LIDAR’ın Temel Prensibi, Bileşenleri ve Esasları

LIDAR sistemleri esas itibarıyla topografik yüzeylere ilişkin sayısal yükseklik bilgilerinin hızlı, kolay ve ekonomik biçimde toplanmasına ve üç boyutlu arazi modellerinin elde edilmesine olanak sağlar. LIDAR sistemi RADAR’a benzeyen aktif bir algılayıcı sistem olup ihtiyaç duyduğu enerjiyi ve ışığı kendisi üretir. Bu amaçla elektromanyetik spektrumun radar ve lazer dalgaları yerine yakın kızılötesi dalga boyu bandını kullanır. Lazer tarayıcı uçağın alt bölümüne hava kamerası gibi monte edilir.

LIDAR’ın temel çalışma prensibi özetle şöyledir: LIDAR sistemi sahip olduğu lazer tarayıcı ve diğer aksesuar ve donanımlar yardımıyla topografik yeryüzüne lazer ışını gönderir ve ışığın gidiş-dönüş zamanı hassas olarak kaydedilir. Işığın kaynaktan çıkıp geri gelme süresinin yarısı ile ışık hızı çarpılarak lazer sistemi ile obje arasındaki mesafe R hesaplanır (Navruz 43):

54

Ölçülen süre (t) ve lazerin açısı kullanılarak objenin üç boyutlu konumu ve koordinatları hesaplanır. Mesafe ölçme işlemleri sonucunda uçuş hattı boyunca zamana göre dağılmış yükseklik bilgisini içeren nokta bulutu verileri elde edilmiş olur.

Gönderilen lazer ışınının bir kısmı araziden/cisimden geri yansır ve platformdaki LIDAR algılayıcısına geri gelir. Yüzeye çarpan ışığın bir bölümü ise, yüzeyin pürüzlülük ve parlaklık değerlerine göre saçılır ve dağılır (scattering). Bu geri yansıyan ve saçılan lazer ışını analiz edilerek, ortaya çıkan değişiklikler hedefin özelliklerinin tespit edilmesinde kullanılır. Her bir yansıma değeri için yükseklik noktaları hesaplanır. LIDAR teknolojisi şu anda, yüksek çözünürlüklü topografik harita üretimi için kullanılmaktadır.

LIDAR ve Lazer tarama sisteminin temel çalışma prensibi Şekil 3.2 ve Şekil 3.3’te gösterilmiştir.

Şekil 3.2: LIDAR’da lazer ışınının yeryüzeyine gidişi ve geri dönüşünün temel prensibi1

1 _{Navruz, Muzaffer.,http://www.mta.gov.tr/v2.0/birimler/redaksiyon/ekonomi-bultenleri/2011-11/havadan-}

55

Şekil 3.3: LIDAR’ın temel çalışma prensibi (Yılmaz, H.Murat., Yakar, Murat., “LIDAR (Light Detection and Ranging) Tarama Sistemi,” Yapı Teknolojileri Elektronik Dergisi 2(2006): 23-33.)

LIDAR yöntemi ve lazer sistemlerinin başarısı yeteri kadar lazer ışınının araziye ulaşması ve yüzeye çarpması, etkin filtreleme ve sınıflandırma algoritmaları ve yazılımları kullanılarak bina, bitki örtüsü ve insan yapısı objelere ve detaylara olan istenmeyen çarpma etkilerinin ortadan kaldırılması ile yakından ilgilidir.

LIDAR sisteminin her proje uygulamasından önce kalibre edilmesi gereklidir. Yer kontrol noktaları (YKN) LIDAR’la yapılan ölçümlerin kontrolünde kullanılırken çalışma alanındaki GPS ve hava taşıtındaki GPS/IMU sistemleri ise gerçek zamanlı kontrolün yapılması amacıyla kullanılmaktadır.

Özellikle ormanlık alanlarda ve bitki örtüsü ile kaplı arazi kesimlerinde lazer kaynağından gönderilerek ağaçların yapraklarına, dallarına ve gövdesine, bitki örtüsü yüzeyine çarptıktan sonra yansıyan ve geri dönen ilk lazer ışınları ile araziye ilişkin sayısal yüzey modeli verileri elde edilir. Aynı ışın demetinin ağaçların dalları ve yaprakları arasından ve bitki örtüsü içinden geçerek gerçek arazi yüzeyine ulaşan ve daha geç yansıyan lazer ışınları ile çıplak arazi yüzeyineilişkin sayısal arazi modeli verileri oluşturulur. LIDAR sistemi ile yapılan ölçümlerde algılayıcıların alıcılarına ilk dönen sinyaller, genellikle ağaç

56

yaprakları, ağaç dalları ve bina tepelerine değen ve çarparak oradan geri dönen sinyallerdir. Son dönen sinyaller ise, ağaç yaprakları ve dalları arasından arazi yüzeyine ulaşan, toprağa değen ve oradan yansıyan sinyallerdir. Topoğrafik harita üretiminde genellikle son dönen elemanlar ve lazer ışınları (sinyalleri) kullanılır.

LIDAR tekniği, kullanılan platformlara ve taşıyıcılara göre dört farklı yöntemle uygulanır:

 Mobil LIDAR Sistemi (MLS: Mobile LIDAR): Arazide hareketli lazer tarama yöntemidir.

 Yersel LIDAR Sistemi (TLS: Terrestrial LIDAR System): Sistemin arazide sabit uygun noktalara kurularak yapılan LIDAR uygulamalarıdır.

 Hava Platformlu LIDAR Sistemi (ALS: Airborne LIDAR System): Uçaklardan uygulanır.

 Uydu Platformlu LIDAR (SLS: Spaceborne LIDAR System): Uydulardan uygulanır.

LIDAR-Lazer tarayıcı sistemleri iki farklı türde olabilir:

a. Atım (Pulse) Tip Lazer: Atım formu topoğrafik uygulamalarda yaygın olarak kullanılır. Lazerden kesikli sinyaller gönderilir ve bir ya da daha fazla sinyal kayıt olarak geri döner.

b. Dalga Tip Lazer: Lazer hedefe sürekli sinyal gönderir, sürekli ya da ona yakın bir sinyal geri döner (Bölme 2).

Bir hava bazlı LIDAR veri toplama sistemi, esas itibarıyla üç ana bileşenden oluşur (Şekil 3.4):

 Yüksek çözünürlüklü sayısal kamera,  Lazer tarayıcı sistemi,

57

Şekil 3.4: LIDAR sisteminin ana bileşenleri (Polat, Nizar., (2014). Farklı Filtreleme Yöntemleri İle LIDAR Nokta

Bulutlarından Sayısal Yükseklik Modeli Üretimi, Yüksek Lisans Tezi, Afyon Kocatepe Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü,

Afyon.)

LIDAR sistemi ile lazer ölçümünün temel elemanları üç tanedir:  Lazer Altimetresi (Yükseklik ölçer),

 Lazer Tarayıcı (Yüzey ölçer),  Lazer Sistemi (Mesafe ölçer).

Yüzey yapısına bağlı olarak, lazer altimetresinde genellikle iki farklı lazer türü kullanılır:

a. Topoğrafik Lazer Altimetresi: Kaynak olarak elektromanyetik spektrumun kızıl ötesi bölümü kullanılır.

b. Batimetrik Lazer Altimetresi: Elektromanyetik spektrumun mavi/yeşil bandı kullanılır.

58

Topografik LIDAR ile görev ve proje planlamasında lazer sinyal hızı (kHz), lazer dalga boyu (frekansı, μm), araziden itibaren uçuş yüksekliği (m), lazer tarama genişliği (m), arazideki lazer çözünürlüğü (cm) ve elde edilebilen yatay ve düşey doğruluklar (rmse, cm) büyük önem taşır.

LIDAR ile etkili sonuçlar alınması için aşağıdaki zaman ölçümlerinin dikkatle yapılması gerekir:

 GPS konum bilgisinin ölçüldüğü zaman,  IMU verisinin kaydedildiği zaman,  Lazer sinyalinin gönderildiği zaman,  Lazer sinyalinin geri döndüğü zaman.

LIDAR sisteminin etkili kullanımı içinen azından aşağıdaki koşulların yerine gelmesi gerekir:

 Alet alıcısı, ilk ve son sinyal dahilolmak üzere minimum 3 dönüş sinyalini kaydetme yeteneğine sahip olmalıdır.

 Arazi lazer beam çapı 15 cm’den daha büyük olmalıdır.

 LIDAR aletinin tarama açısı ± 20 dereceden daha küçük olmalıdır.