odróżnieniu od radaru LiDAR nie korzysta z fal radiowych. Wysyła światło laserowe, zwykle z zakresu bliskiej podczerwieni. Dzięki krótkiej długości fali może rejestrować bardzo szczegółowe informacje o kształcie i położeniu badanych obiektów.
Technologia działa również bez naturalnego oświetlenia. To odróżnia ją od metod opartych wyłącznie na fotografii, choć mgła, gęste chmury, woda i niektóre ciemne powierzchnie pochłaniają lub rozpraszają część sygnału.
Jak działa skaning laserowy?
Pomiar zaczyna się od wysłania impulsu w konkretnym kierunku. Odbiornik rejestruje moment powrotu światła po odbiciu od przeszkody, a komputer oblicza odległość na podstawie czasu przelotu. Optyka skanera ustala kierunek wiązki, dlatego każdy pomiar otrzymuje nie tylko wartość dystansu, lecz także położenie w przestrzeni.
Odległość oblicza się z czasu przejścia impulsu laserowego do obiektu i z powrotem. Wiele takich pomiarów tworzy trójwymiarowy obraz otoczenia.
Najczęściej stosuje się laser impulsowy. Kolejny impuls może zostać wysłany po zarejestrowaniu poprzedniego odbicia. W systemach o emisji ciągłej, oznaczanych jako CW, urządzenie analizuje różnicę faz między sygnałem wysłanym a odebranym.
Wynikiem skanowania jest chmura punktów XYZ. Każdy punkt opisuje współrzędne przestrzenne, a plik może zawierać również klasę punktu, intensywność odbicia, numer echa oraz wartości RGB pochodzące ze zdjęć lotniczych.
Z jakich elementów składa się system?
Całość pracuje jako zsynchronizowany zestaw optyczny, pomiarowy i nawigacyjny. Poszczególne komponenty odpowiadają za emisję sygnału, rejestrację odbicia oraz dokładne ustalenie pozycji sensora:
- laser generujący impulsy w paśmie podczerwonym albo światło o emisji ciągłej,
- optyka skanująca kierująca wiązkę i określająca jej położenie,
- detektor, taki jak fotodioda, fotopowielacz lub matryca CCD albo CMOS,
- IMU z akcelerometrami i żyroskopami, który rejestruje przechyły, obroty oraz przyspieszenia,
- GNSS RTK zapewniający centymetrową lokalizację platformy i georeferencję pomiarów.
Rodzaje systemów LiDAR
Podział systemów wynika przede wszystkim z miejsca instalacji i rodzaju badanego środowiska. Skaner naziemny pracuje z trójnogu, pojazdu albo stacjonarnego stanowiska, natomiast system powietrzny jest montowany na samolocie, śmigłowcu lub dronie.
| Rodzaj systemu | Platforma | Typowe zastosowanie |
| Naziemny TLS | Trójnóg lub pojazd | Budynki, drogi, infrastruktura |
| Powietrzny ALS | Samolot, śmigłowiec lub dron | Mapowanie dużych obszarów |
| Topograficzny | Platforma naziemna lub powietrzna | Rzeźba terenu i obiekty lądowe |
| Batymetryczny | Samolot, śmigłowiec lub dron | Dno rzek, jezior i stref przybrzeżnych |
LiDAR topograficzny korzysta zazwyczaj z podczerwieni i służy do pomiarów lądowych. Wersja batymetryczna używa zielonego światła, które może przenikać przez płytką, względnie przejrzystą wodę. W sprzyjających warunkach pomiary hydrograficzne sięgają nawet około 70 metrów.
Gdzie wykorzystuje się LiDAR?
Jedna metoda dostarcza danych dla wielu dziedzin, ponieważ rejestruje zarówno grunt, jak i obiekty znajdujące się nad nim. Gęstość punktów, liczba odbić oraz rodzaj zastosowanego lasera decydują o szczegółowości końcowego modelu.
Geodezja, budownictwo i mapowanie
W geodezji chmura punktów służy do tworzenia numerycznych modeli terenu i pokrycia terenu, map wysokościowych oraz dokumentacji projektowej. Dane przyspieszają pomiary dużych obszarów, które tradycyjnymi metodami wymagałyby pracy kilku osób przez wiele dni.
W budownictwie skaning pomaga ocenić ukształtowanie działki, obliczyć kubaturę wykopów i nasypów oraz kontrolować postęp robót. Inżynier może też analizować mosty, wały przeciwpowodziowe, linie kolejowe i rurociągi – bez wchodzenia na każdy fragment obiektu.
Leśnictwo i archeologia
W lesie impulsy mogą docierać pomiędzy koronami drzew do niższych warstw roślinności i gruntu. Pozwala to określić wysokość drzew, gęstość drzewostanu, rozmiar koron oraz miejsca uszkodzone przez choroby, owady lub silny wiatr.
Archeolodzy wykorzystują modele terenu do wyszukiwania dawnych wałów, dróg, osad i innych struktur ukrytych pod roślinnością. Badanie jest bezinwazyjne, więc nie wymaga natychmiastowego kopania ani naruszania stanowiska.
Autonomiczne pojazdy i smartfony
W pojazdach autonomicznych skaner rozpoznaje przeszkody, krawędź jezdni oraz odległość od innych uczestników ruchu. Dane są analizowane w czasie rzeczywistym, co wspiera nawigację i ogranicza ryzyko kolizji.
W smartfonie sensor ma mniejszy zasięg, ale działa na tej samej zasadzie pomiaru czasu przelotu. Wspomaga autofokus w ciemności, aplikacje rozszerzonej rzeczywistości, pomiary długości oraz tworzenie modeli pomieszczeń 3D.
LiDAR w dronach – na co zwrócić uwagę?
Podczas wyboru zestawu trzeba dopasować sensor do udźwigu, czasu lotu i sposobu montażu platformy. Nie każdy bezzałogowiec utrzyma ciężki skaner, dodatkowe baterie i przewody bez pogorszenia stabilności.
Znaczenie mają także parametry samego pomiaru. Zasięg pozwala latać wyżej, częstotliwość impulsów zwiększa gęstość danych, a większa liczba ech poprawia penetrację roślinności. Szerokie pole widzenia skraca liczbę przelotów nad obszarem.
- zasięg skanowania, który określa maksymalny dystans pomiaru,
- dokładność, zwykle wynoszącą od kilku do kilkunastu centymetrów w systemach profesjonalnych,
- częstotliwość skanowania i liczbę rejestrowanych punktów na sekundę,
- liczbę odbić pojedynczego impulsu, ważną przy mapowaniu lasu,
- pole widzenia, wpływające na szerokość pasa skanowania.
Istotna jest integracja z GNSS RTK oraz IMU. Pierwszy układ określa pozycję drona z dokładnością centymetrową, a drugi zapisuje orientację sensora. Bez tych danych chmura punktów mogłaby zostać przesunięta albo niewłaściwie obrócona.
Platformy i sensor DJI Zenmuse L2
Przykładem zestawu powietrznego jest DJI Zenmuse L2 współpracujący z DJI Matrice 350 RTK przez port Skyport. Sensor osiąga zasięg do 450 metrów przy współczynniku odbicia 50% i jasności 0, a jego wydajność sięga 240 000 punktów na sekundę. Rejestruje do pięciu odbić impulsu, co pomaga w gęstej roślinności.
Do dużych obszarów można zastosować także dron VTOL. Łączy on pionowy start i lądowanie z długim lotem poziomym, dlatego sprawdza się przy mapowaniu terenów leśnych, rolniczych i środowiskowych.
Gdzie znaleźć darmowe dane LiDAR w Polsce?
Publiczne dane udostępnia Geoportal.gov.pl, prowadzony przez Główny Urząd Geodezji i Kartografii. Obejmują one całą Polskę i występują jako gotowe modele wysokościowe oraz źródłowe chmury punktów.
W serwisie można włączyć warstwę rzeźby terenu albo funkcję widoku chmury punktów. Do dalszych analiz pobiera się pliki LAS lub skompresowane LAZ, które zachowują informacje o współrzędnych, klasach i odbiciach.
W klasyfikacji LAS punkt o numerze 2 oznacza grunt, klasy 3, 4 i 5 opisują odpowiednio niską, średnią i wysoką roślinność, a klasa 6 obejmuje budynki oraz obiekty inżynierskie. Dane można otworzyć między innymi w programach CloudCompare, QGIS i innych narzędziach GIS.
Geoportal.gov.pl udostępnia bezpłatną chmurę punktów LiDAR w formatach LAS i LAZ, przydatną do analiz geodezyjnych, środowiskowych, leśnych oraz budowlanych.
FAQ – najczęściej zadawane pytania
Czym jest LiDAR i na czym polega ta technologia?
LiDAR to aktywna metoda teledetekcji wykorzystująca impulsy laserowe do pomiaru odległości i tworzenia trójwymiarowej chmury punktów. Urządzenie samo emituje światło i analizuje jego odbicia od powierzchni lub obiektów.
Jak LiDAR mierzy odległość do obiektu?
System wysyła impuls laserowy i liczy czas jego przelotu tam i z powrotem, a następnie przelicza go na dystans. W systemach ciągłych analizowana jest różnica faz między sygnałem wysłanym a odebranym.
Z jakich głównych elementów składa się skaner LiDAR?
Typowy zestaw zawiera laser, optykę skanującą, detektor (np. fotodiodę), moduł IMU oraz moduł GNSS RTK do precyzyjnego pozycjonowania. Wszystkie komponenty pracują zsynchronizowanie, by przypisać punktom współrzędne i orientację.
Jakie są podstawowe rodzaje systemów LiDAR i ich zastosowania?
Wyróżnia się systemy naziemne (TLS) do obiektów budowlanych, powietrzne (ALS) montowane na samolotach czy dronach do mapowania dużych obszarów, topograficzne do lądu oraz batymetryczne do pomiarów dna wodnego. Batymetryczne wykorzystują zielone światło, które penetrje wodę.
Gdzie LiDAR znajduje praktyczne zastosowanie?
Technologia służy m.in. geodezji, budownictwu, leśnictwu, archeologii oraz w pojazdach autonomicznych i smartfonach do pomiarów i nawigacji. Pozwala na szybkie tworzenie modeli terenu i wykrywanie przeszkód bez fizycznego dostępu do obiektu.
Na co zwrócić uwagę wybierając LiDAR do drona?
Trzeba dopasować sensor do udźwigu i czasu lotu drona oraz sprawdzić zasięg, częstotliwość impulsów, liczbę echo i pole widzenia, które wpływają na jakość i gęstość danych. Ważna jest też integracja z GNSS RTK i IMU dla prawidłowego pozycjonowania chmury punktów.
Co oferuje przykład DJI Zenmuse L2 dla zastosowań lotniczych?
Zenmuse L2 osiąga zasięg do 450 metrów przy określonych warunkach i rejestruje do 240 000 punktów na sekundę oraz do pięciu odbić impulsu, co poprawia penetrację roślinności. Jest zaprojektowany do współpracy z platformą DJI Matrice 350 RTK.
Gdzie w Polsce można pobrać darmowe dane LiDAR i w jakich formatach?
Publiczne zestawy LiDAR są dostępne na Geoportal.gov.pl i obejmują gotowe modele wysokościowe oraz źródłowe chmury punktów w formatach LAS i skompresowanym LAZ. Pliki zawierają współrzędne, klasy punktów i informacje o odbiciach, a otworzysz je m.in. w CloudCompare czy QGIS.
