Lazer Tarayıcı (LIDAR) Sistemler

Uzaktan algılama sistemleri tarafından mesafe, sayısal olarak kaynaktan objeye ve daha sonra objeden kaynağa tekrar geri dönen radyasyonun bu iki yönlü hareket zamanının çok hassas şekilde ölçülmesi ile belirlenebilmektedir [43]. Ancak bu prensip darbeli veya modülasyonlu bir kaynak ve yeterli zaman çözünürlüklü bir algılama sistemi gerektirmektedir. Bu sistemler, ses, radyo dalgaları ve ışık kullanımına bağlı olarak SONAR (Sound NAvigation Ranging) veya SODAR (SOund Detection And Ranging), RADAR (RAdio Detecetion And Ranging) veya LIDAR (LIght Detection And Ranging) şeklinde sınıflandırılmaktadır [43]. SONAR su altında mesafe belirleme amaçlı kullanılırken, diğerleri atmosferde kullanılmaktadır. Bütün mesafe belirleme sistemleri EM enerjinin yayılması ve alınması prensibi ile çalışmaktadır. Aralarındaki temel farklılık kullandıkları bant frekansları olmaktadır.

Yukarıda bahsedilen sistemlerden biri olan ve literatürde; Lazer Kaynaklı Yön ve Mesafe Belirleme (Laser Induced Direction And Ranging) [44], lazer altimetre (laser altimeter) [45], [46], lazer tarama (laser scanning) [47] ve daha yaygın şekilde Işık Algılama ve Mesafe Belirleme (Light Detection And Ranging) [48] şeklindeki farklı terminolojiye sahip LIDAR, taşıyıcı olarak lazer ışın demetini kullanan aktif bir uzaktan algılama sistemidir [48]. LAZER (Laser) kısaltması ise “Light Amplification by Stimulated

Emission of Radiation”, yani radyasyonun uyarılmış emisyonu ile ışığın güçlendirilmesine karşılık gelmektedir [49]. LIDAR terimi ilk olarak Middleton ve Spilhaus tarafından 1953 yılında ortaya konulmuştur [43]. Hiç şüphesiz günümüzün en önemli coğrafi-konumsal veri alım teknolojisi olan LIDAR aslında yeni değildir. LIDAR’ın uzaktan algılama aygıtı olarak kullanımı tarihte 30 yıldan fazla geriye gitmektedir [45]. Temelde LIDAR prensibinin ortaya çıkışı, her ne kadar modern LIDAR teknolojisinin gelişimi 1960’lardan sonra hızlı şekilde gelişmeye başlamışsa da lazer öncesi dönemlere dayanmaktadır [43], [45]. O zamandan beri lazer doğal çevrelerin doğru ve daha hassas ölçümünde önemli bir role sahiptir [47]. Lazer, yüksek oranda koşutlanmış, yönelimli, koherent ve eş fazlı bir EMR ışın demeti (veya darbesi) üreten ve yayan bir cihazdır [49]. İkinci dünya savaşının sonunda radarın gizliliğinin ortadan kalkması ile geliştirilen ilk cihaz başarılı bir şekilde kullanılmıştır [43]. Özellikle 1970’lerde, tekniğin güvenilirliği artmış ve mühendislik ölçümleri ve yapı endüstrisinde lazerlerin kullanımı başlamıştır. Daha sonra, 1980’lerde ve 1990’larda, sistemin hava şartlarına dayanıklı makinelere adaptasyonu ile çevresel sistemlerde geniş bir alanda uygulama imkânı bulmuştur [43], [45]. Yakın görünür ışık kaynağı kullanan, Elektromanyetik Mesafe Ölçüm (Electromagnetic Distance Measuring (EDM)) araçlarının gelişimi, DTM (Digital Terrain Model) üretiminde gerekli veriyi etkin şekilde toplamaya imkân verdiği için disiplinin gelişiminde önemli etkiye sahip olmuştur. Ancak, büyük alanlardaki (özellikle >1 km2_{) yoğun haritalama, klasik teodolit EDM kullanımı}

ile büyük işlem zamanı ve maliyeti ortaya çıkarmıştır [43]. Bu zorlukların üstesinden gelebilmek için, LIDAR teknolojisi 1995’ten bu yana, satışa hazır şekilde ticari pazarının gelişimi ile faydalı bir araç olarak yer almaktadır [45]. Çünkü LIDAR hızlı şekilde, yoğun ve yüksek doğrulukta nokta bulutları üretebilmekte ve topoğrafyanın sayısal modellerinin oluşturulmasına ve hedef yüzeyin düşey yapısının modellenmesine imkân sağlamaktadır [45], [50].

Temelde LIDAR sistemi verici ve alıcıdan oluşmaktadır. LIDAR’ın bileşenleri çoğunlukla; 1) verici, 2) verici optikleri, 3) alıcı optikleri, 4) algılayıcı, 5) veri alımı, işleme, değerlendirme, görüntüleme ve kayıt etmede kullanılan elektronik sistemden oluşmaktadır [43]. Bütün lazer sistemler, sensör ve aydınlatılan zemindeki nokta arasındaki mesafeyi ölçmektedir [48]. Sistem tarafından ölçülen mesafe kısa süreli lazer ışının yayımı ile sensör alıcısındaki aynı ışının yansımasının (yani geri dönen sinyalin) geri dönüşü arasındaki gidiş-geliş süresinin hassas ölçümü ile belirlenmektedir [51].

LIDAR sistemler; 1) ışının yayılım fiziksel sürecinin çeşidine (Rayleigh, Mie, elastik ve elastik olmayan geri yansıma, emilim ve aydınlanma gibi), 2) kullanılan lazer tipine (Die ve ND: YAG), 3) LIDAR ölçümlerinin amacına (aerosol, bulut özellikleri, sıcaklık, ozon, nemlilik ve su buharı, rüzgar ve türbülans gibi), 4) LIDAR’ın ölçebileceği atmosferik parametrelere (Atmosferik yoğunluk, gaz kirleticiler, atmosferik sıcaklık profilleri gibi), 5) ölçümlerde kullanılan dalga boyuna (ultraviyole, kızılötesi görünür), 6) LIDAR konfigürasyonlarına (monostatic, biaxial, coaxial, düşey olarak noktalı ve tarayıcı LIDARlar ve bi-static), 7) ölçüm moduna (analog ve dijital), 8) platform tipine (laboratuarlardaki istasyonlar, mobil araçlar, balon, uçak ve uydu), 9) dalga boyu sayısına (tekil ve çoklu dalga boylu) bağlı olarak oldukça farklı şekillerde sınıflandırılmaktadır [52].

Genelde LIDAR platformları, karasal veya yersel, hava ve uzay tabanlı olmaktadır. LIDAR, ilk olarak dünya genelinde iklim gözlemleri yapabilmek için sabit konumlu yersel bir aygıt olarak geliştirilmiştir. Bunun dışında yersel lazer tarayıcı yoğun üç boyutlu konumsal veri setleri toplamaya imkân veren bir teknoloji olarak ortaya çıkmaktadır. Bunlar yapısında, çalışmasında, maksimum menzilinde, doğruluk derecelerinde, çözünürlüklerde ve merkezi lazer dalga boylarında farklılaşan yersel tarayıcı sistemlerdir [53]. Yersel lazer tarayıcılar ayrıca köprü, bina ve kıyı ölçümleri için sabit konumlu tripodlara monte edilebildikleri [54] gibi optik görüntüleme tabanlı mobil haritalama sistemlerinden evrilmiş mobil platformlar da mevcuttur [55]. LIDAR’ın gelişimi daha sonra hava ve uzay platformlarına evrilmiştir. LIDAR sisteminin ilk başarılı uygulamalarından sonra araştırmacılar hava araçlarında taşınabilecek formlarının oluşturulmasına yönelik çalışmalara başlamışlardır [56]. Günümüzde hava LIDAR sistemleri geniş alanlarda veri alımı için kullanılan en yaygın ve düşük maliyetli denebilecek platform olup uçaklar ve helikopterlere adaptasyonu sağlanmıştır. Pek çok hava platformu bir saatte 50 km2 alanı tarayabilme kapasitesine sahiptir [54]. Dünya yüzeyine düşen herhangi bir ışın noktasının X, Y ve Z koordinatlı pozisyonu üç kaynaktan yararlanarak belirlenmektedir; 1) LIDAR sensörü, 2) Hava aracının Referans Navigasyon Birimi (Inertial Navigation Unit, INU) ve 3) GPS (Global Positioning System) [47]. Hava araçları kadar yaygın olmasa da ölçüm kapasiteleri hava lazer tarama sistemlerinden 100 kat daha büyük olan uzay lazer tarama sistemleri de mevcuttur [57]. Ancak, lazer tarama kullanan uzay sistemlerinin misyonları operasyonel karakteristikleri bakımından sınırlı olmaktadır.

LIDAR sistemlerde kullanılan dalga boyları yaklaşık 250 nm’den 11 µm’ye uygulamaya bağlı olarak değişmektedir [58]. Yersel lazer uygulamalarında lazer dalga boyları 900- 1064 nm arasındadır [51]. Lazer ışının şiddeti ve alıcı açıklığının büyüklüğü maksimum uçuş yüksekliğinin belirlenmesinde etkili olan temel faktörlerdir [48]. Geri dönen sinyalin yoğunluk ya da şiddeti, gönderilen ışının toplam şiddeti, lazer ışınının fraksiyonu, lazerin dalga boyunda asılı yüzeyin yansıtılması ve yansıtılan aydınlanmanın fraksiyonu gibi çeşitli faktörlerden etkilenmektedir [51]. Geri dönen sinyalin tipine bağlı olarak, LIDAR sistemler “kesikli geri dönüş” veya “tam dalga-formu” olarak kategorize edilmektedir [46], [51]. Kesikli geri dönüş lazer sistemler; bir ışın (ilk veya son geri dönüş), iki ışın (ilk ve son geri dönüş) veya çoklu ışın (beş geri dönüşe kadar) ölçümü yapabilirken, tam dalga-form sistemler eşit zaman aralıklarında seri olarak sensöre geri dönen enerjinin miktarını ölçmektedir [46]. Çoklu ışın ölçümü yani beş geri dönüşe kadar ölçüm yapabilen sistemler daha yaygın şekilde kullanılmaktadır [54].