ทำความเข้าใจเทคโนโลยี LIDAR: ข้อเท็จจริงและหลักพื้นฐาน

4-5 วันที่ผ่านมา เราทุกคนได้ยินเทคโนโลยีนี้ในข่าว เพราะบริษัทใหญ่ 2 แห่ง หนึ่งคือ IT Giant – Google และอีกแห่งคือบริการรถแท็กซี่เติบโตเร็ว – Uber กำลังทะเลาะกันเพราะมัน ผมไม่จะเจาะลึกเรื่องความขัดแย้งนี้ หรือปกป้องบริษัทไหน หรือข้อเท็จจริงว่าบริษัทไหนประดิษฐ์หรือปาตтенต์ มันเริ่มต้นอย่างไร ฯลฯ

แต่แน่นอนว่าบล็อกนี้จะให้ข้อเท็จจริงบางส่วนเกี่ยวกับพื้นฐานเทคโนโลยี LIDAR และการประยุกต์ใช้ในปัจจุบัน

LIDAR Technology คืออะไร?

LIDAR ย่อมาจาก Light Detection and Ranging เป็นวิธีการ Remote Sensing ที่ใช้แสงในรูปแบบเลเซอร์พัลส์ (Pulsed Laser) เพื่อวัดระยะ (Variable distances) ไปยังโลก พัลส์แสงเหล่านี้ – รวมกับข้อมูลอื่นที่บันทึกโดยระบบบิน – สร้างข้อมูล 3 มิติที่แม่นยำเกี่ยวกับรูปร่างของวัตถุเป้าหมายและลักษณะผิวผิว

ระบบ LIDAR ช่วยให้นักวิทยาศาสตร์และมืออาชีพด้านการทำแผนที่ สำรวจทั้งสภาพแวดล้อมธรรมชาติและสร้างโดยมนุษย์ด้วยความแม่นยำ ความแม่นยำ และความยืดหยุ่น นักวิทยาศาสตร์ NOAA ใช้ LIDAR เพื่อสร้างแผนที่ชายฝั่งที่แม่นยำขึ้น สร้าง Digital Elevation Models สำหรับ GIS ช่วยในการดำเนินการฉุกเฉิน และการประยุกต์อื่นๆ อีกมาก

ประเภทของ LIDAR

Airborne LIDAR (ลิดาร์บิน):

ด้วย Airborne LIDAR ระบบติดตั้งในเครื่องบินปีกแข็งหรือเฮลิคอปเตอร์ แสงเลเซอร์อินфраเรดปล่อยไปทางพื้น และสะท้อนกลับมายังเซ็นเซอร์ Airborne LIDAR ที่เคลื่อนที่ มีเซ็นเซอร์บิน 2 ประเภท:

1. Topographic – Topographic LIDAR ใช้เลเซอร์ Near-infrared ในการทำแผนที่บนบก
2. Bathymetric – Bathymetric LIDAR ใช้แสงเขียวเจาะน้ำ เพื่อวัดความลึกทะเลและลำน้ำ

Terrestrial LIDAR (ลิดาร์บนบก):

Terrestrial LIDAR รวบรวมจุดที่หนาแน่นและแม่นยำสูง ช่วยระบุวัตถุอย่างแม่นยำ จุดเมฆหนาแน่น (Dense Point Clouds) นี้ใช้จัดการสิ่งปลูกสร้าง สำรวจทางหลวงและรางรถไฟ และสร้างโมเดลเมือง 3D สำหรับพื้นที่ภายนอกและภายใน มี Terrestrial LIDAR หลัก 2 ประเภท:

1. Mobile – Mobile LIDAR คือการรวบรวม Point Clouds จากแพลตฟอร์มที่เคลื่อนที่ ระบบ Mobile LIDAR อาจรวมเซ็นเซอร์ LIDAR หลายตัวติดตั้งบนรถที่เคลื่อนที่
2. Static – Static LIDAR คือการรวบรวม Point Clouds จากตำแหน่งนิיח ระบบ Static LIDAR ติดตั้งบนขาตั้งหรืออุปกรณ์นิיח ระบบเลเซอร์พิสัยและการถ่ายภาพพกพา ระบบเหล่านี้รวบรวม Point Clouds ภายในอาคารและภายนอกได้ การประยุกต์ใช้ทั่วไป ได้แก่ วิศวกรรม, การเหมืองแร่, การสำรวจ, และโบราณคดี

มันทำงานอย่างไร?

หลักการของ LIDAR คล้าย Electronic Distance Measuring Instrument (EMI) ที่ยิงเลเซอร์ (Pulse หรือ Continuous Wave) จาก Transmitter และจับพลังงานที่สะท้อนกลับ ใช้เวลาเดินทางของเลเซอร์ กำหนดระยะห่างระหว่าง Transmitter และ Reflector Reflector อาจเป็นวัตถุธรรมชาติหรือ Reflector เทียมอย่าง Prism

การวัดสามารถอธิบายง่ายๆ ด้วยสมการ:

กล่าวอีกนัยหนึ่ง LIDAR Sensors ทำงานคล้าย Radar แต่แทนที่จะใช้คลื่นวิทยุ มันใช้พัลส์แสงเลเซอร์ที่เร็วถึง 10,000 ครั้งต่อวินาที พัลส์แสงถูกปล่อย และเวลาที่ปล่อยถูกบันทึกอย่างแม่นยำ การสะท้อนของพัลส์นั้นถูกตรวจจับ และเวลาที่รับถูกบันทึกอย่างแม่นยำ ใช้ความเร็วแสงคงที่ Delay สามารถแปลงเป็นระยะ "Slant Range" และพิกัด XYZ ของผิวสะท้อนคำนวณได้จากตำแหน่งและทิศทางของเซ็นเซอร์เป็นอ้างอิง

ด้านล่างคือส่วนประกอบในระบบ LIDAR ที่ทำงานร่วมกันเพื่อผลลัพธ์แม่นยำสูง:

1. Laser – เลเซอร์แบ่งตามความยาวคลื่น เลเซอร์ 1550nm เป็นทางเลือกทั่วไป เพราะไม่โฟกัสที่ตา และ 'Eye-safe' ที่ระดับกำลังสูง ความยาวคลื่นนี้ใช้สำหรับระยะไกลและความแม่นยำต่ำกว่า ข้อดีอีกอย่างของ 1550nm คือไม่แสดงใน Night-vision Goggles เหมาะสำหรับการประยุกต์ทางทหาร
2. LIDAR Sensors – สแกนพื้นจากข้างไปข้างมาขณะเครื่องบินบิน เซ็นเซอร์มักอยู่ในแบนด์สีเขียวหรือ Near-infrared
3. Inertial Measurement Units – ติดตามความสูงและตำแหน่งเครื่องบิน ตัวแปรเหล่านี้สำคัญสำหรับค่าความสูงภูมิประเทศที่แม่นยำ
4. Computers – ใช้สำหรับ Data Storage และระบบจัดการข้อมูล เก็บข้อมูลจากการสแกนของระบบ
5. Scanners and Optics – ความเร็วในการพัฒนารูปภาพ ถูกกระทบโดยความเร็วที่สแกนเข้าระบบ
6. Photo detector and Receiver electronics – Photo Detector คืออุปกรณ์อ่านและบันทึกสัญญาณที่ส่งกลับมาระบบ
7. High-precision clock – บันทึกเวลาที่เลเซอร์พัลส์ออกและกลับมาที่สแกนเนอร์
8. Navigation and positioning systems – GPS Receivers ช่วยติดตามความสูงและตำแหน่งเครื่องบิน ตัวแปรเหล่านี้สำคัญสำหรับค่าความสูงภูมิประเทศที่แม่นยำ

อ่านเพิ่ม: Best Offline Data Cleaning Tools

หวังว่าตอนนี้คุณเข้าใจแล้วว่า LIDAR Technology คืออะไร และวัตถุประสงค์ในการใช้เทคโนโลยีนี้ Waymo ธุรกิจรถขับเองของ Google ใช้เทคโนโลยีนี้ในรถขับเอง เพื่อสแกนและตรวจจับอุปสรรคบนถนน และด้วยการคำนวณซอฟต์แวร์ขั้นสูง ให้ผลลัพธ์เป็นการเปลี่ยนทิศทางที่รถเคลื่อนที่แล้วดำเนินการ และถ้าพูดถึง Uber LIDAR Technology ถูกใช้ในแท็กซี่ขับเองของพวกเขา เพื่อเพิ่มบริการให้ผู้คน

วิธีตรวจจับอุปสรรคโดยส่งสัญญาณ รับการสะท้อน และคำนวณความต่างของเวลาเพื่อทราบตำแหน่งวัตถุ ไม่ได้เป็นสิ่งใหม่ในโลกเทคโนโลยี การใช้แสงเลเซอร์ในวิธีนี้ก็ไม่ใหม่ สิ่งที่ใหม่คือการใช้และพัฒนาวิธีนี้เพื่อใช้ในกลไกรถขับเอง

ในบล็อกหน้า ผมจะรายการพื้นที่ที่เทคโนโลยีนี้ถูกใช้ และวัตถุประสงค์ที่บรรลุได้จากการใช้ LIDAR Technology