کاربرد لیزر در تهیه مدل رقومی زمین

نمایش بعد سومی یا مولفه سوم مختصات برای بسیاری از کاربرد ها اهمیت اساسی دارد .اما نمایش بعد سوم سطح زمین یعنی Z بر روی سطح مسطح کاغذ یا صفحه نمایش دشوار است . به همین دلیل نقشه برداران از دیر باز تلاش کرده اند روش هایی را برای نمایش ارتفاعات روی نقشه ارائه نمایند . استفاده از هاشور ، سایه روشن ، گامهای رنگی ، اعداد ارتفاعی و منحنی های میزان از جمله این روش ها محسوب می شوند .
یکی از کاربردهای عمده لیزر در مهندسی عمران استفاده از آن در تهیه مدل رقومی زمین است . با استفاده از روش اسکن سه بعدی با لیزر که در واقع روش برداشت مستقیم نقاط است ، می توان به مدل سه بعدی رقومی از زمین دست یافت ، روش کار به این صورت است که پرتو لیزر تحت زاویه خاصی به سمت منطقه مورد نظر فرستاده می شود و پرتو های برگشتی از نقاط به طور منظم و به تعداد زیاد ثبت می شود . تعداد این پرتو های برگشتی و در واقع تعداد نقاط ثبت شده آنقدر زیاد است که در محیطی مثب CAD نمایش داده می شوند ، به نظر می رسد که سطح بازسازی شده است . این داده در اصطلاح ابر نقطه ای (point cloud) نامیده می شود .
دستگاه های لیزر اسکن دارای دو نوع هوایی و زمینی هستند یک لیزر اسکن هوایی سه عنصر اصلی دارد : GPS ، IMU و Laser Scanner . GPS دستگاهی است که موقعیت نقطه محل هواپیما را ثبت می کند ، IMU زاویه حرکت هواپیما با نقطه زمینی را می دهد و مسافت یاب Laser فاصله ی بین هواپیما و نقطه زمینی را مشخص می کند . برداشت نقاط بر اساس سه الگوی مختلف انجام می شود . بیضی ، دایره و زیگزاگ و همپوشانی عرضی بین الگوها بستگی به دقت مورد نظر و طراحی پرواز دارد .
در لیزر اسکن زمینی دستگاه بر روی سه پایه سوار می شود و می تواند دور تا دور خود را به صورت استوانه ای برداشت نماید . پس برخورد لیزر به منطقه مورد نظر ضریب انعکاس جسم تعیین می کند که چه مقدار از سیگنال منتشر شده به لیزر بر می گردد . مقدار این انعکاس به طول موج لیزر بستگی دارد و خصوصا برای سطوح سیاه و سفید متفاوت است . پرتو لیزر پس از انتشار ممکن است به موانعی برخورد کند، مثلا در لیزر اسکن هوایی در مناطق جنگلی ، پرتو لیزر قبل از رسیدن به زمین به یک یا چند شاخه برخورد می کند ، این مسئله باعث می شود دو یا چند انعکاس به مسافت یاب لیزری برگردد . اغلب سیستم ها قادرند تمام پالس های برگشتی را ثبت کنند . کاربرد ها و استفاده های مختلفی از آنها بر اساس این اندازه گیری ها امکان پذیر است . البته تهیه مدل از سطح زمین بر اساس اندازه گیری آخرین پالس است . اگر چندین پالس برگشتی وجود داشته باشد فقط آخرین پالس می تواند به نقطه ای روی زمین تعلق داشته باشد . زیرا فاصله زمین از فاصله یاب از بقیه نقاط بیشتر است.برای کاربرد های دیگر مثل تهیه مدل های سه بعدی شهر ، اولین پالس اهمیت بیشتری دارد و همچنین اولین و آخرین انعکاس ها برای تهیه تراکم زیستی مورد نیاز است . همانطور که ذکر شد انعکاس به جنس مواد بستگی دارد . سطوح طبیعی مثل گیاهان مقدار انعکاس بیشتری نسبت به مواد ساخت بشر مانند آسفالت و بتون دارند . بنابراین به طور کلی ، تشخیص گیاهان و ساختمانها امکان پذیر است . به کمک روش های filtering می توان نقاط مرود نظر را در موارد خاص استخراج کرد و تعداد نقاط جمع آوری شده را برای هر کاربرد کاهش داد .
لیزر اسکن در حقیقت فنی است که مختصات نقاط را به طور مستقیم و به همراه زوایا و offset ها برداشت می کند . لیزر در سیستم های قدیمی تنها مختصات نقاط را اندازه گیری می کرد ، اما اطلاعات دیگری نیز از عوارض برای پی بردن به نوع عارضه برداشت می کند . روش های دیگر جمع آوری داده ها در مناطق کم عارضه مثل ساحل دریا دچار مشکل می شوند ، اما لیزر اسکن توانایی برداشت در این مناطق را نیز دارد . همچنین از آنجا که لیزر از عوارضی مثل برگ درختان نیز عبور می کند ، در مناطق جنگلی نیز کاربرد دارد .
سرعت برداشت لیزر اسکن به حدود 28000 نقطه در ثانیه می رسد و طی 4 دقیقه ، 360درجه (یک دور کامل ) را برداشت می کند .دقت دستگاهها بر اساس فاصله نقاط برداشت شده سنجیده می شود ، که معمولا حدود 2 سانتی متر الی 2 میلی متر است و قیمت آنها بستگی به قدرت تفکیک و دقت آنها دارد .
کاربرد لیزر در ایجاد واقعیت مجازی
laser scanning می تواند داده های لازم برای تولید مدل های دقیق سه بعدی را به صورت بسیار سریع ، راحت ، کارامد و مقرون به صرفه ای جمع آوری کند . در واقع ، داده های حاصل از Laser Scanning در تهیه Virtual Reality بسیار مورد استفاده قرار می گیرند . در مورد برداشت اطلاعات توسط دستگاههای Laser Scanner در قسمت قبل توضیح داده شد ، داده های سه بعدی جچمع آوری شده در رایانه ذخیره می شوند و نرم افزارهای مناستب قادرند آنها را برای مقاصد مختلف مورد بررسی و تفسیر قرار بدهند .
مراحل مدل سازی سه بعدی با این روش را می توان در شش مرحله اساسی خلاصه کرد :
1. نشانه روی بر منطقه یا سازه مورد نظر
2. اسکن (جاروب) منطقه یا سازه مورد نظر و تولید ابر نقطه ای (point cloud)
3. دسته بندی نقاط تشکیل دهنده اجزا و اشکال مختلف و اجزای مختلف منطقه یا سازه مورد نظر
4. تشکیل سطوح و مشخص نمودن اجزا در زمینه برداشت شده
5. ثبت و ترکیب اشکال حاصله با یکدیگر و خلق مجموعه دادههای مصنوعی
6. تشکیل مدل سه بعدی با جزئیات
از آنجا که تعداد نقاط ثبت شده بسیار زیاد است ، مدل سه بعدی تشکیل دارای جزئیات بسیاری است . از این رو برای اندازه گیری ها و مطالعات بسیار دقیق و سریع بسیار مناسب است . از کاربرد های مهم این روش در مهندسی عمران طراحی سازه های مختلف مثل پل ها و ساختمانها و همچنین طراحی مسیر راه ها و بزرگراههاست . با استفاده از این فن می توان از زوایا و دیدگاه های مختلف سازه یا موضوع مورد نظر را مورد بررسی قرار داد و در تعیین نوع مصالح قابل استفاده و هزینه ها قبل از انجام طرح از آن بهره گرفت . در زمینه طراحی بزرگراهها با در دسترس بودن دید سه بعدی حاصل از منطقه می توان در ساعات پر ترافیک بدون حضور در منطقه و بستن جاده ، بازدید و بررسی های لازم را انجام داد .
در برخی موارد با استفاده از این روش می توان با لیزر اسکن نمودن ساختمانها و شبیه سازی موقعیت فعلی بناها و ساختمان ها در یک منطقه ، در زمینه ایجاد و ساخت بناهای جدید و بررسی محدودیت ها و امکانات موجود و آینده مطالعات لازم را انجام داد. این فناوری این امکان را به وجود می آورد که بتوان هر سازه را در جاهای مختلف قرار داد. و مشکلات آن را بررسی کرد . همچنین طراح می تواند با استفاده از وسایل مخصوص مثل عینک و دستکش های خاص ، در قسمت های مختلف قرار گرفته و حرکت نماید و از زوایای مختلف سازه های تشکیل دهنده منطقه را مورد بازدید قبل از ساخت قرار دهد . این فناوری همچنین قابلیت شبیه سازی موقعیت های مختلف مثل هوای طوفانی ، سیل و امکان بررسی مقاومت سازه هایی مانند پل و کانال های فاضلاب در هنگام بروز چنین وقایعی را نیز دارد .
در موقعیت های خطرناک و پیچیده و در مکانهای غیر قابل دسترس که در آنها امکان انجام نقشه برداری زمینی جود ندارد ، با استفاده از این روش می توان به خوبی و با دقت بالا مدلی مناسب از منطقه تهیه نمود .
یکی دیگر از کاربردهای این روش استفاده از آن در بررسی یا ترمیم آثار باستانی است . با این روش مجموعه نقاطی به صورت ابر نقطه ای از مکانهای قدیمی و تاریخی برداشت می شود و پس از پردازش این نقاط در رایانه ، مدل بنا تشکیل شده و امکان بازسازی یا ترمیم آن سنجیده می شود . همچنین نرم افزار امکان آنرا فراهم می آورد که بتوان موقعیت و شکل بنا را قبل از تخریب یا تغییر شبیه سازی نمود .

بکارگیری لیزر در ماهواره ها
یکی از کاربرد های عمده لیزر در مهندسی نقشه برداری استفاده از آن برای فاصله یابی از طریق ماهواره هاست . این سیستم ها در تعیین موقعیت ماهواره ها به عنوان فاصله یاب های لیزری (Satellite Laser Ranging –SLR) استفاده می شود . در SLR از لیزر استفاده می شود ، منتها لیزرهایی که توان و برد بالا دارند و می توان از فاصله ای حدود 20000 کیلومتر پالسهایی را از ایستگاه زمینی به ماهواره فرستاده و از طریق منشور های تعبیه شده در ماهواره به ایستگاه زمینی برگشت داده شوند. در اوایل ایجاد SLR از یاقوت استفاده می شد ، ولی در نسل های بعدی از نئودیوم استفاده شده است . در SLR دقت فاصله یابی طول های بلند از ایستگاه به ماهواره در نسل اول حدود 10 متر بوده که در نسل های بعدی (نسل چهارم) به حدود 2 میلیمتر رسیده است .

کاربرد لیزر در مسافت یابی الکترونیکی
دسته ای از مسافت یابهای الکترونیکی ( Electronic Distance Measuring Instrument) که اختصارا به آنها EDM می گویند ، با استفاده از اشعه لیزر کار می کنند. در این دستگاهها از لیزر های با منبع جامد نظیر یاقوت یا نئودیوم استفاده نمی شود ، بلکه منبع آنها نیمه هادی است . نمونه این نمونه هادی را می توان دیود گالیم آرسناید نام برد . این نیمه هادی پرتو تک رنگی ایجاد می کند که خود برانگیخته است و ایجاد لیزری می کند که برای تعیین موقیتهای دقیق و برای جاهایی که دقت امتدادی مدنظر است ، مورد استفاده قرار می گیرد . اساس کار مسافت یابهای الکترونیکی سنجش غیر مستقیم زمانی است که یک پرتو نور فاصله بین دو نقطه را طی می کند .
گرچه اولین نسل مسافت یابهای الکترونیکی برای فواصل زیاد بسیار دقیق بودند ، ولی اندازه آنها بزرگ ، وزن آنها سنگین و قیمت آنها گران بود. بنابراین در کارهای روزمره نقشه برداری وارد نشدند ،در حالی که مهندسان به دستگاههای سبک ،کوچک ارزان و دقیق برای سنجش طول های کوتاه ، از چند متر تا دو الی سه کیلومتر نیاز داشتند . در واقع ، دستگاههای EDM استفاده کننده از نور لیزر نسل سوم این دستگاهها هستند . مزایای این مسافت یابها عبارتند از:مصرف کم ، سبکی و قابلیت حمل و نقل آسان ، برد زیاد (حداکثر برد 15 تا 60کیلومتر) و دقت بالا در حدود میلیمتر .
با کوچک شدن این دستگاهها و قابلیت ترکیب آنها با دستگاههای دیگر دستگاههایی به نام توتال استیشن به بازار عرضه شد که توسط آنها می توان تمام کارهای برداشت و پیاده کردن را با دقت و سرعت بسیار زیاد انجام داد. علاوه بر این می توان همزمان اطلاعات برداشت را در قسمت ذخیره کننده داده انباشته کرد . در مرحله بعد می توان این داده ها را در دفتر کار به صورت خودکار به رایانه منتقل کرد . رایانه نیز به نوبه خود پس از انجام محاسبات ب اساس برنامه ، داده را به دستگاه رسام برای ترسیم نقشه یا چابگر برای چاپ منتقل می کند .
توتال های جدید می توانند Reflector را به صورت خودکار شناسایی کنند .