LiDAR ir tehnoloģija, kas apvieno zinātnisku precizitāti ar praktisku pielietojumu. LiDAR sistēma darbojas, emitējot īsus lāzera impulsus un reģistrējot laiku, cik ātri tie atstarojas no objektiem un nokļūst atpakaļ pie uztvērēja. Balstoties uz zināmo gaismas ātrumu, tiek aprēķināts attālums līdz mērķim. Apvienojot miljoniem šādu mērījumu, rodas 3D punktu mākonis, kas raksturo reljefu, struktūras/objektus vai pat pilsētvides teritoriju.

LiDAR ir vairākas būtiskas priekšrocības salīdzinājumā ar citām attāluma un kartēšanas metodēm:

• augsta precizitāte (mērījumi ar centimetru precizitāti);
• ātrums (iespējams ļoti daudz datu punktu īsā laika sprīdī, aptverot plašas teritorijas);
• spēja “redzēt” cauri veģetācijas slānim (atsevišķi lāzera impulsi spēj sasniegt zemi pat zem koku vainagiem);
• universalitāte (LiDAR darbojas gan dienā, gan naktī);
• integrācija ar citām tehnoloģijām (globālā navigācijas satelītu sistēma jeb GNSS, fotogrammetrija un tālizpēte).

Pastāv vairāki LiDAR ierīču veidi. LiDAR ierīces tiek montētas uz lidmašīnām un bezpilota lidaparātiem – galvenokārt kartēšanas un novērošanas mērķiem. Proksimālās tālizpētes sensoros izmanto LiDAR ierīces uz trijkāju statīviem, specializētiem automobiļiem un rokās turamām mērierīcēm.

LiDAR tehnoloģijas pamati meklējami 20. gs. vidū, kad tika attīstītas pirmās lāzera sistēmas. Jau 1960. gadā amerikāņu inženieris un fiziķis Teodors Meimans (Theodore Maiman) radīja pirmo praktiski izmantojamo lāzerierīci, kas pavēra ceļu uz jaunām attāluma mērīšanas metodēm. Pirmie LiDAR prototipi tika izmantoti 20. gs. 60. gadu beigās, galvenokārt militāriem uzdevumiem un atmosfēras pētījumos, piemēram, mākoņu un gaisa piesārņojuma izpētei. Amerikas Savienoto Valstu (ASV) Nacionālā aeronautikas un kosmosa administrācija (National Aeronautics and Space Administration, NASA) bija viena no pirmajām LiDAR pielietotājām kosmosa misijās, piemēram, Apollo programmas laikā tā tika izmantota, lai kartētu Mēness virsmu. 20. gs. 70. un 80. gados LiDAR sāka izmantot arī civilajās jomās – topogrāfisko karšu sagatavošanā, meteoroloģijā un mežu inventarizācijā. Līdz ar globālās pozicionēšanas sistēmas (GPS) un inerciālās navigācijas sistēmu attīstību 90. gados LiDAR kļuva par nozīmīgu ģeotelpisko datu ieguves instrumentu.

LiDAR balstās uz klasiskās fizikas (elektromagnētisms, optika, viļņu teorija, ģeometrija), kvantu fizikas (fotonu mijiedarbība, izkliede) un lietišķās matemātikas (signālu apstrāde, statistika) principiem. Šo teoriju apvienojums ļauj precīzi mērīt attālumus un veidot digitālus Zemes virsmas vai objektu modeļus.

• Elektromagnētisko viļņu teorija nosaka, kā elektromagnētiskie viļņi (tostarp gaisma un lāzera impulsi) izplatās telpā un mijiedarbojas ar vielu. LiDAR darbojas tuvajā infrasarkanajā, redzamajā vai ultravioletajā spektrā. Lāzera staru izstarošana, izplatīšanās, atstarošanās un uztveršana ir saistīta ar viļņu uzvedību, tostarp gaismas ātrumu un mijiedarbību ar atmosfēras daļiņām.
• Kvantu elektrodinamikas (quantum electrodynamics, QED) un optiskās izkliedes teorijas vēsta, ka lāzera impulsi sastāv no fotoniem. Saskaroties ar virsmu, daļa fotonu tiek absorbēti, daļa izkliedēti, daļa atstaroti. LiDAR sensori uztver atstarotos fotonus, un signāla intensitāte ir atkarīga no materiāla īpašībām (atstarošanas spēja, absorbcija).
• Atmosfēriskā mijiedarbība – LiDAR stari mijiedarbojas ar atmosfēru: Reileja izkliede (molekulu līmenī, atkarīga no viļņa garuma, spēcīgāka īsajos viļņos). Mī izkliede (aerosolu un pilienu līmenī, daļiņu izmērs līdzīgs viļņa garumam). Šie principi izskaidro signāla vājināšanos un ir pamatā atmosfēras LiDAR pielietojumiem (piemēram, mākoņu un aerosolu pētījumiem).

Ar LiDAR tehnoloģiju darbināma ierīce izstaro ļoti īsu gaismas impulsu (tipiski infrasarkanajā diapazonā) uz mērķa virsmu. Gaismas stars (fotoni) atstarojas no objekta (piemēram, zemes virsmas, koka vai ēkas) un atgriežas pie uztvērēja. Tad ierīce precīzi izmēra laiku, cik ilgi gaismas impulsam vajadzīgs, lai atgrieztos. Izmantojot gaismas ātrumu un laiku, tiek aprēķināts attālums līdz objektam. Tālāk no šādu mērījumu kopas iespējams iegūt 3D punktu mākoni, kas ataino virsmas formu un struktūru.

Lāzera avots emitē (izstaro) gaismas impulsus (tipiski viļņa garumos 905 nm, 1064 nm vai 1550 nm). Mehānisks spogulis vai optiskā prizma novirza emitētos starus, savukārt uztvērējs (fotodiode) reģistrē atstarotos impulsus. Ierīcē iebūvēts arī GNSS uztvērējs, kas nosaka precīzu LiDAR platformas (lidaparāta vai drona) atrašanās vietu uzņemšanas brīdī, kā arī inerciālais sensors (Inertial Measurement Unit, IMU), kas reģistrē kustības un slīpuma leņķus, lai precizētu katra mērījuma pozīciju telpā. Dati tiek saglabāti uz digitāla datu nesēja.

Zemes zinātnēs un kartogrāfijā no LiDAR datiem tiek veidoti augstas precizitātes digitālie reljefa (DEM) un virsmas (DSM) modeļi, kas ļauj precīzi analizēt, piemēram, upju baseinus, krastu eroziju, kalnu nogruvumus vai pilsētvides attīstību. Mežsaimniecībā to izmanto precīzā koksnes apjoma noteikšanā, kā arī piesaistītā CO₂ apjoma aprēķinos. Arheologi ar LiDAR var atklāt senas apmetnes, ceļus vai rituālās struktūras, kas ar tradicionālām metodēm būtu grūti pamanāmas, jo ir klātas ar veģetāciju. Piemēram, Centrālamerikā ar šo tehnoloģiju atklātas plašas maiju civilizācijas pilsētas un struktūras.

LiDAR tehnoloģija mūsdienās ir kļuvusi par neatņemamu instrumentu daudzās tautsaimniecības, ražošanas nozarēs:

• Mežsaimniecība un ekoloģija – LiDAR ierīces tiek izmantotas, lai noteiktu koku augstumu, vainagu struktūru, biomasas apjomu, kā arī mežu veselības stāvokli. Tas palīdz ilgtspējīgā resursu pārvaldībā un bioloģiskās daudzveidības aizsardzībā.
• Inženierzinātnes, arhitektūra – šeit LiDAR tiek izmantots infrastruktūras plānošanā, ceļu un tiltu monitorēšanā, kā arī pilsētu 3D modelēšanā.
• Resursu pārvaldībā – LiDAR ierīces izmanto derīgo izrakteņu ieguvē, uzskaitē un izpētē.
• Autonomās transporta sistēmas – pašbraucošās automašīnas izmanto LiDAR sensorus, lai uztvertu apkārtni un droši pārvietotos satiksmē.

No lielākajiem uzņēmumiem, kas ražo LiDAR ierīces (sensorus un sistēmas) komerciālajam tirgum, minami Hesai Technology (Ķīna, automobiļu un industriālais sektors); Ouster Inc. (ASV, sensori kartēšanai, rūpniecībai, bezpilota lidaparātos un infrastruktūras pārvaldībā); Aeva Technologies Inc. (ASV, sensori automobiļos); Valeo SA (Francija, sensori sērijveida automobiļiem) un SICK AG (Vācija, LiDAR skeneri loģistikai, robotikai un kartēšanai).

LiDAR attīstība turpinās strauji, pateicoties tehnoloģiju miniaturizācijai un izmaksu samazinājumam. Dažas no nākotnes tendencēm ir autonomā mobilitāte (pašbraucošās automašīnas, bezpilota lidaparāti un roboti); kosmosa pētījumi (plānotās misijas uz Mēnesi un Marsu); viedpilsētu attīstība (satiksmes plūsmas uzraudzība, pilsētu 3D kartēšana). Apvienojumā ar mākslīgo intelektu (MI) būs iespējama efektīvāka automatizēta datu apstrāde.