Co to jest LiDAR? Jak działa i do czego służy?

LiDAR to technologia pomiarowa wykorzystująca światło laserowe do określania odległości między czujnikiem a obiektami. Urządzenie wysyła krótkie impulsy światła, mierzy czas ich powrotu po odbiciu od powierzchni, a następnie tworzy dokładny obraz przestrzeni, mapę terenu lub model 3D.

LiDAR nie działa jak zwykły aparat fotograficzny. Kamera zapisuje przede wszystkim kolor i jasność obrazu, natomiast LiDAR mierzy położenie oraz odległość obiektów.

Co oznacza skrót LiDAR?

Nazwa LiDAR pochodzi od angielskiego wyrażenia Light Detection and Ranging. Można je przetłumaczyć jako wykrywanie i pomiar odległości za pomocą światła.

Technologia działa podobnie do radaru, ale zamiast fal radiowych wykorzystuje światło laserowe. Dzięki temu może bardzo dokładnie odwzorowywać kształt budynków, drzew, dróg, pojazdów i innych obiektów.

W zależności od rodzaju urządzenia LiDAR może skanować:

• niewielkie przedmioty,
• pomieszczenia,
• budynki,
• ulice,
• lasy,
• rozległe obszary terenu,
• otoczenie poruszającego się pojazdu.

Jak działa LiDAR?

Działanie LiDAR-u opiera się na pomiarze czasu, jaki impuls światła potrzebuje na dotarcie do obiektu i powrót do czujnika.

Proces przebiega w kilku etapach:

1. Nadajnik emituje krótki impuls światła laserowego.
2. Impuls dociera do powierzchni, na przykład ściany, drzewa lub ziemi.
3. Część światła odbija się od obiektu.
4. Odbity sygnał wraca do czujnika.
5. Urządzenie mierzy czas przelotu światła.
6. Oprogramowanie oblicza odległość.
7. Wielokrotne pomiary tworzą przestrzenny obraz otoczenia.

Ponieważ światło porusza się bardzo szybko, pomiar wymaga niezwykle precyzyjnej elektroniki. Profesjonalne skanery mogą wykonywać setki tysięcy, a nawet miliony pomiarów w krótkim czasie.

Jak LiDAR oblicza odległość?

Odległość można obliczyć na podstawie czasu przelotu impulsu:

Odległość = czas przelotu × prędkość światła ÷ 2

Dzielenie przez dwa jest konieczne, ponieważ impuls pokonuje drogę w obie strony:

• od czujnika do obiektu,
• od obiektu z powrotem do czujnika.

Jeżeli urządzenie zna dokładny czas całej podróży sygnału, może ustalić, jak daleko znajduje się mierzona powierzchnia.

Czym jest czas przelotu?

Czas przelotu, często oznaczany skrótem ToF, to czas potrzebny światłu na dotarcie do obiektu i powrót do odbiornika.

Im krótszy czas, tym bliżej znajduje się obiekt. Im dłuższy, tym większa jest odległość.

Dokładność pomiaru zależy między innymi od:

• jakości czujnika,
• precyzji zegara,
• odległości od obiektu,
• kąta padania impulsu,
• rodzaju powierzchni,
• warunków atmosferycznych.

Czas przelotu jest podstawą działania wielu skanerów przestrzennych, czujników samochodowych i systemów pomiarowych.

Czym jest chmura punktów?

Efektem skanowania LiDAR-em jest zazwyczaj chmura punktów.

Chmura punktów to zbiór wielu punktów posiadających współrzędne przestrzenne. Każdy punkt oznacza miejsce, od którego odbił się impuls światła.

Najczęściej zapisuje się współrzędne:

• X — położenie poziome,
• Y — położenie poziome w drugim kierunku,
• Z — wysokość.

Dodatkowo punkt może zawierać informacje o:

• intensywności odbicia,
• czasie wykonania pomiaru,
• kolorze połączonym ze zdjęciem,
• numerze odbicia,
• klasie obiektu.

Po zebraniu milionów punktów powstaje przestrzenne odwzorowanie budynku, ulicy, lasu albo całego terenu.

Jak wygląda skan LiDAR?

Surowy skan nie przypomina typowego zdjęcia. Może wyglądać jak zbiór kolorowych kropek unoszących się w przestrzeni.

Punkty można pokolorować według:

• wysokości,
• intensywności odbicia,
• odległości od czujnika,
• rodzaju obiektu,
• danych z aparatu fotograficznego.

Po dalszej obróbce chmura punktów może zostać przekształcona w:

• model 3D,
• mapę wysokościową,
• cyfrowy model terenu,
• cyfrowy model powierzchni,
• dokumentację budynku,
• model wykorzystywany w projektowaniu.

Czy LiDAR robi zdjęcia?

Sam LiDAR nie wykonuje klasycznych zdjęć. Jego głównym zadaniem jest pomiar odległości i kształtu przestrzeni.

Niektóre urządzenia łączą jednak skaner laserowy z kamerą. Dzięki temu chmurze punktów można przypisać rzeczywiste kolory.

Połączenie obu technologii daje:

• dokładne informacje o geometrii,
• realistyczny wygląd powierzchni,
• łatwiejsze rozpoznawanie obiektów,
• lepszą dokumentację terenu lub budynku.

LiDAR i kamera często się uzupełniają, zamiast wzajemnie zastępować.

Jakie są rodzaje LiDAR-u?

Technologię można podzielić według sposobu montażu i zastosowania.

LiDAR lotniczy

Lotniczy LiDAR montuje się na:

• samolotach,
• śmigłowcach,
• dronach.

Urządzenie skanuje teren z góry. System jest zwykle połączony z GPS-em i czujnikami rejestrującymi położenie maszyny.

Lotniczy LiDAR wykorzystuje się do:

• tworzenia map terenu,
• pomiarów lasów,
• dokumentowania rzeźby powierzchni,
• wykrywania osuwisk,
• planowania inwestycji,
• analizowania obszarów zalewowych,
• poszukiwania obiektów archeologicznych.

LiDAR naziemny

Naziemny skaner ustawia się najczęściej na statywie. Urządzenie obraca się i mierzy otoczenie z jednego lub kilku stanowisk.

Stosuje się go do:

• inwentaryzacji budynków,
• pomiarów hal,
• dokumentacji zabytków,
• kontroli konstrukcji,
• skanowania wnętrz,
• tworzenia modeli architektonicznych.

Aby uzyskać pełny model, często wykonuje się skany z kilku miejsc, a następnie łączy je w jedną chmurę punktów.

LiDAR mobilny

Mobilny LiDAR może być zamontowany na:

• samochodzie,
• pociągu,
• robocie,
• wózku pomiarowym,
• urządzeniu ręcznym.

System wykonuje pomiary podczas ruchu. Pozwala szybko skanować ulice, tory, tunele i rozległą infrastrukturę.

LiDAR w smartfonie

Niektóre smartfony i tablety mają niewielkie czujniki LiDAR lub podobne sensory głębi.

Mogą służyć do:

• pomiaru pomieszczeń,
• tworzenia prostych modeli 3D,
• rozpoznawania ścian i podłóg,
• działania aplikacji rozszerzonej rzeczywistości,
• poprawy ostrości przy słabym świetle.

Taki czujnik ma jednak mniejszy zasięg i dokładność niż profesjonalny skaner geodezyjny.

Do czego służy LiDAR?

LiDAR znajduje zastosowanie w wielu branżach, ponieważ pozwala szybko i dokładnie mierzyć przestrzeń.

LiDAR w geodezji i kartografii

W geodezji technologia służy do tworzenia dokładnych modeli terenu i obiektów.

Można dzięki niej:

• mierzyć wysokość powierzchni,
• dokumentować budynki,
• mapować drogi,
• kontrolować linie energetyczne,
• analizować ukształtowanie terenu,
• tworzyć mapy wysokościowe.

Lotnicze skanowanie laserowe pozwala zebrać dane z dużego obszaru znacznie szybciej niż tradycyjny pomiar punkt po punkcie.

LiDAR w leśnictwie

LiDAR jest szczególnie przydatny w analizie lasów.

Pozwala określać:

• wysokość drzew,
• strukturę koron,
• zagęszczenie drzewostanu,
• ilość biomasy,
• ukształtowanie terenu pod roślinnością,
• zmiany zachodzące w lesie,
• skutki wichur lub pożarów.

Impulsy mogą trafiać zarówno w korony drzew, jak i w przerwy między liśćmi. Część sygnałów dociera do ziemi, dzięki czemu można odtworzyć powierzchnię terenu pod lasem.

LiDAR nie widzi bezpośrednio przez liście, ale duża liczba impulsów zwiększa szansę na zarejestrowanie podłoża między gałęziami.

LiDAR w archeologii

Technologia umożliwia wykrywanie śladów dawnych budowli i form terenu, które są słabo widoczne z poziomu ziemi.

LiDAR pomaga odnajdywać:

• pozostałości fundamentów,
• stare drogi,
• wały,
• fosy,
• kurhany,
• tarasy rolnicze,
• ślady dawnych osad.

Po cyfrowym usunięciu roślinności z modelu można zobaczyć subtelne nierówności terenu ukryte pod lasem.

LiDAR w budownictwie i architekturze

Skanowanie laserowe ułatwia dokumentowanie istniejących budynków.

Wykorzystuje się je do:

• inwentaryzacji architektonicznej,
• przygotowania dokumentacji remontowej,
• kontroli zgodności wykonania z projektem,
• pomiaru trudno dostępnych elementów,
• tworzenia modeli BIM,
• dokumentowania instalacji,
• monitorowania odkształceń konstrukcji.

Skaner może w krótkim czasie zebrać znacznie więcej danych niż tradycyjny pomiar taśmą.

LiDAR w motoryzacji

W pojazdach LiDAR może obserwować otoczenie i mierzyć odległość do przeszkód.

System wykrywa między innymi:

• inne pojazdy,
• pieszych,
• rowerzystów,
• krawężniki,
• bariery,
• elementy infrastruktury,
• przeszkody na drodze.

Na podstawie chmury punktów samochód może tworzyć przestrzenny model otoczenia.

LiDAR bywa częścią systemu obejmującego także:

• kamery,
• radar,
• czujniki ultradźwiękowe,
• GPS,
• mapy wysokiej dokładności.

Każdy z tych elementów dostarcza innego rodzaju informacji.

LiDAR w robotyce

Roboty wykorzystują LiDAR do orientacji w przestrzeni.

Czujnik pomaga:

• omijać przeszkody,
• tworzyć mapę pomieszczenia,
• lokalizować urządzenie,
• planować trasę,
• poruszać się w magazynie,
• wykonywać autonomiczne zadania.

Technologia jest stosowana między innymi w robotach magazynowych, maszynach przemysłowych i niektórych robotach sprzątających.

LiDAR w smartfonach i rozszerzonej rzeczywistości

Czujnik w telefonie pomaga urządzeniu rozpoznawać głębokość i układ otoczenia.

Może wspierać:

• pomiar długości ściany,
• tworzenie planu pokoju,
• ustawianie wirtualnych mebli,
• skanowanie przedmiotów,
• poprawę działania aparatu w ciemności,
• aplikacje edukacyjne i projektowe.

Pomiar wykonany telefonem może być przydatny orientacyjnie, ale nie powinien zastępować profesjonalnej inwentaryzacji, jeśli wymagana jest wysoka dokładność.

LiDAR a radar — czym się różnią?

LiDAR i radar mierzą odległość, ale wykorzystują inny rodzaj sygnału.

Cecha	LiDAR	Radar
Sygnał	światło laserowe	fale radiowe
Szczegółowość kształtu	zwykle wysoka	zwykle mniejsza
Działanie w ciemności	tak	tak
Działanie w trudnej pogodzie	może być ograniczone	często lepsze
Typowe zastosowanie	skanowanie 3D i mapowanie	wykrywanie obiektów, odległości i prędkości

Radar może lepiej działać w deszczu, mgle i śniegu. LiDAR zwykle dokładniej odwzorowuje kontury oraz położenie obiektów.

W zaawansowanych systemach obie technologie często pracują razem.

LiDAR a sonar — jaka jest różnica?

Sonar wykorzystuje fale dźwiękowe, a LiDAR światło.

Cecha	LiDAR	Sonar
Rodzaj sygnału	światło	dźwięk
Typowe środowisko	ląd i powietrze	przede wszystkim woda
Zastosowanie	mapowanie przestrzeni i obiektów	pomiary głębokości i obiektów pod wodą
Szybkość sygnału	bardzo duża	znacznie mniejsza

Sonar jest podstawowym narzędziem do badania dna i wykrywania obiektów pod wodą. Światło używane przez typowy LiDAR ma w wodzie ograniczony zasięg, choć istnieją specjalistyczne systemy przeznaczone do pomiarów płytkich akwenów.

LiDAR a kamera — co jest lepsze?

Nie da się jednoznacznie wskazać lepszej technologii, ponieważ każda dostarcza innych danych.

Kamera dobrze rejestruje:

• kolory,
• tekstury,
• znaki,
• napisy,
• szczegóły wizualne.

LiDAR dobrze mierzy:

• odległość,
• głębokość,
• kształt,
• położenie przestrzenne.

Kamera może mieć problem z oceną odległości w ciemności lub przy słabym kontraście. LiDAR nie potrzebuje światła dziennego, ale sam nie rozpoznaje kolorów tak jak aparat.

Najlepszy efekt często daje połączenie obu rozwiązań.

Czy LiDAR działa w nocy?

Tak. LiDAR emituje własne impulsy światła, dlatego może wykonywać pomiary w całkowitej ciemności.

Brak światła słonecznego nie jest dużym problemem. Technologia może być używana:

• nocą,
• w tunelach,
• w ciemnych pomieszczeniach,
• w magazynach,
• pod ziemią.

Na jakość danych mogą natomiast wpływać mgła, śnieg, deszcz i pył. Cząsteczki znajdujące się w powietrzu odbijają światło, co może powodować dodatkowe punkty lub ograniczać zasięg.

Czy LiDAR działa przez ściany?

Standardowy LiDAR nie działa przez pełne ściany.

Impuls odbija się od pierwszej napotkanej powierzchni. Jeśli czujnik jest skierowany na ścianę, zarejestruje jej położenie, ale nie zobaczy pomieszczenia znajdującego się po drugiej stronie.

LiDAR może jednak rejestrować obiekty przez:

• szczeliny,
• otwory,
• ażurowe konstrukcje,
• przerwy między gałęziami,
• rzadką roślinność.

To nie jest jednak widzenie przez materiał, lecz przechodzenie części impulsów przez wolne przestrzenie.

Czy LiDAR widzi przez drzewa?

LiDAR nie przenika przez drewno ani liście tak jak promieniowanie rentgenowskie. Podczas skanowania lasu część impulsów odbija się jednak od koron, a część przechodzi przez przerwy i dociera do niższych warstw lub ziemi.

Jedno wysłanie impulsu może dać kilka odbić:

• od najwyższych liści,
• od gałęzi,
• od niższej roślinności,
• od gruntu.

Dzięki temu można rozdzielać dane o koronach drzew i powierzchni terenu.

Czy laser LiDAR-u jest bezpieczny?

Wiele czujników konsumenckich i samochodowych jest projektowanych tak, aby podczas prawidłowego użytkowania nie stanowić zagrożenia dla wzroku.

Bezpieczeństwo zależy jednak od:

• klasy lasera,
• mocy,
• długości fali,
• czasu ekspozycji,
• konstrukcji urządzenia.

Profesjonalnego sprzętu należy używać zgodnie z instrukcją producenta. Nie powinno się patrzeć bezpośrednio w źródło lasera ani samodzielnie modyfikować zabezpieczeń urządzenia.

Jak dokładny jest LiDAR?

Dokładność zależy od rodzaju systemu i warunków pracy.

Profesjonalny skaner bliskiego zasięgu może osiągać dokładność rzędu kilku milimetrów. W lotniczym mapowaniu rozległych obszarów błąd może wynosić kilka lub kilkanaście centymetrów.

Na wynik wpływają:

• odległość od obiektu,
• jakość czujnika,
• dokładność GPS,
• ruch urządzenia,
• kalibracja,
• kąt padania impulsu,
• rodzaj powierzchni,
• warunki pogodowe,
• sposób łączenia skanów.

Nie można więc podać jednej dokładności właściwej dla każdego LiDAR-u.

Jakie powierzchnie są trudne do skanowania?

Nie wszystkie materiały odbijają światło w taki sam sposób.

Problemy mogą powodować:

• szkło,
• lustra,
• woda,
• powierzchnie bardzo ciemne,
• powierzchnie silnie błyszczące,
• przedmioty półprzezroczyste,
• ruchome elementy.

Szkło może przepuszczać lub odbijać światło w sposób, który prowadzi do błędnych punktów. Lustro może zmienić kierunek impulsu, a woda pochłaniać lub nieregularnie odbijać część sygnału.

Bardzo ciemne powierzchnie mogą oddawać zbyt mało światła, szczególnie przy większej odległości.

Jak pogoda wpływa na działanie LiDAR-u?

W dobrych warunkach LiDAR może działać bardzo dokładnie, ale pogoda wpływa na jakość pomiaru.

Deszcz

Krople mogą odbijać impulsy i tworzyć dodatkowe punkty. Silny deszcz ogranicza zasięg oraz czytelność danych.

Mgła

Drobne kropelki rozpraszają światło. Czujnik może rejestrować mgłę zamiast odległego obiektu.

Śnieg

Płatki śniegu powodują dodatkowe odbicia, a zalegająca pokrywa zmienia rzeczywisty kształt terenu.

Pył i kurz

Duże zapylenie również może zakłócać pomiar.

Wpływ pogody zależy od konstrukcji czujnika, długości fali i odległości od obiektu.

Jakie są zalety LiDAR-u?

Najważniejsze zalety tej technologii to:

• wysoka dokładność pomiarów,
• szybkie zbieranie dużej liczby danych,
• tworzenie modeli 3D,
• działanie w dzień i w nocy,
• możliwość skanowania dużych obszarów,
• pomiar trudno dostępnych miejsc,
• dokładne odwzorowanie kształtu,
• możliwość łączenia z GPS-em i zdjęciami,
• przydatność w automatyzacji.

LiDAR pozwala zarejestrować przestrzeń w sposób, którego nie da się łatwo osiągnąć za pomocą pojedynczego zdjęcia.

Jakie są wady LiDAR-u?

Technologia ma także ograniczenia:

• profesjonalne urządzenia są kosztowne,
• skany zajmują dużo miejsca,
• obróbka wymaga odpowiedniego oprogramowania,
• dane mogą wymagać specjalistycznej wiedzy,
• pogoda może obniżać jakość pomiaru,
• szkło i woda bywają trudne do skanowania,
• urządzenia wymagają kalibracji,
• surowa chmura punktów nie zawsze jest łatwa do interpretacji.

Sam zakup skanera nie wystarcza. Ważne są również prawidłowe wykonanie pomiaru i późniejsza obróbka danych.

LiDAR w telefonie a profesjonalny skaner

LiDAR w smartfonie i profesjonalny skaner wykorzystują podobną ideę pomiaru odległości, ale różnią się możliwościami.

Cecha	LiDAR w telefonie	Profesjonalny skaner
Zasięg	krótki	od kilku do setek metrów
Dokładność	orientacyjna	wysoka lub bardzo wysoka
Liczba punktów	ograniczona	bardzo duża
Zastosowanie	wnętrza, AR, proste modele	geodezja, przemysł, budownictwo
Pozycjonowanie	czujniki telefonu	precyzyjne systemy pomiarowe
Cena	część urządzenia	często bardzo wysoka

Telefon dobrze sprawdza się przy szybkim pomiarze pomieszczenia lub wizualizacji mebli. Nie powinien jednak zastępować sprzętu geodezyjnego przy pomiarach wymagających precyzji.

Jak powstaje model 3D z danych LiDAR?

Samo skanowanie jest dopiero początkiem pracy.

Proces tworzenia modelu wygląda zwykle następująco:

1. Skaner zbiera punkty.
2. Powstają pojedyncze chmury punktów.
3. Skany z różnych miejsc są łączone.
4. Usuwa się błędne i przypadkowe punkty.
5. Dane są klasyfikowane.
6. Tworzona jest powierzchnia lub siatka 3D.
7. Model może zostać pokolorowany zdjęciami.
8. Gotowy obiekt jest eksportowany do dalszej analizy.

W przypadku lotniczego LiDAR-u punkty można podzielić na:

• grunt,
• budynki,
• roślinność niską,
• roślinność wysoką,
• wodę,
• infrastrukturę.

Takie klasyfikowanie pozwala tworzyć różne modele z tego samego zestawu danych.

Najczęstsze błędne przekonania o LiDAR-ze

LiDAR to zwykły aparat

Nie. Mierzy przede wszystkim odległość i położenie obiektów, a nie kolorowy obraz.

LiDAR działa przez ściany

Nie. Standardowy czujnik odbija sygnał od pierwszej napotkanej powierzchni.

LiDAR nie działa w nocy

Działa, ponieważ wykorzystuje własne źródło światła.

Każdy LiDAR jest równie dokładny

Dokładność zależy od sprzętu, zasięgu, warunków i sposobu wykonania pomiaru.

LiDAR zastępuje kamerę

Nie zawsze. LiDAR lepiej mierzy głębokość, a kamera zapisuje kolory i szczegóły wizualne.

LiDAR w telefonie wystarczy do geodezji

Zwykle nie. Czujnik telefonu nadaje się do prostych pomiarów i modeli, ale nie zastępuje profesjonalnego sprzętu.

LiDAR widzi pod ziemią

Standardowy LiDAR mierzy powierzchnie widoczne dla impulsu. Nie przenika przez grunt.

Najczęściej zadawane pytania

Co oznacza skrót LiDAR?

LiDAR oznacza Light Detection and Ranging, czyli wykrywanie oraz pomiar odległości za pomocą światła.

Do czego służy LiDAR?

Służy do pomiaru przestrzeni, tworzenia map, skanowania budynków, analizowania lasów, wspomagania pojazdów i tworzenia modeli 3D.

Czy LiDAR wykorzystuje laser?

Tak. Wysyła krótkie impulsy światła laserowego i mierzy czas ich powrotu.

Czy LiDAR działa w nocy?

Tak. Nie potrzebuje światła dziennego ani oświetlenia zewnętrznego.

Czy LiDAR widzi przez ściany?

Nie. Rejestruje powierzchnię, od której odbija się impuls.

Co to jest chmura punktów?

To zbiór punktów posiadających współrzędne przestrzenne. Razem odwzorowują kształt obiektu lub terenu.

Czym LiDAR różni się od radaru?

LiDAR wykorzystuje światło laserowe, a radar fale radiowe. LiDAR zwykle dokładniej odwzorowuje kształt, natomiast radar często lepiej działa w trudnej pogodzie.

Czy LiDAR może skanować las?

Tak. Pozwala mierzyć wysokość drzew, strukturę koron i częściowo powierzchnię ziemi pod roślinnością.

Czy LiDAR w telefonie jest dokładny?

Może być wystarczający do pomiaru wnętrz, aplikacji AR i prostych modeli. Nie zapewnia jednak dokładności profesjonalnego skanera.

Czy LiDAR jest bezpieczny dla oczu?

Urządzenia przeznaczone dla konsumentów powinny być bezpieczne przy prawidłowym użytkowaniu. Profesjonalny sprzęt należy obsługiwać zgodnie z instrukcją.

Podsumowanie

LiDAR to technologia mierząca odległość za pomocą impulsów światła laserowego. Czujnik wysyła sygnał, rejestruje jego powrót i na podstawie czasu przelotu oblicza położenie obiektu.

Wielokrotne pomiary tworzą chmurę punktów, z której można zbudować mapę albo model 3D. Technologia jest wykorzystywana między innymi w geodezji, leśnictwie, archeologii, budownictwie, motoryzacji, robotyce i smartfonach.

LiDAR działa również w nocy, ale może mieć problemy w deszczu, mgle oraz przy skanowaniu szkła, wody i bardzo ciemnych powierzchni. Nie widzi przez pełne ściany i nie zastępuje każdej innej metody pomiarowej. Najlepsze rezultaty często daje połączenie LiDAR-u z kamerami, radarem i systemami pozycjonowania.