ليدار LiDAR 101: الدليل الكامل لتقنية الاستشعار بالليزر

ما هي تقنية LiDAR؟

ليدار (LiDAR) هي تقنية حديثة في مجال الاستشعار عن بعد تعتمد على مبدأ الكشف بالضوء وتحديد المدى (Light Detection and Ranging).

تعتمد هذه التقنية على إرسال نبضات ليزرية عالية التردد من منصات جوية مثل الطائرات، المروحيات أو الطائرات بدون طيار (الدرونز)، لتسقط على سطح الأرض. ثم ينعكس الضوء ويعود إلى المستشعر. ومن خلال قياس زمن الرحلة (Time of Flight) بدقة متناهية، يمكن حساب المسافة وإنشاء بيانات ثلاثية الأبعاد دقيقة لسطح الأرض.

هذه الخاصية تجعل LiDAR واحدة من أهم التقنيات في إنتاج الخرائط الطبوغرافية عالية الدقة وتحليل البيئات الطبيعية والحضرية.

كيف تعمل أنظمة LiDAR بالتفصيل؟

أنظمة LiDAR الجوية أو المحمولة على الدرونز تُعد بمثابة ماسحات ضوئية متقدمة. حيث ترسل أكثر من 160,000 نبضة ليزر في الثانية، ما يؤدي إلى إنتاج سحب نقطية (Point Clouds) تتكون من ملايين النقاط ثلاثية الأبعاد.

• الدقة الرأسية: تصل إلى حوالي 15 سم.

• الدقة الأفقية: تقارب 40 سم.

• عرض المسح التقليدي: حوالي 3,300 قدم.

• تقنيات متطورة مثل Geiger LiDAR: يمكنها تغطية عرض يصل إلى 16,000 قدم.

أثناء التحليق، يقوم جهاز LiDAR بمسح جانبي للأرض بزاوية محددة. بعض النبضات تسقط مباشرة أسفل الطائرة، بينما ينعكس البعض الآخر بزوايا مائلة. لذلك عند حساب الارتفاعات يتم دمج المسافة + زاوية الانعكاس للحصول على نتائج دقيقة.

نواتج بيانات LiDAR الأساسية

1. العوائد المتعددة (Multiple Returns)

عندما يخترق نبض الليزر الغطاء النباتي، يمكن أن ينعكس الضوء عدة مرات. على سبيل المثال:

• العائد الأول (First Return): من قمم الأشجار.

• العائد الثاني والثالث: من الفروع والأغصان.

• العائد الأخير (Last Return): من سطح الأرض العاري.

هذا يجعل LiDAR أداة مثالية في دراسة الغابات، لأنها تكشف بنية الأشجار من القمة حتى الجذور.

2. رقم العودة (Return Number)

تُخزّن أنظمة LiDAR معلومات عن ترتيب العوائد. فإذا لم يكن هناك غطاء نباتي، يسجل النظام عودة واحدة فقط من سطح الأرض. أما في المناطق الكثيفة، فقد يصل الأمر إلى تسجيل 3–4 عوائد.

3. النماذج الرقمية للارتفاع (DEM)

من خلال استخدام عوائد الأرض فقط، يتم إنشاء نماذج الارتفاع الرقمي (Digital Elevation Models) والتي تمثل التضاريس العارية.

تُستخدم DEM في:

• تحليل المنحدرات (Slope).

• دراسة اتجاه الانحدار (Aspect).

• إنتاج الخرائط المظللة (Hillshade).

4. النماذج الرقمية للسطح (DSM)

تشمل النماذج الرقمية للسطح (Digital Surface Models) الارتفاعات الناتجة عن المباني، الأشجار، وخطوط الكهرباء. وهي أساسية في التخطيط العمراني و التطبيقات الهندسية.

5. نماذج ارتفاع المظلة (CHM)

للحصول على ارتفاع الغطاء النباتي أو المباني، يتم طرح DEM من DSM، ما ينتج نموذج ارتفاع المظلة (Canopy Height Model). هذه النماذج تُستخدم بكثرة في علم الغابات، الزراعة الدقيقة، وتحليل الكثافة النباتية.

6. شدة LiDAR (Intensity)

قوة عودة النبض الليزري تختلف حسب زاوية السقوط و نوع السطح (تربة، أسفلت، مياه، نباتات). هذه الخاصية تُستخدم في:

• تصنيف الغطاء الأرضي (Land Cover Classification).

• تمييز المواد المختلفة في الصور الجوية.

7. تصنيف النقاط (Point Classification)

وفقًا لمعايير ASPRS، يتم تصنيف النقاط في سحب LiDAR إلى فئات مثل: الأرض، المباني، المياه، والنباتات (منخفضة، متوسطة، عالية). هذا التصنيف مهم في تحليل البيانات الجغرافية المكانية.

مصادر بيانات LiDAR المجانية (Free LiDAR Data Sources)

الحصول على بيانات LiDAR كان مكلفًا في الماضي، لكن بفضل برامج البيانات المفتوحة أصبح الوصول إليها مجانيًا في عدة دول.

من أفضل المصادر:

1. USGS Earth Explorer – أكبر مكتبة لبيانات الاستشعار عن بعد.

2. OpenTopography – منصة أكاديمية مفتوحة للباحثين.

3. NOAA Digital Coast – متخصصة في السواحل الأمريكية.

4. Data.gov – مكتبة بيانات أمريكية متعددة المجالات.

5. LiDAR UK – لمشروعات الخرائط في بريطانيا.

6. Canadian Open LiDAR Data – بيانات مجانية في كندا.

في حال عدم العثور على البيانات المناسبة، يمكن شراء بيانات LiDAR من شركات متخصصة، حيث تُجمع عبر طائرات مروحية أو طائرات بدون طيار (UAV LiDAR).

تطبيقات تقنية LiDAR

تتميز تقنية LiDAR بتنوع تطبيقاتها، ومن أبرزها:

• إدارة الغابات: قياس ارتفاع الأشجار وحجم الكتلة الحيوية.

• الخرائط الطبوغرافية: إنتاج خرائط دقيقة للتضاريس.

• التخطيط الحضري: دراسة المباني والبنية التحتية.

• الهندسة المدنية: تصميم الطرق، الجسور، والمشروعات الكبرى.

• البيئة والتغير المناخي: مراقبة تأثيرات إزالة الغابات والتصحر.

• إدارة الكوارث: تحليل مخاطر الفيضانات والانهيارات الأرضية.

• الزراعة الدقيقة: تتبع نمو المحاصيل وتحليل التربة.

 لماذا LiDAR مهم لمستقبل الاستشعار عن بعد؟

تقنية LiDAR تُعتبر من أهم أدوات الاستشعار عن بعد ونظم المعلومات الجغرافية GIS في العصر الحالي. بفضل قدرتها على إنتاج بيانات ثلاثية الأبعاد دقيقة وبكثافة عالية، أصبحت أداة رئيسية في الأبحاث العلمية، التخطيط العمراني، حماية البيئة، وحتى في التطبيقات اليومية مثل السيارات ذاتية القيادة.

مع انتشار مصادر بيانات LiDAR المجانية، أصبح بإمكان الباحثين والطلاب والمهندسين الاستفادة من هذه التقنية دون تكاليف باهظة. 

أنواع أنظمة LiDAR: دليل شامل لتقنية كشف الضوء وتحديد المدى

تقنية LiDAR (كشف الضوء وتحديد المدى) أصبحت اليوم واحدة من أهم أدوات الاستشعار عن بعد، حيث تعتمد على نبضات الليزر لإنشاء خرائط ثلاثية الأبعاد عالية الدقة للتضاريس والسطوح الطبيعية والصناعية. وتتنوع أنواع LiDAR وفقًا لحجم البصمة (Footprint)، الطول الموجي (Wavelength)، وطريقة تسجيل العوائد (Returns). في هذا الدليل سنستعرض جميع الأنواع، مكوناتها، وتطبيقاتها العملية.

ما هي أنواع LiDAR الرئيسية؟

1. LiDAR التنميطي (Profiling LiDAR)

• أول أنظمة LiDAR التي ظهرت في الثمانينيات.

• يُستخدم بشكل أساسي لمسح الخطوط المستقيمة مثل خطوط الكهرباء أو خطوط الأنابيب.

• يرسل نبضة واحدة متواصلة على طول خط مستقيم لتسجيل الارتفاعات.

• بالرغم من بساطته مقارنة بالأنظمة الحديثة، إلا أنه كان حجر الأساس لتطور تقنية LiDAR.

2. LiDAR ذو البصمة الصغيرة (Small-footprint LiDAR)

• الأكثر شيوعًا في العصر الحالي.

• يمسح الأرض بزاوية حوالي 20 درجة أثناء تحليق الطائرة أو الطائرة بدون طيار.

• إذا زادت الزاوية، يبدأ النظام في التقاط جوانب الأشجار بدلاً من السقوط العمودي.

أنواعه:

• LiDAR الطبوغرافي (Topographic LiDAR): يعتمد على الأشعة تحت الحمراء القريبة (Near-infrared) لإنشاء خرائط طبوغرافية دقيقة للأرض.

• LiDAR لقياس الأعماق (Bathymetric LiDAR):

هو نوع متخصص من تقنيات LiDAR يعتمد على استخدام أشعة الليزر الخضراء التي تمتلك القدرة على النفاذ عبر سطح الماء. بفضل هذه الخاصية يمكن للنظام قياس أعماق الأنهار والبحار والمسطحات المائية، إضافةً إلى إنشاء خرائط دقيقة لتضاريس القاع ومعالمه الطبوغرافية.

3. LiDAR ذو البصمة الكبيرة (Large-footprint LiDAR)

• يعتمد على تسجيل الموجة الكاملة (Full-waveform LiDAR).

• يتميز ببصمة واسعة تصل إلى 20 مترًا، مما يقلل من دقة التفاصيل في المناطق المعقدة.

• يُستخدم غالبًا في الأبحاث العلمية الواسعة النطاق.

• من أبرز تطبيقاته في مشاريع ناسا:

  • SLICER (مسح الستائر بالنظام الليزري).

  • LVIS (مستشعر تصوير الغطاء النباتي بالليزر).

4. LiDAR الأرضي (Terrestrial LiDAR)

• يتم تثبيته على حامل ثلاثي (Tripod) لمسح نصف الكرة الأرضية.

• دقيق جدًا في إنشاء نماذج ثلاثية الأبعاد للمباني والمنشآت.

• يستخدم في:

  • المسح المعماري وحفظ التراث.

  • الهندسة الجيولوجية.

  • البناء والهندسة المدنية.

  • إدارة الغابات ورصد نمو الأشجار.

5. LiDAR بنظام جيجر (Geiger-mode LiDAR)

• تقنية حديثة لا تزال في طور تجريبي.

• قادرة على العمل من ارتفاعات عالية جدًا.

• تتميز بقدرتها على تغطية مساحات واسعة مقارنة بالأنواع الأخرى.

• مرشحة لتكون تقنية المستقبل في المسوح الإقليمية والمشاريع الوطنية الكبرى.

مكونات نظام LiDAR المحمول جوًا

لكي يقدم LiDAR بيانات دقيقة وموثوقة، فإنه يعتمد على أربعة مكونات رئيسية:

1. مستشعرات LiDAR: تطلق نبضات ليزرية (عادة بالأشعة تحت الحمراء أو الخضراء).

2. أجهزة استقبال GPS: تحدد الموقع والارتفاع بدقة عالية.

3. وحدة قياس القصور الذاتي (IMU): تسجل ميل الطائرة لتصحيح زاوية سقوط النبضة.

4. مسجل البيانات: يخزن جميع النبضات والعوائد ليتم معالجتها لاحقًا وتحويلها إلى نماذج ارتفاعات رقمية.

LiDAR الموجة الكاملة مقابل LiDAR العائد المنفصل

LiDAR العائد المنفصل (Discrete-return LiDAR)

• يسجل كل ارتداد على حدة: العائد الأول من قمة الأشجار، الثاني من الأغصان، والأخير من سطح الأرض.

• مفيد جدًا في تحليل الغطاء النباتي وتقدير ارتفاعات الأشجار.

LiDAR الموجة الكاملة (Full-waveform LiDAR)

• يسجل النبضة كاملة كموجة مستمرة.

• يوفر تفاصيل أعمق عن الغابة أو التضاريس.

• يحتاج إلى معالجة معقدة، لكنه يمنح نتائج أكثر دقة.

تطبيقات LiDAR

1. الغابات (Forestry LiDAR): تحليل هيكل الأشجار، تقدير الكتلة الحيوية، ورسم خرائط الغابات.

2. السيارات ذاتية القيادة (Autonomous Vehicles LiDAR): التعرف على المشاة والعوائق وإشارات المرور.

3. الآثار (Archaeology LiDAR): الكشف عن المباني المدفونة مثل معابد المايا والأهرامات القديمة.

4. الهيدرولوجيا (Hydrology LiDAR): دراسة مجاري الأنهار، رسم الخرائط الهيدرولوجية، وتحليل مخاطر الفيضانات.

الفرق بين LiDAR والرادار (Radar vs LiDAR)

• الرادار (Radar): يعتمد على موجات الراديو، ويستخدم تقنية الرادار ذي الفتحة الاصطناعية (SAR) لمسح مساحات واسعة بزاوية مائلة.

• LiDAR: يعتمد على أشعة الليزر (الضوء)، ويرسل نبضات عمودية نحو الأرض للحصول على تفاصيل دقيقة ثلاثية الأبعاد.

الخلاصة:

• الرادار → مناسب للمسوح الواسعة.

• LiDAR → مثالي للحصول على بيانات ثلاثية الأبعاد عالية الدقة.

تقنية LiDAR أحدثت ثورة في عالم الاستشعار عن بعد ورسم الخرائط. فهي:

• توفر دقة عالية جدًا تصل إلى السنتيمترات.

• تكشف السطوح الطبيعية والصناعية بدقة غير مسبوقة.

• تدعم تطبيقات حيوية مثل السيارات ذاتية القيادة، الغابات، الآثار، والهيدرولوجيا.

إنها الأداة التي تسمح لنا بقياس العالم من حولنا وكأنها عين سحرية ثلاثية الأبعاد، تعتمد على نبضات الضوء بدلًا من العصي السحرية.