Mesafe ölçümü, havacılık başta olmak üzere birçok sektörde kullanılmaktadır. Mesafe ölçümünün doğru şekilde yapılması; uçak seferleri, uydu hareketleri gibi hataya yer olmayan uygulamalarda büyük önem taşımaktadır. LiDAR sistemleri, lazer ışınları aracılığıyla yüksek doğrulukta ölçüm ve 3 boyutlu haritalandırma yapabilen sistemlerdir. Bu yazımızda mesafe ölçümünde sıklıkla kullanılan LiDAR sistemlerini inceledik.
İçindekiler
LiDAR Nedir?
LiDAR, lazer ışınları aracılığıyla bir nesnenin veya bir yüzeyin mesafesini ölçmek için kullanılan teknolojidir. LiDAR kelimesi ise bir kısaltma olup, “Light Detection and Ranging” kelimelerinden türetilmiştir. Türkçe karşılık olarak “Işık Algılama ve Mesafe Ölçme” kullanılabilir. Işık kaynağı kullanılarak mesafe ölçümü ilk olarak 1930’larda denenmiştir. Işık hüzmesi üreten projektörler kullanılarak, atmosferin yapısı ile ilgili çalışmalar yürütülmüştür. 1938 yılında ise ilk kez bir bulutun yüksekliği projektör yardımıyla belirlenmiştir. 1960 yılında lazer ışınlarının keşfedilmesiyle birlikte, projektörlerin yerine lazer ışınlarının kullanılması gündeme gelmiştir. LiDAR’lar ilk olarak hava araçlarında denenmiştir. Ancak, 1980’li yıllarda global pozisyonlama sistemi (GPS) ve ataletsel ölçüm birimi (IMU) keşfedilene kadar LiDAR sistemleri etkin biçimde kullanılamamıştır. GPS’in ve IMU’nun yardımıyla birlikte LiDAR sistemleri, yüksek doğrulukta ölçüm ve 3 boyutlu haritalandırma için kullanılmaya başlanmıştır.
LiDAR Sistemleri Nasıl Çalışır?
LiDAR sistemleri ile mesafe ölçümünde basit bir prensip kullanılmaktadır. Ölçüm, bir nesneye lazer ışınları göndermek ve lazer ışınlarının kaynağa dönüş süresini hesaplamaya dayanmaktadır. Lazer ışınlarının nesneden yansıması ve kaynağa dönüşü sırasında geçen süre, uçuş süresi (time of flight) olarak adlandırılmaktadır. Işık hızının, saniyede yaklaşık 300.000 kilometre katettiği göz önüne alınırsa, hesaplama işleminin çok hızlı gerçekleştiğini söylemek mümkündür. Bu prensipten yola çıkılarak, LiDAR sistemde mesafe ölçümü aşağıdaki gibi formülize edilebilir:
Tipik bir LiDAR sisteminde lazer kaynağı, saniyede 150 bin ile 2 milyon arasında lazer darbesi gönderebilir. Lazer ışınlarının kaynağa dönüş şekli, nesne yapısına göre değişiklik göstermektedir. Örneğin; lazer ışınları düz ve homojen bir nesneden direkt olarak yansırken, ağaç gibi homojen olmayan nesnelerden çoklu olarak yansır.
Öte yandan LiDAR sistemleri, taranan yüzeye ait çok sayıdaki veri noktasını kaydetmektedir. X, Y ve Z koordinatlarında bulunan veri noktaları kullanılarak, taranan yüzeyin 3 boyutlu haritası detaylı şekilde oluşturulabilir. Lazer ışınlarının kullanılmasının nedenlerinden biri, dalga boyunun kısa olmasıdır. Kısa dalga boyu, yüksek çözünürlük imkanı sunmaktadır. Bu sayede diğer sistemlere göre daha detaylı haritalandırma yapılabilir.
LiDAR Sistemleri ile RADAR, SONAR Karşılaştırması
Üç sistemin de çalışma mantığı benzer olmakla birlikte, kullanılan yöntemler farklılık göstermektedir. SONAR sistemi, belirli bir frekansta ses dalgası yaymaktadır. SONAR sistemi tarafından gönderilen ses dalgaları nesnelere çarpıp döner. Ses dalgalarının dönüş süresinden yola çıkılarak nesnelerin mesafeleri belirlenir. Ölçüm kesinliğini artırmak için ses dalgaları periyodik olarak gönderilir.
RADAR sisteminde mesafe ölçümü, elektromanyetik spektrumda en uzun dalga boyuna sahip olan radyo dalgaları aracılığıyla gerçekleştirilmektedir. Dalga boyunun uzun olması, çözünürlüğün düşük olmasına sebebiyet verir. Bu nedenle LiDAR’lar çözünürlük bakımından RADAR’ların önündedir.
LiDAR Tipleri
LiDAR sistemleri, işlevlerine göre ikiye ayrılmaktadır. Bunlar; hava LiDAR ve karasal LiDAR olarak isimlendirilmektedir.
Hava LiDAR Sistemleri
Hava LiDAR; helikopter, uçak veya drone gibi hava araçlarında kullanılmaktadır. Hava LiDAR sistemi, zemine doğru lazer ışınları gönderir. Gönderilen lazer ışınları nesnelerden yansıyarak kaynağa döner. Bu işlem sonucunda nesnelerin mesafeleri yüksek doğrulukta ölçülür ve taranan bölge haritalandırılır. Hava LiDAR’lar; Topolojik ve Batimetrik olmak üzere ikiye ayrılmaktadır.
Hava araçlarında ölçümün doğru şekilde yapılabilmesi için hava aracının konumunun ve doğrultusunun kesin olarak bilinmesi gerekmektedir. Bu gereksinimler, GPS ve IMU sistemleri tarafından karşılanmaktadır. GPS, hava aracığının yere göre konumunu belirlerken, IMU yardımıyla hava aracının doğrultusu belirlenir. Bu sayede ölçüm, dikey olarak 15 santimetreden daha az hata payıyla gerçekleştirilir.
Karasal LiDAR Sistemleri
Karasal LiDAR sistemleri kara araçlarında ya da tripoda yerleştirilerek kullanılmaktadır. Karasal LiDAR sistemleri; otoyolları gözlemlemek, altyapıyı veya binaları analiz etmek amacıyla kullanılmaktadır. Karasal LiDAR’lar; sabit ve hareketli olmak üzere ikiye ayrılmaktadır.
LiDAR Kullanım Alanları
LiDAR’lar yüksek doğrulukta ölçüm gereken her uygulamada kullanılabilir. Ancak, LiDAR sistemlerinin maliyeti kısıtlayıcı faktör olabilir.
Uzay Araçları ve Uydular
Uzay araçlarında ve uydularda kullanılan LiDAR sistemleri, hava araçlarında kullanılan sistemlere benzer şekilde çalışmaktadır. Ancak, uzay araçlarında kullanılan sistemlerde çok daha güçlü lazer kaynakları bulunmaktadır. Bunun nedeni ise lazer ışınlarının katetmesi gereken mesafenin daha fazla olmasıdır.
Otonom Araçlar
Otonom araçlar, insan müdahelesi olmadan hareket edebilen araçlardır. Bu nedenle bir otonom aracın doğru şekilde hareket edebilmesi için çevresinin detaylı şekilde haritalandırılması gerekmektedir. Otonom araçlarda çevre haritalandırılması için LiDAR sistemlerinin kullanılması planlanmaktadır. Ancak, bu sistemler oldukça maliyetlidir. Maliyet sorunlarının aşılması ile birlikte, otonom araçlarda LiDAR’ların kullanılması mümkün olabilir.
Deniz Coğrafyası Belirleme
Deniz araştırmalarında ya da deniz kazalarında derinliğinin belirlenmesi gerekebilir. LiDAR sistemleri yardımı ile su altındaki nesnelerin mesafeleri ve derinlik yüksek doğrulukta tespit edilebilir. Bununla birlikte LiDAR’lar, okyanus yüzeyindeki fitoplankton floresansını ve biyokütleyi hesaplamak için kullanılabilir.
Haritalandırma ve Arazi Modelleme
Arazi şekilleri; yolların, binaların ve köprülerin inşası sırasında önemli rol oynamaktadır. LiDAR aracılığıyla herhangi bir arazinin 3 boyutlu haritası oluşturulabilir. Oluşturulan 3 boyutlu harita, bölgenin incelenmesinde kolaylık sağlayabilir.
Öte yandan, LiDAR sistemleri ile bitki örtüsüyle kaplı araziler bile haritalandırılabilir. Ormanlar LiDAR aracılığıyla taranabilir ve dönüş profilleri incelenerek ormanda bulunan ağaç türleri belirlenebilir. Tarım arazilerinin haritalandırılmasında da aynı yöntem kullanılabilir. Tarım arazilerinde bulunan; patika, çukur, su arkı gibi haritalandırılması zor detaylar, LiDAR aracılığıyla hassas şekilde haritalandırılabilir.
