ما المقصود بتقنية الكشف عن الضوء وتحديد مداه (LiDAR)؟

يمكن استخدام بيانات LiDAR لإنشاء كل شيء بدءًا من الخرائط الطبوغرافية التفصيلية وصولًا إلى النماذج ثلاثية الأبعاد الدقيقة والديناميكية اللازمة لتوجيه مركبة ذاتية القيادة بأمان عبر بيئة سريعة التغير ومستمرة التغيير. تُستخدم تقنية LiDAR أيضًا لتقييم المخاطر والكوارث الطبيعية مثل تدفقات الحمم البركانية والانهيارات الأرضية وأمواج تسونامي والفيضانات.

يعمل نظام LiDAR على نفس مبادئ عمل الرادار ("الكشف والمدى الراديوي"، وهو نظام تحديد المواقع الذي تستخدمه السفن والطائرات غالبًا) والسونار ("الملاحة وتحديد المدى الصوتي"، وهو نظام تستخدمه الغواصات عادةً). تُصدر التقنيات الثلاث موجات من الطاقة لاكتشاف الأجسام وتتبعها. والفرق هو أنه بينما يستخدم الرادار الموجات الدقيقة ويستخدم السونار الموجات الصوتية، يستخدم نظام LiDAR الضوء المنعكس، والذي يمكنه قياس المسافة بسرعة أكبر وبدقة أعلى وبدقة وضوح أعلى من الرادار أو السونار.

يتكون جهاز LiDAR النموذجي من عدة عناصر:

• ماسح ضوئي ليزر يصدر نبضات سريعة من ضوء الليزر القريب من الأشعة تحت الحمراء
• مستشعر LiDAR الذي يُستخدم لاكتشاف وجمع النبضات الضوئية العائدة و
• المُعَالِج لحساب الوقت والمسافة ولبناء مجموعة البيانات الناتجة، والتي تُسمى سحابة نقاط LiDAR. 

لكي يكون الاستشعار عن بُعد دقيقًا، يجب أن تكون قياسات الزمان والمكان دقيقة تمامًا، لذا سيستخدم نظام LiDAR أيضًا إلكترونيات حفظ الوقت، ووحدة قياس بالقصور الذاتي (IMU)، ونظام تحديد المواقع العالمي (GPS).

يُصدر جهاز LiDAR ضوء ليزر نابضًا في البيئة. وترتد هذه النبضات، التي تسير بسرعة الضوء، عن الأجسام المحيطة وتعود إلى مستشعر LiDAR. ويقيس المستشعر الوقت الذي استغرقته كل نبضة للعودة ويحسب المسافة التي قطعتها. ونظرًا لأن سرعة ضوء الليزر ثابتة، يمكن استخدام "وقت الرحلة" هذا لحساب مسافات دقيقة.

بتكرار العملية وإرسال نبضات الليزر عبر مساحة أكبر، يمكن جمع قياسات زمن الرحلة لمليارات النقاط الفردية ومعالجتها في الوقت الفعلي لتكوين ما يُعرف باسم سحابة نقاط LiDAR.

تخضع البيانات لعدة مراحل معالجة لتحويل سحابة نقاط LiDAR إلى خريطة ثلاثية الأبعاد. أولاً، يتم فحصها للتأكد من صحتها واكتمالها وتنظيفها لإزالة أي تشويش. بعد ذلك، يمكن تحديد وتصنيف معالم سطح الأرض مثل المباني وضفاف الأنهار وظلال الغابات خوارزميًا.

لتبسيط التحليل، تقوم الخوارزميات بتقليل كثافة نقاط السحابة لإزالة البيانات الزائدة وتقليل حجم الملف. ثم يتم تحويل البيانات إلى تنسيق ملف LAS (أو LASer) القياسي المستخدم في تبادل بيانات ثلاثية الأبعاد x، y، z.

أخيرًا، بمجرد تحويل بيانات السحابة النقطية إلى تنسيق LAS، يمكن تصورها ونمذجتها لإنشاء خريطة ثلاثية الأبعاد للتضاريس التي تم مسحها. هذه العمليات الحسابية مستمرة ودائمة بالنسبة لأنظمة LiDAR المتحركة، مثل تلك المستخدمة في المركبات ذاتية القيادة. ووفقًا لأحد المصادر، فإن السيارات ذاتية القيادة تُنتج وتعالج ما يصل إلى تيرابايت من البيانات في كل ساعة تشغيل.¹

يمكن تقسيم أنظمة LiDAR إلى نوعين رئيسيين بناءً على منصتها: LiDAR المحمولة جوًا و LiDAR الأرضية.

تستخدم نظم الكشف عن الضوء وتحديد مداه (LiDAR) المحمولة جوًا، والتي تسمى أيضًا أنظمة المسح بالليزر المحمولة جوًا، ماسحات LiDAR مثبتة على متن الطائرات (عادةً طائرات هليكوبتر أو طائرات بدون طيار) لإنشاء نماذج ثلاثية الأبعاد لسطح الأرض.

أصبح رسم خرائط LiDAR المحمولة جوًا أداة قيمة لإنشاء نماذج ارتفاع رقمية لسطح الأرض، ليحل بشكل أساسي محل طريقة التصوير المساحي الأقدم والأقل دقة. كما يُستخدم المسح بأجهزة LiDAR المحمولة جوًا على نطاق واسع في مجال الغابات لإنشاء مسوحات ليدار لغطاء الغابة ونماذج تضاريس لسطح أرض الغابة.

تشمل أنواع تقنية LiDAR المحمولة جوًا ما يلي:

LiDAR الباثيمتري لقياس الأعماق
يقوم نظام LiDAR الباثيمتري بجمع بيانات نظم المعلومات الجغرافية في المياه الضحلة وعلى طول الخطوط الساحلية. يُصدر نظام LiDAR الباثيمتري أشعة ليزر خضراء بطول موجي يمكنه اختراق الماء لقياس الارتفاع الرقمي لقاع البحر، بدلاً من استخدام ضوء الليزر تحت الأحمر كما هو الحال في أنظمة LiDAR النموذجية.

LiDAR الفضائية
تستخدم وكالة NASA ووكالات الفضاء الأخرى تقنية LiDAR الفضائية للملاحة بالمركبات الفضائية ورسم الخرائط الرقمية للأجرام السماوية. يستخدم LiDAR أيضًا لقيادة المركبات المستقلة التابعة لوكالة NASA وقيادة مروحية Ingenuity على سطح المريخ

يُعدّ نظام LiDAR الأرضي نظام LiDAR يعتمد على الأرض ويُستخدم بشكل متكرر لرسم خرائط التضاريس والمناظر الطبيعية. يمكن استخدام LiDAR الأرضي لجمع بيانات أكثر محلية وقصيرة المدى، مما يجعله مثاليًا لرسم خرائط المناطق الصغيرة بدقة عالية.

تشمل أنواع LiDAR الأرضية ما يلي:
.

LiDAR ثابت بعض أنظمة LiDAR الأرضية ثابتة، مثبتة في موقع واحد، وتُستخدم لالتقاط مسوحات LiDAR دقيقة ومتكررة لمنطقة واحدة. غالبًا ما تستخدم أنظمة LiDAR الثابتة للمواقع الأثرية ومشاريع البناء والتقييمات. يمكنها مراقبة سطح الأرض للبراكين النشطة، وصدوع الزلازل، ومناطق الفيضانات.

LiDAR المحمولة
LiDAR المحمولة هي شكل من أشكال LiDAR الأرضية التي تجمع بيانات LiDAR من مركبة متحركة. تُعدّ أنظمة LiDAR المحمولة (MLSs) أساسية لصناعة السيارات في تطوير أنظمة مساعدة السائق والقيادة الذاتية: إذ يسمح جمع البيانات في الوقت الفعلي باستخدام تقنية الكشف عن الضوء وتحديد مداه للسيارات ذاتية القيادة بتحديد أصول الطرق وبنيتها التحتية بسرعة ودقة وفعالية من حيث التكلفة.

تتمتع عمليات المسح بتقنية LiDAR بمجموعة واسعة من الاستخدامات الواقعية في العديد من الصناعات. يمكنها إنشاء نماذج تضاريسية مفصلة لسطح الأرض وقاع البحر، كما أنها تنتج تصورات دقيقة وعالية الدقة وفي الوقت الفعلي للأجسام المتحركة.

تعمل فرق البحث باستمرار على تطوير أنظمة وخوارزميات جديدة لزيادة دقة وسرعة وفعالية تقنية LiDAR، وهناك تطوير مستمر يركز على جعل تقنية LiDAR أصغر حجمًا وأخف وزنًا وأكثر تكلفة. وهذا من شأنه أن يتيح اعتمادًا أوسع في مختلف الصناعات والتطبيقات، بما في ذلك الإلكترونيات الاستهلاكية والروبوتات وأجهزة المنزل الذكي. أصبحت تقنية LiDAR تحظى بشعبية متزايدة في المركبات ذاتية القيادة ومن المتوقع أن تلعب دورًا مهمًا في مستقبل السيارات.

مع استمرار تحسن التكنولوجيا وانخفاض التكاليف، من المرجح أن تزداد تطبيقات LiDAR بشكل كبير.