Meetmethodes

LIDAR

INTERGEO

Edgar Van Quickelberghe16-11-2016

InhoudInleiding..................................................................................................................................................3

Hoe werkt airborne LIDAR......................................................................................................................3

Toepassingen van LIDAR.........................................................................................................................4

Mijnbouw...........................................................................................................................................4

Bosbeheer..........................................................................................................................................4

Overstromingsgebieden opmeten......................................................................................................4

Oceanografie......................................................................................................................................4

Monitoring gletsjers...........................................................................................................................5

Duinen opmeten................................................................................................................................5

Tsunami overstroming modellen........................................................................................................5

Archeologie........................................................................................................................................5

Leica chiroptera 2...................................................................................................................................5

Voordelen...............................................................................................................................................6

LIDAR..................................................................................................................................................6

Chiroptera 2.......................................................................................................................................6

Nadelen..................................................................................................................................................6

LIDAR..................................................................................................................................................6

Chiroptera 2.......................................................................................................................................6

Eigen visie...............................................................................................................................................6

Bronnen..................................................................................................................................................8

2

InleidingVoor het opleidingsonderdeel meetmethodes 3 ben ik op de Intergeo beurs opzoek gegaan naar een onderwerp die mijn interesse trok om een paper over te schrijven. Op Intergeo zag ik bij de Leica stand een LIDAR-scanner staan voor airborne toepassingen. Deze sensor heet de Leica chiroptera 2, zoals afgebeeld op de onderstaande afbeelding. Dit toestel wordt gebruikt voor metingen boven lage waterstanden en het maken van kust kaarten. Aangezien ik hier nog niet zoveel over gehoord had heb ik enkele vragen gesteld aan de verkopers op de stand en kreeg ik brochures mee ter informatie. In deze paper ga ik dus spreken over een LIDAR-scanner voor airborne toepassingen. LIDAR staat voor Light Detection And Ranging. De verschillende soorten toestellen, werking, toepassingen, de voor- en nadelen en mijn toekomstvisie voor de chiroptera 2 en LIDAR algemeen worden besproken in deze paper.

Figuur 1: LEICA chiroptera 2 (http://leica-geosystems.com/products/airborne-systems/LIDAR-scanners/leica-chiroptera-ii

Hoe werkt airborne LIDAR

3

Een vliegtuig voor airborne LIDAR-metingen bestaat meestal uit enkele onderdelen. Eerst en vooral uit de LIDAR-scanner zelf, deze verstuurd een laserstraal op een spiegel. De spiegel zorgt ervoor dat

de laserstraal naar beneden wordt afgekaatst. De stralen scannen alles dat zich onder het vliegtuig bevindt. Een sensor kan tussen de 20 000 en 150 000 punten per seconde meten. Het systeem meet simpelweg het tijdsverschil tussen de vertrektijd en aankomsttijd van een laserstraal en deelt deze dan door twee om zo de afstand te bekomen. Een toestel kan met verschillende lasers voorzien worden. Aan de hand van de golflengtes kan een straal een wateroppervlak wel of niet penetreren. De Leica Chiroptera heeft een rode lasterstraal van 35 kHz en een groene lasterstraal die het wateroppervlak kan penetreren van 500 kHz. De groene laserstraal is schadelijk voor het menselijk oog. Het toestel is voorzien van beide laserstralen zodat het zowel land als zeebodem kan opmeten. Zo kan een LIDAR voorzien worden van enkel een rode lasterstraal voor topografische opmetingen of een groene voor hydrografische opmetingen. Om dan de hoogte van een punt te bekomen ten opzichte van het zeeniveau en de locatie van het vliegtuig te bepalen is het vliegtuig ook voorzien van een gps-ontvanger. Een vliegtuig heeft vaak te kampen met turbulentie en kan zo niet recht vliegen. Om deze kleine verschillen weg te werken is het vliegtuig ook voorzien van een IMU of Inertial Measurement Unit. Dit elektronisch apparaat kan de pitch, roll en yaw van een vliegtuig bepalen zoals te zien is op de afbeelding op de volgende pagina. Als laatste is het vliegtuig voorzien van een computer die alle gegevens van de LIDAR-scanner, gps-ontvanger en IMU gebruikt om een zo nauwkeurig mogelijke meting te bekomen.

Toepassingen van LIDARLIDAR kan voor veel verschillende toepassingen gebruikt worden. Het biedt als voordeel dat er snel en nauwkeurig veel punten en grote gebieden kunnen worden opgemeten. Maar het is een duur systeem en het is niet altijd zo praktisch. LIDAR word vaak gebruikt op afgelegen locaties.

MijnbouwLIDAR kan voor verschillende doeleinden gebruikt worden in de mijnbouw. Mijnen veranderen constant door de grote hoeveelheden grondstoffen die worden afgevoerd. Om te kunnen bijhouden hoeveel volume er is uitgegraven over een bepaalde periode gaat men voor en na de uitgravingen overvliegen. Zo kan men het verzette volume berekenen aan de hand van een DTM (Digital Terrain Model). Met LIDAR kan dit heel snel en met een hoge nauwkeurigheid gemeten worden. Maar LIDAR kan ook gebruikt worden voor het meten van een terrein die een potentiele mijnsite kan worden en zo te bepalen of het geschikt is of niet.

4

Figuur 2: Roll, pitch en yaw vliegtuig (http://www.keyword-suggestions.com/)

BosbeheerLIDAR word vaak gebruikt bij metingen van bossen. Het wordt gebruikt om het bladerdek van de bomen te meten. Maar ook de grond onder de bomen kan gemeten worden, zo kan de densiteit van het bladerdek gemeten worden, de hoogte van het bladerdek en de bomen. Dit is belangrijk om de gevaren van een bosbrand vast te stellen. De dikte van het bladerdek bepaalt het brandbare volume.

Overstromingsgebieden opmetenLIDAR kan gebruikt worden voor het maken van een 3D model van rivieren. LIDAR kan zowel het wateroppervlak als de bodem opmeten. De nauwkeurigheid van deze metingen hangt wel af van de helderheid van het water van de rivier. Aan de hand van de opmetingen kan een model gemaakt worden die dan kan gebruikt worden voor simulaties.

OceanografieEen meer ingewikkelde toepassing van LIDAR is het meten van de oceaan om zo door middel van berekeningen de hoeveelheid fluorescerende fytoplankton en biomassa in het oceaanoppervlak te bepalen. Maar het kan ook gebruikt worden om de bodem van de oceaan op te meten. Bijvoorbeeld voor baggerwerken, archeologie (opsporen van scheepswrakken), maken van zeekaarten, meten van koraalriffen.

Monitoring gletsjersEen andere veel gebruikte toepassing voor LIDAR is het opmeten van gletsjers. Door de klimaatverandering smelten veel gletsjers. Door meerdere opmetingen uit te voeren over bepaalde tijdsreeksen kan men gemakkelijk en nauwkeurig het volume berekenen van het ijs. Zo kunnen ze bepalen hoe snel en hoeveel ijs er smelt.

Duinen opmetenDuinen en woestijnen veranderen constant door de wind en moeten dus vaak opnieuw opgemeten worden. Met LIDAR kan dit snel en eenvoudig gebeuren.

Tsunami overstroming modellenTsunami’s zijn vaak voorkomende natuurrampen. Door het opmeten van zowel land als zeebodem kan een DEM-model gemaakt worden die kan gebruikt worden voor het maken van simulaties. Dit is belangrijke data voor het beschermen van mensen en infrastructuur.

5

Figuur 3: Vliegtuig met LIDAR-scanner boven Gletsjer in Alaska (https://news.agu.org)

ArcheologieLIDAR heeft veel toepassingen in de archeologie. Ze helpen bij de planning van opgravingen en het opsporen van mogelijke archeologische sites. LIDAR maakt het mogelijk om de bodem van een bos op te meten en zo een DTM te maken die de micro topografie van een terrein kan blootleggen. Dit betekent dat constructies die verborgen liggen onder beplantingen zo toch kunnen gezien worden. Dit is iets die niet mogelijk is met andere methodes zoals fotogrammetrie. Deze methode heeft al tot meerdere grote archeologische vondsten geleid zoals de Mayastad Caracol.

Leica chiroptera 2Er bestaan meerdere LIDAR-toestellen van Leica. Maar dit is het enige toestel die met twee laserstralen werkt, een straal van 35 kHz die een helder wateroppervlak kan penetreren tot op een beperkte diepte en zo de bodem van de zee kan opmeten en een straal van 500 kHz voor het opmeten van het aardoppervlak en wateroppervlak.

Het toestel kan de bodem van de zee of meer opmeten tot een diepte van 15 m. Er zijn ook specifieke toestellen die dieper kunnen. Dit toestel is zowel gemaakt voor het opmeten van kustlijnen als voor binnenlands gebruik waarbij over rivieren kan worden gevlogen zodat de diepte van de rivier en alles er rond gemeten wordt. Het toestel is daarbij voorzien van een fotocamera met Leica lens. De camera kan zo kleur geven aan de punten. Zodat RGB (rood-groen-blauw) puntenwolken gemaakt kunnen worden.

VoordelenLIDARVia LIDAR kan een terrein snel en vrij nauwkeurig opgemeten worden. Binnen de 24 uur kan een terrein van 1000 km² opgemeten worden en een DTM gemaakt worden van het terrein. De metingen vergen minimale menselijke hulp. Wat niet het geval is bij gps, basis landmeten en fotogrammetrie. Anders dan bij fotogrammetrie kan de bodem ven een dicht begroeid terrein opgemeten worden. Doordat de lasterstralen door de bomen door kunnen dringen en zo ook de bodem van het bos kan opgemeten worden maar er kan ook s’ nachts gemeten worden. Wat niet mogelijk is met fotogrammetrie.

Chiroptera 2Het toestel kan zowel aardoppervlak als zeebodem opmeten. Het meet snel en eenvoudig gebieden op die traag en soms zelfs gevaarlijk kunnen zijn om op te meten met SONAR. Leica beweerd dat zij de beste water penetratie hebben met een factor van K x Dmax= 2.4. Dit toestel biedt ook de mogelijkheid om eenvoudig te upgraden naar de Leica Hawkeye 3. Dit toestel is in staat om tot 50 m diepte te meten in goeie wateromstandigheden.

Nadelen LIDARDe minpunten of beperkingen van LIDAR zijn vooral dat de nauwkeurigheid sterk afhankelijk is van de weersomstandigheden maar wel niet zo afhankelijk als bij fotogrammetrische metingen. Het weer mag niet mistig zijn of bewolkt en het oppervlak mag niet nat zijn. Een topografische LIDAR-scanner is hier vrij gevoelig voor aangezien de laserstraal niet goed gereflecteerd wordt. Een hydrografische scanner is hier niet gevoelig aan aangezien deze gemaakt is om door het water te meten. De nauwkeurigheid van de metingen zijn eveneens sterk afhankelijk van het soort terrein. Metingen

6

boven een open terrein zullen een betere nauwkeurigheid hebben dan metingen boven een regenwoud. Metingen op de grond zijn nog steeds een stuk nauwkeuriger.

Chiroptera 2Het meten is beperkt tot een diepte van 15m onder water. De groene lasterstraal van 500 kHz is schadelijk voor het menselijk oog, deze laser is ook krachtiger en vraagt meer energie. Deze wordt enkel gebruikt bij hydrografische metingen. Dit toestel is ook te duur om enkel te gebruiken voor topografische metingen. Leica biedt wel een alternatief toestel aan voor Urban planning.

Eigen visie Ik zie mezelf in de toekomst niet met dit toestel werken. Niet omdat ik er niet mee zou willen werkeen maar omdat ik denk dat dit soort metingen niet regelmatig zullen toegepast worden in België. In België zijn er weinig van de vele mogelijkheden van toepassing, zoals mijnbouw, gletsjers, bosbranden… Ik vind het wel een zeer interessante en snelle manier van werken die later nog voor veel meer toepassingen zal gebruikt worden. Deze methode wordt nu al voor veel toepassingen gebruikt. Ik denk dat het met de tijd de airborne fotogrammetrie zal vervangen. Een airborne LIDAR-scanner is wel duurder dan het Airborne fotogrammetrisch toestel dat Leica biedt maar de verwerking van de fotogrammetrische gegevens duren langer. De Leica chiroptera 2 is al een tweede uitvoering van een voorgaand toestel. Zo zullen er nog veel aanpassingen gebeuren. LIDAR bestaat al vrij lang maar wordt pas de laatste jaren meer en meer toegepast. Ik denk dat het toestel veel gebruikt zal worden voor onderzoeken in verband met de klimaatverandering. Het wordt nu al vaak gebruikt voor het opmeten van gletsjers, zoals eerder aangehaald maar de klimaatverandering wordt alsmaar belangrijker en daarom zal LIDAR ook meer toegepast worden. Ik denk ook dat Leica voor elke specifieke toepassing van airborne LIDAR een toestel zal maken. Men heeft nu al enkele verschillende toestellen voor grote gebieden (ALS80), stadsgebieden (Dragoneye), kustgebieden (chiroptera 2) en hydrografie (hawkeye 3). Maar dit zal in mijn ogen een nog veel groter aanbod worden, aangezien er zoveel verschillende toepassingen voor zijn. Met de recente opkomst van Drones zal LIDAR binnenkort ook voor meer mensen toegankelijk worden. Ik denk dat producenten hierop zullen inspelen. Ze zullen kleinere en lichtere systemen maken die eenvoudig te bevestigen zijn op drones. Nu bevestigt men ook al scanners op een UAV maar dit staat voorlopig nog in zijn kinderschoenen. Voorheen werden enkel scanners gemaakt om op vliegtuigen te bevestigen.

7

Bronnen Leica (2016). Beschikbaar op 11 december, 2016, van http://leica-geosystems.com/products/airborne-systems/LIDAR-scanners/leica-chiroptera-ii

Grind Gis (2015). Beschikbaar op 11 december, 2016 van http://grindgis.com/data/lidar-data-50-applications

LIDAR UK (2016). Beschikbaar op 11 december, 2016 van http://www.lidar-uk.com/how-lidar-works/

National Ocean Service (2015). Beschikbaar op 11 december, 2016 van http://oceanservice.noaa.gov/facts/lidar.html

Frank A. Rankin. (2013). LiDAR Applications in Surveying and Engineering, p. 44. Afgehaald op 11 december, 2016, van http://www.ncgisconference.com/2013/documents/pdfs/Rankin_Thu_130.pdf

Wikipedia (2016). Beschikbaar op 11 december, 2016 van https://nl.wikipedia.org/wiki/Lidar

8