مسح الليدار بواسطة الطائرات المُسيَّرة — قدرة اختراق النباتات والأشجار

١. نظرة عامة
وبفضل انتشار تقنية الليدار (LiDAR)، والتي تتميَّز بدقة عالية في قياس النطاق ودقة زاوية ممتازة، أصبح من الممكن الحصول على معلومات أكثر ثراءً عن ملامح الأجسام. ولقد باتت هذه التقنية وسيلة فنية لا غنى عنها في مجالات القياس والرسم الطبوغرافي، والموانئ الآلية، والمناجم، والمركبات الهندسية، والقيادة الذاتية للروبوتات، ومراقبة المرور، والأمن وغيرها، وذلك للاستشعار البيئي وحماية الأمن. وفي سيناريوهات التطبيق الفعلي، نحتاج إلى منتجات قادرة على العمل بكفاءة وموثوقية على مدار اليوم. ومعظم أجهزة الليدار قادرة على العمل في بيئات قاسية مثل الأمطار، والضباب، والثلوج، والغبار، ودرجات الحرارة المرتفعة أو المنخفضة جدًّا، وكذلك تحت تأثير الإضاءة القوية. كما تعاني بيانات الضوء المرئي من عيوب في عملية الاستحواذ عليها، بينما تمتلك أنظمة الليدار وظيفة ترشيح وتحسين معينة، ما يسمح لها بتصفية الضوضاء بكفاءة وضمان دقة البيانات وفعاليتها.

يستخدم نظام رادار الليزر الجوي D-LiDAR200 الخاص بشركتنا منتج مسح ليزري خرائطي فعّال من حيث التكلفة هو جهاز RIEGL mini VUX-1UAV. وأبرز ميزاته ما يلي:

(١) يستند هذا المنتج إلى تقنية معالجة الموجات المتقدمة من شركة RIEGL، ويقوم باستخلاص بيانات قياس المسافات بالليزر عالي السرعة عبر رقمية الموجات وتقنية معالجة الموجات في الزمن الحقيقي؛;

(٢) يتمتّع بقدرة استثنائية على كشف الأهداف المتعددة، ما يتيح تحقيق نتائج قياس دقيقة جدًّا حتى في ظل الظروف الجوية السيئة؛;

(٣) مجال الرؤية يبلغ ٣٦٠ درجة، ما يمكنه من جمع بيانات المسح البانورامي؛;

(٤) شعاع القياس ضيق للغاية ومنخفض التباعد، ما يحقِّق دقة مكانية عالية؛;

(٥) وظيفة كشف الأهداف المتعددة – تصل إلى ٥ انعكاسات هدف لكل نبضة ليزر.

يركِّز هذا المقال على نتائج الاختبارات والخبرات والدروس المستفادة من استخدام نظام رادار الليزر الجوي D-LiDAR200 الخاص بشركتنا فيما يتعلق بقدرته على اختراق أشجار الغابات، وذلك لكي يستفيد منها المهتمون في التطبيقات الهندسية، ويُبنى عليها التنبؤات، وتدعم اتخاذ القرارات. وأوّلاً، سأقدّم شرحًا موجزًا للمعرفة المتعلقة بالانعكاسات المتعددة (Multi-Echo) التي تدخل في عملية اختراق الأشجار:

تعمل تقنية قياس المدى بالوقت الذي تستغرقه الإشارة للوصول (TOF) النبضية النموذجية على النحو التالي: تطلق رادار الليزر نبضة ليزر. وعندما ينعكس الليزر المنبعث مرةً أخرى إلى المستقبل بواسطة الجسم، يمكن حساب مسافة الجسم من الفرق الزمني بين لحظة الإرسال ولحظة الاستقبال.

● الصدى الوحيد: طالما استقبل المستقبل إشارة صدى شدّتها تصل إلى عتبة التفعيل، يُفترض أن الجسم قد اكتُشف، ويتم حساب قيمة المسافة الناتجة. وتكمن عيوب هذه الطريقة في أنه إذا وُجدت مواد شبه شفافة بين جهاز المسح والجسم المقاس — مثل الأمطار أو الغبار الثلجي الشائع في البيئات الخارجية — فإن جزءًا من طاقة الليزر ينعكس مبكرًا، وبمجرد بلوغه عتبة التفعيل، يُعتبر هذا الانعكاس الجسم المقاس فتنتج أخطاء في القياس.

● الصدى المتعدد: وتقوم وحدة استقبال الليزر، ضمن هذه الطريقة القائمة على أساس الصدى الوحيد، بأخذ عينات من شكل موجة الليزر المرتدة وتحليلها باستخدام دائرة كهربائية داخلية عالية السرعة. ويختلف الانعكاس الناتج عن التداخل الخارجي عن الانعكاس الفعّال القادم من الجسم المقاس من حيث خصائص شكل الموجة والتوزيع الزمني، مما يسمح بالتمييز بدقة بين إشارات الجسم الحقيقي والانعكاسات الأخرى.

إن تطبيق تقنية الصدى المتعدد يجعل من الممكن لقياس الليزر أن يخترق الزجاج، والضباب الماطر، والغبار وغيرها، وبالتالي يضمن موثوقية القياس في البيئات الخارجية القاسية. وتشمل معلومات الصدى التي توفرها أجهزة الليدار جانبين: عدد الانعكاسات (أي ما إذا كان الصدى واحدًا أم متعددًا)، وترتيب الانعكاسات (أي أول صدى، أو صدى وسيطي، أو آخر صدى). ففي الظروف غير المعيقة، يُظهر سطح الأرض عادةً انعكاسًا واحدًا فقط. أما إذا كانت الأشجار تحجب الرؤية، فقد ينعكس آخر شعاع ليزري من سطح الأرض عبر الفراغات الموجودة بين أغصان الأشجار، ما يؤدي إلى ظهور نقاط «آخر صدى» ضمن مجموعة الانعكاسات المتعددة، والتي تتطابق عمومًا مع خصائص النقاط الأرضية. أما المباني فهي عادةً مصنوعة من مواد صلبة كالخرسانة المسلحة، ولا يسهل اختراق الليزر لها، لذا تظهر عادةً كـ«صدى وحيد»، لكن قد تحدث انعكاسات متعددة عند حواف المبنى. أما بالنسبة لنقاط الغطاء النباتي، فإن وجود الفراغات بين الأغصان والأوراق يؤدي إلى انعكاس شعاع الليزر عدة مرات: فيظهر أول صدى على سطح التاج النباتي، ويظهر الصدى الوسيطي على الأغصان والأوراق، بينما يصطدم آخر صدى عادةً بالأرض عبر الفراغات.

1. مشاركة دراسات حالة نموذجية

يتميّز نظام الليدار الجوي D-LiDAR200 بميزة واضحة في اختراق الأشجار بفضل اكتشافه المتعدد للأهداف (حتى ٥ انعكاسات هدف لكل شعاع ليزر)، ما يوفّر دعمًا تقنيًّا للوصول الدقيق إلى التضاريس المُغطّاة بالنباتات. وفيما يلي، نقدّم عدة حالات هندسية عملية نموذجية لتوضيح تشغيل أجهزة الليدار تحت أنواع مختلفة من الغطاء النباتي، وكذلك اختراق السحب النقطية، وذلك لأغراض الاسترشاد.

٢.١ تشينغداو (مستنقع القصب): لا يتأثر ويختترق بسلاسة.

٢.٢ جيلين (غابة الصنوبريات): لا يتأثر ويُمكن اختراقه.

٢.٣ ناندان (اليوكاليبتوس): غير متأثر، (الشجيرات الكثيفة): تأثير أكبر، لكنها ما زالت تخترق جزئيًّا.

٢.٤ قوانغتشو (منطقة مكتظة بالسكان): يمكنها الاختراق وتلبية متطلبات استكشاف التضاريس.

٢.٥ هاربين – غابة كثيفة من الأشجار المخروطية (صنوبر وسرو): يمكنها الاختراق، وبشكلٍ شبه غير متأثر.