LIDAR Teknolojisi Nedir? Nasıl Çalışır? Nerelerde Kullanılır?

LIDAR, "Işık Tespiti ve Uzaklık Tayini" anlamına gelen "Light Detection and Ranging" sözcüklerinin kısaltmasıdır. En yalın haliyle; lazer ışınlarını kullanarak, nesnelerin, ölçüm aleti arasındaki uzaklığını ölçmeye yaran bir uzaktan algılama teknolojisidir. Işık hızında çalışması dolayısıyla ölçüm yaptığı alanı çok hızlı bir şekilde, yüksek doğrulukla ölçebilmektedir. Bu sayede, gerek topografik haritaların oluşturulmasında, gerekse diğer başka teknolojik çalışmalarda yoğun bir şekilde kullanılmaktadır. Bu konuya daha sonra geleceğiz; ancak önce, kısaca bu teknolojiyi mümkün kılan fizik tarihine bakış atalım.

National Ecological Observatory Network

20. yüzyılın başlarında, Albert Einstein ve Max Planck, ışığın sadece dalgalar halinde yayıldığını değil, aynı zamanda parçacıklar ("foton") halinde de yayıldığı gerçeğini ortaya çıkardılar. Bu sayede, hem ışığın doğasını daha iyi bir şekilde anlayabildik, hem de kuantum teorisinin temellerini atmış olduk. Fakat en nihayetinde, temel bilimlerde yaşanan böylesine olağanüstü bir gelişme, sadece yaşadığımız evreni, doğayı anlamamıza katkı sağlamaz, bunun yanında başka yepyeni teknolojilerin keşfine de büyük olanaklar sağlar.

Buna uygun olarak, ilerleyen yıllarda bu çığır açıcı bilimsel gelişme sayesinde, 1960 yılında, Theodore Maiman isimli bir Alman fizikçi, fotonları kullanarak oluşturduğu bir optik düzenek sayesinde ilk kez lazer ışımasını keşfetti.

Lazer ışınlarının keşfi, LIDAR için de büyük önem taşıyordu, çünkü LIDAR doğrudan lazer ışınlarını kullanarak çalışmaktaydı. Lazer keşfinin ardından, hemen bir yıl sonra karşımıza ilk LIDAR örneği çıkmaktaydı. Hughes Aircraft Company ismini taşıyan bir havacılık şirketi tarafından geliştirilen bu yeni ölçüm teknolojisi, birçok bilim dalında ve çok daha yeni teknolojilerde kullanılmaya başlanacaktı. Fakat ilk yıllarda beklediği değeri görmemiş, ancak 1980'li yıllara geldiğimizde kullanımının çeşitlendiği ve daha popüler olduğunu görmüş olacaktık.

LIDAR Teknolojisi Nasıl Çalışır?

LIDAR, aslında gayet basit bir çalışma prensibine sahiptir. Bunu yaparken de, RADAR (İng: "Radio Detection and Ranging", Tr: "Radyo Tespiti ve Uzaklık Tayini") teknolojisinden farklı olarak, radyo dalgaları yerine lazer ışınları kullandığı için sabit olarak değil, sürekli hareket halinde çalışmaya ihtiyaç duyar. Çünkü radyo dalgalarının her yöne yayılım yapmasının aksine lazer ışınları tek bir çizgi üzerinde yayılır. Bu nedenle, ya bir uçağa, ya da bir arabaya takılı olarak, etrafını sürekli tarar ve saniyede bazen 150.000 kadar lazer ışını göndererek, neredeyse yüz milyonlarca noktadan oluşan bir "nokta bulutu" meydana getirir.

GreenValley International

Bu nokta bulutunu oluşturabilmek içinse, Dünya veya Mars gibi herhangi bir diğer gezegen üzerinde bulunan nesnenin, LIDAR cihazına olan uzaklığını öğrenmek için, sadece bir bilgiye ihtiyaç duymaktadır: Nesneye gönderilen lazer ışınlarının algılayıcıya geri dönüş süresi. Çünkü zaten halihazırda lazer ışınlarının hızı bilinmektedir - ki bu hız, ışık hızıdır ve her zaman sabittir. Buna ek olarak zaman bilgisini de kattığımızda uzaklık bilgisini elde edebiliriz. Çünkü bildiğimiz üzere, uzaklığı (x) elde edebilmek için; hız (v) ile zamanı (t) çarpmaktayız ($x=vt$).

Fakat şunu da özellikle belirtmekte fayda var: Bahsettiğimiz geri dönüş süresi, aynı zamanda uçuş süresi olarak da kullanılmaktadır. Bunun nedeni, LIDAR cihazının takılı olduğu araç genel olarak bir planör veya drone olması ve haliyle ölçümün, hareket halindeyken yapılmasıdır. Bundan dolayı, ışınların geri dönme süresi yerine ışının geri dönmesine kadarki kat edilen zaman, yani "uçuş süresi" de hesaplamalarda sıklıkla kullanılmaktadır.

Lazer ışınları; bir kez nesneye çarpma, bir kez de tekrardan algılayıcıya dönmesinden dolayı "iki" kez etkileşime girmektedir. Biz ise, sadece nesnenin uzaklığını bulmak istediğimiz için, ışık hızı ile aracın kat ettiği uçuş süresini çarptıktan sonra bu sonucu ikiye böleriz. Ve en nihayetinde şöyle bir formül ile karşılaşmış oluruz:

Ölçülen Nesnenin Uzaklığı = (Işık Hızı x Uçuş Süresi) / 2

Wikimedia

LIDAR'ın, bu ölçümlerden elde ettiği verinin ismi "sayısal yükseklik bilgisidir". Anlayacağımız, ölçüm yaptığı nesnenin konumunu hesaplamaz, sadece yükseklik bilgisini, yani "z" koordinat bilgisini hesaplar. Diğer koordinatları da tespit etmek için, LIDAR ile birlikte bir de GPS kullanırız ve böylelikle "x" ve "y" koordinat bilgilerini de elde etmiş oluruz.

Burada dikkat edilmesi gereken, ölçüm yapan aracın (örneğin, uçağın) bir yandan seyir halinde olmasının dışında, tahmin edilmesi güç hava halleri karşısında yalpalaması söz konusu olmasıdır. Tahmin edileceği üzere, en ufak bir yalpalama ve yön değişimi bile ölçümde hata meydana getirecektir. Bundan dolayı, atalet (eylemsizlik) ölçü birimi (IMU) ismi verilen ve jiroskop, manyetometre gibi araçları kullanarak bu sapmaları ölçen bir cihaz sayesinde, oluşan bu olumsuz durumun üstesinden gelmeye çalışırız.

LIDAR Teknolojisinin Sağladığı Avantajlar ve Dezavantajlar

LIDAR, uzaktan algılayıcılar arasında elbette tek başına değildir. Daha meşhur olan ve sıklıkla kullanılan RADAR teknolojisi, az önce de söz ettiğimiz gibi, lazer ışınlarının aksine radyo dalgalarını kullanmaktadır. Bu iki olgunun varlığından yararlanarak çalışan bu teknolojilerin birbirlerine karşı bazı üstünlükleri ve zayıflıkları bulunmaktadır.

LIDAR teknolojisinin RADAR'a kıyasla sağladığı avantajlardan ilki, lazer ışınlarının kısa dalga boyuna sahip olması sayesinde oluşturduğu sayısal modellerin çözünürlüğü daha yüksek olması ve bu nedenle küçük nesneleri tespit etmekte çok daha iyi bir seçim haline gelmesidir. Diğer bir önemli avantajı ise, güçlü bir hassasiyete sahip olması sayesinde bir nesnenin 3 boyutlu görüntüsünü tam olarak oluşturabilmesidir. Anlayacağımız, kısa menzilli uzaktan algılama ve fotogrametri çalışmalarında LIDAR, RADAR'a kıyasla çok daha yüksek doğruluğa sahip sonuçlar verebilmektedir.

FierceElectronics

Fakat LIDAR teknolojisinin de dezavantajlı olduğu noktalar vardır. Örneğin, LIDAR teknolojisi RADAR'a kıyasla oldukça pahalıdır. Hatta bu, LIDAR'ın en önemli dezavantajıdır diyebiliriz. Diğer bir olumsuz özelliği ise, kullandığı teknolojinin gece veya kötü hava şartlarında, RADAR'a kıyasla çok daha sınırlı bir kullanıma sahip olmasıdır. Son olarak ise, RADAR teknolojisine kıyasla daha yüksek çözünürlükte veri elde edebiliyor olsa da lazer ışınları radyo dalgalarına göre daha kısa mesafelere ulaşabilirler ve bu yönüyle büyük ölçekli çalışmalarda ve kullanımlarda (örneğin, gemicilikte) RADAR teknolojisi daha kullanışlıdır diyebiliriz.

LIDAR Teknolojisinin Kullandığı Alanlar

LIDAR, günümüzde henüz RADAR kadar popüler değildir. Fakat LIDAR teknolojisinin kullandığı alanların sayısına bakacak olursak birbirinden farklı, yaklaşık 50 alana büyük hizmetler sağlamaktadır. Bunlardan birkaçına hızlıca göz atacak olursak:

Tarım

Tarım alanlarının yüksek doğruluğa sahip, sayısal yükseklik bilgisini elde ederek hangi alanların daha fazla eğime sahip olduğu veya hangi yöne bakan alanların daha fazla güneşlendiğini öğrenmemizi sağlar. Böylelikle, tarım alanlarını üretim değerine bakarak sınıflandırabiliriz ve alanları daha verimli kullanabiliriz. Öyle ki, sadece ekim için değil, gübreleme işleminde hangi alanların önceliğe sahip olacağını da bu sayede çok doğru bir şekilde belirleyebiliriz.

Ormancılık

Orman alanlarının planlanmasında ve yönetilmesinde sıklıkla başvurulan bir teknolojidir. Örneğin, bir ormandaki biyo-kütle hacmini ve ağaç sayısını tespit edebilmemizi sağlar. Bunun yanında, orman alanlarının hangi silvikültürel işlemden geçmesi gerektiğini veya hangi alanların bozuk orman statüsünde olduğunu belirlememize yarar. Bunların dışında, belki daha önemli olarak, orman yangınlarıyla mücadele planları yaparken, yangın anında hangi rotaları kullanabileceğimizi gösterebilir.

Hava Kirliliği

Lazer ışınları, kendi dalga boyuna eşit veya daha büyük nesneleri yakalayabildiği için, özellikle yüksek nüfuslu kentsel alanlardaki hava kirliliğinin ne boyutta olduğunu ve nasıl bir değişime uğradığını tespit ederken LIDAR teknolojisini kullanabiliriz. Örneğin, havadaki karbondioksit, sülfür dioksit ve metan gibi kirleticilerin varlığını ve ne oranda olduklarını bu sayede öğrenebiliriz.

Urban air pollution monitoring using scanning Lidar

Su Baskın ve Akış Modelleri

LIDAR, yüksek çözünürlükte sayısal yükseklik bilgisi elde edebiliyor olması sayesinde, nehir yataklarının üzerinde köprü modellenmesi işleminde, nehrin o anki durumunu ve gelecekteki genişleme kapasitesini öğrenebiliriz. Bunların dışında, herhangi bir bölgenin eğim ve topoğrafya haritalarını oluşturabiliyor olmasıyla, su akış çizgilerinin belirlenmesinde ve tahmin ya da ilerleme yönü gibi analizlerin yapılabilmesinde, kısaca afet planlamalarının hazırlanmasına bu yönüyle büyük katkılar sağlar.

Bina modelleme

Yine, yüksek çözünürlükte 3 boyutlu modellemeler yapabiliyor oluşu nedeniyle, modeli yapılacak binanın üzerinde düşük irtifa uçuşlar yapılarak istenilen veriler elde edilebilir.

Ulaşım

Halihazırda, yolların ve çevresinin ne durumda olduğunu tespit etmekte kullanılır. Bunun yanında, yeni yol planlarını hazırlarken; güzergah tespitini, kaç şeritli olacağını, hangi bölgeye ne kadar kazı ve dolgu yapılacağını, eğiminin kaç olacağını ve son olarak kalite standardını belirleyebilmemize yardımcı olur.

Otonom Araçlar ve Akıllı Telefonlar

Otonom araçların, etrafındaki binalarla, arabalarla veya canlılarla olan uzaklığını 200 metreye kadar belirleyerek aracın güvenli bir şekilde yol alabilmesini sağlar. Yani, bir nevi aracın gözü olarak işlev görmektedir. Öyle ki, sadece birkaç santimetrenin ayrıntısını bile 100 metre uzaklıktan tespit edebilir! Fakat dezavantajları bölümünde bahsettiğimiz gibi, şu anda yüksek maliyetli olması nedeniyle kullanılıp kullanılmaması tartışma konusudur.

Velodyne Lidar

Akıllı telefonlarda ise durum farklıdır. Yakın zamanda, iPhone 12 Pro akıllı telefon modelinde kullanılmaya başlanan LIDAR uzaktan algılayıcılar, şu anda daha çok tasarım amaçlı olmak üzere, 5 metre uzaklık içerisindeki alanın 3 boyutlu modelini üreterek, oluşturulan model üzerinden anlık değişim yapma olanağı sunar. Bunun yanı sıra oyun sektöründe, arttırılmış gerçeklik teması üzerinden, oyunların doğrudan, ev gibi ortamlarda oynanmasını mümkün kılar - ki bu yönüyle VR (İng: "Virtual Reality, Tr: "Sanal Gerçeklik") teknolojisinin tam tersini, yani oynanan oyunun kendi dünyasındaki gerçekliği artırmaktan çok, gerçek dünyanın içerisine oyunları entegre eder. Aşağıdaki videodan da, akıllı telefon üzerinden nasıl tasarım amaçlı kullanıldığını görebiliriz.

Robotik

Otonom araçlardaki kullanımına çok benzer olarak, yine bulunduğu robotun adeta bir gözü gibi çalışır ve yüksek hızda çalışıyor olması sayesinde robotların çevreleriyle anlık olarak etkileşime girebilmesine olanak sağlar - ki hem bu yönü, hem de yüksek çözünürlükte veri elde edebiliyor oluşu onu, robotik alanındaki çalışmalar için çok önemli bir yerde tutar.

Buna uygun olarak, aşağıdaki videodan Boston Dynamics'in LIDAR sensörünü kullanarak ürettiği robotların deney videosunu izleyebiliriz.

Sonuç

Görebileceğiniz gibi LIDAR teknolojisi, yüksek isabetli ve yüksek çözünürlüklü analizler yapılması gereken durumlarda çok önemli bir teknoloji olarak karşımıza çıkmaktadır. Maliyeti ve az sayıda da olsa belirli kısıtlara sahip olması bakımından kimi zaman RADAR'ın yerini alamasa da, ışığın gücünden faydalanarak teknolojimizi daha ileri götürebilmekteyiz ve bu, Dünya'mızı daha da yaşanabilir bir yer yapma çabamıza büyük katkılar sağlamaktadır.